Los revestimientos se utilizan para cumplir requisitos funcionales o para reducir la fricción y el desgaste de componentes y herramientas. Uno de los principales objetivos del uso de recubrimientos es mejorar la durabilidad y aumentar así la sostenibilidad de los procesos y productos. En vista del cambio climático y de la creciente importancia de la sostenibilidad, el uso de recubrimientos, como los recubrimientos DLC, es esencial.
Ionbond es un proveedor de servicios de revestimiento que deposita revestimientos duros, de baja fricción y resistentes al desgaste en los productos de sus clientes mediante deposición física de vapor (PVD), deposición química de vapor asistida por plasma (PACVD) y deposición química de vapor (CVD), mejorando así significativamente su calidad, rendimiento y sostenibilidad. Estos procesos de recubrimiento basados en el vacío se utilizan para depositar las denominadas películas finas, que sólo tienen unos pocos micrómetros de grosor. Las soluciones de revestimiento estándar o personalizadas se suministran a empresas de los sectores aeroespacial, de tecnología médica, alimentación, automoción, decoración y fabricación de herramientas. Con 35 centros de revestimiento en Europa, Norteamérica y Asia, los clientes de Ionbond se benefician de la experiencia global y la accesibilidad local de una de las mayores redes de revestimiento del mundo. Ionbond forma parte del Grupo IHI, un conglomerado industrial japonés con importantes recursos de I+D. El Grupo IHI opera en diversos campos, como la energía y los recursos, las infraestructuras sociales, la maquinaria industrial y los motores aeronáuticos.
La industria automovilística está experimentando una transformación. Desde hace algunos años, los fabricantes de automóviles se esfuerzan por reducir lasemisiones de CO2 de sus vehículos reduciendo el consumo de combustible. Están siendo impulsados por medidas políticas y normativas. En el pasado, la reducción del consumo de combustible se conseguía sobre todo con motores de combustión más eficientes. Aunque la reducción del tamaño de los motores lo reduce, la carga sobre los componentes aumenta debido a la mayor densidad de potencia. En el sector de los turismos, actualmente se está produciendo un cambio hacia la electromovilidad. Estos vehículos también tienen contactos de fricción, por ejemplo en la transmisión, aunque en menor número. Sin embargo, debido al mayor peso de los vehículos y al mayor par de los motores, el engranaje diferencial está sometido a un mayor esfuerzo en la gama baja de revoluciones que en los vehículos más ligeros con motores de combustión. Debido a las crecientes exigencias de la industria del automóvil sobre los componentes en contacto tribológico, se está dando un nuevo impulso al desarrollo de recubrimientos de alto rendimiento que puedan soportar las crecientes tensiones y mejorar la durabilidad de los componentes.
En el campo de la tecnología de capa fina, cabe distinguir entre distintas variantes de recubrimiento. Los revestimientos duros cristalinos se utilizan a menudo para proteger componentes y herramientas contra el desgaste. Pueden presentarse como soluciones sólidas intercaladas en las que átomos no metálicos ocupan los sitios de red intersticiales de una estructura de red portadora de átomos metálicos. Esta estructura especial de los materiales cerámicos les confiere una dureza y una resistencia a la temperatura especialmente elevadas. Un representante típico que se utiliza con frecuencia en el campo de los revestimientos de componentes es el nitruro de cromo (CrN).
Por otro lado, la clase de los llamados recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC) tiene una estructura amorfa y se caracteriza sobre todo por sus propiedades reductoras de la fricción. El componente principal de los recubrimientos es el carbono, que está principalmente hibridadosp2- o sp3[1]. La hibridación sp2 tiene tres enlaces σ en el plano trigonal y un enlace π ortogonal [2]. Debido a los enlaces π más débiles, las capas de DLC con un alto contenido de sp2 son más "parecidas al grafito". Tienen una baja dureza de capa de < 1.800 HV0,005 y muestran un bajo coeficiente de fricción de µ < 0,1 en comparación con el acero. En cambio, la hibridación sp3 muestra cuatro enlaces σ equivalentes que se disponen tetraédricamente [2]. Debido a la mayor energía de enlace, los recubrimientos de DLC con alto sp3 son más "parecidos al diamante", es decir, muy duros y resistentes al desgaste con > 4.000 HV0,005. En el diamante, el material natural más duro, el carbono está unido exclusivamente por enlaces sp3, pero en forma cristalina [3].
