Tratamientos Superficiales 1

7/23/2019 Tratamientos Superficiales 1

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1U6 TRATAMIENTOS SUPERFICIALES.

LIMPIEZA Y TRATAMIENTOS DE SUPERFICIES

En esta unidad revisaremos un conjunto de procesos industriales que se ejecutan sobre lassuperficies de las piezas:

1) la limpieza qumica,2) la limpieza mecnica y los tratamientos de superficie relacionados y3) la difusin y la implantacin de iones.

Generalmente muchas piezas deben limpiarse una o ms veces durante la secuencia demanufactura. Se usan procesos qumicos y mecnicos para realizar esta limpieza.

Los mtodos de limpieza qumica emplean productos para remover sustancias no deseadas en las

superficies de las piezas de trabajo, tales como grasas y suciedad.La limpieza mecnica implica la remocin de sustancias de la superficie mediante operacionesmecnicas de diversos tipos. Estas operaciones con frecuencia tienen otras funciones, como removerrebabas, aumentar la tersura, agregar lustre y mejorar las propiedades de las superficies.

Otros procesos que mejoran las propiedades de las superficies son la difusin y la implantacin deiones. Estos procesos impregnan las superficies de trabajo con tomos de un material ajeno paraalterar la qumica de las superficies y cambiar sus propiedades fsicas. Por lo tanto, las funcionesprincipales de los procesos que se analizan en este captulo son la limpieza de la superficie de trabajoy el mejoramiento de sus propiedades.

1. LIMPIEZA QUMICAUna superficie comn est cubierta con diversas pelculas, grasas, suciedades y otros contaminantes.Mientras que algunas de estas sustancias pueden operar en una forma benfica (tal como la pelculade xido en el aluminio), generalmente es necesario remover los contaminantes de las superficies.

En esta unidad, revisaremos algunas consideraciones generales relacionadas con la limpieza y losprincipales procesos qumicos usados en la industria.

Algunas razones importantes por las que deben limpiarse las piezas o los productos manufacturadosson:

1) preparar la superficie para un procesamiento industrial posterior, tal como la aplicacin derecubrimiento o el pegado;2) mejorar las condiciones de higiene para los trabajadores y los clientes;3) remover contaminantes que pudieran reaccionar qumicamente con la superficie; y4) mejorar el aspecto y el rendimiento del producto.

1.1. Consideraciones generales en la limpieza

No puede usarse un mtodo nico para todas las tareas de limpieza. De la misma forma que en elhogar se requieren diferentes jabones y detergentes para distintas labores (lavado de ropa, de platos,pulimento de ollas, limpieza de la baera, etc.), tambin se requieren distintos mtodos parasolucionar diferentes problemas de limpieza en la industria.


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2Los factores importantes en la seleccin de un mtodo de limpieza son:

1) el contaminante que se va a remover,2) el grado de limpieza requerido,

3) los materiales de sustratos que se van a limpiar,4) el propsito de la limpieza,5) los factores ambientales y de seguridad,6) el tamao y la geometra de la pieza y7) los requerimientos de produccin y de costos.

En las superficies de las piezas se acumulan diversos tipos de contaminantes, ya sea debido a unprocesamiento anterior o al ambiente de la fbrica. Para seleccionar el mejor mtodo de limpieza,primero se debe identificar el tipo de contaminante. Los contaminantes de superficies que seencuentran en la fbrica por lo general se dividen en una de las siguientes categoras:

1) grasa y aceite, entre los cuales estn muchos lubricantes usados en el procesado de metales,

2) partculas slidas tales como virutas de metal, pulimentos abrasivos, suciedad, polvo ymateriales similares,3) compuestos para abrillantado y pulimento, y4) pelculas o capas de xidos y herrumbre.

El grado de limpieza se refiere a la cantidad de contaminante que queda despus de una operacinde limpieza determinada. Las piezas que se preparan para aceptar un recubrimiento (por ejemplo,una pelcula de pintura o metlica) o adhesivo deben estar muy limpias, de lo contrario, se pone enriesgo la adhesin del material de recubrimiento.

En otros casos, puede ser conveniente que la operacin de limpieza deje un residuo en la superficiede la pieza para protegerla contra la corrosin durante el almacenamiento, es decir, se sustituye un

contaminante en la superficie por otro que es benfico. Con frecuencia es difcil medir el grado delimpieza en una forma cuantificable.

La prueba ms simple es el mtodo de frotado, en el cual se frota la superficie con una tela limpiablanca y se observa la cantidad de manchas que absorbe la tela. Es una prueba no cuantitativa, perosencilla. Otra tcnica simple es la prueba de disolucin del agua, en la cual se vierte agua en lasuperficie y se observa la cantidad de gotas.

Si una pelcula continua de agua cubre la superficie, esto indica que est libre de grasas y otrasuciedad similar; si se forman gotas de agua, esto indica una superficie sucia. Una prueba mscuantitativa implica la aplicacin a la muestra de varias soluciones de diferentes tensiones desuperficie. El nivel de tensin de superficie en el cual ocurren las gotas es una medida de la limpieza.

La seleccin de un mtodo de limpieza debe considerar el material de sustrato para no producirreacciones dainas mediante productos qumicos de limpieza. Por citar varios ejemplos, la mayorade los cidos y lcalis disuelven el aluminio, el magnesio es atacado por muchos cidos, el cobre esatacado por los cidos oxidantes (por ejemplo, el cido ntrico), y los aceros son resistentes a loslcalis, pero reaccionan con prcticamente todos los cidos.

Debe considerarse el propsito de la operacin de limpieza. Algunos mtodos son convenientes en lapreparacin de una superficie para pintura, en tanto que otros son mejores para recubrimientosgalvnicos. La proteccin ambiental y la seguridad del trabajador se vuelven cada vez msimportantes en los procesos industriales.


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3Deben seleccionarse los mtodos de limpieza y los materiales qumicos asociados para evitar lapolucin y los riesgos a la salud. Otros factores que deben considerarse son el tamao y la geometrade las piezas, as como la economa del mtodo de limpieza en la produccin.

1.2. Procesos de limpieza qumica

La limpieza qumica usa diversos tipos de productos para realizar la remocin de contaminantes de lasuperficie. Los principales mtodos de limpieza qumica son:

1) limpieza cida2) limpieza alcalina,3) limpieza por emulsin,4) limpieza con solventes, y5) limpieza ultrasnica.

En algunos casos, la accin qumica se aumenta mediante otras formas de energa; por ejemplo, la

limpieza ultrasnica usa vibraciones mecnicas de alta frecuencia combinadas con limpieza qumica.En los prrafos siguientes, analizamos estos mtodos qumicos.

Limpieza qumica con cido: La limpieza con cido remueve grasas y xidos ligeros de lassuperficies de metal mediante remojo, aspersin, aplicacin con pincel o limpieza manual. El procesose realiza a temperaturas ambiente o elevada. Los fluidos de limpieza comunes son soluciones decidos combinadas con solventes mezclables en agua, agentes humectantes y emulsionantes.

Los cidos para limpieza incluyen el clorhdrico (HCI), el ntrico (HNO3), el fosfrico (H3PO4) y elsulfrico (H2SO4), la seleccin depende del metal base y del propsito de la limpieza. Por ejemplo, elcido fosfrico produce una ligera pelcula de fosfato en la superficie metlica, la cual es unapreparacin til para pintura.

La diferencia entre la limpieza con cido y el bao qumico con cido es una cuestin de grados. Elbao qumico con cido implica un tratamiento ms severo para remover xidos, herrumbre y capasligeras de xidos; generalmente produce algn ataque qumico de la superficie metlica, que sirvepara mejorar la adhesin de la pintura orgnica.

Limpieza alcalina: ste es el mtodo de limpieza industrial de uso ms difundido. Como lo indica sunombre, la limpieza alcalina emplea un lcali para remover aceites, grasa, cera y diversos tipos departculas (residuos metlicos, silicio, carbono y capas ligeras de xido) de una superficie metlica.

Las soluciones para limpieza alcalina constan de sales solubles en agua de bajo costo, tales como elhidrxido de sodio y de potasio (NaOH, KOH), el carbonato de sodio (Na2CO3), el brax (Na2B407), y

fosfatos y silicatos de sodio y potasio, combinados con dispersantes y alisadores en agua.En general, la aplicacin es mediante inmersin o aspersin, a temperaturas de 50 a 95 C. Despusde la aplicacin de la solucin alcalina, se usa un enjuague con agua para remover los residuos delcalis. Las superficies metlicas que se limpian mediante soluciones alcalinas normalmente estnrecubiertas galvanicamente o por conversin.

La limpieza electroltica, tambin denominada electro limpieza, es un proceso relacionado en el cualse aplica una corriente directa de 3 a 12 V a una solucin de limpieza alcalina. La accin electrolticaprovoca la generacin de burbujas de gas en la superficie de las piezas, lo que produce una accinde frotacin que ayuda a la remocin de pelculas de suciedad tenaces.

Hay tres tipos de limpieza electroltica:


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1) electro limpieza andica, en la cual la pieza de trabajo se carga positivamente y la accin defrotacin se produce por medio de la liberacin de oxgeno en la superficie de la pieza;

2) electro limpieza catdica, en la cual la pieza se carga negativamente y se libera hidrgeno en

la superficie de la pieza; y3) electro limpieza peridica inversa, en la cual se invierte la polaridad varias veces durante laaccin de limpieza.

Limpieza con emulsin: La limpieza con emulsin utiliza solventes orgnicos (aceites) dispersos enuna solucin acuosa. El uso de emulsionantes convenientes (jabones) produce un fluido de limpiezaen dos fases (aceite en agua), que funciona mediante la disolucin o emulsin de la suciedad en lasuperficie de la pieza. El proceso se usa sobre piezas metlicas o no metlicas. Despus de lalimpieza con emulsin debe hacerse una limpieza alcalina para eliminar todos los residuos delsolvente orgnico antes de aplicar el recubrimiento galvnico.

Limpieza con solventes: En la limpieza con solventes, la suciedad orgnica, como el aceite y la

grasa, se remueve de una superficie metlica mediante productos qumicos que la disuelven. Lastcnicas de aplicacin comunes incluyen la limpieza manual, la inmersin, la aspersin y eldesengrasado con vapor. Un importante proceso industrial, el desengrasado con vapor, usa vaporescalientes de solventes de cloruro o de fluoruro para remover aceites, grasas y otra suciedad de laspiezas.

El equipo consiste en un tanque abierto que contiene un solvente calentado por la parte inferior y unazona de enfriamiento cerca de la pieza superior, como en la fig. 1. En la parte inferior del tanque sehace hervir el solvente mediante calor de vapor, los vapores que se generan durante la ebullicin secondensan en la superficie fra de la pieza, disolviendo el aceite y la grasa. Los condensadores enespiral alrededor del tanque evitan que el vapor escape del envase. La exposicin al vapor calienteeleva la temperatura de la pieza hasta que terminan la condensacin y la limpieza, cuando sta

termina se remueve la pieza del tanque y se deja secar.

