Los recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC) son conocidos por sus excepcionales cualidades mecánicas y tribológicas. Para crear estos recubrimientos se utilizan comúnmente métodos físicos de deposición de vapor, como pulverización catódica, haz de iones, deposición por láser pulsado y sistemas de arco de vacío catódico.
Pero, ¿cuál es la diferencia entre el recubrimiento DLC y PVD? ¿Por qué es mejor un recubrimiento DLC que un recubrimiento PVD?
PVD, o deposición física de vapor, es un método que implica vaporizar una variedad de metales y luego colocarlos en capas sobre una superficie en un vacío calentado. Mientras que el recubrimiento DLC es un método avanzado para el recubrimiento de película delgada. La principal diferencia es que DLC utiliza un tipo de carbono en lugar de rociar sobre un grupo de metales.
El carbono tiene un tamaño atómico pequeño, que oscila entre ~0.15 y ~0.22 nm de diámetro y, por lo tanto, puede crear una película gruesa con un alto factor de empaquetamiento.
Bueno, para la mayoría de los procesos de deposición, el mecanismo básico es el mismo: a los átomos de carbono se les da una cierta cantidad de energía y se golpean contra el sustrato. Sin embargo, cada proceso de deposición tiene una cantidad variable de energía por unidad de ión. Los diversos procesos de deposición proporcionan a los recubrimientos DLC diferentes propiedades.
Ambos realizan la misma función, pero DLC proporciona un acabado más alto, más duradero y más resistente a los rayones.
Los recubrimientos DLC están ganando popularidad en la industria debido a sus excelentes propiedades mecánicas y tribológicas. Son químicamente inertes, biocompatibles y resistentes a la oxidación, con una estabilidad térmica de hasta 300 °C.
En 1953, Schmellenmeier describió por primera vez los recubrimientos de carbono producidos mediante plasma de descarga luminiscente en presencia de gas acetileno . La capa de carbono presentaba buena resistencia al rayado y dureza. Debido al aumento de la proporción de material similar al diamante y a las propiedades descubiertas en estos recubrimientos, estos comenzaron a denominarse DLC (carbono laminar diamantífero).
¿Cómo se deposita el recubrimiento DLC? ¿Qué técnicas se utilizan para el recubrimiento de película fina DLC?
Exploremos esto en detalle.
Técnicas de deposición de DLC
Durante varias décadas, los científicos han experimentado con numerosos métodos para generar capas de carbono tipo diamante (DLC). Las técnicas de deposición de DLC se pueden clasificar en Deposición física de vapor (PVD) y Deposición química de vapor (CVD), que son los dos métodos principales para crear capas de DLC.
La fuente de carbono en el método PVD es un sólido (grafito), mientras que la fuente de carbono en el método CVD es un gas (un hidrocarburo como el metano). Los procesos de deposición de vapor por arco, pulverización catódica y láser son todos tipos de PVD.
La radiofrecuencia (RF), la corriente continua (DC), el medidor de ionización de Penning (PIG) y la autodescarga son todos métodos de CVD. La siguiente figura muestra el CVD de plasma de descarga de RF, el CVD de plasma PIG y el PVD de arco que utilizamos.
La técnica de deposición se puede clasificar en seis tipos de enfoques según la prevalencia de los fenómenos o el tipo de interacción física, química o fisicoquímica en el núcleo o sustrato: mecánica, termomecánica, térmica, electroquímica, química y física.
Las técnicas de deposición química de vapor asistida por plasma (PACVD) son las más utilizadas entre ellas. Estas tecnologías permiten la formación de capas a bajas temperaturas activando procesos químicos en fase gaseosa, que es un plasma de baja temperatura.
Técnicas de producción de DLC
Estructura atomica
¿Qué tipo de enlace atómico provoca que se produzcan buenas propiedades mecánicas del DLC?
Los átomos de carbono forman tres tipos diferentes de enlaces: sp1, sp2 y sp3. Los alótropos del carbono, como el grafito y el diamante, se forman mediante diversas configuraciones de enlace entre átomos de carbono. Como resultado, los patrones de enlace atómico que dan lugar a la microestructura desempeñan un papel clave en la inducción de cualidades materiales como la dureza, el módulo de Young, la tenacidad o fricción y el desgaste, entre otros.
Tendencias de mejora en el recubrimiento DLC
¿Cómo podemos mejorar el recubrimiento DLC? ¿Cuáles son las últimas tendencias disponibles para mejorar el recubrimiento DLC?
Clasificación del recubrimiento DLC.
