TECNOLOGÍA PVD

INICIOS DE LOS RECUBRIMIENTOS PVD

El impulso en el desarrollo de los recubrimientos PVD (Deposición Física en Fase Vapor) que se produjo durante la década de los años setenta tenía por objetivo depositar capas de elevada dureza que mejoraran el rendimiento a desgaste. Estas capas estaban inicialmente formadas por compuestos cerámicos de un solo metal. El compuesto con mayor popularidad fue en TiN (nitruro de titanio). Su color dorado característico estuvo presente en todo tipo de herramientas de corte, placas de metal duro, brocas, fresas, machos de roscar, discos de sierra, etc. 

La motivación de depositar compuestos con durezas cercanas al diamante generó grandes expectativas y surgieron nuevos compuestos obtenidos por técnicas PVD distintas, cuya diferencia es el sistema de evaporación del metal reactivo.

El desarrollo de los recubrimientos duros suele basarse en nitruros (metal con Nitrógeno) carbonitruros ( combinación metal con nitrógeno y carbono), carburos (metal y carbono) y óxidos (metal y oxígeno). Capas graduales, multicapas y capas a nivel nanométrico ha sido la evolución progresiva de los recubrimientos que se han ido implementando en el mercado.

A mitad de la década de los 90 irrumpen los recubrimientos basados en nitruros de Titanio y Aluminio. Su elevada dureza y resistencia a la oxidación supusieron un salto en las aplicaciones industriales del PVD.

A la vez, la obtención de compuestos dobles fue un filtro para las tecnologías que no pueden obtenerlos fácilmente como la precursora E-Beam (evaporación por cañón de electrones). Evaporación por arco eléctrico y pulverización catódica (magnetrón sputtering) son las tecnologías que actualmente consiguen los recubrimientos de mayores prestaciones.

 

TÉCNICAS PARA OBTENCIÓN DE RECUBRIMIENTOS PVD

De las distintas técnicas de PVD que existen en la industria, se resumen en E-beam, Arco catódico y pulverización catódica (Sputtering).

El medio de evaporación e ionización del metal durante la etapa de recubrimiento es siempre físico. Por ello la denominación genérica de procesos de deposición física en fase vapor.


Una vez ionizado el metal, la deposición se produce haciéndolo reaccionar con N,C, o ambos (también ionizados) y en estado plasmático se condensan sobre la pieza a recubrir que está polarizada para generar la atracción de iones y la densificación del recubrimiento.

En todas las técnicas las etapas comunes del proceso son las siguientes:

 

  • Carga del reactor
  • Alto vacío (10-5 mbar mínimo)
  • Calentamiento.
  • Decapado iónico
  • Recubrimiento
  • Enfriamiento y descarga

 

Si el sistema de evaporación se produce por efecto de un arco eléctrico que se desplaza sobre el metal (cátodo) se trata de evaporación por arco. Si la evaporación se produce por bombardeo sobre el metal o cerámico (en este caso el blanco o cátodo no tiene porqué ser metálico) de un haz de iones de un gas inerte (Ar) la técnica se denomina Sputtering. La ionización puede ser optimizada mediante campos magnéticos (magnetrón) aplicados sobre el blanco.

Generados los iones reactivos se introducen los gases a muy baja presión para formar los compuestos. Para focalizarlos hacia las piezas, se aplica una diferencia de potencial (continua o pulsante) entre éstas y la cámara del reactor.

Estas técnicas se confunden, en ocasiones, con tratamientos en baños químicos, electrolíticos o galvánicos realizados en instalaciones abiertas. Las instalaciones PVD son herméticas, recubren a presiones muy bajas (10-2-10-3 mbar) y las reacciones se consiguen ionizando los reactivos ( estado plasmático). Salvo alguna instalación excepcional son procesos que se realizan en discontinuo. Por las condiciones de trabajo son considerados limpios y respetuosos con el medio ambiente.

 

PVD MAGNETRON SPUTTERING

Fundamentos de la tecnología

La tecnología de evaporación por pulverización catódica (PVD MS, magnetrón sputtering) se diferencia de las otras tecnologías PVD, esencialmente en la manera de evaporar un metal o compuesto cerámico.


Ésta se produce mediante el bombardeo de iones de un gas inerte, como argón, sobre el blanco. Fig.1.

Este bombardeo es amplificado y densificado mediante campos magnéticos estratégicamente diseñados. Así se consigue sublimar los átomos metálicos e ionizarlos sin pasar por el estado de fusión. En el apartado de ventajas se detalla la importancia de evitar esta fase.

Una vez obtenido el metal o compuesto ionizado, el proceso de deposición es similar a todas las técnicas PVD y el espesor dependerá de las características de movimiento de las piezas en el reactor y del tiempo de recubrimiento.

 

VENTAJAS DE LA TECNOLOGÍA PVD MS.

Desde el punto de vista científico y académico, la tecnología de “sputtering” siempre ha sido la más estudiada por la obtención de capas muy homogéneas, de morfología y composición constante además de posibilitar la evaporación de materiales exóticos, cerámicos, no conductores etc.

Sin embargo, el crecimiento de las capas era inicialmente muy lento, lo que lo hacía poco implementada en la industria. Los avances en los magnetrones no balanceados, innovaciones en los campos magnéticos y alimentación pulsada del bombardeo iónico sobre los blancos y sustrato (variante denominada HIPIMS, High Power Impulse Magnetron Sputtering) han permitido obtener grosores en tiempos sólo ligeramente superiores a la evaporación por arco, que, por otra parte es la técnica industrialmente más extendida.

