El recubrimiento por deposición física de vapor (PVD), también conocido como recubrimiento de película fina, es una técnica que implica vaporizar un material sólido en el vacío y depositarlo sobre la superficie de un producto. Sin embargo, estos recubrimientos no son simplemente capas de metal, sino que se depositan materiales complejos átomo por átomo, lo que da como resultado una fina capa superficial de metal o metal-cerámica adherida que mejora drásticamente la apariencia, la durabilidad y/o la función de un producto.
Este método se utiliza ampliamente en las industrias aeroespacial, automotriz y médica, entre otras, para brindar una apariencia duradera similar a la de una joyería, un mejor rendimiento a largo plazo y una limpieza cómoda.
Pero, ¿en qué consiste el proceso de recubrimiento PVD? ¿Cómo se deposita sobre la superficie del producto? Este blog será suficiente para explorarlo en detalle. Así que, comencemos.
Proceso de recubrimiento PVD
Los métodos PVD se pueden utilizar para depositar sistemas de recubrimiento monocapa, multicapa y multigraduado, así como composiciones y estructuras de aleaciones. Estas estrategias están siempre cambiando y siguen siendo fuente de inspiración para numerosas investigaciones.
La tecnología de película delgada PVD incluye una amplia gama de técnicas de deposición como la evaporación por haz de electrones o en barco caliente, la evaporación reactiva y el revestimiento iónico. Los procesos basados en sputtering, ya sea mediante plasma o haz de iones, también se incluyen en las técnicas PVD.
PVD también se utiliza para describir la deposición de la fuente del arco, que puede filtrarse o no. El más frecuente Procesos PVD para la deposición de películas delgadas son la pulverización catódica y la evaporación. La evaporación es el proceso de depositar una fina capa de átomos utilizando calor en el proceso. Mientras que los átomos o moléculas se desprenden del objetivo sólido por el impacto de iones gaseosos en el modo de pulverización catódica (plasma). Ambas estrategias se han refinado en una serie de técnicas distintas.
Evaporación Térmica
La evaporación térmica es un método bien conocido para recubrir una capa delgada en la que el material de origen se evapora en una cámara de vacío por debajo de 1 × 10−6 torr (1.3 × 10−4 Pa) debido al calentamiento a alta temperatura, lo que permite que las partículas de vapor pasan más fácil y directamente a un sustrato, donde vuelven a solidificarse. La deposición al vacío es el nombre tradicional del proceso de evaporación térmica.
En este procedimiento se emplea un recipiente retenedor de carga o una bobina resistiva en forma de polvo o barra sólida. El barco/bobina resistiva se expone a una enorme corriente continua (CC) para alcanzar las altas temperaturas de fusión requeridas para los metales, donde el alto vacío (por debajo 10-4Pa) ayuda en la evaporación del metal y su posterior transporte al sustrato. Este enfoque es especialmente útil para materiales de bajo punto de fusión. La siguiente figura muestra dos tipos de procesos de evaporación térmica.
Proceso de evaporación térmica
Para la deposición de películas delgadas, lo más habitual es utilizar calentamiento resistivo. Un filamento o barco calentado resistivamente, generalmente formado por metales refractarios como W, Mo o Ta con o sin revestimientos cerámicos, evapora los materiales de origen. Se utiliza una deposición por haz de electrones para evaporar metales refractarios porque el calentamiento resistivo simple es incapaz de evaporar materiales de alto punto de fusión.
Deposición por pulverización
La pulverización catódica es un proceso de PVD en el que partículas explosivas, energéticas y de tamaño atómico provocan la vaporización física de los átomos de una superficie. La deposición por pulverización permite un mayor control sobre la composición de películas multielementos, así como una gama más amplia de materiales a depositar.
recubrimiento por pulverización catódica Es un procedimiento que se utiliza para recubrir un sustrato con una capa funcional muy fina. El procedimiento comienza con una carga eléctrica aplicada a un cátodo de pulverización, que crea un plasma que hace que el material sea expulsado de la superficie objetivo. El bombardeo iónico del material fuente o objetivo es la base del proceso.
Ilustración del proceso de pulverización catódica
Pero, ¿cómo se lleva a cabo la deposición por pulverización catódica? La deposición por pulverización catódica se puede utilizar para depositar películas de material elemental, así como películas de aleación, manteniendo la composición del material de destino. Esto es posible porque el material se elimina capa por capa del objetivo, lo que constituye una de las principales ventajas del proceso. Esto permite la deposición de aleaciones más complejas como Al-Si-Cu para la metalización de semiconductores y aleaciones metálicas Cr-A-lY para recubrimientos de álabes de turbinas de aeronaves.
Pasos del recubrimiento PVD
PVD (deposición física de vapor) es un proceso de recubrimiento por vaporización que implica la transferencia de material a nivel atómico. El siguiente secuencia Se pueden utilizar varios pasos para describir el proceso.
