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TECNICAS DE MODIFICACION
SUPERFICIAL
INTRODUCCION Modificacin superficial
Ingeniera de Superficies
CLASIFICACION Tratamientos Superficiales
Recubrimientos
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Modificacin superficial?
La proteccin de superficies expuestas a ambientes
agresivos puede realizarse por dos tipos de tcnicas, las
cuales se diferencian de acuerdo al efecto que tienen
sobre las propiedades de la superficie que protegen.
Las tcnicas de recubrimientos sin modificacin
superficial, que involucran tecnologas como pinturas,
resinas y esmaltes, pierden atractivo en el caso de
sistemas industriales sometidos simultneamente
procesos de corrosin y desgaste. Puesto que, al
desgastarse la pelcula protectora del sustrato, este puede
quedar expuesto a un mecanismo de corrosin localizada,
que ser mucho ms agresivo que la corrosin
generalizada.
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Modificacin superficial?
Basados en que la resistencia a la corrosin y al
desgaste son propiedades especificas de la superficie,
para una pieza determinada, solo ser necesario que
exista una seccin delgada de la superficie con estas
propiedades, y que el resto del volumen de la pieza,
mantenga las caractersticas de resistencia,
conformabilidad y costos del sustrato.
Las tcnicas que permiten lograr estas caractersticas,
llamadas tecnologas de modificacin superficial, se
basan en dos principios
1) Mejoras en las propiedades de la superficie del
sustrato
2) Deposicin de capas con propiedades superiores a
la del sustrato.
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En las ultimas 3 dcadas, se ha dado mucha
atencin a los aspectos cientficos y
tecnolgicos de la modificacin de superficie y
se ha obtenido un mejoramiento significativo
en el desempeo de componentes, acoplado a
ventajas econmicas considerables. Estos
esfuerzos han permitido el desarrollo de la
Ingeniera de Superficies.
Ingeniera de Superficies
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La Ingeniera de Superficies es un rea
de la Ingeniera que abarca el estudio y la
aplicacin de todas aquellas tcnicas
empleadas para recubrir o modificar la
superficie de un material en la bsqueda de
mejorar sus propiedades ante el desgaste,
corrosin o fatiga bajo condiciones de
servicio, controlando las propiedades del
material de aporte o sustrato, mediante el
diseo de su microestructura y del
procesamiento.
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Por lo tanto, el uso de recubrimientos
superficiales abre un abanico de
posibilidades para el diseo de materiales
en donde las propiedades especficas
necesarias son localizadas en donde ms se
requiere, es decir, en la superficie.
En este sentido, el sustrato del material
puede ser diseado de acuerdo a su
resistencia y tenacidad, mientras que el
recubrimiento es responsable de la
resistencia ante el desgaste, cargas
trmicas o corrosin.
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Tratamientos sobre una superficie ya existente: Procesos de trabajado mecnico en fro Procesos por tratamientos trmicos .
Implantacin inica
Recubrimiento de la superficie con un material de diferente composicin o estructura (depsito de capas). Electrodeposicin Termorrociado Deposicin Fsica en fase Vapor (PVD) Deposicin Qumica en Fase Vapor Lser Electroless
Tipos de Tcnicas de modificacin de
superficie
Tratamientos termoqumicos (procesos difusivos)
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Tratamientos sobre una superficie ya existente
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Tratamientos Superficiales por
Procesos de trabajado mecnico en fro
La deformacin plstica superficial constituye un mtodo de tratamiento superficial de las piezas para incrementar sus cualidades fsico-mecnicas y de acabado, aprovechando las caractersticas de plasticidad de los metales, lo cual puede evitar en muchos casos el empleo de esquemas tecnolgicos tradicionales como el rectificado y el tratamiento trmico, que son altamente consumidores de energa y potencialmente contaminantes del medio ambiente.
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Tratamientos Superficiales por
Procesos de trabajado mecnico en fro
Principio Endurecimiento por deformacin.
