Tema 7.2 Procesos de recubrimiento de superficies PDF

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Ingeniería de Fabricación Grado en Ingeniería Mecánica Grado en Ingeniería Electrónica Industrial Grado en Ingeniería Eléctrica Grado en Ingeniería de Organización Industrial Tema 7.2 Procesos de recubrimiento de superficies Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación Departamento de Ingeniería Mecánica y Minera Escuela Politécnica Superior de Jaén Curso Académico 2020-2021 Procesos de recubrimiento de superficies ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES MECÁNICOS 3. RECUBRIMIENTOS POR ELECTRODEPOSICIÓN 4. RECUBRIMIENTOS POR PROYECCIÓN TÉRMICA 5. RECUBRIMIENTOS POR INMERSIÓN 6. RECUBRIMIENTOS POR DEPOSICIÓN 7. RECUBRIMIENTOS POR CONVERSIÓN 2 1. Introducción Clasificación de los procesos de fabricación Fundición Permiten modificar la geometría, las propiedades Deformación Plástica y el aspecto del material de CONFORMADO Mecanizado trabajo MEJORA DE Pulvimetalurgia PROCESADO PROPIEDADES Tratamientos Térmicos PROCESADO DE SUPERFICIES Limpieza y Tratamiento Superficial PROCESOS DE Recubrimiento y Deposición FABRICACIÓN Soldadura UNIONES PERMANENTES Pegado por Adhesivos ENSAMBLES Permiten unir componentes Fijaciones Permanentes UNIONES para crear nueva entidad Fijaciones Roscadas MECÁNICAS 3 1. Introducción Operaciones de Procesado de Superficies Procesos para adaptar la superficie de la pieza a las especificaciones técnicas del diseño Modificar texturas superficiales Mejorar resistencia al desgaste Mejorar lubricación / Reducir rozamiento Incrementar la conductividad eléctrica Aumentar la resistencia eléctrica Mejorar resistencias a corrosión y oxidación Mejorar resistencia a fatiga Recuperación de componentes y útiles de alto valor añadido Proporcionar rasgos decorativos 4 1. Introducción Clasificación Tratamientos superficiales Granallado Bruñido MECÁNICOS Recubrimientos por Galvanoplastia ELECTRODEPOSICIÓN Con llama Con arco eléctrico Recubrimientos por Con pistola de detonación Con plasma PROYECCIÓN TÉRMICA Por llama a alta velocidad Con gas frío Recubrimientos por INMERSIÓN Galvanizado Al vacío Deposición Física de Vapor Evaporación de arco catódico Recubrimientos por Deposición Iónica DEPOSICIÓN Deposición Química de Vapor Recubrimientos por Fosfatado Anodizado CONVERSIÓN Cromatado 5 2. Tratamientos superficiales Mecánicos Procesos de mejora de las propiedades superficiales de piezas por medios mecánicos Granallado La superficie trabajada recibe impactos de una gran cantidad de granalla (bolas) Aumento de la dureza superficial y la resistencia a la fatiga Limpieza: piezas fundidas, preparación para pintura Por proyección o en tambores rotativos 6 2. Tratamientos superficiales Mecánicos Procesos de mejora de las propiedades superficiales de piezas por medios mecánicos Bruñido Proceso conocido como laminado superficial La superficie a tratar se trabaja en frío con uno o varios rodillos muy duros y altamente pulidos Incrementa la dureza, la resistencia al desgaste y reduce la fricción Acabados especulares 7 3. Recubrimientos por Electrodeposición Galvanoplastia Tratamiento de superficies mediante la deposición de una capa metálica usando procedimientos electrolíticos Se sumergen dos metales en una solución electrolítica  Los iones metálicos del ánodo se disuelven en la solución al hacer pasar la corriente  Se depositan en el cátodo  Pieza Protección contra la oxidación y la corrosión V(mm3)= C (mm3/A s) I (A) t (s) [C  constante (f=densidad)] Fines decorativos 8 3. Recubrimientos por Electrodeposición Galvanoplastia Recubrimientos Zinc – para evitar corrosión Para recubrir alambres, cajas de interruptores eléctricos, chapas Níquel – para resistir la corrosión y con propósito decorativo También se usa como base para posterior cromado Estaño – contra la corrosión Latas para alimentos, conectores eléctricos Cobre - recubrimiento decorativo en acero y zinc Cromo – además de su aspecto decorativo por su resistencia al desgaste Cromo duro: asientos de válvulas, pistones hidráulicos, componentes de motores de aeronaves Cromo decorativo: muebles, elementos de oficina, cubiertos Cromado Cromo duro Baños Cromo decorativo 250/400 g/l Ácido crómico 200/300 g/l 1/2 g/l Ácido sulfúrico 1/3 g/l 45-65ºC