FIGURA 1. Desengrase con vapor.

Los solventes principales usados en el desengrasado con vapor son el tricloroetileno (C2HCI3), elcloruro de metileno (CH2CI2), el percloroetileno (C2CI4), y el 1,1,1-tricloroetano (C2H3CI3). Todosestos productos qumicos tienen puntos de ebullicin bajos, que van desde 40 C para el CH 2CI2hasta 121 C para el C 2CI4. Son potencialmente peligrosos para las personas y el ambiente; porlo tanto, debe tenerse cuidado en su uso, manejo y disposicin.

Limpieza ultrasnica: La limpieza ultrasnica combina la limpieza qumica y la agitacin mecnicadel fluido de limpieza con el propsito de proporcionar un mtodo muy eficaz para la remocin decontaminantes de la superficie. Por lo general, el fluido de limpieza es una solucin acuosa quecontiene detergentes alcalinos. La agitacin mecnica se produce mediante vibraciones de altafrecuencia y amplitud suficiente para provocar la formacin de cavidades, originadas por burbujas devapor a baja presin.


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5Conforme las ondas vibratorias pasan un punto determinado en el lquido, despus de la regin debaja presin se forma un frente de alta presin que implosiona la cavidad, con lo cual produce unaonda de choque capaz de penetrar las partculas contaminantes que se adhieren a las superficies detrabajo.

Este rpido ciclo de formacin de cavidades e implosin ocurre a travs del medio lquido, lo cualhace a la limpieza ultrasnica eficaz incluso en formas internas complejas e intrincadas. El procesode limpieza se realiza en frecuencias de 20 a 45 kHz, y la solucin de limpieza est a unatemperatura elevada, que oscila entre 65 a 85 C.

El equipo para limpieza ultrasnica tiene tres componentes:

1) un generador que transforma la corriente elctrica de 50 Hz en una frecuencia ultrasnicadeseada;

2) un transductor ultrasnico que cambia la energa elctrica a vibraciones mecnicas usandoelementos magneto restrictivos o piezoelctricos; y

3) un tanque que contiene el fluido para limpieza.2. LIMPIEZA MECNICA Y PREPARACION DE SUPERFICIES

La limpieza mecnica implica la remocin fsica de suciedad, capas de xido ligeras o pelculas de lasuperficie de trabajo de la pieza, mediante abrasivos o acciones mecnicas similares. Los procesosusados para limpieza mecnica tienen frecuentemente funciones adicionales a la limpieza, tales comola remocin de virutas y el mejoramiento del acabado de la superficie.

2.1. Acabado con perdigones

El acabado a chorro usa el impacto a alta velocidad de medios con partculas para limpiar y dar un

acabado a la superficie. El ms conocido de estos mtodos es la limpieza con chorro de arena, queusa pulimentos de arena (SiO2) como medio de limpieza; sin embargo, tambin se utilizan otrosmedios que incluyen abrasivos duros como el xido de aluminio (Al203) y el carburo de silicio (SiC), ymedios suaves tales como glbulos de nylon y cscaras de nuez trituradas.

El medio se impulsa a la superficie objetivo mediante aire a presin o fuerza centrfuga. En algunasaplicaciones, el proceso se ejecuta en hmedo, en el cual se dirigen hacia la superficie partculasfinas en una pasta fluida bajo presin hidrulica.

En el martillado con perdigones, una corriente a alta velocidad de pequeos pelets de acero fundido(denominadas perdigones) se dirige hacia una superficie metlica con el fin de trabajar en fro einducir tensiones de compresin sobre las capas de la superficie. El martillado con perdigones se usa

principalmente para mejorar la resistencia a la fatiga de las piezas metlicas. Por lo tanto, supropsito principal es diferente del acabado a chorro, aunque la limpieza de la superficie se consiguecomo un subproducto de la operacin.

2.2. Roto tamboreado y otros acabados masivos

El roto tamboreado, el acabado vibratorio y otras operaciones similares comprenden un grupo deprocesos de acabado que se han llegado a conocer como mtodos de acabado masivo. Losacabados masivos implican el acabado de piezas en forma global mediante una accin de mezcladentro de un contenedor, generalmente en presencia de un medio abrasivo. La mezcla provoca quelas piezas se froten contra el medio y entre s para obtener la accin de acabado deseada.


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6Los mtodos de acabado masivo se usan para remover virutas, quitar ligeras capas de xido, retirarrebabas, pulir, uniformar las curvaturas, bruir y limpiar. Las piezas incluyen troqueles, colados,forjados, extrusiones y piezas maquinadas. Algunas veces tambin se someten plsticos y piezascermicas a estas operaciones de acabado masivo para obtener los resultados deseados. Por lo

general, las piezas procesadas mediante estos mtodos son pequeas y no es econmico darlesacabado en forma individual.

Procesos y equipo: Los mtodos de acabado masivo incluyen e roto tamboreado, el acabadovibratorio y varias tcnicas que utilizan fuerza centrfuga. El roto tamboreado (tumbling en ingls),tambin denominado acabado en tambor, implica el uso de un tambor orientado en forma horizontalcon una seccin transversal hexagonal u octagonal, en el cual se mezclan las piezas rotndolo avelocidades de 10 a 50 rev/min.

El acabado se realiza mediante una accin de desprendimiento del medio abrasivo y las piezasconforme gira el tambor. Como se muestra en la fig. 2, el contenido se eleva en el tambor debido a larotacin, a lo que le sigue un descenso en la capa superior causado por la gravedad. Este ciclo de

ascenso y descenso ocurre en forma continua y, con un tiempo mayor, somete a todas las piezas a lamisma operacin de acabado deseada.

FIGURA 2. Diagrama de la operacin de rotado en tambor que muestra la accin de desprendimiento de las piezasy los medios abrasivos para dar acabado.

Sin embargo, debido a que slo la capa superior de las piezas recibe el acabado en cualquiermomento, este proceso es relativamente lento en comparacin con otros mtodos de acabadomasivo. Con frecuencia se requieren varias horas de rotado en tambor para terminar el proceso.Otras desventajas son los altos niveles de ruido y los grandes espacios que se requieren pararealizarlo.

El acabado vibratorio se introdujo a fines de los aos cincuenta como una alternativa al rotado entambor. El recipiente vibratorio somete a todas las piezas a la agitacin con los medios abrasivos y noslo a la pieza superior, como el acabado en tambor. En consecuencia, los tiempos de procesamientopara el acabado vibratorio se reducen considerablemente. Los conductos abiertos que se usan eneste mtodo permiten la inspeccin de las piezas durante el procesamiento y debido a esto se reduce

el ruido.

Existen tcnicas que usan la fuerza centrfuga para aumentar la accin de acabado entre la pieza ylos medios. Una de esas tcnicas es el acabado de disco centrfugo, que consiste en un discogiratorio situado en la parte inferior de un tazn abierto. La accin giratoria del disco y las paredesestacionarias del tazn hacen que las piezas y los medios se agiten con fuerzas diez vecessuperiores a la gravedad. Esto reduce los tiempos de procesamiento en comparacin con el acabadovibratorio.

Medios: Los medios son los abrasivos y otros tipos de materiales que realizan la accin de acabadosobre las piezas. La mayora de los materiales son abrasivos; sin embargo, algunos realizanoperaciones de acabado no abrasivas, tales como la remocin de virutas y el endurecimiento de las

superficies. Los medios pueden ser materiales naturales o sintticos.


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7Los medios naturales incluyen el corindn, el granito, la piedra caliza e incluso la madera dura. Elproblema con estos materiales es que, generalmente, son ms suaves (por lo tanto se desgastan conmayor rapidez) y su tamao no es uniforme (adems, en ocasiones se atoran con las piezas de

trabajo).

Los medios sintticos pueden hacerse con mayor consistencia, tanto en tamao como en dureza.Estos materiales incluyen Al2O3 y SiC, los cuales se compactan en una forma y tamao deseadosusando un material adhesivo tal como una resina de polister. Estos medios tienen formas deesferas, conos, cilindros con corte en ngulo y otras formas regulares, como se indica en la fig. 3(a).

FIGURA 3. Formas comunes de medios preformados que se usan en operaciones de acabado masivo:(a) medios abrasivos para acabado y (b) medios de acero para bruido.

Tambin se usa el acero como un medio de acabado masivo en formas, como las que se muestranen la fig. 3(b) para bruido, endurecimiento de superficies y operaciones de remocin de virutasligeras. Las formas que se aprecian en la figura son de distintos tamaos. La seleccin de los mediosse basa en el tamao y la forma de las piezas, as como en los requerimientos de acabado.

En la mayora de los procesos de acabado masivo se usa un compuesto con el medio. El compuestode acabado masivo es una combinacin de productos qumicos para funciones especficas talescomo limpieza, enfriamiento, divisin de la oxidacin (de piezas y medios de acero) y mejoramientodel brillo y el color de las piezas (especialmente en el bruido).

3. DIFUSIN E IMPLANTACION INICA

En esta seccin analizamos dos procesos en los cuales la superficie de un sustrato se impregna contomos ajenos que alteran sus propiedades.

3.1. Difusin

La difusin implica la alteracin de las capas de superficie de un material mediante tomos difusoresde un material diferente (por lo general, un elemento) dentro de la superficie El proceso tieneimportantes aplicaciones en la metalurgia y en la manufactura de semiconductores. El proceso dedifusin impregna las capas de superficie del sustrato con el elemento ajeno, pero la superficietodava contiene una alta proporcin del material del sustrato.


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8En la fig. 4 se ilustra un perfilcomn de la composicin, como una funcin de la profundidad bajo lasuperficie para una pieza metlica recubierto por difusin. La caracterstica de una superficieimpregnada por difusin es que el elemento difundido tiene un porcentaje mximo en la superficie yrpidamente declina con la distancia bajo la superficie.

FIGURA 4. Perfil de caractersticas de un elemento difundido como una funcin de la distancia bajo la superficie, en la difusin.La grfica que se presenta es para carbono difundido dentro de hierro.

Aplicaciones metalrgicas del recubrimiento por difusin: La difusin se usa para alterar laqumica de superficie de los metales en diversos procesos y tratamientos. Una aplicacin importantees el endurecimiento de superficies, por lo comn mediante los mtodos de carburacin, nitruracin,carbo nitruracin, cromado y borizado. En estos tratamientos se difunden uno o ms elementos (C,y/o Ni, Cr, o Bo) dentro de las superficies de hierro o acero. El propsito principal de la qumica desuperficie alterada es aumentar la dureza y la resistencia al desgaste.

