Cobrir per a endurir

2004/06/01 Rementeria Argote, Nagore - Elhuyar Zientziaren Komunikazioa Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Materialak

Els recobriments PVD, a més de duros, tenen un baix fregament.

Gràcies als durs recobriments PVD, els cotxes són cada vegada més lleugers, els helicòpters més segurs i les eines duren més. De fet, la superfície que s'obté amb aquests recobriments és molt dura i té altres característiques especials, com per exemple la baixa fricció i les altes temperatures.

En la indústria automobilística, per exemple, els motors amb cobertura van començar a usar-se en els cotxes de carreres i amb el temps han arribat a la resta de cotxes.

Entre altres coses, es va aconseguir incrementar el rendiment dels motors d'injecció. Les parets del motor han de suportar una gran pressió i ser necessàriament fortes. Però no poden ser massa pesats, ja que el cotxe aniria més lent i consumiria més combustible. Gràcies als recobriments PVD, s'han aconseguit motors més robustos que amb l'ús exclusiu de materials convencionals i duren més temps.

A causa de la duresa d'aquests recobriments s'utilitza el mètode Vickers per a mesurar la duresa. S'utilitza una piràmide de diamant en la qual el material de duresa desconeguda se sotmet a la pressió d'aquesta piràmide durant un temps determinat i es mesura la superfície de la marca generada en el material. Mesurat amb aquest mètode, el titani, per exemple, té una duresa de 970 Vickers i un recobriment de nitrur de titani, de 2.300 Vickers. Així doncs, el recobriment de zinc o níquel amb nitrur de titani aconsegueix una superfície molt més dura que la del propi titani i a un preu més barat.

Nitrur de titani, cobertura perfecta

Els helicòpters són més segurs gràcies a les peces recobertes per PVD.

M. Horning

El nitrur de titani és el primer recobriment obtingut per PVD i el més utilitzat. Pel seu color daurat és fàcilment separable de la resta de recobriments. Però no és la cobertura més dura ni molt menys. De fet, gràcies a la recerca s'han creat noves generacions de recobriments que, mitjançant l'addició d'alumini o una font de carboni en el procés, aconsegueixen dureses superiors als tres mil Vickers.

Però, com s'ha dit, la duresa no és l'única característica especial dels recobriments PVD. Alguns recobriments es denominen lubrificants sòlids perquè presenten una superfície amb un coeficient de fricció molt baix. Per exemple, si un helicòpter té vessament d'oli, les aspes no poden continuar girant, ja que l'oli és imprescindible per a lubrificar el moviment, però els components recoberts de lubrificant sòlid permeten que les aspes no es detinguin bruscament i el conductor té temps per a aterrar.

A més d'en les aspes dels helicòpters, en la resta de vehicles i en la màquina eina són moltes les peces mòbils que requereixen el menor fregament possible. La fricció suposa, entre altres coses, l'escalfament de les peces i el frenat del funcionament, per la qual cosa en alguns processos és necessari un alt ús de greixos per a lubrificar. L'ús de recobriments de baixa fricció permet reduir l'ús de lubrificants líquids, la qual cosa permet un procés més net i un estalvi econòmic.

La cobertura dels encunys de fabricació de planxes, monedes o components de cotxes amb nitrur de titani permet obtenir resultats molt millors.

En l'actualitat, el principal impulsor dels recobriments PVD és la indústria de l'automòbil, però en realitat van sorgir per a satisfer les necessitats de la indústria de la màquina eina. Quan van començar a fer màquines cada vegada més ràpides, moltes de les peces s'espatllaven abans i calia posar-les sovint o afilar-les perquè estaven desfetes. Calia endurir d'alguna manera les broques, les maduixes i la resta perquè duressin més, però sense encarir el producte, clar.

La clau està en la tècnica

Sembla ser que la idea d'endurir les peces amb recobriments va sorgir fa temps, en 1945. No obstant això, en aquella època no s'havia desenvolupat la tècnica de revestiments durs i fins a la dècada dels 70 no s'havia realitzat cap recobriment de nitrur de titani.

El PVD és una tècnica especial. Bàsicament, la deposició física al vapor (Physical Vapour Deposition) és la clau d'aquesta tècnica, que es realitza a alta temperatura i en buit, és a dir, l'aire de la cambra s'extreu abans de realitzar el recobriment evitant substàncies que podien dipositar-se en forma d'impureses. Aquesta tècnica permet obtenir un recobriment compacte i homogeni.

Lògicament, el buit que s'obté en la cambra no és absolut, la cobertura es realitza a 0,01 mBar aproximadament, és a dir, deu mil vegades menys que la pressió atmosfèrica. Per a això s'utilitzen bombes de buit i la cambra no pot tenir cap escletxa.

Una vegada realitzat el recobriment PVD es poden realitzar altres tractaments.

N. Ferreria

Per al recobriment de nitrur de titani, per exemple, el titani entra en estat sòlid en la cambra i és bombardejat amb electrons o argó ionitzat segons el mètode, alliberant àtoms de titani. Al seu torn s'introdueix gas nitrogen i el nitrur de titani es diposita sobre peces preparades prèviament per al recobriment.

En general, els components metàl·lics del recobriment (titani, crom, alumini...) entren en estat sòlid i la resta en forma de gas (nitrogen per a formar un recobriment de nitrur de titani o nitrur de crom, nitrogen i metà per al carbonitruro de titani, etc.). D'aquesta forma s'obtenen diferents tipus de recobriments que permeten triar el que tingui la característica més adequada en funció del seu ús.

Queda dit: La tècnica PVD va néixer per a recobriments durs i de baixa fricció. Però també s'utilitza per a altres recobriments, com el cromatge, tan conegut. I és que adaptant el PVD al material que es recobrirà, es pot cobrir pràcticament qualsevol material. Qualsevol sap que el tractament que tenen les ulleres que tinc vestides per a no ratllar-les ni reflectir-les és també per PVD.

Jugant amb recobriments

En revestiments decoratius és rei el cromatge, però els primers fabricats per PVD van ser els de nitrur de titani i nitrur de zirconio. A més de duros, són estèticament molt atractius pel seu color daurat. Per això, avui dia continuen sent molt utilitzats com a substituts més barats de l'or.

Per a donar d'or a les aixetes de la cuina o del bany, només cal fer un recobriment d'aquest tipus. El resultat estèticament és el mateix i a més és difícil traçar o oxidar la font, ja que és un material molt estable. I, jugant a combinar diversos metalls, es poden aconseguir colors més especials.

Si es parla de colors especials, no es pot deixar sense nomenar òxids metàl·lics. De fet, són capes transparents de diversos nanòmetres que donen lluentor a l'element recobert de tonalitats i colors.

La seva estabilitat fa que siguin molt adequades per al recobriment de biomaterials com a eines quirúrgiques, pròtesis o implants dentals. Això permet obtenir materials biocompatibles més barats.

I per si no fos prou, la tècnica del PVD pot cobrir també materials no conductors com a plàstic, vidre o cristall. Aquests recobriments es realitzen de cara a l'estètica, però també es realitzen filtres transparents per a protegir-se de la radiació infraroja i ultraviolada. Aquests filtres són especialment interessants per a les taquilles de les estacions espacials o per a cobrir el visor dels cascos de bombers.