Temperatura 36-45ºC 15/50 A/dm2 Densidad de 6/12 A/dm2 corriente 9 4. Recubrimientos por Proyección Térmica Recubrimiento de superficies con materiales en forma fundida o semifundida por medio de una pistola que aporta energía cinética y térmica al material El material fundido por diversos procedimientos es impulsado a alta velocidad por una corriente de gas o aire comprimido contra la superficie de la pieza que previamente debe ser preparada (rugosidad adecuada para facilitar la adherencia del revestimiento) 10 4. Recubrimientos por Proyección Térmica Principales características de técnicas de recubrimiento térmico Material de Gases o alimentación Espesor Proceso T (ºK) líquidos Porosidad (%) Flujo (μm) utilizados Tipo (g/min) Oxígeno Polvo 50-100 3000 Llama Acetileno 100-2500 10-20 3350 Hilo 40-650 Propano Oxígeno Pistola de detonación ≤4500 Acetileno Polvo 16-40 ≤300 0,5-2 Propano Oxígeno Óxidos combustibles a 2500 Acetileno Polvo 20-120 20-120 1.400 m/s Rango de temperaturas: 3000 ºC Espesores: 0,000013 – 3 mm 15 4. Recubrimientos por Proyección Térmica Con Arco Eléctrico Utiliza como fuente de calor un arco eléctrico entre dos electrodos consumibles del material a proyectar, mientras un gas comprimido atomiza y sopla el material fundido sobre la pieza Cualquier material que pueda ser conformado en alambre se puede utilizar (Al, Cu, Bronce, Mo, Ni, Zn, Acero inoxidable, Latón) 16 4. Recubrimientos por Proyección Térmica Con Plasma Se usa un arco plasmático como fuente de calor, además de impulsar al material sobre la pieza El material de recubrimiento va en forma de polvo y es arrastrado dentro de la llama suspendido en un gas La temperatura es mucho más alta que en los procesos anteriores, y al utilizar gases inertes se mejoran las propiedades metalúrgicas y mecánicas, mejor adhesión y menor porosidad Se pueden utilizar materiales muy duros con elevada temperatura de fusión 17 4. Recubrimientos por Proyección Térmica Con Gas Frío Gas (He o N2) es comprimido y calentado por un serpentín El material de aportación en forma de polvo es inyectado en una boquilla covergente-divergente donde es calentado y acelerado por el gas Con esta técnica sólo se trabajan generalmente polvos que se puedan deformar plásticamente Porosidad mínima 18 5. Recubrimientos por Inmersión Galvanizado Consiste en sumergir el metal que se va a recubrir en otro metal de menor punto de fusión, en estado fundido Su función principal es proteger contra la corrosión Materiales de recubrimiento: Zn (galvanizado) para recubrir hierro y acero Sn para hojalata y recipientes de alimentos Al (aluminizado) 19 5. Recubrimientos por Inmersión Galvanizado Proceso de Galvanizado Limpieza: electrolítica y mecánica Tratamiento térmico Inmersión en baño de zinc a unos 450ºC Enfriamiento: mediante corriente de aire o vapor – regula espesor 20 6. Recubrimientos por Deposición Deposición de Vapor  El sustrato (superficie de la pieza) se somete a procesos físico-químicos junto con gases que contienen compuestos químicos del material a depositar Pequeños espesores (µm) Materiales depositados: aleaciones, nituros, carburos, boruros, cerámicos y óxidos Sustrato: metal, plástico, vidrio y papel Productos: Recubrimientos en herramientas de corte y matrices (elementos sometidos a elevado desgaste), películas protectoras y conductoras en CI… Tipos: Deposición Física de Vapor (PVD) Deposición Química de Vapor (CVD) 21 6. Recubrimientos por Deposición Deposición Física de Vapor (PVD) Las partículas a depositar se transportan físicamente hacia la pieza de trabajo  El material a depositar se evapora a alta temperatura y se deposita sobre el sustrato Funciones del recubrimiento: Técnicos o funcionales: mejorar la resistencia al desgaste abrasivo: herramientas de corte, matrices, moldes. Tribológicos: mejorar los coeficientes de fricción y desgaste adhesivo Decorativos: mejorar resistencia a la corrosión, abrasión y estética (coloración). Tipos: Al vacío Evaporación de arco catódico Deposición iónica 22 6. Recubrimientos por Deposición Al vacío El material se vaporiza en una cámara al vacío por lo que la temperatura requerida para la evaporación es significativamente menor El calentamiento para vaporizar se puede realizar con varios métodos: por resistencia, con bombardeo por haz de