(1) El material a depositar se transforma en vapor mediante métodos físicos (vacío a alta temperatura o plasma gaseoso),
(2) el vapor se transfiere desde su fuente a un lugar de baja presión, y
(3) el vapor se condensa sobre el sustrato para producir una película delgada.
Los métodos PVD se utilizan normalmente para depositar películas delgadas con espesores que van desde unos pocos nanómetros hasta miles de nanómetros. Con ellos se pueden realizar revestimientos multicapa, depósitos de composición graduada, depósitos muy gruesos y estructuras independientes.
Sustrato para recubrimiento PVD
Lo más importante es ¿qué tipo de sustrato se puede utilizar para el recubrimiento PVD? Bueno, la mayoría de los metales pueden recubrirse con PVD, mientras que algunos materiales requieren una capa base de níquel y cromo para mejorar la resistencia a la corrosión. El recubrimiento PVD es un método versátil que se puede aplicar a una amplia gama de materiales, incluidos los termoplásticos. En estos materiales se utiliza la técnica LTAVD( Low-temperature arc vapor deposition), que deposita recubrimientos metálicos a una temperatura inferior que el PVD.
Algunos materiales base se adhieren mejor que otros a la deposición de metal. Es fundamental seleccionar el proceso adecuado para obtener el acabado de metal más duradero y atractivo. Es posible que se requiera galvanoplastia de níquel o cromo para obtener los mejores resultados, según el material. Algunos materiales absorben los recubrimientos de PVD con más facilidad que otros.
- El titanio, el grafito y el acero inoxidable son ejemplos de materiales que se pueden recubrir sin el uso de una capa base.
- Acero, latón y cobre: normalmente el níquel/cromo se galvaniza antes del procesamiento PVD para mejorar la resistencia a la corrosión, pero se puede aplicar directamente.
- Piezas fundidas de plástico, aluminio y zinc: normalmente utiliza el método de deposición de vapor por arco a baja temperatura (LTAVD) para obtener una resistencia superior a la corrosión.
La mayoría de los sustratos se fijaron en la cámara de vacío en la posición vertical media, mientras que algunos se colocaron a diferentes alturas. La mayoría de los sustratos se colocaron en el medio de la posición vertical, con algunos en la parte inferior y superior del soporte del sustrato.
Los recubrimientos PVD son cada vez más populares para el acabado de metales porque se pueden aplicar a una amplia gama de sustratos o materiales de base. Se pueden lograr diferentes colores según los gases introducidos durante el proceso PVD. Cuando se utilizan recubrimientos PVD para pulir el metal, no es necesario limitarse a los colores metálicos, que son populares en muchas industrias.
Las muestras se desengrasaron y limpiaron en una línea de limpieza ultrasónica automatizada de tamaño industrial antes de su deposición.
Preparación de muestras para recubrimiento PVD.
La preparación de la muestra para el recubrimiento PVD es muy esencial. Pero, ¿cómo se debe preparar una muestra para recubrimiento PVD? ¿Qué medidas se deben tomar?
En las instalaciones de producción en masa, el sustrato se limpia mediante ultrasonidos antes de colocar el recubrimiento PVD. La limpieza es un procedimiento de varios pasos seguido de enjuague y secado.
Se prepararon rebabas para PVD utilizando la técnica de limpieza ultrasónica. Los aceites, lubricantes, emulsión refrigerante y partículas deben eliminarse de las piezas tanto como sea posible antes de recubrirlas.
La primera etapa fue el desengrasado ultrasónico con un desengrasante (pH~11) en agua desionizada para eliminar contaminantes superficiales (duración de la limpieza 15 minutos), seguido de enjuague ultrasónico en agua desionizada y secado con aire caliente puro.
Ventajas del recubrimiento PVD
El recubrimiento PVD se utiliza debido a sus múltiples ventajas, incluyendo:
(i) los recubrimientos formados por PVD pueden tener mejores propiedades que el material del sustrato;
(ii) se pueden utilizar todo tipo de materiales inorgánicos y algunos tipos de materiales orgánicos;
(iii) el proceso es más respetuoso con el medio ambiente que muchos otros procesos, como la galvanoplastia.
Pero, ¿cómo aumenta el recubrimiento PVD las propiedades mecánicas del producto? Analicemos esto en detalle.
Durabilidad mejorada
Una herramienta médica o quirúrgica que ha sido recubierta con PVD sobrevivirá 10 veces más que una que no lo haya sido. El revestimiento de PVD añade una capa delgada pero robusta de material que tarda más en corroerse.
Rendimiento y fuerza
El recubrimiento adicional hace que el material sea más resistente, por lo que los artículos médicos con revestimiento PVD contribuyen a su durabilidad. Como hay menos peligro de abolladuras o astillas, un instrumento quirúrgico más resistente mejorará el funcionamiento del dispositivo.
Los dispositivos médicos con revestimiento de PVD mejoran la lubricación y los hacen más resistentes al agua. Las herramientas médicas con recubrimiento PVD crean una herramienta más biocompatible que no reacciona con el hueso, los fluidos biológicos o el tejido, según el material que recubre el dispositivo.
