u9 - tratamientos superficiales
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Facultad de Ingeniería – Grupo Tribología
TRATAMIENTOSSUPERFICIALES
1. Introducción2. Electrodeposición2. Electrodeposición3. Electroless Plating
4. Anodizado5. Hot Dipping
6. Pulverizado Térmico7. Depos. Física (PVD) y Química (CVD) de Vapor
8. Implantación Iónica9. Tratamientos superficiales con Láser
Introducción
TS → todo tipo de cambio superficial sobre el bulk
MS → modificación superficial del bulkRS → recubrimiento superficial con un material disímil
CaracterísticasCaracterísticas
↑ dureza↑ tenacidad↑ resistencia al corte↑ adhesióndilatación térmica = bulk↑ fractotenacidad, etc.
Introducción
TS → desarrollo tardío …- Tecnologías con altas tensiones y corrientes- Control electrónico de los procesos- Conocimientos de física del plasma y química- Tecnologías de alto vacío.
TS →• gaseoso; • solución; • fundido o semi-fundido; • sólido
Introducción
II=Ion Implantation; IAC=Ion Assisted CoatingIBAD=Ion Beam Assisted Deposition
PVD=Physical Vapor Deposition; CVD=Chemical Vapor DepositionPA=Asistencia por Plasma
Introducción
1º conjunto → electrodeposición2º conjunto → fuente de calor: Thermal Spray, arco E
plasma, laser, inmersión3º conjunto → vapor depositado: PVD, CVD, II.
Electrodeposición
Medio rápido y económico para espesores entre 1 y 800 µm
Aplica ≠ metales → Cr, Ni, Cu, Ag, Au, Pt, Zn, etc.
Baño electrolítico + dos electrodos + fuente de C.C.+
electrodo y/o sales como fuente de iones recubridoreselectrodo y/o sales como fuente de iones recubridores
Electrodeposición
La microestructura del electrodepósito dependerá de:
a) microestructura de la superficie recubiertab) condiciones de electrodeposición (densidad de corriente)c) temperatura, composición y agitación del electrolitod) composición y pH en la proximidad del cátodo
Electrodeposición
Electrodeposición
Cr decorativo ≅0.1-5µm ≅ 88% Cr ≅ 66 HRc
Cr duro ≅50-800µm ≅ 88% Cr ≅ 66 HRc
CrFD (Cr Fino Denso) ≅2-15µm ≅ 99% Cr ≅ 78 HRc
Electrodeposición
Electrodeposición
Electrodeposición
Variaciones en el espesor depositado en función a la geometría de la pieza
Electrodeposición
Ni ≅ 150 - 500 HV
Metales blandos → Sn, Pb-Sn, Ag para cojinetesPrevienen engrane/galling - soldaduras frías/seizure
Zn electrodepositado ≅ 2 – 10 µmZn electrodepositado ≅ 2 – 10 µm
Electrodeposición
Clase Espesor
Au deco enchapado fino 0,05 - 0,1 µ
Au deco enchapado 0,175 µ
Au ind clase 00 0,5 µ
Au ind clase 0 0,75 µAu ind clase 0 0,75 µ
Au ind clase 1 1,25 µ
Au ind clase 2 2,5 µ
Au ind clase 3 5 µ
Au ind clase 4 7,5 µ
Au ind clase 5 12,5 µ
Au ind clase 6 37,5 µ
Electrodeposición - Galvanoplástia
Cobreado sobre grafito
Moldes de yeso o madera
Electroless