electrones o con láser Se obtiene un plasma altamente reactivo de vapor ionizado del material de recubrimiento que se condensa sobre la superficie de la pieza y la recubre 23 6. Recubrimientos por Deposición Al vacío Resistencia a la corrosión  Electrónica y Óptica Decorativos  Joyería y accesorios mobiliario 24 6. Recubrimientos por Deposición Por arco catódico La energía necesaria para la evaporación se obtiene a través de un arco eléctrico generado sobre la superficie del material de aportación (cátodo). Las partículas de recubrimiento son aceleradas y proyectadas sobre la pieza a recubrir por acción de la diferencia de potencial existente entre el ánodo y el cátodo La energía cinética de los iones se transforma en calor al chocar contra la pieza y mantiene su temperatura durante la fase de recubrimiento Los distintos compuestos se forman al introducir en la cámara gases reactivos de distinta naturaleza a bajas presiones 25 6. Recubrimientos por Deposición Por Deposición Iónica Combinación de los dos anteriores Recubrimiento de herramientas con TiN La pieza se conecta al cátodo y el material de aportación al ánodo en una cámara al vacío Se inyecta gas inerte y mediante un campo eléctrico se ioniza formando plasma que bombardea la pieza limpiándola El material de aportación se vaporiza y las moléculas de vapor pasan a través del plasma y recubren la pieza La uniformidad y la adherencia del recubrimiento es muy buena 26 6. Recubrimientos por Deposición Deposición Química de Vapor (CVD) Procedimiento termoquímico para depositar las capas de material mediante la reacción química de uno o varios compuestos en forma de gas o vapor Alta temperatura (hasta 1000 ºC)  Aumentar la velocidad de reacción Los subproductos de la reacción son evacuados hacia el exterior mediante un sistema de alta velocidad de bombeo Se puede realizar a presión atmosférica o a baja presión (vacío) donde la difusión es mas alta y se consiguen recubrimientos mas homogéneos 27 6. Recubrimientos por Deposición Deposición Química de Vapor (CVD) Aplicaciones Dispositivos Electrónicos y Magnéticos (Células Solares, Sensores, Superconductores, etc.) Microelectrónica (capas conductoras, semiconductoras y aislantes) Recubrimientos Ópticos (Fibras Opticas, Películas Selectivas y Antirreflectantes, etc.) Recubrimientos Cerámicos (Herramientas, Reactores, Piezas mecánicas, barreras térmicas, pilas de combustible, etc) 28 6. Recubrimientos por Deposición Deposición Química de Vapor (CVD) TiC (recubrimiento  0,005 mm) Carburo Metálico 29 7. Recubrimientos por Conversión Producción de un recubrimiento sobre superficie metálica que se forma como resultado de reacciones químicas o electro-químicas (anodizado) Sustrato  Acero, Al o Zn Recubrimiento  Sales  Fosfatos, cromatos y oxalatos Fosfatado, Cromatado y Anodizado 30 7. Recubrimientos por Conversión Fosfatado Utiliza ciertas sales de fosfatos (Zn, Fe, Mn, Ca) con ácido fosfórico diluido para preparar piezas para la pintura Sustrato  zinc y el acero Espesores entre 0,0025 -0,05 mm Industria de automoción y aparatos eléctricos pesados 31 7. Recubrimientos por Conversión Cromatado Convierten la superficie en capas de cromatos mediante soluciones acuosas de ácido crómico y sales de cromatos Protección contra la corrosión, como base para pintura y con fines decorativos (coloración) Sustrato: Al, Cd, Cu, Mg, Zn y sus aleaciones Los espesores son menores que en el fosfatado: e < 0,0025 mm El método normal de aplicación es la inmersión 32 7. Recubrimientos por Conversión Anodizado Proceso electroquímico de oxidación forzada en el que se logra formar una capa protectora de óxido de aluminio (alúmina, Al2O3) dura y porosa que proporciona resistencia a la corrosión y un acabado decorativo La pieza conectada al ánodo en una celda electrolítica inmersa en un baño de ácido absorbe el oxígeno Se puede realizar en distintos colores o transparente y acabados mate o brillante Se aplica principalmente a aleaciones de aluminio y magnesio aunque también se aplica a zinc, titanio y otros metales menos comunes Ventajas El recubrimiento es más duro y con mejor apariencia que con pintura No le afecta la luz solar Aumenta la vida útil de las piezas 33 7. Recubrimientos por Conversión Anodizado 34 7. Recubrimientos por Conversión Anodizado 35