TECNOLOGIA PVD

INICIS DELS RECOBRIMIENTS PVD

L’impuls en el desenvolupament dels recobriments (Deposició Física en Fase Vapor) que es va produir durant la dècada dels anys setanta tenia per objectiu dipositar capes d’elevada duresa que milloraren el rendiment a desgast. Aquestes capes estaven inicialment formades per compostos ceràmics d’un sol metall. El compost amb major popularitat va ser en TiN (nitrur de titani). El seu color daurat característic va estar present en tot tipus d’eines de tall, plaques de metall dur, broques, freses, masclets de roscar, discos de serra, etc. 

La motivació de depositar compostos amb duresa propera al diamant va generar grans expectatives i van sorgir nous compostos obtinguts per tècniques PVD diferents. La diferència entre aquests requeia en el sistema d’evaporació del metall reactiu.

El desenvolupaments dels recobriments durs sol basar-se en nitrurs (metall amb Nitrogen), carbonitrurs (combinació metall amb nitrogen i carboni), carburs (metall i nitrogen) i òxids (metall i oxigen). Capes graduals, multicapes i capes a nivell nanomètric ha sigut l’evolució progressiva dels recobriments que han sigut implementats al mercat.

A la meitat de la dècada dels 90 irrompen els recobriments basats en Nitrurs de Titani i Alimini. La seva elevada duresa i resistència a l’oxidació suposà un salt en les aplicacions industrials del PVD.

Al mateix temps, l’obtenció de compostos dobles va ser un filtre per les tecnologies que no podien obtenir-se fàcilment com la precursora E-Beam (evaporació per canó d’electrons). L’evaporació per arc elèctric i polvorització catòdica (magnetron sputtering) són les tecnologies que actualment aconsegueixen els recobriments de majors prestacions.

 

TÈCNIQUES PER L’OBTENCIÓ DE RECOBRIMENTS PVD

De les diferents tècniques de PVD que existeixen en la indústria, es resumeixen en E-Beam, Arc catòdic i pulverització catòdica (Sputtering).

El mitjà d’evaporació i ionització del metall durant l’etapa de recobriment és sempre físic. Per això la denominació genèrica de processos de deposició física en fase vapor.

Un cop ionitzat el metall, la deposició es produeix fent reaccionar amb N, C o ambdós (també ionitzats) i en estat plasmàtic es condensen sobre la peça a recobrir que està polaritzada per generar la atracció d’ions i la densificació del recobriment.

En totes les tècniques les etapes comuns del procés són les següents:

  • Carga del reactor
  • Alt buit (10-5 mbar mínim)
  • Calentament
  • Decapat iònic
  • Recobriment
  • Refredament i descàrrega

Si el sistema d’evaporació es produeix per efecte d’un arc elèctric que es desplaça sobre el metall (càtode) es tracte d’evaporació per arc. Si l’evaporació es produeix per bombardeig sobre el metall o ceràmic (en aquest cas el blanc o càtode no ha de ser metàl·lic) d’un feix d’ions d’un gas inert (Ar) la tècnica es denomina Sputtering. La ionització pot ser optimitzada mitjançant camps magnètics (magnetron) aplicats sobre el blanc.

Generant els ions reactius s’introdueixen els gasos a mot baixa pressió per formar els compostos. Per focalitzar les peces, s’aplica una diferència de potencial (continua o en forma de pols) entre aquestes i la cambra del reactor.

Aquesta tècnica es confon, en ocasions, amb tractaments de banys químic, electrolítics o galvànics realitzats en instal·lacions obertes. Les instal·lacions PVD són hermètiques, recobreixen a pressions molt baixes (10-2, 10-3 mbar) i les reaccions s’aconsegueixen ionitzant els reactius (estat plasma). Excepte algunes instal·lacions són processos que es realitzen en discontinu. Degut a les condicions de treball aquests són considerats nets i respectuosos amb el medi ambient.

PVD MAGNETRON SPUTTERING

Fonaments de la tecnologia

La tecnologia d’evaporació per polvorització catòdica (PVD MS, magnetron sputtering) es diferencia de les altres tecnologies PVD, essencialment en la manera d’evaporar un metall o compost ceràmic.

Aquesta es produeix mitjançant el bombardeig d’ions d’un gas inert, com argó sobre el blanc. Fig.1.

Aquest bombardeig és amplificat i densificat mitjançant camps magnètics estratègicament dissenyats. Així s’aconsegueix sublimar els àtoms metàl·lics i ionitzar-los sense passar per l’estat de fusió. En l’apartat de avantatges es detalla la importància d’evitar aqueta fase.

Un cop obtingut el metall o compost ionitzat, el procés de deposició és similar a totes les tècniques PVD i el gruix dependrà de les característiques del moviment de la peça en el reactor i del temps de recobriment.

 

AVANTATGES DE LA TECNOLOGIA PVD MS

Des del punt de vista científic i acadèmic, la tecnologia de “sputtering” sempre ha sigut més estudiada per l’obtenció de capes molt homogènies, de morfologia i composició constant a més de possibilitar l’evaporació de materials exòtics, ceràmics, no conductors, etc.

No obstant, el creixement de les capes era inicialment molt lent, fet que feia que fos poc implementat en la indústria. Els avenços en el magnetrons no balancejats, innovacions en els camps magnètics i alimentació polsada del bombardeig iònic sobre els blancs i substrats (variant denominada HIPIMS, High Power Impulse Magnetron Sputtering) ha permès obtenir gruixos en temps lleugerament superiors a l’evaporació per arc, què, per altra banda és la tècnica industrialment més extesa.