Afilado
El recubrimiento PVD puede ayudar a una herramienta quirúrgica a mantener su hoja o borde más afilado durante más tiempo al mejorar la retención del borde.
Variation
Se pueden usar varios materiales de recubrimiento PVD de colores para recubrir una herramienta médica. Esto se puede utilizar para distinguir entre herramientas similares o para categorizar suministros específicos.
La lubricación de piezas de componentes mecánicos en movimiento es una preocupación en la industria automotriz. Engranajes, pistones, levas y cojinetes son ejemplos de estas piezas. Los recubrimientos PVD han proporcionado una solución fantástica a este desafío. Modifican las propiedades de la superficie de las piezas tratadas, reduciendo los coeficientes de fricción y aumentando la resistencia al desgaste.
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PVD, por otro lado, tiene algunos inconvenientes, incluyendo
(i) problemas con el recubrimiento de formas complejas;
(ii) alto costo de proceso y baja producción; y
(iii) complejidad del proceso.
Aplicaciones industriales del recubrimiento PVD
Los métodos PVD se utilizan para recubrir materiales en una variedad de aplicaciones industriales, incluidas
- Herramientas de corte, herramientas de fresado, herramientas de perforación, herramientas de moldeado, piezas de motor y rodamientos.
- En el sector de los vehículos, los electrodomésticos, los útiles de escritura, la electrónica y la industria del juguete,
- El revestimiento decorativo crea una impresión metálica en los plásticos.
- Las lentes, ópticas, gafas, pantallas táctiles y espejos están recubiertos con un revestimiento óptico.
- Los dispositivos médicos, como implantes, marcapasos y equipos quirúrgicos, están recubiertos con una capa resistente al desgaste.
- Revestimiento resistente al desgaste de vidrio para células solares y revestimiento de metalización para células solares de silicio cristalino.
- Material de embalaje con capa de metalización.
Los revestimientos finos de PVD (deposición física de vapor) se han vuelto cada vez más comunes para todo tipo de instrumentos de corte en los últimos años. Actualmente, estas tecnologías se emplean ampliamente en la producción de brocas, fresas y brocas para mandrinar, entre otros artículos.
Los recubrimientos TiN PVD fueron reconocidos como una mejora para el trabajo de metales con aceros abrasivos y de alta resistencia, así como con metales no ferrosos, después de diez años de aplicación exitosa en corte, punzonado, conformado en frío, moldeo por inyección de plásticos y fundición a presión de algunas aleaciones metálicas. La alta estabilidad térmica del recubrimiento TiAlN (hasta 700 ° C) pareció ser el factor decisivo, lo que indica que este recubrimiento debe utilizarse cuando se requiere una resistencia superior a la oxidación.
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Los recubrimientos CrN (PVD) se están abriendo camino en una gama cada vez más amplia pero todavía selectiva de productos producidos en masa. Se pueden fabricar como recubrimientos simples de CrN a temperaturas moderadas y altas, así como como recubrimientos dobles de TiN+CrN. A altas temperaturas, un arco termoiónico de bajo voltaje en un BAI 730M Se utilizó un aparato para depositar CrN, mientras que, a bajas temperaturas (por debajo de 250 °C), se utilizó un método de pulverización catódica con haz de plasma en un aparato SPUTRON.
Las condiciones para una artroplastia articular exitosa son muy estrictas; Se requiere una combinación bien equilibrada de cualidades mecánicas y buena biocompatibilidad. Debido a su relativa inercia, excelentes cualidades de soporte de carga y excelente resistencia al desgaste, las aleaciones a base de Co-Cr se han utilizado durante muchos años.
Sin embargo, existe el riesgo de que una acumulación lenta de iones metálicos como el cobalto y el cromo pueda provocar resultados clínicos negativos. Así, se plantea la cuestión; ¿Cuál debería ser la posible solución a esto?
Posteriormente, se colocó una fina capa de TiN mediante deposición física de vapor para disminuir la descarga de iones metálicos potencialmente peligrosos de implantes quirúrgicos basados en Co-Cr-Mo (PVD). Se utilizaron técnicas electroquímicas y análisis de absorción atómica para examinar el comportamiento de la corrosión in vitro.
Conclusión
El recubrimiento PVD también se conoce como recubrimiento de película delgada. Esta es una técnica para depositar recubrimientos monocapa y multicapa sobre muestras. Existen muchas técnicas para depositar el recubrimiento PVD, pero los métodos más comúnmente aplicados son la evaporación y la pulverización catódica. En estos métodos, podemos utilizar materiales de bajo y alto punto de fusión. El recubrimiento PVD se puede aplicar a una amplia gama de materiales, incluidos los termoplásticos. La muestra debe prepararse y limpiarse con un desengrasante ultrasónico antes del recubrimiento PVD. Existe una amplia gama de aplicaciones industriales que incluyen automoción, implantes médicos, aeroespacial, etc. Aún así, ¿tiene alguna pregunta sobre el recubrimiento PVD? No lo dudes, háznoslo saber comentando a continuación.