Adems del endurecimiento de superficies, el cromado tambin mejora la resistencia a la corrosin.Hay otros procesos por difusin en los cuales los objetivos principales son la resistencia a la corrosiny/o la resistencia a la oxidacin a altas temperaturas. Los dos ejemplos importantes son elaluminizado y el siliconizado.

El aluminizado tambin se conoce como calorizing, e implica la difusin de aluminio dentro delcarbono acero, aleaciones de aceros y aleaciones de nquel y cobalto. El tratamiento se obtienemediante la difusin por empaque o un mtodo de pasta fluida.

En la difusin por empaque, se rodean las piezas de trabajo (se empacan) con polvo de aluminio,adems de otros ingredientes que promueven las reacciones por difusin. El aluminio mismo puederepresentar del 5 al 60% del empaque, dependiendo del metal base y de la concentracin deseada enlas capas de superficie. El recubrimiento por difusin se realiza a temperaturas entre 900 y 1200 C.

La temperatura es un factor importante para determinar el grosor de la capa difundida, la cual puedevariar desde valores menores de 0,25 mm hasta un mximo de 1,0 mm. La concentracin es de

alrededor del 25 % de aluminio en la superficie, disminuyendo hasta 0 en la parte inferior de la capa.

En el mtodo de pasta fluida se mezclan polvos finos de aluminio con aglutinantes y otrosingredientes, en agua, y se aplican a la pieza mediante humidificacin o aspersin. La pasta se secay la pieza se calienta para realizar la difusin.

El siliconizado es un tratamiento de acero en el cual se difunde silicio dentro de la superficie de lapieza a una profundidad de 0,4 a 0,8 mm; esto crea una capa con buena resistencia a la corrosin yal desgaste y modera la resistencia al calor.

El tratamiento se realiza mediante el trabajo de calentamiento de polvos de carburo de silicio (SiC) enuna atmsfera que contiene vapores de tetracloruro de silicio (SiCI4). El siliconizado es menos comn

que el aluminizado.


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9Aplicaciones para semiconductores: En el procesamiento de semiconductores se usa la difusinde un elemento de impureza dentro de la superficie de un chip de silicio para cambiar las propiedadeselctricas en la superficie, con el propsito de crear dispositivos tales como transistores y diodos. En

el captulo 34 examinamos cmo se usa la difusin para realizar este revestimiento, conocido comodopaje, y otros procesos con semiconductores.

3.2. Implantacin inica

La implantacin inica es una alternativa para la difusin cuando este ltimo mtodo no es factible. Elproceso implica incorporar tomos de uno o ms elementos ajenos en una superficie de sustrato,usando un haz de alta energa de partculas ionizadas. El resultado es una alteracin de laspropiedades qumicas y fsicas de las capas cerca de la superficie de sustrato. La penetracin detomos produce una capa alterada mucho ms delgada que la difusin, como se seala en lacomparacin de las figs. 4 y 5. Asimismo, el perfil de concentracin del elemento impregnado esdiferente a la capa de difusin caracterstica.

FIGURA 5. Perfil de la qumica de superficie segn recibe un tratamiento mediante implantacin de iones. Aqu se muestra una grficacomn para boro implantado en silicio. Observen la diferencia en la forma y profundidad del perfil de la capa alterada,

en comparacin con el recubrimiento por difusin de la fig. 4.

Entre las ventajas de la implantacin inica estn:

1) procesamiento a baja temperatura,2) buen control y capacidad de reproducir la profundidad de penetracin de las impurezas y3) es posible exceder los lmites de solubilidad sin precipitaciones de exceso de tomos.

La implantacin de iones es un buen sustituto en aplicaciones para ciertos procesos de recubrimiento,

en donde sus ventajas incluyen:

4) no hay problemas con la disposicin de residuos, como en los electro recubrimientosgalvnicos y muchos procesos de recubrimiento y

5) no hay discontinuidad entre el recubrimiento y el sustrato. Las aplicaciones principales de laimplantacin de iones son la modificacin de superficies metlicas para mejorar laspropiedades y la fabricacin de dispositivos semiconductores.


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104. PROCESOS DE RECUBRIMIENTO Y DEPOSICION

Los productos hechos de metal casi siempre estn recubiertos, con pintura, recubrimientosgalvnicos u otros procesos. Las razones principales para recubrir un metal son:

1) proporcionar proteccin contra la corrosin del sustrato;2) mejorar el aspecto del producto, por ejemplo, para proporcionar un color o textura

especificados;3) aumentar la resistencia al desgaste y reducir la friccin de la superficie;4) mejorar la conductividad elctrica;5) aumentar la resistencia elctrica;6) preparar una superficie metlica para un procesamiento posterior y7) reconstruir las superficies gastadas o erosionadas durante el servicio.

FIGURA 6. Vista del corte de un recubrimiento de grosor d en una superficie de sustrato, caracterstica de los procesos en este captulo.

En ocasiones los materiales no metlicos tambin se recubren. Algunos ejemplos son:

1) piezas plsticas recubiertas para darles un aspecto metlico;2) recubrimientos antirreflejantes que se aplican comnmente a lentes de cristales pticos; y3) ciertos procesos de recubrimiento y deposicin se usan en la fabricacin de chips

semiconductores y tableros de circuitos impresos.

La caracterstica comn de estos procesos es que todos producen un recubrimiento separado sobrela superficie del material de sustrato, como en la fig. 6. Se debe obtener una buena adhesin entre elrecubrimiento y el sustrato, y para que esto ocurra la superficie del sustrato debe estar muy limpia.

4.1. RECUBRIMIENTOS GALVNICOS Y PROCESOS AFINES

El recubrimiento galvnico implica el recubrimiento de una delgada capa metlica sobre la superficiede un material del sustrato. El sustrato por lo general es metlico, aunque existen mtodos pararecubrir piezas plsticas y cermicas. Las razones para recubrir galvnicamente una pieza incluyen:

1) la proteccin ante la corrosin,2) el aspecto atractivo,

3) la resistencia al desgaste,4) una mayor conductividad elctrica,5) mejorar la soldabilidad y6) mejorar la lubricidad de la superficie.

La tecnologa ms conocida y de mayor uso es la electro deposicin.

4.1.1. Electro deposicin

La electro deposicin, tambin conocida como recubrimiento electroqumico, es un procesoelectroltico en el cual se depositan iones metlicos en una solucin electroltica dentro de una piezade trabajo que funciona como ctodo.


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11La disposicin se muestra en la fig. 7. El nodo est hecho generalmente del metal que se recubre y,por lo tanto, funciona como fuente del metal recubierto. Se pasa corriente continua de untransformador de corriente externo entre el nodo y el ctodo. El electrolito es una solucin acuosa decidos, bases o sales que conduce corriente elctrica mediante el movimiento de iones metlicos del

recubrimiento en solucin. Para resultados ptimos, las piezas deben pasar por una limpieza qumicajusto antes de la electro deposicin.

FIGURA 7. Disposicin para la electro deposicin.

Principios de la electro deposicin: El recubrimiento electroqumico se basa en dos leyes fsicas deFaraday. En resumen y para nuestros propsitos, las leyes plantean que:

1) la masa de una sustancia liberada en electrlisis es proporcional a la cantidad de electricidadque pasa por la celda, y

2) la masa del material liberado es proporcional a su equivalente electroqumico (la razn depeso atmico a valencia).

El efecto se resume en la ecuacin:V = C.I.t (1)

donde V = volumen de metal recubierto, en cm3;C = constante de recubrimiento, que depende delequivalente electroqumico y la densidad, en cm3/ A-s; I = corriente, en A; y t = tiempo durante el quese aplica la corriente, en min. (seg). El producto I.t (corriente x tiempo) es la carga elctricadepositada en la celda y el valor de C indica la cantidad de material del recubrimiento galvnico quese deposita en la pieza de trabajo catdica.

Para la mayora de los metales recubiertos galvnicamente, no toda la energa elctrica del procesose usa para deposicin; una parte se consume en otras reacciones, tal como la liberacin dehidrgeno en el ctodo.

Esto reduce la cantidad de metal del recubrimiento galvnico. La cantidad real de metal depositadoen el ctodo (pieza de trabajo) dividida por la cantidad terica, que proporciona la ecuacin (1), sedenomina la eficiencia del ctodo. Considerando la eficiencia del ctodo, una ecuacin ms precisapara determinar el volumen de metal recubierto galvnicamente es:

V = E.C.I.t (2)

donde E = eficiencia de ctodo y los otros trminos son iguales a la definicin anterior. Los valorestpicos de la eficiencia de ctodo E y la constante de recubrimiento C para diferentes metales sepresentan en la tabla 1. El espesor de los recubrimientos galvnicos promedio se determina a partirde lo siguiente:

d = V (3)A

en donde d = espesor del recubrimiento galvnico, en cm; V = volumen del metal del recubrimientogalvnico a partir de la ecuacin (2); y A = rea de la superficie de la pieza, en cm2.


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12Metal

a tratar ElectrolitoEficienciade ctodo

%

Constante de recubrimientosgalvnicos cm3/A-seg x 10-5

Cadmio (2) Cianuro 90 6,73Cromo (3) Cromo-sulfato cido 15 2,50Cobre (1) Cianuro 98 7,35Oro (1) Cianuro 80 10,6Nquel (2) Sulfato cido 95 3,42Plata (1) Cianuro 100 10,7Estao (4) Sulfato cido 90 4,21Zinc (2) Cloruro 95 4,75

TABLA 1. Eficiencia tpica del ctodo en la electro deposicin y valores de la constante de recubrimiento C.

La valencia ms comn se proporciona entre parntesis ste es el valor supuesto para determinar laconstante de recubrimiento C. Para una valencia diferente, calcular la nueva C multiplicando el valorde C en la tabla por la valencia ms comn y despus dividir por la valencia nueva.

Mtodos y aplicaciones Existen diversos equipos para la electro deposicin y su eleccin dependedel tamao y la geometra de piezas, los requisitos de resultados y el metal para recubrir. Losmtodos principales son:

1) deposicin en tambor,2) deposicin en estantes y3) deposicin en tiras.

La deposicin en tambor se realiza en tambores rotatorios orientados en forma horizontal o en unngulo oblicuo (35). El mtodo es conveniente par a el recubrimiento de muchas piezas pequeas enun lote. El contacto elctrico se mantiene a travs de la accin de frotado de las piezas y mediante unconductor conectado externamente que se proyecta dentro del tambor. Existen limitaciones para ladeposicin en tambor; la accin de frotado inherente al proceso puede provocar dao en las piezasde metal suave, en los componentes roscados, en las piezas que requieren buenos acabados y enlas piezas pesadas con bordes afilados.