Tecnologia-PVDMS

Fig 1. Mecanisme bàsic de l’evaporació per polvorització catòdica  “sputtering”

 

La sublimació d’ions sense passar per l’estat de fusió, permet obtenir capes homogènies sense discontinuïtat degut a les microgotes del metall fos característiques que es produeixen en altres sistemes d’evaporació, com l’evaporació per arc elèctric (fig 2 y fig 3)

Flubetech_arco Flubetech_MS

 

 Fig 2.  Superfície obtinguda per PVD arc elèctric convencional (esquerra) i  Fig 3 Superfície obtinguda per PVD magnetron sputtering (dreta)

 

 

 

La rèplica exacta de la superfície que obté PVD MS permet recobrir motlles que presenten un polit espectacular, inclús òptic.

Una altra avantatge que presenta el sistema d’evaporació per bombardeig de gas ionitzar és la possibilitat d’evaporar materials ceràmics. No es requereixen materials conductors com blanc com en les altres tècniques PVD. Diborur de titani, òxids d’alumini, grafit (DLC) són alguns dels compostos ceràmics que s’obtenen fàcilment per PVD MS.

Entre els materials que sublimen es troba el grafit. Combinat amb l’atmosfera d’hidrocarburs permet l’obtenció de capes DLC, de molt baix coeficient de fricció, de duresa elevada (s’obtenen DLC de fins 6000 HV) i una molt excel·lent resistència de corrosió.

 

PROPIETATS DELS RECOBRIMENTS PVD

Les característiques dels recobriments es basen en la millora tribològica de la superfície, duresa, coeficient de fricció, resistència a la corrosió, etc. El resum dels valors es mostra en la taula 1.

 

Duresa

La duresa pot ser mesurada mitjançant nanoidentificació, i les que obtenen els compostos més comuns són àmpliament conegudes. Tenint el diamant com l’element més dur de la naturalesa assignat amb el valor 10000 HV en escala Vickers de duresa, els compostos PVD estan entre valors compresos de 2500 HV a 4000 HV.

 

Fricció

Si bé la duresa es relaciona amb la resistència al desgast abrasiu, tribologia i fricció es refereixen més a la capacitat de lliscar i evitar microsoldadures entre dos materials que es troben en contacte. La relació entre els esforços que suposa fer-los lliscar un contra l’altre no els proporciona coeficient de fricció. Les capes dures impedeixen que el metall friccioni contra metall, baixant molt els valors de coeficient de fricció. Si a aquestes propietats es sumen les de reproduir una superfície polida i un recobriment lubricant (Carbó, Sulfurs i alguns metalls) la fricció descendeix evitant el desgast adhesiu (gripatge en fred i en calent). Els valors que es mostren en la taula són obtinguts a temperatures de 20-23 ºC i en condicions d’humitat del 85%.

Recobriment

Duresa HV/GPa

Coeficient de fricció

Color

Res. corrosió

TIN

2200/ 22

0,3

Daurat

Bona

AlTIN

3200/ 30

0,5

Negre violeta

Bona

AlTICRN

3700/ 38

0,5

Gris-Negre

Bona

DLC

2700/ 28

0,1 (0,01 DLC- DLC)

Negre antracita

Excel·lent

TiB2

2200/22

0.5

Metàl·lic

Bona

ZrN

3700/38

0,5

Duarat tènue

Molt Bona

CrN

2400/24

0,3

Metàl·lic

Molt Bona

 

Taula 1. Propietats dels diferents compostos  PVD MS

Resistència a la corrosió

Els recobriments PVD MS no són, per se, recobriments anticorrosius. No obstant, tota capa lliure de defectes que segelli la superfície millora la resistència a la corrosió. A més, hi ha compostos inerts a àcids i bases i compostos que generin òxids estables que ajuden al segellat. Compostos base carboni com DLC, base crom com CrN i Zirconi com ZrN presenten millores respecte als recobriments funcionals més convencionals.

 

Acabat de la Superfície, Rugositat

La ionització sense passar per la fusió del metall, pròpia del PVD MS, permet copiar la superfície amb absoluta fidelitat. L’absència de microgotes no només obté la superfície especular, a més impedeix la propagació d’esquerdes que s’inicien en elles sota esforços de compressió o cisallament.

Els coeficients de fricció van estretament units a la capacitat tribològica dels compostos però és fonamental l’acabat inicial de la superfície a recobrir i l’acabat final del recobriment. (Fig 4 i Fig 5). La tecnologia PVD MS és clarament líder front a altres tècniques PVD.

Tecnologia-PVD-fig4-150x150 DLC

 

 

Fig 4 i Fig 5. Rugositat  superficial observada per microscopia confocal (esquerra) i  SEM (dreta)

 

 

El desenvolupament de la tecnologia HIPIMS, la combinació amb fonts de polarització polsades, la qualitat d’acabat dels recobriments, la possibilitat d’evaporar un major nombre de compostos de distintes naturaleses, els creixements en forma de supernitrurs densos, tots ells fan de la tecnologia PVD MS, la tecnologia de recobriments amb major futur immediat i de llarg abast en sectors tant diferents com el decoratiu, la mecanització, la injecció de polímers i l’estampació en fred i calent de metalls.

 

APLICACIONS DELS RECOBRIMENTS PVD

Els recobriments PVD s’estan aplicant amb èxit a eines de tall, matrius de tall, embotició, laminació, extrusió, motlles d’injecció de polímers, motlles d’injecció d’aliatges lleugers (alumini, Zamack, magnesi,…), eines quirúrgiques, pròtesis, implants i components sotmeses a desgast en general.

Per ampliar informació sobre les aplicacions PVD pot consultar la secció Aplicacions per  MotllesMatriusEines de Corte o Biomèdiques.