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Facultad de Ingeniería –
Grupo Tribología
TRATAMIENTOSSUPERFICIALES
1. Introducción
2. Electrodeposición3. Electroless Plating4. Anodizado
5. Hot Dipping6. Pulverizado Térmico
7. Depos. Física (PVD) y Química (CVD) de Vapor8. Implantación Iónica
9. Tratamientos superficiales con Láser
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Introducción
TS →
todo tipo de cambio superficial sobre el bulk
MS →
modificación superficial del bulk
RS →
recubrimiento superficial con un material disímil
Características
↑
dureza
↑
tenacidad
↑
resistencia al corte↑
adhesión
dilatación 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 →
electrodeposición
2º
conjunto →
fuente de calor: Thermal Spray, arco Eplasma, laser, inmersión
3º
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 recubridores
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Electrodeposición
La microestructura del electrodepósito dependerá
de:
a)microestructura de la superficie recubierta
b)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 cojinetes
Previenen engrane/galling -
soldaduras frías/seizure
Zn 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 μAu ind clase 00 0,5 μ
Au 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 μAu ind clase 4 7,5 μ
Au ind clase 5 12,5 μ
Au ind clase 6 37,5 μ
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Electroless
Ni puro, Cu, Co, aleaciones Ni-P, Ni-B, Co-Ni-P,compuestos Ni-P-cerámico y Ni-P-polímero
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Electroless
NiSO4
+2NaH2
PO2
+2H2
O Ni+2NaH2PO3
-+H2+ H2SO4
NiSO4
: sulfato de nickel
2NaH2
PO2
: hipofosfato de sodio
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Electroless + Electrodeposición
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Electrodeposición anódica
65-70 HRc, 380-430 HV
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Electrodeposición anódica
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Electrodeposición anódica
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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 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
Vida útil →
5% de degradación superficial
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Pulverizado térmico - Thermal spray
Aplicación rápida →
e desde milésimas hasta 25 mm
Mínima preparación del material base y baja T (> 95°C)
•Incrementar resistencia al desgaste•Incrementar resistencia a oxidación y corrosión
•Aptitud reconstruir o restaurar dimensiones•Aptitud para aplicaciones en biomateriales
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Pulverizado térmico - Thermal spray
Equipos portátiles
Adecuada p/metales de bajo punto de fusión
Metales puros, aleaciones, cermets, carburos,polímeros, materiales compuestos, recubrimientos
cerámicos y hasta refractarios
Atmósferas reductoras →
mejor limpieza y adhesión
Partículas de alta dureza →
CSi / CW ≅
65 HRc
Pulverizado + Fusión →
partículas adheridas a Tamb
Luego, postcalentamiento para sinterizar
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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 - 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 – 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
Ni + CW →
resistencia a la abrasión
Postcalentamiento para aliviar tensiones cuandoRS y sustrato ≠
coeficiente de dilatación térmica
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Pulverizado térmico - Thermal spray
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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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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•↑↑↑
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 vapor
2.- 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 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
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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 de
incidencia 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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Laser
Fuente limpia, de ↑↑↑ energía y control
↑↑
densidad de potencia, breve t
⇓calentamiento y enfriamiento, ↓↓↓↓
ZAC
⇓↓↓↓
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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Laser
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Laser
Fusión: T laser > T f material
Alteraracion
drástica de microestructuras originales
Refinandos
y precipitados, con presencia de ZAC
FG y/o FN →
FB
Aleación: agregado de polvos a pileta líquida
Gases inertes → ↓↓↓ oxidación
SAE 1018 + partículas de Cr
+ Grafito
⇓Carburos estables tipo M C3 y M3C (Cr 43%)
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