 

Tecnologia-PVDMS

Fig 1. Mecanismo básico de la evaporación por pulverización catódica “sputtering”

 

La sublimación de iones sin pasar por el estado de fusión, permite obtener capas homogéneas, sin discontinuidades debido a las microgotas de metal fundido características que se producen en otros sistemas de evaporación, como la evaporación por arco eléctrico (fig 2 y fig 3)

 

Flubetech_MSFlubetech_arco

 

Fig 2 (evaporación por arco) izq.

Fig.3 (evaporación por magnetron sputtering) der.

 

 

 

La réplica exacta de la superficie que obtiene PVD MS permite recubrir moldes que presentan un pulido especular, incluso óptico.

Otra de las ventajas que presenta el sistema de evaporación por bombardeo de gas ionizado es la posibilidad de evaporar materiales cerámicos. No se precisan materiales conductores como blanco como en las otras técnicas PVD. Diboruro de titanio, óxidos de aluminio, grafito (DLC) son algunos de los compuestos cerámicos que se obtienen fácilmente por PVD MS.

Entre los materiales que subliman se encuentra el grafito. Combinado con una atmósfera de hidrocarburos permiten la obtención de capas DLC, de muy bajo coeficiente de fricción, de dureza elevada ( se obtienen DLC de hasta 6000 HV) y una muy excelente resistencia a la corrosión.

 

PROPIEDADES DE LOS RECUBRIMIENTOS PVD

Las características de los recubrimientos se basan en la mejora tribológica de la superficie, dureza, coeficiente de fricción, resistencia a la corrosión, etc. El resumen de los valores se muestran en la tabla 1.


 

Dureza

La dureza puede ser medida mediante nanoindentación, y las que obtienen los compuestos más comunes son ampliamente conocidas. Teniendo al diamante como elemento más duro de la naturaleza asignado con el valor 10000 HV en escala Vickers de dureza, los compuestos PVD están entre valores comprendidos de 2500 HV a 4000 HV.

 

Fricción

Si bien la dureza se relaciona con la resistencia al desgaste abrasivo, tribología y fricción se refieren más a la capacidad de deslizar y evitar microsoldaduras entre dos materiales que están en contacto. La relación entre los esfuerzos que supone el hacerlos deslizar uno contra otro nos los proporciona el coeficiente de fricción. Las capas duras impiden que metal friccione contra metal, bajando mucho los valores de coeficiente de fricción. Si a estas propiedades se suman las de reproducir una superficie pulida y un recubrimiento lubricante (Carbono, Sulfuros y algunos metales) la fricción desciende evitando el desgaste adhesivo (gripaje en frío y en caliente) Los valores que se muestran en la tabla son los obtenidos a temperaturas de 20-23ºC y en condiciones de humedad de 85%.

Recubrimiento

Dureza HV/GPa

Coeficiente de fricción

Color

Res. corrosión

TIN

2200/ 22

0,3

Dorado

Buena

AlTIN

3200/ 30

0,5

Negro violeta

Buena

AlTICRN

3700/ 38

0,5

Gris-Negro

Buena

DLC

2700/ 28

0,1 (0,01 DLC- DLC)

Negro antracita

Excelente

TiB2

2200/22

0.5

Metálico

Buena

ZrN

3700/38

0,5

Dorado ténue

Muy Buena

CrN

2400/24

0,3

Metálico

Muy Buena

Tabla 1. Propiedades de los distintos compuestos PVD MS

 

Resistencia a la corrosión

Los recubrimientos PVD MS no son, per se, recubrimientos anticorrosivos. Sin embargo, toda capa libre de defectos que selle la superficie mejora la resistencia a la corrosión. Además, hay compuestos inertes a ácidos y a bases y compuestos que generan óxidos estables que ayudan al sellado. Compuestos base carbono como DLC , base cromo como CrN y Zirconio como ZrN presentan mejoras respecto a los recubrimientos funcionales más convencionales.

 

Acabado de la Superficie, Rugosidad

La ionización sin pasar por la fusión del metal, propia del PVD MS, permite copiar la superficie con absoluta fidelidad. La ausencia de microgotas no solo obtiene la superficie especular, además impide la propagación de grietas que se inician en ellas bajo esfuerzos de compresión o cizallamiento.

Los coeficientes de fricción van estrechamente unidos a la capacidad tribológica de los compuestos pero es fundamental el acabado inicial de la superficie a recubrir y el acabado final del recubrimiento. La tecnología PVD MS es claramente líder frente a otras técnicas PVD. (Fig 4 y 5)

Tecnologia-PVD-fig4-150x150 DLC

 

 

 

Fig 4 y Fig 5. Rugosidad superficial observada por técnicas de microscopía confocal y SEM. Recubrimiento DLC MOLT

El desarrollo de la tecnología HIPIMS, la combinación con fuentes de polarización pulsadas, la calidad de acabado de los recubrimientos, la posibilidad de evaporar un mayor número de compuestos de distintas naturalezas, los crecimientos en forma de supernitruros densos, todos ellos hacen de la tecnología PVD MS, la tecnología de recubrimiento con mayor futuro inmediato y de largo recorrido  en  sectores tan distintos como el decorativo, la mecanización, la inyección de polímeros y la estampación en frío y en caliente de metales.

 

APLICACIONES DE LOS RECUBRIMIENTOS PVD

Los recubrimientos PVD se están aplicando con éxito en herramientas de corte, matrices de corte, embutición, laminación, extrusión, moldes de inyección de polímeros, moldes de inyección de aleaciones ligeras (aluminio, Zamack, magnesio,…), herramientas quirúrgicas, prótesis, implantes y componentes sometidos a desgaste en general.

Para ampliar información sobre las aplicaciones PVD puede consultar la sección Aplicaciones para Moldes, Matrices, Herramientas de Corte o Biomédicas.