Ni as EL = 48 - 50 RcNi TT 400°C, 60’ = 62 - 63 RC
Punto de fusión: 890 ° CDensidad: 7,85 a 7,95 g/cm3
Ni puro, Cu, Co, aleaciones Ni-P, Ni-B, Co-Ni-P, compuestos Ni-P-cerámico y Ni-P-polímero
Densidad: 7,85 a 7,95 g/cm3
µ Ni – Acero: 0,3
Electroless
Alta dureza y bajo coeficiente de fricción, bajo P 1 – 3 %Aplicaciones generales con acabado brillante, medio P 6 – 8 %Alta corrosión, alto P 12 – 13 %
Electroless
NiSO4+2NaH2PO2+2H2O � Ni+2NaH2PO3-+H2+H2SO4
NiSO4: sulfato de nickel2NaH2PO2: hipofosfato de sodio
Electroless + Electrodeposición
Electrodeposición anódica
Acido sulfúrico al 20% en agua, a 20ºC≈1ª x dm2 – 15 V
Electrodeposición anódica
Anodizado estándar → 25 µmAnodizado duro → 100 µm
65-70 HRc, 380-430 HV
Electrodeposición anódica
Electrodeposición anódica
Coloreado con Anilina y agua, a 30 – 40ºC
Sellado final, 120 seg en agua a 100ºC
Mejor comportamiento – Aluminio serie 6000
Hot dipping
Simple método para metales bajo (Al) y muy bajopunto de fusión (Sn, Pb, Zn, Pb-Sn)
Espesores relativamente gruesos > 0.02 mm
Bajo control del espesorBajo control del espesor
Estañados sobre acero de bajo carbono
Al(55%)/Zn por inmersión (aluminizados)Fe reacción con Al → intermetálicos estables 900ºC
Hot dipping
Hot dipping
Hot dipping
Vida útil → 5% de degradación superficial
Pulverizado térmico - Thermal spray
Mínima preparación del material baseOperación a baja T (hasta menores a 95°C)
•Incrementa resistencia al desgaste•Incrementa resistencia a oxidación y corrosión•Aptitud reconstruir o restaurar dimensiones•Aptitud para aplicaciones en biomateriales
Pulverizado térmico
Equipos portátiles o fijos
Adecuada p/todo tipo de metales
Metales puros, aleaciones, cermets, carburos, polímeros, materiales compuestos, recubrimientos cerámicos y hasta refractarioscerámicos y hasta refractarios
Atmósferas reductoras → mejor limpieza y adhesión
Partículas de alta dureza → CSi / CW ≅ 65 HRc
Pulverizado + Fusión → partículas adheridas a TambLuego, postcalentamiento para sinterizar
Pulverizado térmico
Aplicación rápida → e desde milésimas hasta 25 mm
Pulverizado térmico - EAW
Pulverizado térmico - EAW
Arco eléctrico x dos alambres → electrodos y aporte
Transporte: aire y/o Ar ↓↓ oxidaciones
Muy buena adhesión respecto otras técnicas
Deposiciones de hasta 55 kg/h
Equipos de muy bajo costo
No hay calentamiento → ausencia llama directa
Alambres huecos rellenos → CTi, CNTi, etc.
Pulverizado térmico - EAW
Pulverizado térmico - EAW
Pulverizado térmico - EAW
Pulverizado térmico - PA
Pulverizado térmico - PA
Plasma entre cátodo de W y ánodo de Cu
Arco eléctrico ioniza gas Ar → Plasma
Tipo, forma y tamaño de partícula determinanRendimiento y calidad
Espesores desde 50 a 500 µ
Temperaturas hasta 30.000ºC ???