La tendencia a mejorar los recubrimientos de DLC mediante el dopaje con elementos extraños para optimizar sus características comenzó a principios de la década de 1990. Para lograr las propiedades deseadas, los recubrimientos de DLC se depositaron por pulverización catódica conjunta con diversos componentes. Entre los elementos utilizados se encontraban el estibio, el yodo y el nitrógeno para mejorar las propiedades eléctricas; el cromo y el titanio para la adhesión, la fricción y el desgaste; la plata y el flúor para fines medicinales; el cobre para la protección contra la incrustación; y el circonio para la mejora de la resistencia a la corrosión.
Sin embargo, se ha descubierto que mejorar algunas cualidades del DLC con dopaje con elementos extraños requiere una compensación en otras características.
Se han realizado numerosos estudios para aumentar la tenacidad y la fricción del DLC mediante la adición de elementos metálicos en proporciones que oscilan entre el 0.2 % y el 20 %, con el fin de compensar su dureza y tasa de desgaste. Sin embargo, se han publicado pocas investigaciones sobre la dureza, la tenacidad, las tensiones, la fricción y el desgaste del DLC en relación con la adición de metales.
Por ejemplo, reducir la tensión residual de 2.5 a 0.5 GPa y el coeficiente de fricción de 0.12 a 0.03 con un 18 por ciento de aluminio reduce la dureza de 24 a 8 GPa y aumenta la tasa de desgaste de 2.5*3^ 10^-8 a 13*. 3^10^-8 mm3/Nm.
De manera similar, el dopaje con titanio en DLC reduce la tensión residual de 0.9 a 0.3 GPa y el coeficiente de fricción de ~1.0 a ~0.05, pero también reduce la dureza de ~10.5 a ~9 GPa.
Mejora del recubrimiento DLC mediante nanocompuesto DLC dopado
Sustrato para recubrimiento DLC
¿Qué tipo de sustrato se puede utilizar para el recubrimiento DLC? ¿Se requiere algún tratamiento previo para el sustrato?
Existe una amplia gama de sustratos que se pueden emplear para el recubrimiento DLC. Sin embargo, el sustrato debe soportar la mayor parte de la carga aplicada, pero los recubrimientos DLC tienen una capa natural muy delgada. Por lo tanto, se producirá deformación plástica si el sustrato no es lo suficientemente fuerte para soportar la carga de contacto y, por lo tanto, el recubrimiento, lo que resultará en una falla temprana del recubrimiento.
En los últimos años, la tarea de mejorar las propiedades de los recubrimientos de DLC duros mediante un pretratamiento termoquímico del sustrato ha recibido mucha atención, lo que ha llevado al desarrollo de un nuevo método conocido como tratamiento dúplex.
La nitruración por plasma del sustrato de acero antes de la deposición del revestimiento se ha empleado ampliamente para mejorar las cualidades mecánicas del sustrato y del revestimiento. Se ha demostrado que la nitruración por plasma del sustrato de acero aumenta la capacidad de carga del compuesto revestimiento-sustrato.
Es posible que el DLC no se adhiera directamente al sustrato en algunas circunstancias (acero inoxidable tratado). Al mismo tiempo, se utilizaron materiales de capa intermedia para rematar los recubrimientos DLC para mejorar la adherencia.
Rendimiento tribológico del recubrimiento DLC
¿Cuáles son las prestaciones tribológicas del recubrimiento DLC en un ambiente húmedo y seco? ¿Cuánto es beneficioso?
En comparación con los materiales a granel y otras superficies recubiertas resistentes al desgaste, los recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC) tienen baja fricción y una gran resistencia al desgaste. El rendimiento de fricción y desgaste de las películas DLC está muy influenciado por el entorno circundante, incluida la atmósfera de gas, la humedad y la temperatura. Las películas de DLC altamente hidrogenadas tienen una fricción mínima en ambientes secos e inertes, pero las películas de DLC sin hidrógeno tienen una fricción y un desgaste elevados.
En un ambiente húmedo, el coeficiente de fricción de ambos tipos de películas de DLC es similar, oscilando entre 0.05 y 0.2, y las películas de DLC sin hidrógeno ofrecen la mejor resistencia al desgaste. Las propiedades tribológicas beneficiosas de las películas de DLC hidrogenadas pueden verse afectadas a altas temperaturas debido a la efusión de hidrógeno y la grafitización de la estructura de la película a bajas temperaturas. Por otro lado, las películas de DLC sin hidrógeno pueden soportar temperaturas más elevadas a pesar de tener un coeficiente de fricción mayor.
En comparación con la mayoría de los materiales a granel, los recubrimientos DLC pueden considerarse recubrimientos de baja fricción con gran resistencia al desgaste, como los recubrimientos cerámicos resistentes al desgaste tipo TiN. En un entorno normal, el TiN tiene un coeficiente de fricción de aproximadamente 0.5 en comparación con el acero, mientras que las películas DLC tienen un valor de fricción inferior a 0.2. En comparación con los contactos de acero lubricados con lubricante límite, los recubrimientos DLC suelen mostrar niveles de fricción similares en contactos sin lubricación.
