U9 - Tratamientos Superficiales

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Facultad de Ingeniería – Grupo Tribología TRATAMIENTOS SUPERFICIALES 1. Introducción 2. Electrodeposición 2. Electrodeposición 3. Electroless Plating 4. Anodizado 5. Hot Dipping 6. Pulverizado Térmico 7. Depos. Física (PVD) y Química (CVD) de Vapor 8. Implantación Iónica 9. Tratamientos superficiales con Láser

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Facultad de Ingeniería – Grupo Tribología

TRATAMIENTOSSUPERFICIALES

1. Introducción2. Electrodeposición2. Electrodeposición3. Electroless Plating

4. Anodizado5. Hot Dipping

6. Pulverizado Térmico7. Depos. Física (PVD) y Química (CVD) de Vapor

8. Implantación Iónica9. Tratamientos superficiales con Láser

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Introducción

TS → todo tipo de cambio superficial sobre el bulk

MS → modificación superficial del bulkRS → recubrimiento superficial con un material disímil

CaracterísticasCaracterísticas

↑ dureza↑ tenacidad↑ resistencia al corte↑ adhesióndilatación térmica = bulk↑ fractotenacidad, etc.

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Introducción

TS → desarrollo tardío …- Tecnologías con altas tensiones y corrientes- Control electrónico de los procesos- Conocimientos de física del plasma y química- Tecnologías de alto vacío.

TS →• gaseoso; • solución; • fundido o semi-fundido; • sólido

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Introducción

II=Ion Implantation; IAC=Ion Assisted CoatingIBAD=Ion Beam Assisted Deposition

PVD=Physical Vapor Deposition; CVD=Chemical Vapor DepositionPA=Asistencia por Plasma

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Introducción

1º conjunto → electrodeposición2º conjunto → fuente de calor: Thermal Spray, arco E

plasma, laser, inmersión3º conjunto → vapor depositado: PVD, CVD, II.

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Electrodeposición

Medio rápido y económico para espesores entre 1 y 800 µm

Aplica ≠ metales → Cr, Ni, Cu, Ag, Au, Pt, Zn, etc.

Baño electrolítico + dos electrodos + fuente de C.C.+

electrodo y/o sales como fuente de iones recubridoreselectrodo y/o sales como fuente de iones recubridores

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Electrodeposición

La microestructura del electrodepósito dependerá de:

a) microestructura de la superficie recubiertab) condiciones de electrodeposición (densidad de corriente)c) temperatura, composición y agitación del electrolitod) composición y pH en la proximidad del cátodo

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Electrodeposición

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Electrodeposición

Cr decorativo ≅0.1-5µm ≅ 88% Cr ≅ 66 HRc

Cr duro ≅50-800µm ≅ 88% Cr ≅ 66 HRc

CrFD (Cr Fino Denso) ≅2-15µm ≅ 99% Cr ≅ 78 HRc

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Electrodeposición

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Electrodeposición

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Electrodeposición

Variaciones en el espesor depositado en función a la geometría de la pieza

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Electrodeposición

Ni ≅ 150 - 500 HV

Metales blandos → Sn, Pb-Sn, Ag para cojinetesPrevienen engrane/galling - soldaduras frías/seizure

Zn electrodepositado ≅ 2 – 10 µmZn electrodepositado ≅ 2 – 10 µm

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Electrodeposición

Clase Espesor

Au deco enchapado fino 0,05 - 0,1 µ

Au deco enchapado 0,175 µ

Au ind clase 00 0,5 µ

Au ind clase 0 0,75 µAu ind clase 0 0,75 µ

Au ind clase 1 1,25 µ

Au ind clase 2 2,5 µ

Au ind clase 3 5 µ

Au ind clase 4 7,5 µ

Au ind clase 5 12,5 µ

Au ind clase 6 37,5 µ

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Electrodeposición - Galvanoplástia

Cobreado sobre grafito

Moldes de yeso o madera

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Electroless

Ni as EL = 48 - 50 RcNi TT 400°C, 60’ = 62 - 63 RC

Punto de fusión: 890 ° CDensidad: 7,85 a 7,95 g/cm3

Ni puro, Cu, Co, aleaciones Ni-P, Ni-B, Co-Ni-P, compuestos Ni-P-cerámico y Ni-P-polímero

