Tratamientos Superficiales: Modificación y Recubrimiento

Importancia de la Superficie de Materiales

• La superficie de los materiales es una región sensible a las agresiones del entorno, actuando como una "frontera".
• Las condiciones de servicio pueden modificar la superficie, aumentando la posibilidad de fallos como fatiga, corrosión, erosión y oxidación.
• La ingeniería de superficies tiene como objetivo proteger los materiales, añadir nuevas funcionalidades y proporcionar un acabado atractivo, a menudo mediante el uso de nano-capas.

Modificación vs Recubrimiento

• La modificación de superficies no altera sustancialmente la composición química y carece de una separación brusca entre el sustrato y la capa de tratamiento.
• El recubrimiento implica la generación o incorporación de una capa de un material diferente sobre la superficie.

Tipos de Tratamientos Superficiales

• Los tratamientos superficiales se dividen en tratamientos clásicos y nuevos.
• Los tratamientos clásicos incluyen recubrimientos metálicos (galvanizado, niquelado, cromado) y no metálicos (orgánicos como pinturas e inorgánicos como esmaltes, entre otros).
• También comprenden tratamientos térmicos y termoquímicos como cementación, nitruración y temple superficial.
• Los nuevos tratamientos buscan obtener un conjunto de propiedades difíciles de conseguir simultáneamente, creando "materiales compuestos superficiales".
• Ejemplos de nuevos tratamientos son la deposición física de vapor (PVD), deposición química de vapor (CVD) e implantación iónica.

Requisitos en Condiciones Aggresivas

• En condiciones de agresividad y altas temperaturas, los recubrimientos deben tener buena adherencia al sustrato, propiedades mecánicas y estabilidad térmica.
• Es esencial que haya compatibilidad mecánica, química y térmica con el sustrato.
• El coeficiente de expansión térmica debe ser lo más cercano posible al del sustrato.
• Se busca un bajo coeficiente de difusión del oxígeno y de los elementos del sustrato.

Physical Vapour Deposition (PVD)

• El PVD es un proceso que convierte un material en fase vapor mediante métodos físicos, condensándolo sobre un sustrato para formar un recubrimiento.
• Se requiere una cámara de alto vacío, temperaturas medias de 100–500 °C, y se forman capas de espesores de 10 μm o <1 μm.

Técnicas de Evaporación y Sputtering

• La deposición por evaporación térmica se da por haz de electrones o arco eléctrico.
• En "sputtering" o pulverización, los átomos se obtienen bombardeando un blanco (metal o cerámico) con iones de gas inerte.

Ventajas y Desventajas de PVD

• Ventajas: control de espesor, posible aplicación a conjuntos y uso como recubrimiento industrial o decorativo.
• Desventajas: distintos coeficientes de dilatación entre recubrimiento y sustrato, sensibilidad al estado y limpieza de la superficie.

Aplicaciones PVD

• Endurecimiento de superficies.
• Protección contra la oxidación/corrosión.
• Decoración y recubrimientos tribológicos.
• Creación de superficies funcionales (ópticas, magnéticas, semiconductoras) y elementos biocompatibles.

Chemical Vapour Deposition (CVD)

• En CVD, una reacción de uno o varios compuestos en forma de gas o vapor genera una capa que se deposita en un sustrato.
• Los tratamientos clásicos de CVD implican activación por alta temperatura.
• La deposición química activada por plasma (PECVD) permite trabajar a temperaturas más bajas (25-450 °C), ampliando el número de sustratos posibles.

Características de CVD

• Primeras aplicaciones en microelectrónica, actualmente similar a PVD.
• Se utilizan gases precursores y se requiere una cámara de medio-bajo vacío con temperatura alta.
• El proceso crea capas de espesores de 10 μm a 0,1 mm.

Ventajas e Inconvenientes CVD

• Ventajas: capas gruesas, densas, de alta pureza y uniformidad, buena adhesión y alta variedad de materiales.
• Inconvenientes: limitación de sustratos por alta temperatura, problemas en aceros tratados térmicamente y complejidad debido al elevado número de variables a controlar.

Aplicaciones CVD

• Utilizado en la industria química para componentes como bombas y válvulas.
• Recubrimientos de carbono en forma de diamante y DLC.
• Recubrimiento de diamante y obtención de grafeno/nanotubos de C.

Implantación Iónica

• Dependiendo de la energía de los iones, se pueden dar diferentes procesos: deposición, pulverización o penetración profunda.
• A bajas energías (10 V), los iones se depositan en la superficie, creando un recubrimiento.
• A energías mayores (500 V) se produce pulverización de la superficie.
• A energías muy altas (100,000 V), los iones penetran profundamente en la superficie.
• La implantación iónica modifica la estructura superficial y la composición química del sustrato.

Requisitos y Características de Implantación Iónica

• Requiere cámara de alto vacío y bajas temperaturas (ambiente - 150°C).
• Se utilizan metales o polímeros como iones implantados.
• La concentración de iones se distribuye a una profundidad entre 0,05 y 0,5 µm.

Ventajas y Desventajas de la Implantación

• Ventajas: aumentos de vida útil, no produce deformaciones ni degradación del pulido, es versátil y resulta en una transición gradual.
• Desventajas: proceso direccional, no apreciable a simple vista ni válido para desgaste severo.
• Objetivos: dopado de semiconductores, resistencia a la corrosión, dureza y resistencia al desgaste.

Proyección Térmica

• Un material de alimentación se calienta a un estado fundido o semifundido y se proyecta sobre una superficie.
• La elección se basa material