Comprender el proceso de revestimiento PVD: Guía paso a paso

A medida que pasa el tiempo, la importancia de los productos duraderos para disminuir el consumo general y reducir los desechos está cada vez más en primer plano. Sin embargo, no todos los materiales son intrínsecamente resistentes, tolerantes al calor o a la corrosión. En este artículo, discutiremos un proceso que mejora las propiedades físicas de dichos materiales: el proceso de recubrimiento PVD.

En el proceso de Depósito Físico de Vapor (PVD), depositas vapores de un material sobre otro y esperas a que se solidifiquen. Este proceso conduce a la formación de una película delgada que mejora las propiedades del sustrato.

A menudo encontrarás PVD en nylon, plásticos, metales, vidrio y cerámica, ya que asegura que estos materiales no se corroan, reaccionen con productos químicos o se desgasten. Puede introducir propiedades ópticas, mejorar la conducción, aumentar la resistencia, disminuir la fricción o mejorar la estética.

Métodos de Recubrimiento PVD Utilizados en Aplicaciones Industriales

Puedes utilizar las siguientes técnicas para el proceso de Depósito Físico de Vapor:

1. Evaporación Térmica

La microfabricación en la industria informática a menudo implica recubrimiento PVD mediante evaporación térmica. Encontrarás dos técnicas comúnmente utilizadas: haz de electrones y deposición láser pulsada.

Ambas técnicas utilizan energía para evaporar un metal y hacer que los vapores viajen a través del vacío hacia una superficie fría, donde se solidifican en una capa delgada. Sin embargo, la deposición por haz de electrones implica acelerar electrones para transferir energía al material objetivo. Y en la deposición mediante láser pulsado, se utiliza un bajo voltaje pero una alta corriente para generar energía.

2. Deposición por Pulverización

Encontrarás dos tipos comunes de esta técnica: ion beam y pulverización con magnetron.

En la técnica de recubrimiento PVD por ion beam, el material objetivo se ioniza a través de un campo eléctrico. Esto hace que se ionice y golpee la superficie que debería recubrir.

En la pulverización con magnetron, el campo eléctrico empuja iones cargados positivamente hacia la superficie objetivo.

Los suministros médicos y los productos de laboratorio a menudo se recubren mediante la técnica de deposición por pulverización.

3. Deposición por Vapor de Arco

En esta técnica, utilizas un bajo voltaje para vaporizar el material objetivo y hacer que reaccione con otros gases en la cámara para producir el recubrimiento deseado.

TÉCNICAS DE DEPOSICIÓN DE VAPORES (PVD)

La deposición por vapor de arco es la técnica de recubrimiento PVD más respetuosa con el medio ambiente porque utiliza un mínimo de productos químicos. También proporciona un recubrimiento delgado en múltiples colores, como negro, azul, morado, dorado, bronce, grafito y múltiples combinaciones de colores.

Una Guía Paso a Paso para el Recubrimiento PVD

Aquí tienes una guía paso a paso para ayudarte a comprender los matices del proceso de recubrimiento PVD.

Paso 1: Limpieza del Sustrato

Debes asegurarte de que tus sustratos estén libres de impurezas superficiales para que el recubrimiento PVD se adhiera bien a ellos. Puedes hacerlo a través de una limpieza mecánica con aire a presión o una limpieza química para desinfectar el sustrato mencionado.

Paso 2: Tratamiento del Sustrato

Puedes tratar el sustrato de determinadas maneras para mejorar la adherencia del recubrimiento. Por ejemplo, puedes hacer que la superficie del sustrato sea más rugosa a través de la anodización o la grabación por plasma. Esto aumenta su área superficial y permite una mejor deposición del recubrimiento metálico en él.

Paso 3: Carga del Sustrato en una Cámara de Vacío

Después de preparar el sustrato, lo cargas en la cámara PVD, que suele ser un recinto sellado al vacío diseñado para mantener un entorno de baja presión. La cámara se evacua mediante una bomba de vacío para asegurarse de que ninguna partícula adicional pueda interferir con el proceso de recubrimiento.

Paso 4: Vaporización y Transporte del Metal Objetivo

Una vez que el sustrato está listo, el material objetivo se vaporiza a través de cualquiera de los métodos discutidos anteriormente. El vapor resultante se permite viajar hacia el sustrato, donde se deposita de manera controlada.

