Cubrir para endurecer

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

• Materialak

Los recubrimientos PVD, además de duros, tienen un bajo rozamiento.

Gracias a los duros recubrimientos PVD, los coches son cada vez más ligeros, los helicópteros más seguros y las herramientas duran más. De hecho, la superficie que se obtiene con estos recubrimientos es muy dura y tiene otras características especiales, como por ejemplo la baja fricción y las altas temperaturas.

En la industria automovilística, por ejemplo, los motores con cobertura comenzaron a usarse en los coches de carreras y con el tiempo han llegado al resto de coches.

Entre otras cosas, se logró incrementar el rendimiento de los motores de inyección. Las paredes del motor deben soportar una gran presión y ser necesariamente fuertes. Pero no pueden ser demasiado pesados, ya que el coche iría más lento y consumiría más combustible. Gracias a los recubrimientos PVD, se han conseguido motores más robustos que con el uso exclusivo de materiales convencionales y duran más tiempo.

Debido a la dureza de estos recubrimientos se utiliza el método Vickers para medir la dureza. Se utiliza una pirámide de diamante en la que el material de dureza desconocida se somete a la presión de dicha pirámide durante un tiempo determinado y se mide la superficie de la marca generada en el material. Medido con este método, el titanio, por ejemplo, tiene una dureza de 970 Vickers y un recubrimiento de nitruro de titanio, de 2.300 Vickers. Así pues, el recubrimiento de zinc o níquel con nitruro de titanio consigue una superficie mucho más dura que la del propio titanio y a un precio más barato.

Nitruro de titanio, cobertura perfecta

Los helicópteros son más seguros gracias a las piezas recubiertas por PVD.

M. Horning

El nitruro de titanio es el primer recubrimiento obtenido por PVD y el más utilizado. Por su color dorado es fácilmente separable del resto de recubrimientos. Pero no es la cobertura más dura ni mucho menos. De hecho, gracias a la investigación se han creado nuevas generaciones de recubrimientos que, mediante la adición de aluminio o una fuente de carbono en el proceso, consiguen durezas superiores a los tres mil Vickers.

Pero, como se ha dicho, la dureza no es la única característica especial de los recubrimientos PVD. Algunos recubrimientos se denominan lubricantes sólidos porque presentan una superficie con un coeficiente de fricción muy bajo. Por ejemplo, si un helicóptero tiene derrame de aceite, las aspas no pueden seguir girando, ya que el aceite es imprescindible para lubricar el movimiento, pero los componentes recubiertos de lubricante sólido permiten que las aspas no se detengan bruscamente y el conductor tiene tiempo para aterrizar.

Además de en las aspas de los helicópteros, en el resto de vehículos y en la máquina herramienta son muchas las piezas móviles que requieren el menor rozamiento posible. La fricción supone, entre otras cosas, el calentamiento de las piezas y el frenado del funcionamiento, por lo que en algunos procesos es necesario un alto uso de grasas para lubricar. El uso de recubrimientos de baja fricción permite reducir el uso de lubricantes líquidos, lo que permite un proceso más limpio y un ahorro económico.

La cobertura de los troqueles de fabricación de planchas, monedas o componentes de coches con nitruro de titanio permite obtener resultados mucho mejores.

En la actualidad, el principal impulsor de los recubrimientos PVD es la industria del automóvil, pero en realidad surgieron para satisfacer las necesidades de la industria de la máquina herramienta. Cuando empezaron a hacer máquinas cada vez más rápidas, muchas de las piezas se estropeaban antes y había que ponerlas a menudo o afilarlas porque estaban deshechas. Había que endurecer de alguna manera las brocas, las fresas y el resto para que duraran más, pero sin encarecer el producto, claro.

La clave está en la técnica

Parece ser que la idea de endurecer las piezas con recubrimientos surgió hace tiempo, en 1945. Sin embargo, en aquella época no se había desarrollado la técnica de revestimientos duros y hasta la década de los 70 no se había realizado ningún recubrimiento de nitruro de titanio.

El PVD es una técnica especial. Básicamente, la deposición física al vapor (Physical Vapour Deposition) es la clave de esta técnica, que se realiza a alta temperatura y en vacío, es decir, el aire de la cámara se extrae antes de realizar el recubrimiento evitando sustancias que podían depositarse en forma de impurezas. Esta técnica permite obtener un recubrimiento compacto y homogéneo.

Lógicamente, el vacío que se obtiene en la cámara no es absoluto, la cobertura se realiza a 0,01 mBar aproximadamente, es decir, diez mil veces menos que la presión atmosférica. Para ello se utilizan bombas de vacío y la cámara no puede tener ninguna rendija.

Una vez realizado el recubrimiento PVD se pueden realizar otros tratamientos.

N. Herrería

Para el recubrimiento de nitruro de titanio, por ejemplo, el titanio entra en estado sólido en la cámara y es bombardeado con electrones o argón ionizado según el método, liberando átomos de titanio. A su vez se introduce gas nitrógeno y el nitruro de titanio se deposita sobre piezas preparadas previamente para el recubrimiento.

En general, los componentes metálicos del recubrimiento (titanio, cromo, aluminio...) entran en estado sólido y el resto en forma de gas (nitrógeno para formar un recubrimiento de nitruro de titanio o nitruro de cromo, nitrógeno y metano para el carbonitruro de titanio, etc.). De esta forma se obtienen distintos tipos de recubrimientos que permiten elegir el que tenga la característica más adecuada en función de su uso.

Queda dicho: La técnica PVD nació para recubrimientos duros y de baja fricción. Pero también se utiliza para otros recubrimientos, como el cromado, tan conocido. Y es que adaptando el PVD al material que se va a recubrir, se puede cubrir prácticamente cualquier material. Cualquiera sabe que el tratamiento que tienen las gafas que tengo vestidas para no rayarlas ni reflejarlas es también por PVD.

Jugando con recubrimientos

En revestimientos decorativos es rey el cromado, pero los primeros fabricados por PVD fueron los de nitruro de titanio y nitruro de zirconio. Además de duros, son estéticamente muy atractivos por su color dorado. Por ello, hoy en día siguen siendo muy utilizados como sustitutos más baratos del oro.

Para dar de oro a los grifos de la cocina o del baño, sólo hay que hacer un recubrimiento de este tipo. El resultado estéticamente es el mismo y además es difícil trazar o oxidar la fuente, ya que es un material muy estable. Y, jugando a combinar varios metales, se pueden conseguir colores más especiales.

Si se habla de colores especiales, no se puede dejar sin nombrar óxidos metálicos. De hecho, son capas transparentes de varios nanómetros que dan brillo al elemento recubierto de tonalidades y colores.

Su estabilidad hace que sean muy adecuadas para el recubrimiento de biomateriales como herramientas quirúrgicas, prótesis o implantes dentales. Esto permite obtener materiales biocompatibles más baratos.

Y por si fuera poco, la técnica del PVD puede cubrir también materiales no conductores como plástico, vidrio o cristal. Estos recubrimientos se realizan de cara a la estética, pero también se realizan filtros transparentes para protegerse de la radiación infrarroja y ultravioleta. Estos filtros son especialmente interesantes para las taquillas de las estaciones espaciales o para cubrir el visor de los cascos de bomberos.