Velocidades de aplicación → 300/550 m/seg
Equipos muy alto costo
Pulverizado térmico - PA
Pulverizado térmico – OFW/OFP
Propano - Oxígeno (O) 2526ºC Metilacetileno - O 2927ºC
Gas Natural - O 2538ºC Acetileno - O 3087ºC
Hidrógeno - O 2660ºC Plasma 2200 /
28.000ºCPropileno - O 2843ºC
Pulverizado térmico – OFW/OFP
Combustión mezcla de gases → acetileno y oxígeno
T (f) relación gas / O
Técnicas de bajo costo y altas tasas de aplicación
↑↑ porosidad, ↓↓ adhesividad, ↑↑↑↑↑ calentamiento↑↑ porosidad, ↓↓ adhesividad, ↑↑↑↑↑ calentamiento
Ni + CW → resistencia a la abrasión
Postcalentamiento para aliviar tensiones cuandoRS y sustrato ≠ coeficiente de dilatación térmica
Pulverizado térmico – OFW/OFP
Pulverizado térmico - HVOFP
Pulverizado térmico - Thermal spray
Cámara de combustión interna
Mezcla propano - hidrógeno - acetileno + oxígeno
Detonación y proyección por tubo de escape
Todo tipo de polvos y e depositados 50 – 500 µ
Velocidades de deposición de 700 a 1000 m/seg, con mas de 10 detonaciones por segundo
↑ adhesión, ↓↓ porosidad < 2%↑↑↑ contaminación del RS x gases
Pulverizado térmico – T vs V
Deposición por gases
Proceso PVD: sólido → gas → sólidoProceso CVD: gas → sólido
• ↑↑↑ adhesividad, superficie con "sputter cleaning”• Alta pureza de los recubrimientos depositados• Control microestructura, crecimiento columnar• Control microestructura, crecimiento columnar• ↑↑↑ rango de materiales y ↑↑↑ rango de sustratos• e uniformes, movimiento piezas en las cámaras• Amplio rango de temperaturas de deposición• Control de tasa de deposición• Posibilidad de mecanizar y/o pulir RS• Ausencia de H, ↓↓↓↓↓ fragilización• Nula presencia de efluentes y/o gases tóxicos
Deposición por gases
PVD – CVD se pueden diferenciar tres etapas
1.- creación de vapor2.- trasporte hasta la superficie a recubrir3.- crecimiento de la película
Deposición por gases
Deposición por gases
PVD por evaporación
PVD – Recubrimiento iónico
PVD - Sputtering
CVD
CVD
Material a depositar en estado vapor (p.e. Ti)+
Gas de transporte y reactante (p.e. N)⇓
RS de Nti
Temperaturas 150-2200°C, P 50 Pa y atmosféricaTemperaturas 150-2200°C, P 50 Pa y atmosférica
Vapor condensa sobre la muestra, pero a alta T
↑↑↑ adhesión, pero alta T de sustrato → limitación
Baja presión → ↑↑ calidad, ↑↑ velocidad deposición
PVD - CVD
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CVD
CTi 5-15 1-3 900-1100 Plata B MB R MB R B R
CNTi 5-15 1-3 900-1100 Dorado MB MB R B B B R
PACVD CW2 5-15 1-10 350-550 Plata R MB MB B MB MB B
PVD NTi 0,5-3 1-10 300-500 Dorado R M MB R M B B
Implantación iónica
Iones (N, C, B, etc.) impulsados con altas energías↓
Penetran superficies, con vacíos 10-3 - 10-4 Pa
Microestructura de no equilibrio → amorfa
MS: estructura sustrato + iones intersticiales
e ↓↓↓↓ ∼ 0,01 µm a 0,5 µm, (f) energía, ángulo deincidencia y composición química del sustrato.
e ↓↓↓↓ de MS ⇒ se mantienen cotas nominales
Implantación iónica
Implantación iónica
Gran ventaja → implantación ↓↓↓ T
N en acero → ↓↓ µ → ↑↑ E
Proceso de alto costo
Láser
Fuente limpia, de ↑↑↑ energía y control
↑↑ densidad de potencia, breve t⇓
calentamiento y enfriamiento, ↓↓↓↓ ZAC⇓
↓↓↓ distorsión, mínimo deterioro propiedades bulk↓↓↓ distorsión, mínimo deterioro propiedades bulk
Estado Sólido: aceros de alta templabilidadT > Tγ + enfriado ⇒ martensita
e ≤ 2 mm, aceros tipo 4340, 8620 y 52100, 60 HRc
Láser
Láser
Fusión: T láser > T f material
Alteraracion drástica de microestructuras originales
Refinandos y precipitados, con presencia de ZAC
FG y/o FN → FBFG y/o FN → FB
Aleación: agregado de polvos a pileta líquida
Gases inertes → ↓↓↓ oxidación
SAE 1018 + partículas de Cr + Grafito⇓
Carburos estables tipo M7C3 y M3C (Cr 43%)