Paso 5: Reacción con Gases

El sustrato puede reaccionar con ciertos gases para asegurar que el recubrimiento se adhiera bien a él. Los gases reactivos también te permiten alterar las propiedades del recubrimiento resultante, como su resistencia, suavidad, etc.

Paso 6: Recubrimiento

El metal objetivo se deposita luego sobre el sustrato a nivel atómico o molecular. El proceso ocurre bajo presión y temperatura controladas, ya que estos parámetros pueden alterar las propiedades del recubrimiento.

Paso 7: Tratamientos Posteriores al Recubrimiento

La sustancia recubierta se prueba en cuanto a cualidades como uniformidad, rugosidad, grosor, etc., para asegurar que el producto cumpla con las especificaciones deseadas. Luego, se aplican tratamientos posteriores al recubrimiento.

Los tratamientos posteriores al recubrimiento mejoran aún más la resistencia de los enlaces entre el sustrato y el recubrimiento. Algunos comunes incluyen

  • Recocido: aquí, calientas el sustrato recubierto en un entorno controlado para mejorar la adhesión del recubrimiento al sustrato y reducir el estrés residual en el recubrimiento.
  • Pulido de superficies: esto implica pulir mecánica o químicamente para eliminar irregularidades y rugosidades de la superficie
  • Acabado de superficies: esto implica el uso de métodos como texturizado con láser y electro-pulido para modificar las propiedades superficiales del recubrimiento.

Materiales Utilizados en el Recubrimiento PVD

El recubrimiento PVD implica sustratos, materiales objetivo y gases para ayudar al recubrimiento.

1. Sustratos

Los sustratos son materiales que se recubren. Se pueden utilizar diversos sustratos, incluidos metales y cerámicas, vidrio, para el proceso, siendo algunos más adecuados que otros en cuanto a adhesión y compatibilidad con el proceso.

Los plásticos deben recubrirse a temperaturas más bajas, y materiales como el cobre, el acero y el latón a menudo se someten a electrochapado antes de la deposición por vapor para una mejor resistencia a la corrosión. Los materiales cromados y aceros inoxidables soportan bien los recubrimientos PVD. La elección de los sustratos varía según la aplicación.

2. Materiales Objetivo

El material utilizado para el recubrimiento, el material objetivo, depende de las propiedades que desees que tenga tu sustrato.

Por ejemplo, el recubrimiento TiCN aumenta la dureza de un objeto y se utiliza comúnmente en herramientas de corte, mientras que ciertos recubrimientos cerámicos se aplican en óptica para inducir propiedades antirreflectantes. Estos materiales son numerosos y no se restringen a los metales. Algunos de estos materiales objetivo incluyen:

  • Nitruro de titanio para aumentar la dureza
  • Grafito-iC y MoST para baja fricción
  • Nitruro de circonio para anti-corrosión
  • Carbono tipo diamante DLC para super resistencia

3. Gases

El proceso de deposición física de vapor comúnmente involucra los siguientes gases:

  • El oxígeno altera el color de la película si se utiliza deposición de iones.
  • El argón se puede usar para aumentar la presión.
  • El nitrógeno altera el color si se utiliza deposición de iones y se usa para aumentar la presión del aire.

Aplicaciones de PVD

Aplicaciones del Recubrimiento PVD

Desde artículos de uso diario hasta maquinaria de la NASA, el recubrimiento PVD ha encontrado una variedad de aplicaciones en muchos campos. Discutiremos tres industrias que se benefician enormemente de la tecnología:

1. Industria Automotriz

Las piezas móviles de los vehículos necesitan ser resistentes al desgaste, tener baja fricción para minimizar la pérdida de energía y desgaste, y ser livianas para garantizar que el combustible dure mucho. Los recubrimientos PVD pueden introducir todas estas propiedades en los sustratos deseados.

Por ejemplo, el sistema de tren de válvulas y los cojinetes del motor dentro del motor de un automóvil causan pérdida de potencia debido a la fricción. Como múltiples superficies se mueven entre sí, el riesgo de deterioro de componentes también es alto.