Además de carbono, los recubrimientos DLC también pueden contener hidrógeno como resultado del proceso. Los recubrimientos a-C:H pueden producirse mediante PACVD [4]. Para ello se utilizan los denominados precursores. Los precursores son los reactivos gaseosos a partir de los cuales crece el recubrimiento, por ejemplo, acetileno (C2H2). El hidrógeno reduce la reticulación dentro de la estructura amorfa, haciendo que los revestimientos pierdan dureza y resistencia al desgaste. También pueden añadirse metales o semimetales, como el wolframio o el silicio, para ajustar específicamente el comportamiento de fricción, la resistencia a la temperatura u otras propiedades. Los términos a-C y ta-C se refieren a los recubrimientos DLC sin hidrógeno. Estos recubrimientos sólo pueden depositarse mediante PVD, ya que se utiliza una fuente de carbono sólido sin precursor que contenga hidrógeno [4]. Para la deposición de ta-C se utilizan procesos de recubrimiento con los que se puede generar un alto grado de ionización del plasma durante la deposición del recubrimiento. Sólo con una energía suficientemente alta de los iones incidentes pueden generarse enlaces sp3[5]. En entornos industriales, la evaporación por arco catódico se utiliza a menudo con este fin.
Debido a su diferente estructura y composición química, cada variante de recubrimiento tiene una gama específica de propiedades, como se ha descrito anteriormente. A veces, las aplicaciones técnicas imponen a los revestimientos requisitos materiales contradictorios, como una gran dureza pero al mismo tiempo una gran tenacidad. Para superar estos requisitos de material contradictorios, los sistemas de recubrimiento pueden diseñarse en una estructura multicapa y depositarse utilizando diferentes procesos de recubrimiento. Ionbond ha desarrollado un sistema de recubrimiento multicapa que puede utilizarse especialmente en contactos tribológicos sometidos a grandes esfuerzos. Se puede utilizar, por ejemplo, en los seguidores de dedo(Fig. 1a), que son un componente del tren de válvulas de un motor de combustión interna. Una aplicación en la que ya se ha probado con éxito el sistema derecubrimiento son los pernos de diferencial en engranajes diferenciales para vehículos eléctricos, en los que se transmiten grandes potencias y pares a las ruedas motrices, véase la figura 1b.
Fig. 2 a): Representación esquemática y b) imagen SEM del sistema de recubrimiento multicapa en sección transversal y c) imagen de microscopio óptico de una sección transversal esférica.
La figura 2a muestra la estructura esquemática del nuevo concepto de recubrimiento desarrollado. Las diferentes capas individuales son parcialmente visibles en la imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) (Fig. 2b), así como en la imagen de microscopio óptico de una sección de calota(Fig. 2c). En primer lugar, se aplicó un agente adhesivo de cromo al material de acero para mejorar la adherencia del revestimiento. A continuación se aplicó una capa de soporte de CrN. Esta capa de material duro cristalino presenta tanto una dureza elevada como una buena resistencia a la fractura y restringe la deformación de las capas amorfas ta-C y a-C:X (X = H, Si, W, WC, Ti, Al, Zr, N, O). Esto es ventajoso ya que, de lo contrario, los materiales amorfos como el DLC podrían sobrecargarse debido a su tenacidad a la fractura estructuralmente reducida. Otra capa de Cr o CrC se sitúa entre las capas de CrN y ta-C para mejorar la unión. Las capas intermedias de Cr-CrN-Cr no pueden separarse entre sí en las imágenes y tienen un grosor total de sCr-CrN-Cr = 2,2 µm. Se requiere un espesor suficientemente elevado para garantizar un buen efecto de soporte. La capa intermedia de ta-C es la capa funcional propiamente dicha. Tiene una nano-dureza muy elevada de 4.000 - 8.000 HV0,005 y es especialmente resistente al desgaste. Por lo tanto, un grosor de capa individual de sólosta C = 0,8 - 1,2 µm de la capa funcional de ta-C ya es suficientemente alto. La capa superior a C:X cumple la función de capa de rodaje. Los picos de rugosidad de la superficie de la capa y del cuerpo de acoplamiento del emparejamiento tribológico son suavizados inicialmente por esta capa. El grosor individual de la capa de rodaje a C:X essa C:X = 0,8 - 1,0 µm. Este grosor de capa se seleccionó en relación con la rugosidad que se muestra a continuación para garantizar un rodaje suficientemente bueno.
Fig. 3 a): Imagen SEM de una superficie de acero lapeada tras el recubrimiento, b) imagen SEM de una superficie de acero rectificada tras el recubrimiento y el postratamiento mecánico para eliminar las gotas y c) imagen al microscopio óptico de una indentación Rockwell C.
La capa funcional de ta-C se produjo mediante evaporación catódica por arco. Mientras el arco arde sobre el blanco de carbono, se emiten gotitas fundidas de carbono (grafito), además de la vaporización del carbono, que se depositan sobre los componentes a recubrir. La figura 3a muestra la imagen SEM de una superficie de acero lapeada después del revestimiento. Estos defectos son claramente visibles en la superficie. Se trata de las llamadas gotitas, que tienen un tamaño de unos pocos micrómetros. Si las gotitas no están firmemente incrustadas en el revestimiento, pueden desprenderse de la superficie del revestimiento durante el contacto tribológico y acelerar el desgaste como partículas abrasivas. Por lo tanto, deben eliminarse en un proceso mecánico posterior al recubrimiento. La figura 3b muestra la imagen SEM de una superficie de acero rectificada después del recubrimiento y después de dicho postratamiento mecánico para eliminar las gotas sueltas.