La deposicin en estantes se usa para piezas que son demasiado grandes, pesadas o complejaspara la deposicin en tambores. Los estantes estn hechos de alambre de cobre de calibre pesadocon formas adecuadas para contener las piezas y conducir la corriente a travs de ellas. Los estantesse fabrican de modo que las piezas de trabajo puedan colgarse en ganchos o sostenerse apretadas ocargadas en canastas. Para evitar la deposicin del cobre mismo, los estantes se cubren conaislante, excepto en las piezas donde existe contacto.

El recubrimiento en tiras es un mtodo de alta produccin, en el cual el trabajo consiste en una tiracontinua que se tira a travs de la solucin para recubrimientos galvnicos mediante un riel dealimentacin. El alambre recubierto es un ejemplo adecuado de su aplicacin. Mediante este mtodotambin se recubren piezas de lminas metlicas pequeas sostenidas en una larga tira. El procesopuede prepararse de modo que slo se involucren las regiones especficas de las piezas; porejemplo, los puntos de contacto de recubrimientos galvnicos con oro en los conectores elctricos.

Los metales para recubrimiento ms comunes en la electro deposicin incluyen el zinc, el nquel, elestao, el cobre y el cromo. El acero es el metal de sustrato ms comn. Tambin se recubren losmetales preciosos (oro, plata y platino) en joyera. El oro tambin se usa para contactos elctricos.

Los productos de acero recubiertos con zinc incluyen sujetadores, artculos con alambres, cajas deinterruptores elctricos y diferentes piezas de lminas metlicas. El recubrimiento con zinc funcionacomo una barrera que se sacrifica para evitar la corrosin del metal que est debajo. Un procesoalternativo para recubrir acero con zinc es el galvanizado.


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13Se usa el recubrimiento con nquel para resistir la corrosin y con propsitos decorativos sobre acero,bronce, colados en zinc y otros metales. Las aplicaciones incluyen ajuste automotriz y otros bienes deconsumo. El nquel tambin se usa como una cubierta base, bajo una lmina de cromo muy delgada.El recubrimiento de esta o se usa ampliamente, el cual protege contra la corrosin a las latas de

estao y otros envases para alimento. Tambin se usa para mejorar la soldabilidad de componenteselctricos.

El cobre tiene varias aplicaciones importantes como metal de recubrimiento. Se usa ampliamentecomo recubrimiento decorativo en acero y zinc, ya sea solo o en aleaciones con zinc tal como ladeposicin de bronce. Tambin tiene aplicaciones importantes en tableros de circuitos impresos. Porltimo, con frecuencia el cobre se recubre sobre el acero como una base, bajo una cubierta de nquelo cromo.

El recubrimiento con cromo (conocido popularmente como "cromado") se valora por su aspectodecorativo y se usa ampliamente en aplicaciones automotrices, de muebles para oficina y de aparatoselctricos para la cocina. Tambin produce uno de los recubrimientos electro depositados ms duros,

y por esta razn se usa ampliamente para piezas que requieren resistencia al desgaste, por ejemplo,pistones hidrulicos y cilindros, anillos de pistones, componentes de motores de aeronaves, guasroscadas en maquinaria textil y aplicaciones similares.

4.1.2. Electro formado

Este proceso es virtualmente igual que la electro deposicin pero su propsito es muy distinto Elelectro formado implica la deposicin electroltica de metal en un patrn hasta obtener el grosorrequerido; despus se remueve el patrn para dejar la pieza formada. Mientras que el grosor de unadeposicin comn es de slo aproximadamente 0,05 mm o menos, con frecuencia, las piezas electroformadas son mucho ms gruesas, por lo que el ciclo de produccin es proporcionalmente ms largo.Los modelos usados en el electro formado son:

1) slidos o2) desechables.

Los patrones slidos tienen un ahusamiento u otra geometra que permite la remocin de la piezaelectro depositada.

Los modelos desechables se destruyen durante la remocin de la pieza, y se usan cuando la formade la pieza imposibilita un patrn slido. Los modelos desechables son fusibles o solubles. Los detipo fusible estn hechos de aleaciones de baja fusin, plsticos, cera u otro material que puederemoverse por fusin.

Cuando se usan materiales no conductores, el patrn o modelo debe metalizarse para aceptar elrecubrimiento electro depositado. Los de tipo soluble estn hechos de un material que puededisolverse con facilidad mediante productos qumicos; por ejemplo, el aluminio se disuelve enhidrxido de sodio (NaOH).

Por lo general, las piezas electro formadas se fabrican de aleaciones de cobre, nquel y nquel-cobalto. Las aplicaciones incluyen moldes y dados finos; entre los ejemplos estn los moldes paralentes, los discos fonogrficos y las placas para estampar e imprimir.

Una aplicacin reciente con mucha demanda implica la produccin de moldes para discos compactosde lectura mediante lser y discos de video. Los detalles de la superficie que deben imprimirse en undisco compacto se miden en micrones (1 m = 39,4 pulg.). Estos detalles se obtienen con facilidad

en el moldeado mediante electro formado.


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144.1.3. Deposicin sin electricidad

La deposicin sin electricidad es el nombre que se da al proceso de recubrimiento que se produce

completamente mediante reacciones qumicas y no se requiere una fuente externa de corrienteelctrica. La deposicin del metal en la superficie de una pieza ocurre en una solucin acuosa quecontiene los iones del metal para recubrimiento que se vaya a utilizar. El proceso usa un agentereductor y la superficie de la pieza de trabajo acta como catalizador para la reaccin.

Son pocos los metales que se pueden emplear para la deposicin sin electricidad, as como los quepueden procesarse mediante esta tcnica, el costo es generalmente mayor que en el recubrimientoelectroqumico. El metal para deposicin sin electricidad ms comn es el nquel y algunas de susaleaciones (Ni-Co, Ni-P y Ni-B).

Tambin se usan el cobre y, en menor grado, el oro como metales para deposicin mediante esteproceso. La deposicin con nquel se usa para aplicaciones que requieren alta resistencia a la

corrosin y al desgaste. La deposicin con cobre sin electricidad se usa para recubrir a travs deorificios de tableros de circuitos impresos.

El cobre tambin puede utilizarse para recubrir piezas plsticas con propsitos decorativos. Lasventajas de la deposicin sin electricidad incluyen:

1) espesores de recubrimientos galvnicos uniformes sobre geometras de piezas complejas (locual es un problema con la electro deposicin),

2) el proceso puede usarse en substratos metlicos y no metlicos y3) no se necesita una provisin de corriente directa para realizar el proceso.

4.1.4. Inmersin en caliente

La inmersin en caliente es un proceso en el cual un sustrato metlico se sumerge en un baofundido de un segundo metal; tras la remocin, el segundo metal recubre el primero. El primer metaldebe poseer una temperatura de fusin ms alta que el segundo. Los metales de sustrato mscomunes son el acero y el hierro.

El zinc, el aluminio, el estao y el plomo son los metales de recubrimiento ms comunes. Lainmersin en caliente funciona para formar capas de transicin sobre compuestos de aleacinvariable. Junto al sustrato normalmente se encuentran compuestos nter metlicos de los dosmetales; en el exterior hay aleaciones de solucin slida que consisten predominantemente en metalde recubrimiento. Las capas de transicin proporcionan una excelente adhesin del recubrimiento.

El propsito principal de la inmersin en caliente es la proteccin ante la corrosin. Normalmenteoperan dos mecanismos para proporcionar esta proteccin:

1) proteccin de barrera, para la cual el recubrimiento simplemente funciona como un escudopara el metal que est debajo, y

2) proteccin de sacrificio, en la cual el recubrimiento se corroe mediante un procesoelectroqumico para preservar el sustrato.

La inmersin en caliente recibe diferentes nombres, dependiendo del metal para recubrimiento: en elgalvanizado, el metal para recubrimiento es el zinc sobre acero o hierro; el aluminizado se refiere alrecubrimiento de aluminio (Al) sobre un sustrato; en el estaado, el recubrimiento es estao (Sn), y elterneplate con plomo y estao describe el recubrimientos galvnicos de una aleacin de plomo y

estao sobre acero.


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15El galvanizado es por mucho el ms importante de los procesos por inmersin en caliente, con unaantigedad de alrededor de 200 aos. Se aplica para dar acabado a piezas de acero y hierro en unproceso por lotes, as como a lminas, tiras, tuberas, conductos y alambres en un proceso

automatizado continuo.

Comnmente, el espesor del recubrimiento vara entre 0,04 y 0,09 mm. El espesor de capa secontrola principalmente mediante el tiempo de inmersin. La temperatura del bao se mantienealrededor de 450 C. El uso comercial del aluminiza do va en aumento y cada vez comparte ms elmercado con el galvanizado. Los recubrimientos por inmersin en aluminio caliente proporcionan unaexcelente proteccin contra la corrosin, en algunos casos cinco veces ms eficaz que elgalvanizado.

La deposicin con estao mediante inmersin en caliente proporciona una proteccin contra lacorrosin no txica para el acero, en aplicaciones para envases de alimentos, equipos para lcteos yaplicaciones de soldadura blanda. La inmersin en caliente ha sido gradualmente rebasada por la

electro deposicin como el mtodo comercial preferido para el recubrimiento de estao sobre acero.El terneplating involucro la inmersin en caliente de una aleacin de plomo-estao sobre acero, laaleacin es predominantemente de plomo (slo del 2 al 15% es Sn); sin embargo, se requiere estaopara obtener la adhesin satisfactoria del recubrimiento. La deposicin con plomo y estao es elmtodo de recubrimiento de menor costo para el acero, pero su proteccin contra la corrosin eslimitada.

4.2. RECUBRIMIENTOS POR CONVERSIN

Un recubrimiento por conversin se refiere a una familia de procesos en los cuales se forma unapelcula delgada de xido, fosfato o cromato sobre una superficie metlica mediante reaccin qumica

o electroqumica. La inmersin y la aspersin son los dos mtodos comunes que exponen lasuperficie metlica a los productos qumicos reactivos. Los metales comunes tratados medianterecubrimiento por conversin son el acero (incluyendo el acero galvanizado), el zinc y el aluminio.

Sin embargo, casi cualquier producto de metal puede aprovechar este tratamiento. Las razonesimportantes para usar los procesos de recubrimiento por conversin son:

1) proteccin contra la corrosin,2) preparacin para pintura,3) reduccin del desgaste,4) permitir que la superficie contenga mejores lubricantes para procesos de formado metlico,5) aumentar la resistencia elctrica de la superficie,

6) acabado decorativo y7) identificacin de piezas.

Los procesos de recubrimiento por conversin se dividen en dos categoras:

1) tratamientos qumicos y2) anodizado.

La primera categora incluye procesos que implican slo una reaccin qumica; los recubrimientos porconversin con fosfato y cromato son los tratamientos comunes. La segunda categora es elanodizado, en la cual se produce un recubrimiento de xido mediante una reaccin electroqumica(anodizado es la contraccin castellanizada del ingls anodic oxidize que se traduce como oxidacin

andica). Este proceso de recubrimiento se asocia frecuentemente con el aluminio y sus aleaciones.