Numerosos recubrimientos PVD, como DLC, MoS2 y Onyx, pueden aumentar la resistencia y la resistencia térmica de dichos componentes a la vez que reducen la fricción entre ellos sin agregar considerablemente peso o necesidad de utilizar materiales pesados.

Los materiales más ligeros, como aluminio o algunas aleaciones, también pueden protegerse contra la deformación estructural mediante el uso de recubrimientos PVD, reduciendo efectivamente el peso del vehículo. Esto aumenta la longevidad de los vehículos y aumenta su eficiencia en combustible.

También puedes utilizar recubrimientos PVD para mejorar el atractivo estético de los vehículos y personalizar la apariencia del acabado al introducir múltiples colores, propiedades de reflexión y texturas.

2. Industria Armera

El recubrimiento PVD está ganando rápidamente terreno en la industria de armamento al mejorar efectivamente la funcionalidad de un arma de fuego y ofrecer mejores opciones de personalización.

Como ocurre con los automóviles, la dureza, resistencia a la abrasión y baja fricción son esenciales para la longevidad de las armas de fuego. Los recubrimientos PVD pueden proporcionar estas propiedades. Y como estos recubrimientos son extremadamente delgados, no alteran las dimensiones de los componentes de las armas de fuego de manera perceptible, por lo que los usuarios pueden hacer que sus armas sean recubiertas después de comprarlas.

Los entusiastas de las armas de fuego ahora también pueden obtener sus armas en múltiples colores y acabados permanentes a través del recubrimiento PVD de nitruros, como CrN, TiCN, etc.

3. Industria Médica

Los instrumentos de precisión médica suelen ser delgados y afilados, por lo que pueden deformarse fácilmente si no se utilizan los materiales adecuados. Además, muchas herramientas deben cortarse o perforarse a través de los huesos, lo que aumenta sus probabilidades de desgastarse. Por lo tanto, no es sorprendente que los recubrimientos PVD se hayan establecido firmemente en la industria médica desde hace mucho tiempo.

PVD para instrumentos médicos

Recubrimientos de alta resistencia como TiN, DLC y AlTiN han ganado amplia aceptación debido a su papel en aumentar la longevidad del equipo de manera biocompatible. También ayudan a que los instrumentos mantengan sus bordes afilados para que las incisiones sean precisas y se curen rápidamente. Algunos recubrimientos también tienen efectos antimicrobianos y pueden soportar múltiples ciclos de autoclave, lo que ayuda al campo de la medicina al hacer que el equipo sea más seguro, económico y duradero.

Ventajas del recubrimiento PVD

Simplemente aplicar una fina capa de un material objetivo adecuado a través del recubrimiento PVD puede abrir una gran cantidad de aplicaciones al modificar las propiedades de superficie de los materiales. Las ventajas incluyen las siguientes:

  • A diferencia de la galvanoplastia, los recubrimientos PVD tienen alta adherencia, no son corrosivos, a prueba de rayones y pueden durar toda la vida. Los productos de larga duración en última instancia disminuyen el consumo y se consideran sostenibles.
  • Hay combinaciones ilimitadas de objetivo-sustrato para beneficiarse, ya que la técnica no está limitada a una cierta clase de sustancias. Esto se puede utilizar para obtener diversas propiedades como baja fricción, mayor resistencia, alta resistencia química y térmica, cualidades ópticas modificadas, etc.
  • Las técnicas de PVD le permiten variar el grosor y la composición del revestimiento según sus necesidades, lo que permite una modificación superior.
  • En el proceso PVD no se producen subproductos tóxicos. Esto lo hace mucho más ecológico que otros métodos de recubrimiento metálico que a menudo requieren reacciones químicas.
  • Las personas que manejan los procesos PVD no tienen que trabajar en condiciones peligrosas, ya que el proceso es seguro.
  • Puede utilizar múltiples técnicas para la deposición de vapor, por lo que cada fabricante puede elegir la técnica que sea económica para ellos y funcione con su sustrato.
  • Cambiar las propiedades de superficie de los materiales a través del recubrimiento PVD es significativamente menos costoso que invertir en materiales puros con las propiedades deseadas. Por ejemplo, obtener una broca recubierta de DLC es considerablemente más económico que invertir en herramientas de corte de diamante.