Densidad: 7,85 a 7,95 g/cm3

µ Ni – Acero: 0,3

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Electroless

Alta dureza y bajo coeficiente de fricción, bajo P 1 – 3 %Aplicaciones generales con acabado brillante, medio P 6 – 8 %Alta corrosión, alto P 12 – 13 %

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Electroless

NiSO4+2NaH2PO2+2H2O � Ni+2NaH2PO3-+H2+H2SO4

NiSO4: sulfato de nickel2NaH2PO2: hipofosfato de sodio

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Electroless + Electrodeposición

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Electrodeposición anódica

Acido sulfúrico al 20% en agua, a 20ºC≈1ª x dm2 – 15 V

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Electrodeposición anódica

Anodizado estándar → 25 µmAnodizado duro → 100 µm

65-70 HRc, 380-430 HV

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Electrodeposición anódica

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Electrodeposición anódica

Coloreado con Anilina y agua, a 30 – 40ºC

Sellado final, 120 seg en agua a 100ºC

Mejor comportamiento – Aluminio serie 6000

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Hot dipping

Simple método para metales bajo (Al) y muy bajopunto de fusión (Sn, Pb, Zn, Pb-Sn)

Espesores relativamente gruesos > 0.02 mm

Bajo control del espesorBajo control del espesor

Estañados sobre acero de bajo carbono

Al(55%)/Zn por inmersión (aluminizados)Fe reacción con Al → intermetálicos estables 900ºC

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Hot dipping

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Hot dipping

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Hot dipping

Vida útil → 5% de degradación superficial

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Pulverizado térmico - Thermal spray

Mínima preparación del material baseOperación a baja T (hasta menores a 95°C)

•Incrementa resistencia al desgaste•Incrementa resistencia a oxidación y corrosión•Aptitud reconstruir o restaurar dimensiones•Aptitud para aplicaciones en biomateriales

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Pulverizado térmico

Equipos portátiles o fijos

Adecuada p/todo tipo de metales

Metales puros, aleaciones, cermets, carburos, polímeros, materiales compuestos, recubrimientos cerámicos y hasta refractarioscerámicos y hasta refractarios

Atmósferas reductoras → mejor limpieza y adhesión

Partículas de alta dureza → CSi / CW ≅ 65 HRc

Pulverizado + Fusión → partículas adheridas a TambLuego, postcalentamiento para sinterizar

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Pulverizado térmico

Aplicación rápida → e desde milésimas hasta 25 mm

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Pulverizado térmico - EAW

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Pulverizado térmico - EAW

Arco eléctrico x dos alambres → electrodos y aporte

Transporte: aire y/o Ar ↓↓ oxidaciones

Muy buena adhesión respecto otras técnicas

Deposiciones de hasta 55 kg/h

Equipos de muy bajo costo

No hay calentamiento → ausencia llama directa

Alambres huecos rellenos → CTi, CNTi, etc.

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Pulverizado térmico - EAW

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Pulverizado térmico - EAW

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Pulverizado térmico - EAW

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Pulverizado térmico - PA

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Pulverizado térmico - PA

Plasma entre cátodo de W y ánodo de Cu

Arco eléctrico ioniza gas Ar → Plasma

Tipo, forma y tamaño de partícula determinanRendimiento y calidad

Espesores desde 50 a 500 µ

Temperaturas hasta 30.000ºC ???

Velocidades de aplicación → 300/550 m/seg

Equipos muy alto costo

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Pulverizado térmico - PA

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Pulverizado térmico – OFW/OFP

Propano - Oxígeno (O) 2526ºC Metilacetileno - O 2927ºC

Gas Natural - O 2538ºC Acetileno - O 3087ºC

Hidrógeno - O 2660ºC Plasma 2200 /

28.000ºCPropileno - O 2843ºC

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Pulverizado térmico – OFW/OFP

Combustión mezcla de gases → acetileno y oxígeno

T (f) relación gas / O

Técnicas de bajo costo y altas tasas de aplicación

↑↑ porosidad, ↓↓ adhesividad, ↑↑↑↑↑ calentamiento↑↑ porosidad, ↓↓ adhesividad, ↑↑↑↑↑ calentamiento