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164.2.1. Recubrimientos por conversin qumica

Estos procesos operan exponiendo el metal base a ciertos productos qumicos que forman pelculas

de superficies delgadas y no metlicas. En la naturaleza ocurren reacciones similares; algunosejemplos son la oxidacin del hierro y el aluminio. En tanto que la herrumbre destruyeprogresivamente el hierro, la formacin de un recubrimiento delgado de Al2O3 sobre el aluminioprotege el metal base. El propsito de estos tratamientos de conversin qumica es conseguir esteltimo efecto. Los dos procesos principales son recubrimientos con fosfatos y cromatos.

El recubrimiento con fosfato implica la transformacin de la superficie del metal base en una pelculaprotectora de fosfato mediante la exposicin a soluciones de ciertas sales de fosfatos (por ejemplo,Zn, Mg y Ca) junto con cido fosfrico diluido (H3PO4). El espesor del recubrimiento vara de 0,0025 a0,05 mm. Los metales base ms comunes son el zinc y el acero, incluyendo el acero galvanizado. Elrecubrimiento con fosfato funciona como una preparacin til para la pintura en las industriasautomotriz y de aparatos elctricos pesados.

El recubrimiento con cromato convierte el metal base en diversas formas de pelculas de cromatos,mediante soluciones acuosas de cido crmico, sales de cromatos y otros productos qumicos. Losmetales tratados con este mtodo incluyen el aluminio, el cadmio, el cobre, el magnesio y el zinc (ysus aleaciones). La inmersin de la pieza base es el mtodo comn de aplicacin.

Los recubrimientos por conversin con cromatos son de alguna forma ms delgados que confosfatos, generalmente menores de 0,0025 mm. Las razones para un recubrimiento con cromatosson:

1) proteccin contra la corrosin,2) base para pintura y

3) propsitos decorativos.Los recubrimientos con cromatos pueden ser transparentes o de colores; los colores disponiblesincluyen el pardo olivo, el bronce, el amarillo o el azul brillante.

4.2.2. Anodizado

Mientras que los procesos anteriores se ejecutan normalmente sin electrlisis, el anodizado es untratamiento electroltico que produce una capa de xido estable sobre una superficie metlica. Susaplicaciones ms comunes son en aluminio y magnesio, pero tambin se aplica en zinc, el titanio yotros metales menos comunes. Los recubrimientos por anodizado se usan principalmente parapropsitos decorativos; tambin proporcionan proteccin contra la corrosin.

Resulta interesante comparar el anodizado con los electro recubrimientos galvnicos, porque ambosson procesos electrolticos. Son evidentes dos diferencias:

1) en la deposicin electroqumica, la pieza de trabajo que se va a recubrir es el ctodo en lareaccin. En contraste, en el anodizado el trabajo ocurre en el nodo, mientras que el tanquede procesamiento es catdico.

2) En la electro deposicin, el recubrimiento se aumenta mediante la adhesin de iones de unsegundo metal a la superficie metlica base. En el anodizado, el recubrimiento de lasuperficie se forma mediante una reaccin qumica del metal de sustrato dentro de una capade xido.


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17En los recubrimientos por anodizado el espesor vara generalmente entre 0,0025 y 0,075 mm. Sepueden incorporar tintes en el proceso de anodizado para crear una amplia variedad de colores; estoes muy comn en el anodizado con aluminio. Tambin se pueden lograr recubrimientos muy gruesossobre aluminio, mayores de 0,25 mm, mediante un proceso especial denominado anodizado duro;

estos recubrimientos son notables por su alta resistencia al desgaste y a la corrosin.

4.3. DEPOSICIN FISICA DE VAPOR

La deposicin fsica de vapor, DFV (en ingls PVD), se refiere a una familia de procesos en los cualesse convierte un material a su fase de vapor en una cmara de vaco y se condensa sobre unasuperficie de sustrato como una pelcula muy delgada. La PVD se usa para aplicar una ampliavariedad de materiales de recubrimiento: metales, aleaciones, cermica, compuestos inorgnicos eincluso ciertos polmeros. Los sustratos posibles incluyen metales, vidrio y plstico. Por lo tanto, laPVD representa una tecnologa de recubrimiento muy verstil aplicable a una combinacin casiilimitada de sustancias de recubrimiento y materiales de sustratos.

Las aplicaciones de la PVD incluyen los recubrimientos decorativos delgados sobre piezas de plsticoy metlicas, tales como trofeos, juguetes, plumas y lpices, empaques para relojes y adornos parainteriores de automviles. Los recubrimientos son pelculas delgadas de aluminio (de alrededor de150 nm) aplicadas con laca transparente para proporcionar un aspecto de plata o cromo satinado.

Otro uso de la PVD es la aplicacin de recubrimientos antirreflejantes de fluoruro de magnesio (MgF2)sobre lentes pticos. La PVD se aplica en la fabricacin de artculos electrnicos, principalmente parala deposicin de metales que tiene el propsito de formar conexiones elctricas en circuitosintegrados.

Por ltimo, la deposicin fsica de vapor se usa ampliamente para recubrir herramientas de corte ymoldes de inyeccin de plsticos con nitruro de titanio (TiN) para que resistan el desgaste. Todos los

procesos de deposicin fsica de vapor consisten en los siguientes pasos:1) sntesis del vapor de recubrimiento,2) transporte del vapor al sustrato y3) condensacin de los vapores sobre la superficie del sustrato.

Por lo general, la secuencia anterior se realiza dentro de una cmara de vaco, por esta razn sedebe evacuar la cmara antes del proceso de deposicin fsica de vapor real.

La sntesis del vapor del recubrimiento se obtiene mediante diversos mtodos, tales como elcalentamiento por resistencia elctrica o el bombardeo con iones para vaporizar un slido (o lquido)existente. stas y otras variables producen varios procesos de deposicin fsica de vapor. Se agrupan

en tres tipos principales:1) evaporacin en vaco,2) bombardeo de partculas atmicas y3) recubrimiento inico.

TABLA 2 Resumen de procesos por deposicin fsica de vapor (PVD).Proceso de deposicin Caractersticas y materiales de recubrimiento

Evaporacin al vacoCaractersticas: El equipo tiene un costo relativamente bajo y es sencillo; la deposicin de compuestos es difcil; la adhesin del recubrimientono es tan buena como para otros procesos de deposicin fsica de vapor.Materiales comunes de recubrimiento: Ag, Al, Au, Cr, Cu, Mo, W.

Bombardeo de partculasatmicas(sputtering)

Caractersticas: Mejor descarga de energa y adhesin del recubrimiento que la evaporacin al vaco, es posible recubrir compuestos,velocidades de deposicin ms lentas y un control de proceso ms difcil que la evaporacin al vaco.Materiales comunes de recubrimiento. Al2O3, Au, Cr, MO, SiO2, Si3N4, TiC, TiN.

Recubrimiento inicoCaractersticas: La mejor cobertura y adhesin del recubrimiento entre los procesos de deposicin fsica de vapor, control de proceso mscomplejo, velocidades de deposicin ms altas que la deposicin electrnica.

Materiales comunes de recubrimiento: Ag, Au, Cr, MO, Si3N4, TiC, TiN.


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184.3.1. Evaporacin al vaco

Es posible depositar ciertos materiales (principalmente metales puros) sobre un sustrato,transformndolos primero de estado slido a vapor en una cmara de vaco y despus permitiendo

que se condensen en la superficie del sustrato. La disposicin del proceso de evaporacin al vaco semuestra en la fig. 8. El material que se va a depositar, llamado la fuente, se calienta a unatemperatura suficientemente alta para evaporarse (o sublimarse).

FIGURA 8. Instalacin para la deposicin fsica de vapor por evaporacin al vaco.

Dado que el calentamiento se obtiene en un vaco, la temperatura requerida para la evaporizacin essignificativamente menor que la temperatura correspondiente requerida a presin atmosfrica normal.Asimismo, la ausencia de aire en la cmara evita la oxidacin del material fuente a las temperaturasde calentamiento. La velocidad de transferencia de la masa de evaporacin se gobierna medianterelaciones termodinmicas, las cuales se resumen en la ecuacin:

dm/dt = K.Pv.A.(M/T)1/2 (4)

donde dmldt = la velocidad de transferencia de masa del material fuente evaporado, Pv = presin devapor del material fuente a la temperatura T, A = rea de la fuente slida, M = su peso molecular y K= constante de proporcionalidad.

Se usan varios mtodos para calentar y vaporizar el material. Debe incluirse un envase para contenerel material de recubrimiento (el material fuente) antes de la vaporizacin. Entre los mtodos devaporizacin ms importantes estn el calentamiento por resistencia y el bombardeo con haz deelectrones.

El calentamiento por resistencia es la tecnologa ms sencilla. Se forma un metal refractario (porejemplo, W o Mo) en un envase adecuado para contener al material fuente. Se aplica una corrientepara calentar el envase, ste transmite calor al material en contacto. Un problema con el mtodo decalentamiento es la aleacin posible entre el envase y su contenido, de modo que la pelculadepositada se contamina con el metal del envase de calentamiento por resistencia.

En el bombardeo con haz de electrones, se dirige una corriente de electrones a alta velocidad parabombardear la superficie del material fuente a fin de provocar la vaporizacin. En contraste con elcalentamiento por resistencia, acta muy poca energa para calentar el envase, por lo que seminimiza la contaminacin del material del envase con el recubrimiento.


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19Cualquiera que sea la tcnica de evaporacin, los tomos evaporados dejan la fuente y siguentrayectorias en lnea recta hasta que chocan con otras molculas de gas o con una superficie slida.El vaco dentro de la cmara prcticamente elimina otras molculas de gas, por lo que reduce laprobabilidad de choques con tomos del vapor de la fuente.

La superficie del sustrato que se va cubrir generalmente se coloca en relacin con la fuente, de modoque se asegure la depositacin de los tomos en forma de vapor sobre la superficie slida. Enocasiones se usa un manipulador mecnico para rotar el sustrato de tal manera que se recubrantodas las superficies. Tras el contacto con la superficie del sustrato relativamente fra, el nivel deenerga de los tomos que chocan se reduce repentinamente, hasta un punto donde ya no puedenpermanecer en estado de vapor; entonces, se condensan y se pegan a la superficie slida, dondeforman una pelcula delgada.

FIGURA 9. Una instalacin posible para el bombardeo de partculas atmicas, una forma de deposicin fsica de vapor.

4.3.2. Bombardeo con partculas atmicas (sputtering)

Si la superficie de un slido (o lquido) se bombardea mediante partculas atmicas de energasuficientemente alta, los tomos individuales de la superficie pueden adquirir suficiente energadebido al choque, de modo que se proyecten de la superficie mediante transferencia de momentum.

ste es el proceso conocido como sputtering. La forma ms conveniente de emplear partculas dealta energa es con un gas ionizado, como el argn energizado mediante un campo elctrico paraformar un plasma.