La superficie aparece mucho más lisa tras el postratamiento mecánico y la eliminación de las gotas sueltas. La superficie lisa también se refleja en los valores de rugosidad del revestimiento postratado (véase la Tabla 1). Según la imagen de microscopio óptico de una indentación Rockwell C de la figura 3c, puede concluirse que el revestimiento está bien adherido al sustrato. La clase de adherencia según DIN 4856 corresponde a HF1 [6]. Además, no se observa ninguna descamación cohesiva, lo que indicaría un fallo del revestimiento cohesivo.
Rz [µm] | Ra [µm] | Rp [µm] | Rv [µm] | Rk [µm] | Rpk [µm] | Rvk [µm] |
0,43 | 0,04 | 0,14 | 0,29 | 0,13 | 0,05 | 0,10 |
Tab. 1: Características de rugosidad del recubrimiento tras el postratamiento mecánico
Para investigar el rendimiento del concepto de recubrimiento multicapa en una aplicación tribológica, se recubrieron pernos de diferencial, se instalaron en un engranaje diferencial y se probaron en un banco de pruebas de cajas de cambios. Para ello, se realizó una prueba de alta carga en la que se simularon velocidades diferenciales superiores a las que podrían darse en la realidad. Además, la carga se distribuyó deliberadamente de forma desigual y se utilizaron engranajes cónicos con valores de rugosidad extremadamente altos de Rz = 8 µm como piezas de acoplamiento. Esta prueba provocó regularmente fallos en el sistema como consecuencia de daños por rozamiento en pernos dediferencial sin recubrimiento y en pernos de diferencial recubiertos con recubrimientos DLC convencionales de otros fabricantes.
Fig. 4 a): Imagen fotográfica, b) microscopio óptico y c) SEM de un perno de diferencial en la zona de contacto con la superficie de rodadura de la rueda cónica tras su uso en un banco de pruebas de transmisión: prueba de alta carga
Gracias al nuevo concepto de recubrimiento multicapa desarrollado, por fin fue posible realizar la prueba de alta carga sin que se produjeran daños por rozamiento que provocaran la finalización prematura de la prueba. La imagen fotográfica de la figura 4a muestra la zona de contacto con el engranaje cónico después de su uso. Las ranuras de aceite se encuentran en la parte superior e inferior de la imagen. En la zona de la superficie de rodadura, la superficie parece estar pulida debido al rodaje. Estas zonas se examinaron al microscopio óptico mediante SEM, véase la figura 4b. Son visibles los surcos de rectificado alineados verticalmente, que se crearon al mecanizar el perno antes del recubrimiento. Los arañazos horizontales, en cambio, proceden del desmontaje de la caja de cambios. Por último, se ven puntos negros. Se trata de agujeros en el revestimiento. Se formaron por la eliminación de gotas durante el repasado mecánico. Más importante, sin embargo, es algo que no es visible: grietas, fracturas y descamación cohesiva, que indicarían una sobrecarga del revestimiento. La imagen SEM de la figura 4c confirma la conclusión de que el revestimiento pudo soportar la carga. Las gotas restantes firmemente incrustadas en el revestimiento, así como la superficie del revestimiento entre las ranuras de esmerilado, están suavemente pulidas y no hay rastros de sobrecarga. El análisis del grosor del revestimiento mediante esmerilado con calota no reveló ningún cambio en el grosor del revestimiento en la zona de las superficies de rodadura. Esto indica que el sistema de revestimiento no sólo es muy robusto, sino también muy resistente al desgaste. Por lo tanto, es posible evitar eficazmente el gripado y aumentar así la vida útil, la robustez y la estabilidad de la caja de cambios.
Bibliografía
[1 ]A. Grill, Diamond and Related Materials 8, (1999), 428-434
[2] J. Robertson, Ciencia e Ingeniería de Materiales R, Informes 37, 4-6, (2002), 129-281
[3] Y. Lifshitz, Diamond and Related Materials 8 (1999) 1659-1676
[4] Directriz VDI 2840, Fundamentos, tipos de revestimiento y propiedades, (2012)
[5] C. Donnet, A. Erdemir, Tribology of diamond-like carbon films, Springer Science and Business Media, (2008)
[6] DIN 4856:2018-02, Recubrimientos de carbono y otros recubrimientos duros - Ensayo de indentación Rockwell para la evaluación de la adherencia.