Desventajas del recubrimiento PVD

  • El costo del equipo PVD es elevado.
  • El Depósito de Vapor Físico lleva más tiempo que muchas otras técnicas de recubrimiento.
  • El proceso requiere personal capacitado para operarlo, por lo que los costos laborales son altos.
  • El recubrimiento PVD requiere sistemas de enfriamiento para manejar la alta generación de calor.

Mantenimiento del recubrimiento PVD

Los recubrimientos PVD son fáciles de mantener, ya que principalmente están diseñados para ser lisos y resistentes a la corrosión. Puede utilizar un paño seco o uno humedecido en una solución de agua jabonosa suave para eliminar el polvo y los residuos si es necesario.

Evite usar productos químicos agresivos, limpiadores abrasivos o pulimentos, ácidos y agentes cáusticos, ya que es posible que no conozca el grado de resistencia química de su recubrimiento PVD. Evite los paños de limpieza más duros, como las esponjas de malla de acero, y otros paños de limpieza, como los que se usan para lavar platos.

Para armas de fuego, las piezas recubiertas con PVD deben mantenerse aceitadas para garantizar que el recubrimiento dure contra la corrosión durante mucho tiempo.

Recubrimiento PVD vs. Otras Tecnologías de Recubrimiento

A continuación se presentan algunos métodos de recubrimiento alternativos en comparación con el depósito de vapor físico:

1. Recubrimiento CVD

En el recubrimiento de Depósito Químico de Vapor, debe utilizar múltiples productos químicos reactivos para recubrir su sustrato. La película requerida se produce a través de múltiples reacciones que la depositan en el sustrato. Esto da como resultado capas delgadas y resistentes a la abrasión que pueden utilizarse fácilmente para recubrir materiales irregulares. Los fabricantes pueden controlar expertamente la pureza y el grosor de las capas.

El material depositado en el proceso CVD se adhiere al sustrato a través de enlaces metalúrgicos y de difusión, a diferencia de los enlaces físicos del PVD, por lo que se adhiere mejor. Sin embargo, los componentes recubiertos con CVD son más frágiles que los recubiertos con PVD.

Ya sea que necesite un recubrimiento CVD o PVD depende enteramente de la aplicación prevista del producto.

Es esencial tener en cuenta que el recubrimiento CVD implica productos químicos precursores volátiles y produce muchos subproductos, incluidos algunos tóxicos. Cualquier fuga puede ser desastrosa, y los laboratorios deben mantenerse bajo estrictos protocolos. También requiere temperaturas significativamente más altas que los procesos PVD.

2. Recubrimiento ALD

Puede realizar el Depósito de Capa Atómica (ALD) a escala nanométrica, construyendo la capa capa por capa con precisión controlada a escala atómica. A diferencia de PVD y CVD, que recubren objetos ensamblados, ALD recubre nanoestructuras simples que luego se ensamblan en objetos más grandes. El proceso produce capas extremadamente precisas, uniformes y libres de deformidades.

ALD es un proceso muy lento, y los materiales y procesos involucrados son limitados. Aunque valiosas, sus aplicaciones son altamente específicas, como la fabricación de semiconductores en circuitos, recubrimientos antirreflectantes en óptica y la creación de barreras químicas o de humedad para dispositivos sensibles. Y a diferencia de los PVD, no se puede utilizar la técnica en objetos pre-fabricados.

Nota final

El recubrimiento mediante deposición de vapor físico está demostrando ser una técnica de recubrimiento extremadamente valiosa que puede mejorar las propiedades de los materiales. Deposita capas delgadas resistentes a la corrosión, duraderas y estables que pueden mejorar cualidades como la resistencia, la resistencia y las propiedades ópticas, magnéticas y conductivas del objeto recubierto.

El proceso de recubrimiento PVD se puede realizar mediante múltiples técnicas y es compatible con muchos materiales. Es respetuoso con el medio ambiente, requiere menos energía que sus competidores, no produce subproductos tóxicos y garantiza un espacio de trabajo seguro para los trabajadores.

Si desea asegurar especialistas en recubrimiento PVD para su negocio, puede contactarnos y beneficiarse de todas las propiedades que el PVD desbloquea en los materiales.

Más recursos:

Aluminio con recubrimiento de polvo – Fuente: KDM

 

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