Piezas automotrices recubiertas con DLC
En los contactos deslizantes, los recubrimientos DLC superan a la mayoría de los materiales y recubrimientos resistentes al desgaste, ya que las tasas de desgaste de las películas DLC son dos o tres órdenes de magnitud menores que, por ejemplo, los recubrimientos de TiN.
La técnica de deposición y los parámetros de deposición regulan una amplia gama de composiciones y estructuras en películas DLC. Como se analiza en varias investigaciones, la composición de la película, así como los parámetros de prueba (carga y velocidad), el entorno de prueba, la temperatura y el material de la superficie, influyen en el rendimiento de fricción y desgaste de las películas DLC.
Propiedades del recubrimiento DLC
¿Qué cantidad de recubrimiento DLC es estable? ¿Qué tipo de propiedades se deben considerar?
Los recubrimientos de DLC son químicamente inertes, biocompatibles y resistentes a la oxidación, con una estabilidad térmica de hasta 300 °C . Sin embargo, además de las ventajas mencionadas, los recubrimientos de DLC presentan grandes tensiones residuales y baja tenacidad, lo que limita su uso en una amplia gama de aplicaciones, especialmente en lo que respecta al rendimiento mecánico.
Las películas de DLC se caracterizan por su alta dureza, resistencia al desgaste, bajo coeficiente de fricción, alto aislamiento térmico, alta estabilidad química, alta capacidad de barrera contra gases, alta resistencia a la combustión, alta biocompatibilidad y alta permeabilidad infrarroja. Es posible fabricar películas de DLC con superficies planas a baja temperatura ( 200 °C ).
Aplicaciones industriales
Los recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC) se han convertido en la mejor solución para aplicaciones físicas exigentes donde los componentes están sujetos a cargas elevadas o fricción, desgaste y contacto excesivos con otras piezas en el mundo de las películas delgadas resistentes al desgaste. Sólo la gran dureza de un recubrimiento DLC, junto con un bajo coeficiente de fricción, pueden evitar que las piezas se piquen, se desgasten, se atasquen y eventualmente fallen en el campo en estas condiciones.
En general, los recubrimientos DLC se emplean para muchas de las aplicaciones por las que se ha hecho hincapié en los recubrimientos PVD, con la excepción de instrumentos de corte que están sujetos a altas temperaturas de funcionamiento. Los recubrimientos DLC son particularmente beneficiosos cuando se desea reducir tanto el desgaste como la fricción. Los recubrimientos DLC también proporcionan un acabado negro agradable a la vista.
A continuación se muestran algunos ejemplos de aplicaciones comunes:
- Automóvil: En los automóviles se utilizan pasadores de pistón y balancines.
- Médico: instrumentos quirúrgicos, prótesis.
- Armas de fuego: las correderas de pistola, los cañones y los portacerrojos son ejemplos de armas de fuego.
- Componentes industriales: pistones, émbolos, engranajes y sellos mecánicos son ejemplos de componentes y maquinaria industriales.
- Moldeo por inyección: en el moldeo por inyección se utilizan matrices, pasadores expulsores y piezas de máquinas deslizantes.
- Bienes de consumo: relojes de pulsera, joyas y palos de golf son ejemplos de bienes de consumo.
Los materiales recubiertos con DLC también podrían usarse para prolongar la vida útil y la eficacia de sondas médicas, catéteres e implantes cardíacos. El DLC también se ha aleado con metales antimicrobianos como la plata; La plata no sólo reduce las tensiones de compresión, sino que también posee propiedades antibacterianas. A pesar de que ya se ha trabajado mucho, se necesita más investigación para crear y comercializar dispositivos médicos basados en DLC.
Conclusión
Tanto el recubrimiento PVD como el DLC tienen similitudes en los mecanismos de deposición. Mientras que, debido al pequeño tamaño atómico del carbono, puede crear una capa gruesa con un alto factor de empaquetamiento. La deposición física de vapor (PVD) y la deposición química de vapor (CVD) son dos métodos principales para depositar el recubrimiento DLC.
Hay tres tipos de enlaces sp1, sp2 y sp3 que son responsables de buenas propiedades mecánicas. El recubrimiento DLC se puede mejorar dopando con otros elementos. Se puede utilizar una amplia gama de sustratos para el recubrimiento DLC. Sin embargo, el tratamiento previo del sustrato ha recibido mucha atención y se conoce como tratamiento dúplex.
El recubrimiento DLC muestra el mejor rendimiento tribológico tanto en ambientes húmedos como secos. Este recubrimiento es estable hasta 300 °C . El recubrimiento DLC tiene una amplia gama de aplicaciones en la industria automotriz, médica, de moldeo por inyección y en componentes industriales.
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