Como proceso de PVD, el sputtering involucro el bombardeo de material de recubrimiento catdicocon los iones de argn, (Ar+), y provoca que los tomos de la superficie escapen y se depositen en unsustrato, formando una pelcula delgada sobre l. El sustrato debe colocarse cerca del ctodo y, porlo general, se calienta para mejorar la unin de los tomos del recubrimiento. Un arreglo comn semuestra en la fig. 9.

Mientras que la evaporacin al vaco generalmente se limita a metales, el bombardeo con partculasatmicas se aplica casi a cualquier material, tanto metlicos como no metlicos, aleaciones, cermicay polmeros.

Las pelculas de aleaciones y compuestos pueden procesarse mediante deposicin electrnica sincambiar sus composiciones qumicas. Las pelculas de compuestos qumicos tambin se depositanmediante el empleo de gases reactivos que forman xidos, carburos o nitruros con el metalchisporroteante.

La velocidad a la que se remueve el material del ctodo para la deposicin en el sustrato se describemediante la siguiente relacin:


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20dm = C.I.Ys (5)dt

donde dmldt = velocidad de transferencia de masa del material de ctodo removido, C = constante

que depende de la configuracin del equipo, I = corriente del ion, y Ys = el sputtering, definido comola cantidad de tomos lanzados a la superficie por bombardeo con partculas de iones. El sputteringes bajo, por lo general puede oscilar desde valores menores del 1% hasta el 4%, dependiendo delmaterial de recubrimiento y del nivel de energa de iones.

Las producciones de sputtering para el Ag y el Au estn en el extremo superior del rango, en tantoque las producciones para Mo, Ta, Ti y W son bajas. Gran parte de la energa de las partculas queinciden se aprovecha en el calentamiento de la superficie objetivo. Debido a la baja produccin desputtering, las velocidades de deposicin lentas son caractersticas de este proceso. Otra desventajaes que, como los iones que bombardea la superficie son en forma de gas, por lo general seencuentran restos del gas en las pelculas de recubrimiento; en ocasiones, los gases atrapadosafectan adversamente las propiedades mecnicas.

4.3.3. Recubrimiento inico

El recubrimiento inico usa una combinacin de bombardeo con partculas atmicas y evaporacin alvaco para depositar una pelcula delgada sobre un sustrato. El proceso funciona de la siguientemanera. Se prepara el sustrato para que funcione como ctodo en la pieza superior de la cmara y elmaterial fuente se coloca debajo. Despus se establece un vaco en la cmara. Se inyecta gas argny se aplica un campo elctrico para ionizar el gas (Ar+) y establecer un plasma.Esto produce un bombardeo inico (sputtering) del sustrato, por lo que su superficie se frota hastauna condicin de limpieza atmica (esto se interpretacomo "muy limpia"). Enseguida, se calienta elmaterial fuente lo suficiente para generar vapores de recubrimiento. Los mtodos de calentamientousados aqu son similares a los que se emplean en la evaporacin al vaco: calentamiento por

resistencia, bombardeo con haz de electrones, etc.Las molculas de vapor pasan a travs del plasma y recubren el sustrato. El bombardeo de partculasatmicas contina durante el proceso, por lo que el bombardeo con iones consiste no slo en losiones de argn originales, sino tambin iones del material fuente que se han energizado mientras hanestado sujetos al mismo campo de energa que el argn. Los efectos de estas condiciones deprocesamiento producen pelculas de espesor uniforme y una excelente adherencia al sustrato.El recubrimiento con iones es aplicable a piezas que tienen geometras irregulares debido a losefectos de dispersin que existen en el campo del plasma. Un ejemplo interesante es el recubrimientocon TiN de herramientas de acero para corte de alta velocidad (por ejemplo, brocas de taladro).

Adems de la uniformidad en el recubrimiento y una buena adherencia, otras ventajas del proceso

son altas velocidades de deposicin, altas densidades de la pelcula y la capacidad de recubrir lasparedes internas de orificios y otras formas huecas.

4.4. DEPOSICIN QUMICA DE VAPOR

La PVD es estrictamente un proceso fsico que implica la deposicin de un recubrimiento mediantecondensacin sobre un sustrato, desde la fase de vapor. En comparacin, la deposicinqumica devapor, DQV (en ingls CVD), implica la interaccin entre una mezcla de gases y la superficie de unsustrato calentado, provocando la descomposicin qumica de algunas de las piezas del gas y laformacin de una pelcula slida en el sustrato.


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21Las reacciones ocurren en una cmara de reaccin sellada. El producto de la reaccin (ya sea unmetal o un compuesto) forma un ncleo y crece en la superficie del sustrato para formar elrecubrimiento. Casi todas las reacciones de CVD requieren calor.

Sin embargo, dependiendo de los productos qumicos implicados, las reacciones pueden serprovocadas por otras fuentes de energa, tales como la luz ultravioleta o un plasma. La CVD incluyeun amplio rango de presiones y temperaturas; y se aplica a una gran variedad de materiales derecubrimiento y de sustrato.

Los procesos metalrgicos industriales basados en la deposicin qumica de vapor datan deprincipios del siglo XIX; por ejemplo, el proceso de Mond. El inters moderno en la CVD se concentraen sus aplicaciones para recubrimiento, tales como las herramientas recubiertas con carburoreforzado, las celdas solares, el depsito de metales refractarios en las hojas de turbinas de motoresa chorro y otras aplicaciones en donde son importantes la resistencia al desgaste, la corrosin, laerosin y el choque trmico.Adems de estas aplicaciones, la deposicin qumica de vapor tambin es una tecnologa importante

en la fabricacin de circuitos integrados.Las ventajas que se citan comnmente para la deposicin qumica de vapor incluyen:

1) es posible depositar materiales refractarios a temperaturas abajo de sus puntos de fusin osinterizado,

2) es posible controlar el tamao del grano,3) el proceso se realiza a presin del ambiente normal (no requiere equipo de vaco) y4) hay una buena unin del recubrimiento a la superficie del sustrato.

Las desventajas incluyen que:1) la naturaleza corrosiva y txica de los productos qumicos, por lo general, requiere una

cmara cerrada al igual que equipo de bombeo y disposicin especial,

2) ciertos ingredientes para la reaccin son relativamente costosos y3) la utilizacin del material es baja.

TABLA 3. Ejemplos de reacciones en la deposicin qumica de vapor.

1. El proceso de Mond incluye un proceso de CVD para descomponer nquel a partir de nquelcarbonilo Ni(C0)4, el cual es un compuesto intermedio que se forma al reducir el mineral de nquel:

Ni(C0)4 > (200 C) > Ni + 4CO (6)

2. El recubrimiento de carburo de titanio (TiC) sobre un sustrato de carburo de tungsteno reforzado(WC-Co) para producir una herramienta de corte con alto rendimiento.

TiCI4 + CH4 > (1000 C) > TiC + 4HCl (7)excedente de H2

3. El recubrimiento de nitruro de titanio (TiN) sobre un sustrato de carburo de tungsteno reforzado(WC-Co) para producir una herramienta de corte con alto rendimiento:

TiCI4 + 0.5N2 + 2H2 > (200 C) > TiN + 4HCI (8)

4. El recubrimiento de xido de aluminio (Al2O3) sobre un sustrato de carburo de tungstenoreforzado (WC-Co) para producir una herramienta de corte con alto rendimiento.

2AICl3

+ 3CO2

+ 3H2

> (200 C) > Al2

O3

+ 3CO + 6HCI (9)


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225. El recubrimiento de nitruro de silicio (Si3N4) sobre silicio (Si), un proceso en la manufactura desemiconductores:

3SiF4+ 4NH3 > 1800 'F (200 C) > Si 3N4+ 12HF (10)

6. El recubrimiento de dixido de silicio (SiO2) sobre silicio (Si), un proceso en la manufactura desemiconductores:

2SiCl3+ 3H20 + 0,5 O2 > (200 C) > 2SiO 2+ 6HCI (11)

7. El recubrimiento del metal refractario tungsteno (W) sobre un sustrato, tal como una hoja de turbinade motor a chorro:

WF6+ 3H2 > (200 C) > W + 6HF (12)

Materiales y reacciones en la CVD: En general, los metales que se electro depositan con facilidadno son buenos candidatos para la CVD, debido a los productos qumicos peligrosos que debenusarse y a los costos de medidas de seguridad para contrarrestar sus riesgos. Los metales

convenientes para recubrimiento mediante CVD incluyen el tungsteno, el molibdeno, el titanio, elvanadio y el tantalio.

La deposicin qumica de vapor es especialmente adecuada para la deposicin de compuestos, talescomo el xido de aluminio (Al2O3), el dixido de silicio (SiO2), el nitruro de silicio (Si3N4), el carburo detitanio (TiC), y el nitruro de titanio (TiN). La fig. 10 ilustra la aplicacin tanto de la CVD como de laPVD para proporcionar mltiples recubrimientos resistentes al desgaste sobre una herramienta decorte de carburo reforzado.

Los gases o vapores reactivos que se utilizan normalmente son hidruros metlicos (MHx), cloruros(MClx), fluoruros (MFx) y carbonilos [M(CO)x], en donde M = el metal que se va a depositar y, se usapara equilibrar las valencias en el compuesto. En algunas de las reacciones se usan otros gases,

tales como el hidrgeno (H2), el nitrgeno (N2), el metano (CH4), el dixido de carbono (C02) y elamoniaco (NH3).

La tabla 3 presenta algunos ejemplos de reacciones de deposicin qumica de vapor que producen ladeposicin de un metal o recubrimiento cermico sobre un sustrato conveniente, tambin proporcionalas temperaturas comunes a las que se realizan estas reacciones.

FIGURA 11. Foto micrografa de la seccin transversal de una herramienta de corte recubierto con carburo (Kennametal Grade KC792M);se us deposicin qumica de vapor para recubrir con TiN y TiCN un sustrato de WC-CO, seguida por un recubrimiento de TiN aplicado

mediante deposicin fsica de vapor (fotografa cortesa de Kennametal, lnc.)


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23Equipo de procesamiento: Los procesos de deposicin qumica de vapor se realizan en un reactor,que consiste en:

1) sistema de provisin de reactivos,

2) cmara de deposicin y3) sistema de reciclado / evacuacin.

Aunque las configuraciones de reactores difieren dependiendo de la aplicacin, en la fig. 12 sepresenta un diseo posible de reactor para CVD. El sistema de provisin de reactivos incorporareactivos para la cmara de deposicin en las proporciones adecuadas. Se requieren distintos tiposde sistemas de provisin, dependiendo de si los reactivos se incorporan como gas, lquido o slido(por ejemplo, perdigones o polvos).