Ni + CW → resistencia a la abrasión

Postcalentamiento para aliviar tensiones cuandoRS y sustrato ≠ coeficiente de dilatación térmica

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Pulverizado térmico – OFW/OFP

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Pulverizado térmico - HVOFP

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Pulverizado térmico - Thermal spray

Cámara de combustión interna

Mezcla propano - hidrógeno - acetileno + oxígeno

Detonación y proyección por tubo de escape

Todo tipo de polvos y e depositados 50 – 500 µ

Velocidades de deposición de 700 a 1000 m/seg, con mas de 10 detonaciones por segundo

↑ adhesión, ↓↓ porosidad < 2%↑↑↑ contaminación del RS x gases

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Pulverizado térmico – T vs V

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Deposición por gases

Proceso PVD: sólido → gas → sólidoProceso CVD: gas → sólido

• ↑↑↑ adhesividad, superficie con "sputter cleaning”• Alta pureza de los recubrimientos depositados• Control microestructura, crecimiento columnar• Control microestructura, crecimiento columnar• ↑↑↑ rango de materiales y ↑↑↑ rango de sustratos• e uniformes, movimiento piezas en las cámaras• Amplio rango de temperaturas de deposición• Control de tasa de deposición• Posibilidad de mecanizar y/o pulir RS• Ausencia de H, ↓↓↓↓↓ fragilización• Nula presencia de efluentes y/o gases tóxicos

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Deposición por gases

PVD – CVD se pueden diferenciar tres etapas

1.- creación de vapor2.- trasporte hasta la superficie a recubrir3.- crecimiento de la película

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Deposición por gases

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Deposición por gases

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PVD por evaporación

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PVD – Recubrimiento iónico

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PVD - Sputtering

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CVD

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CVD

Material a depositar en estado vapor (p.e. Ti)+

Gas de transporte y reactante (p.e. N)⇓

RS de Nti

Temperaturas 150-2200°C, P 50 Pa y atmosféricaTemperaturas 150-2200°C, P 50 Pa y atmosférica

Vapor condensa sobre la muestra, pero a alta T

↑↑↑ adhesión, pero alta T de sustrato → limitación

Baja presión → ↑↑ calidad, ↑↑ velocidad deposición

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PVD - CVD

Técn

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RS

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CVD

CTi 5-15 1-3 900-1100 Plata B MB R MB R B R

CNTi 5-15 1-3 900-1100 Dorado MB MB R B B B R

PACVD CW2 5-15 1-10 350-550 Plata R MB MB B MB MB B

PVD NTi 0,5-3 1-10 300-500 Dorado R M MB R M B B

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Implantación iónica

Iones (N, C, B, etc.) impulsados con altas energías↓

Penetran superficies, con vacíos 10-3 - 10-4 Pa

Microestructura de no equilibrio → amorfa

MS: estructura sustrato + iones intersticiales

e ↓↓↓↓ ∼ 0,01 µm a 0,5 µm, (f) energía, ángulo deincidencia y composición química del sustrato.

e ↓↓↓↓ de MS ⇒ se mantienen cotas nominales

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Implantación iónica

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Implantación iónica

Gran ventaja → implantación ↓↓↓ T

N en acero → ↓↓ µ → ↑↑ E

Proceso de alto costo

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Láser

Fuente limpia, de ↑↑↑ energía y control

↑↑ densidad de potencia, breve t⇓

calentamiento y enfriamiento, ↓↓↓↓ ZAC⇓

↓↓↓ distorsión, mínimo deterioro propiedades bulk↓↓↓ distorsión, mínimo deterioro propiedades bulk

Estado Sólido: aceros de alta templabilidadT > Tγ + enfriado ⇒ martensita

e ≤ 2 mm, aceros tipo 4340, 8620 y 52100, 60 HRc

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Láser

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Láser

Fusión: T láser > T f material

Alteraracion drástica de microestructuras originales

Refinandos y precipitados, con presencia de ZAC

FG y/o FN → FBFG y/o FN → FB

Aleación: agregado de polvos a pileta líquida

Gases inertes → ↓↓↓ oxidación

SAE 1018 + partículas de Cr + Grafito⇓

Carburos estables tipo M7C3 y M3C (Cr 43%)