La cmara de deposicin contiene los sustratos y las reacciones qumicas que conducen a ladeposicin de los productos de reaccin sobre las superficies del sustrato. La deposicin ocurre aelevadas temperaturas y el sustrato debe calentarse por induccin, por calor radiante u otros medios.

Las temperaturas de deposicin para diferentes reacciones de CVD oscilan entre 250 y 1950 C, poresta causa la cmara debe disearse para cumplir con estas demandas de temperatura.

El tercer componente del reactor es el sistema de reciclado / evacuacin, cuya funcin es volverinofensivos los subproductos de la reaccin de CVD. Esto incluye la recoleccin de materialestxicos, corrosivos y flamables, seguida por una disposicin y procesamiento adecuados.

FIGURA 12. Un reactor comn usado en la deposicin qumica de vapor.

Formas alternativas de la CVD. Lo que hemos descrito en la seccin anterior es la deposicinqumica de vapor a presin atmosfrica, DQVPA (en ingls APCVD), en la cual las reacciones serealizan a una presin atmosfrica normal o casi normal. Para muchas reacciones, hay ventajas alrealizar el proceso a presiones inferiores a la atmosfrica. Esto se denomina deposicin qumicadevapor a baja presin, DQVBP (en ingls LPCVD), en donde las reacciones ocurren en un vacoparcial.

Las ventajas citadas para este ltimo proceso incluyen:

1) grosor uniforme,2) buen control sobre la composicin y la estructura,3) baja temperatura de procesamiento,4) altas velocidades de deposicin,5) rendimientos altos y6) bajos costos de procesamiento.


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24El problema tcnico en la LPCVD es disear bombas de vaco para crear el vaco parcial cuando losproductos de la reaccin no slo estn calientes sino tambin sean corrosivos. Con frecuencia estasbombas deben incluir sistemas para enfriar y atrapar los gases corrosivos antes de que lleguen a launidad de bombeo real.

Otra variable en la CVD es la deposicin qumica de vapor asistida con plasma, DQVAP (en inglsPACVD), en la cual la deposicin sobre un sustrato se consigue mediante la reaccin de losingredientes en un gas que se ha ionizado mediante una descarga elctrica (esto es, un plasma). Enefecto, se usa la energa que contiene el plasma, en lugar de energa trmica para activar lasreacciones qumicas.

Las ventajas de la PACVD incluyen:1) menores temperaturas del sustrato,2) mejor energa de cobertura,3) mejor adhesin y4) velocidades de deposicin ms altas.

Entre sus aplicaciones se encuentran la deposicin de nitruro de silicio (Si3N4) en el procesamientode semiconductores, recubrimientos de TiN y TiC para herramientas y recubrimientos de polmeros.El proceso tambin se conoce como deposicin qumica de vapor mejorada con plasma (en inglsPECVD), deposicin qumica de vapor con plasma (en ingls PCVD) o simplemente deposicin conplasma.

4.5. RECUBRIMIENTOS ORGNICOS

Los recubrimientos orgnicos son polmeros y resinas producidos en forma natural o sinttica,generalmente formulados para aplicarse como lquidos que se secan o endurecen como pelculas desuperficie delgadas en materiales del sustrato. Estos recubrimientos se aprecian por la variedad decolores y texturas posibles, su capacidad de proteger la superficie del sustrato, su bajo costo y la

facilidad con que se aplican.En esta seccin consideramos las composiciones de los recubrimientos orgnicos y los mtodos paraaplicarlos. Aunque casi todos los recubrimientos orgnicos se aplican en forma lquida, algunos seaplican como polvos; consideramos esta alternativa en la seccin 4.5.2.

Las formulaciones de los recubrimientos orgnicos contienen lo siguiente:1) aglutinantes, los cuales le dan al recubrimiento sus propiedades;2) tintes o pigmentos, que prestan color al recubrimiento;3) solventes para disolver los polmeros y resinas y agregar una fluidez conveniente al lquido y4) aditivos.

Los aglutinantes en los recubrimientos orgnicos son polmeros y resinas que determinan las

propiedades del estado slido del recubrimiento, tales como la resistencia, propiedades fsicas y laadhesin a la superficie del substrato. El aglutinante contiene los pigmentos y otros ingredientes en elrecubrimiento, durante y despus de la aplicacin a la superficie. Los aglutinantes ms comunes enlos recubrimientos orgnicos son aceites naturales (usados para producir pinturas basadas en aceite),resinas de polisteres, poliuretanos, epxicos, acrlicos y celulsicos.

Los tintes y pigmentos proporcionan color al recubrimiento. Los tintes son productos qumicossolubles que dan color al recubrimiento lquido, pero no ocultan la superficie cuando se aplican. Porlo tanto, los recubrimientos con color de tinte son generalmente transparentes o translcidos. Lospigmentos son partculas slidas de tamao uniforme y microscpico que se dispersan en el lquidode recubrimiento, pero no se disuelven en l. No slo dan color al recubrimiento, sino tambin ocultanla superficie que est debajo. Debido a que los pigmentos son materia en partculas, tambin tienden

a fortalecer el recubrimiento.


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25Los solventes se usan para disolver el aglutinante y otros ingredientes que constituyen elrecubrimiento lquido. Los solventes comunes usados en recubrimientos orgnicos son hidrocarburosalifticos y aromticos, alcoholes, steres, acetonas y solventes clorinados. Para cada aglutinante

existe un solvente especfico. Los aditivos en los recubrimientos orgnicos incluyen a los dispersantes(para facilitar la dispersin sobre la superficie), insecticidas y fungicidas, espesantes, estabilizadoresde congelacin / deshielo, estabilizadores para calor y luz, agentes coalescentes, plastificantes,desespumantes y catalizadores para promover las cadenas transversales. Estos ingredientes seformulan para obtener una amplia variedad de recubrimientos, tales como pinturas, lacas y barnices.

4.5.1. Mtodos de aplicacin

El mtodo para aplicar un recubrimiento orgnico a una superficie depende de varios factores como lacomposicin del lquido de recubrimiento, el espesor requerido, la velocidad de produccin yconsideraciones de costo, tamao de piezas y requerimientos ambientales. Para cualquiera de losmtodos de aplicacin, es de vital importancia que la superficie se prepare en forma conveniente.

Esto incluye la limpieza y el posible tratamiento de la superficie, tal como un recubrimiento confosfato. En algunos casos las superficies metlicas se protegen en forma electroltica antes de unrecubrimiento orgnico para una mxima proteccin contra la corrosin.Con cualquier mtodo de recubrimiento, la eficiencia de transferencia es una medida de sumaimportancia. La eficiencia de transferencia es la proporcin de pintura que se suministra para elproceso y se deposita sobre la superficie de trabajo.Algunos mtodos producen una eficiencia de transferencia de slo el 30 % (lo que significa que el

70% de la pintura se desperdicia y no se recupera).Los mtodos disponibles para aplicar recubrimientos orgnicos lquidos incluyen el uso de pinceles yrodillos, la aspersin, la inmersin y el recubrimiento con flujo. En algunos casos, se aplican variosrecubrimientos sucesivos a la superficie del sustrato para obtener el resultado deseado.

Una carrocera de automvil es un ejemplo importante; la siguiente es una secuencia tpica que seaplica a una carrocera de chapas metlicas de un automvil en la produccin masiva:1) se aplica un recubrimiento de fosfato por inmersin,2) se aplica un recubrimiento de sellador por inmersin,3) se aplica un recubrimiento de pintura de color por aspersin y4) se aplica un recubrimiento transparente (para alto brillo y mejor proteccin) mediante

aspersin.

Uso de pinceles y rodillos: stos son los dos mtodos de aplicacin ms conocidos y tienen unaalta eficiencia de transferencia, que se acerca al 100%. Los mtodos de pinceles y rodillos manualesson convenientes para bajos volmenes de produccin, pero no para produccin masiva. Mientras eluso de pincel es verstil, el empleo de rodillos se limita a superficies planas. Los rodillos se adaptan a

la produccin continua de superficies planas.

FIGURA 13. Mtodo de recubrimiento con rodillo para aplicar recubrimientos orgnicos a tramos continuos de metal u otros materiales.


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26El proceso, denominado recubrimiento con rodillo, se ilustra en la fig. 13 y es adecuado pararecubrimientos orgnicos de paneles y rollos de metal continuos, al igual que en tramos similares deplstico, papel o tela.

Aplicacin por aspersin (sprayng):El recubrimiento por aspersin es un mtodo de produccinmuy utilizado para aplicar recubrimientos orgnicos. El proceso obliga al lquido de recubrimiento aatomizarse dentro de un vapor fino inmediatamente antes de la deposicin sobre la superficie de lapieza. Cuando las gotas chocan contra la superficie se extienden y fluyen juntas para formar unrecubrimiento uniforme dentro de la regin localizada de la aspersin. Si se hace correctamente, elrecubrimiento de aspersin proporciona un recubrimiento uniforme sobre toda la superficie de trabajo.

El recubrimiento por aspersin se realiza manualmente en cabinas para pintura por aspersin otambin puede establecerse como un proceso automatizado. La eficiencia de transferencia esrelativamente baja (de slo un 30 %), por estos mtodos. La eficiencia mejora mediante la aspersinelectrosttica, en la cual la pieza de trabajo se carga elctricamente y las gotas atomizadas se cargan

en forma electrosttica. Esto hace que las superficies de la pieza atraigan las gotas y aumenten laseficiencias de transferencia a valores que alcanzan hasta el 90%. La aspersin se usa ampliamenteen la industria automotriz para aplicar recubrimientos de pintura externa a las carroceras. Tambin seusa para recubrir aparatos elctricos y otros productos de consumo.

Recubrimiento por inmersin y por flujo: Estos mtodos aplican grandes cantidades derecubrimiento lquido a la pieza de trabajo y permiten drenar el exceso para reciclarlo. El mtodo mssimple es el recubrimiento por inmersin, en el cual se sumerge la pieza en un tanque abierto conmaterial de recubrimiento lquido; cuando se retira la pieza, el exceso de lquido se drena de vuelta altanque.

Una variante del recubrimiento por inmersin es el electro recubrimiento, en el cual la pieza se carga

en forma elctrica y despus se sumerge en un bao de pintura que ha recibido una carga opuesta.Esto mejora la adhesin y permite el uso de pinturas en donde el solvente es agua (lo cual reduce losriesgos de incendio y contaminacin).

En el recubrimiento por flujo, las piezas de trabajo se mueven a travs de una cabina cerrada parapintura en donde una serie de boquillas baan las superficies de la pieza con el lquido pararecubrimiento. El exceso de lquido se drena de regreso a un vertedero, lo cual permite que sereutilice.

Secado ycurado: Una vez aplicado, el recubrimiento orgnico debe convertirse de lquido a slido.Se usa el trmino secado para describir este proceso de conversin. Muchos recubrimientosorgnicos se secan mediante la evaporacin de sus solventes. Sin embargo, para formar una

pelcula duradera en la superficie del sustrato, es necesaria una conversin adicional, llamadacurado.

El curado implica un cambio qumico en la resina orgnica en la cual ocurre una polimerizacin oformacin de cadenas transversales para endurecer el recubrimiento. El tipo de resina determina laclase de reaccin qumica que ocurre en la vulcanizacin. Los mtodos principales de vulcanizacinen los recubrimientos orgnicos son los siguientes:

Curado a temperatura ambiente.- Por lo general este mtodo implica la evaporacin delsolvente y la oxidacin de la resina. Casi todas las lacas se vulcanizan con facilidad medianteeste mtodo.


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27 Curado a temperatura elevada.- Este tipo de vulcanizacin se denomina en ocasiones cocido.

Las temperaturas elevadas aceleran la evaporacin del solvente, as como la polimerizacin yla formacin de cadenas transversales de la resina.

Curado por catalizacin.- Los recubrimientos del curado por este mtodo requieren agentes

reactivos mezclados con las resinas de arranque, originando la polimerizacin y la formacinde cadenas transversales. Algunos ejemplos son las pinturas epxicas y de poliuretano.Frecuentemente son sistemas de dos componentes que deben mezclarse inmediatamenteantes de la aplicacin.

Curado por radiacin.- Ciertas resinas se vulcanizan mediante diversas formas de radiacin,como microondas, luz ultravioleta y haz de electrones.

4.5.2. Recubrimiento pulverizado

Los recubrimientos orgnicos analizados hasta aqu son sistemas lquidos que consisten en resinassolubles (o al menos mezclables) en un solvente conveniente. Los recubrimientos pulverizados sondiferentes. Se aplican como partculas slidas y secas y finamente pulverizadas que se funden en la

superficie para formar una pelcula liquida uniforme. Despus de la cual se resolidifican en unrecubrimiento seco. Los sistemas de recubrimiento pulverizado han aumentado su importanciacomercial entre los recubrimientos orgnicos desde mediados de los aos setenta.

Los sistemas de recubrimientos pulverizados incluyen varias resinas que no se usan enrecubrimientos orgnico lquidos. La razn de esta diferencia es que el material para recubrimientopulverizado es slido a temperatura ambiente. Los recubrimientos pulverizados se clasifican comotermoplsticos o termofijos.

Los polvos termoplsticos comunes incluyen el cloruro de polivinilo, el nylon, el polister, el polietilenoy el polipropileno. Por lo general se aplican como recubrimientos relativamente gruesos, en el rangode 0,08 a 0,30 mm.

Los polvos para recubrimiento termofijo comunes son epxicos, polisteres y acrlicos. Se aplicancomo resinas no curadas que se polimerizan y forman cadenas transversales cuando se calientan oreaccionan con otros ingredientes. Los espesores de recubrimiento estn generalmente en el rangode 0,025 a 0,075 mm. stos son los dos mtodos de aplicacin principales para los recubrimientospulverizados:

1) aspersin y2) lecho fluidizado.

En el mtodo por aspersin, se aplica una carga electrosttica a cada partcula para atraerla a unasuperficie de la pieza que forma una tierra elctrica. Existen diversos diseos de pistola para

aspersin a fin de impartir la carga a los polvos. Las pistolas para aspersin se operan en formamanual o mediante robots industriales. Se usa aire comprimido para impulsar los polvos a la boquilla.

Los polvos estn secos cuando se dispersan y es posible reciclar cualquier exceso de partculas queno se pega a la superficie (a menos que se mezclen mltiples colores de pintura en la misma cabinapara aspersin). Los polvos se aplican a temperatura ambiente sobre la pieza, despus sta secalienta para fundir los polvos; tambin pueden aplicarse sobre una pieza que se ha calentado arribadel punto de fusin del polvo, con lo cual se obtiene un recubrimiento ms grueso.

El lecho fluidizado es una alternativa de uso menos frecuente que la aspersin electrosttica. En estemtodo, que se muestra en la fig. 14, se calienta con anticipacin la pieza de trabajo que se va arecubrir y se pasa por un lecho fluidizado que contiene polvos suspendidos (fluidizados) mediante una

corriente de aire.


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28Estos polvos se adhieren a la superficie de la pieza para formar el recubrimiento. En algunasimplantaciones de este mtodo, los polvos se cargan electrostticamente para aumentar la atraccinhacia la superficie de la pieza conectada a tierra.

FIGURA 14. Lecho fluidizado para la aplicacin de recubrimientos pulverizados.

4.6. ESMALTADO EN PORCELANA Y OTROS RECUBRIMIENTOS CERMICOS

La porcelana es una cermica hecha de caoln, feldespato y cuarzo. Se aplica a metales de sustratotales como acero, hierro fundido y aluminio como un esmalte vtreo. Los recubrimientosporcelanizados son valiosos por su belleza, color, tersura, facilidad de limpieza, inercia qumica ydurabilidad general. El nombre que recibe esta tecnologa de materiales de recubrimiento cermico esesmalte porcelanizado, as como los procesos mediante los cuales se aplica.

El esmalte porcelanizado se usa en una amplia variedad de productos, incluyendo accesorios parabaos (lavabos, tinas, retretes), artculos elctricos para el hogar (cocinas, calentadores de agua,lavadoras, lavadoras de platos), artculos para cocinas, utensilios para hospitales, componentes demotores a chorro, silenciadores de automviles y tableros de circuitos electrnicos. La composicinde las porcelanas vara, dependiendo de los requisitos del producto. Algunos esmaltes se formulan

por color y belleza, en tanto que otros se disean por funcionalidad.

Entre las propiedades funcionales, sobresalen la resistencia a los productos qumicos y el clima, lacapacidad de resistir altas temperaturas de servicio, la dureza, la resistencia a la abrasin y laresistencia elctrica. Como proceso, el esmalte porcelanizado consiste en:

1) preparacin del material de recubrimiento,2) aplicacin sobre la superficie,3) secado, si es necesario y4) quemado (firing).

La preparacin implica convertir el esmalte vtreo en partculas finas, llamadas frita (en ingls frit),quese trituran a un tamao conveniente y consistente. Los mtodos para aplicar la frita son muy similares

a los que se utilizan para recubrimientos orgnicos, aunque el material inicial es muy distinto.

Algunos mtodos de aplicacin implican mezclar la frita con agua como transporte (la mezcla sedenomina la colada), en tanto que otros mtodos aplican el esmalte como un polvo seco. Entre lastcnicas estn la aspersin, la aspersin electrosttica, el recubrimiento por flujo, la inmersin y laelectro deposicin.En el caso de los mtodos de aplicacin "a la colada", se requiere secar el recubrimiento pararemover la humedad antes del quemado. Los secadores usan calentamiento radiante o porconveccin. El quemado se realiza a temperaturas de 800 C. El nivel exacto depende de lacomposicin, las propiedades y los requerimientos de produccin. El quemado es un proceso desintetizado, en el cual la frita se transforma en esmalte vtreo no poroso. Los espesores derecubrimiento varan desde 0,075 mm hasta 2 mm. La secuencia de procesamiento se repite varias

veces para obtener el espesor deseado.


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29Adems de la porcelana, se usan otras cermicas como recubrimiento para propsitos especiales.En general, estos recubrimientos tienen un alto contenido de almina, que los hace ms convenientespara aplicaciones refractarias. Las tcnicas para aplicar los recubrimientos son similares a las

anteriores, excepto que las temperaturas de quemado son ms altas.

4.7. PROCESOS DE RECUBRIMIENTO TRMICOS Y MECNICOS

Los procesos trmicos y mecnicos aplican recubrimientos separados que, generalmente, son msgruesos que los recubrimientos depositados mediante los otros procesos considerados en estecaptulo. Se basan en energa trmica o mecnica.

4.7.1. Procesos de recubrimiento trmico

Los mtodos de recubrimiento trmico usan energa trmica en diversas formas para aplicar unrecubrimiento cuya funcin es proporcionar resistencia contra la corrosin, la erosin, el desgaste y la

oxidacin a altas temperaturas.Aspersin trmica: En la aspersin trmica se aplican materiales de recubrimiento fundidos ysemifundidos sobre un sustrato, donde se solidifican y adhieren a la superficie. Se aplican una ampliavariedad de materiales de recubrimiento; las categoras son metales puros y aleaciones metlicas;cermica (xidos, carburos y ciertos vidrios); otros compuestos metlicos (sulfuros, silcicos);compuestos de cermet y ciertos plsticos (epxicos, nylon, tefln y otros). Los sustratos incluyenmetales, cermica, vidrio, algunos plsticos, madera y papel. No todos los recubrimientos puedenaplicarse a todos los sustratos. Cuando el proceso se usa para aplicar un recubrimiento metlico, sedenomina metalizacin o aspersin metlica.Las tecnologas usadas para calentar el material de recubrimiento son la flama de oxgeno y gascombustible, el arco elctrico y el arco de plasma. El material para recubrimiento inicial se encuentra

en forma de alambre (o varilla) o polvos. Cuando se usa alambre (o varilla), la fuente decalentamiento funde el extremo conductor del alambre y lo separa de la materia prima slida.Posteriormente, el material fundido se atomiza mediante una corriente de gas a alta velocidad (airecomprimido u otra fuente), y las gotas chocan contra la superficie de trabajo. Las velocidades deimpacto varan entre 250 m/seg. para la combustin con oxgeno y gas combustible, y 500 m/seg.para el arco de plasma a alta velocidad.Cuando se usa materia prima en polvo, un alimentador de polvos coloca las partculas finas dentro deuna corriente de gas, la cual las transporta dentro de la flama donde se funden, los gases que seexpanden en la flama impulsan los polvos fundidos (o semifundidos) contra la pieza a velocidadesaproximadas a 100 m/seg.La unin de los recubrimientos aplicados con aspersin trmica se hace principalmente mediante elentrelazado mecnico de las partculas atomizadas y la superficie del sustrato. Por lo tanto, para una

mejor adhesin, la superficie debe hacerse spera como uno de los pasos de preparacin. Una vezque el recubrimiento tapa por completo la superficie del sustrato, el material del recubrimiento seadhiere a s mismo. Ciertos metales aplicados por aspersin forman uniones metalrgicas con ciertossustratos metlicos. El grosor del recubrimiento en la aspersin trmica generalmente es ms grandeque en otros procesos de deposicin; el rango comn va desde un mnimo aproximado de 0,05 mmhasta 2,5 mm.

Las primeras aplicaciones del recubrimiento por aspersin trmica fueron, para reconstruir reasgastadas en componentes de maquinaria usada y salvar piezas de trabajo maquinadas a un tamaomenor al necesario. El xito

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