Dureza Resistencia al desgaste Resistencia a la corrosin
Algunos mtodos:
Shot Peening (granallado)
Roller Burnishing (bruido por rodillo)
Explosive Hardening
Cladding
Mechanical Plating
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Shot Peening (granallado)
Es una tecnologa establecida que est diseada principalmente para mejorar la resistencia a la fatiga de componentes sujetos a fuertes esfuerzos alternantes.
En el Shot peenning, la superficie de la pieza es impactada con un chorro de balas de fundicin, vidrio o cermico a alta velocidad, originando un solapamiento de indentaciones.
La profundidad de la capa comprimida que es endurecida depende de la intensidad del granallado, la cual est determinada por la velocidad, dureza, tamao, y peso de las balas, y del ngulo en el cual ellas impactan la superficie de la pieza.
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Modelo en 3D de una mquina de shot peening tipo satlite
con y sin cmara de aislamiento acstico.
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Aplicaciones
El shot peeening es comnmente usado para endurecer la superficie de series grandes y para piezas de gran tamao, como engranajes, levas, rboles de levas, resortes de embrague, resortes espirales, bielas, cigeales, ruedas dentadas, resortes de hoja y de suspensin, barrenas de roca, labes de turbina, y equipos de perforacin de pozos petroleros.
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El shot peening tambin es usado para eliminar la susceptibilidad al agrietamiento por corrosin-tensin, actuando en la remocin de cualquier tipo de esfuerzos, por ejemplo en uniones soldadas, mediante la compresin de las capas superficiales.
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Roller Burnishing
(bruido por rodillo)
Es un proceso de deformacin en fro de la superficie de una pieza previamente maquinada.
La pequea deformacin plstica superficial originada por esta operacin consiste en el desplazamiento del material de los "picos, protuberancias o crestas" a los "valles o depresiones" de las microirregularidades superficiales.
Este flujo ocurre bajo una fuerza controlada del rodillo que excede el punto de fluencia del material de la superficie de la pieza no endurecida crendose una capa de metal consolidada que provoca el aumento de las propiedades funcionales en la superficie.
Este procedimiento debe aplicarse preferentemente despus del torneado de acabado.
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Aplicaciones
Este mtodo le comunica a las piezas un incremento
de la resistencia al desgaste, a la fatiga y a la
corrosin, adems de que mejora sustancialmente el
acabado superficial y la precisin de las piezas.
Puede ser bruido por rodillo cualquier material cuya
dureza no exceda aproximadamente los 40 HRC y
adems los mismos deben estar previamente
desmagnetizados.
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Se emplea para lograr un buen acabado
superficial en superficies cilndricas, superficies
planas, superficies de forma o perfiladas,
superficies cnicas, biseles, respaldos,
cambios de seccin y radios, entre otros. Este
proceso evita tener que emplear las otras
operaciones secundarias de acabado que son
econmicamente costosas, obtenindose con
este una superficie pulida y consolidada.
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Equipos
Bruidora vertical con CNC para dimetro hasta 580 mm. y 1.000 mm. de longitud
Bruidora horizontal con CNC para tubos de hasta 600 mm. de dimetro y 10.000 mm. de longitud
B. Horizontal
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Explosive Hardening En esta tcnica el trabajado en fro se lleva a cabo por
la detonacin de una capa de material explosivo en
forma de lamina sobre la superficie a ser tratada.
La intensa onda de choque producida por la carga
explosiva, incrementa la dureza y resistencia tensil de
la superficie, con la correspondiente reduccin en
ductilidad y resistencia al impacto, y esto ocurre con
una ligera deformacin de los granos casi
imperceptible.
Presiones de contacto: 35GP en 2-3 segundos.
Ventajas: No hacen falta hornos, ni petrleo, ni
electricidad, ni carbn para endurecer metales.
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Cladding (enchapado)
Este mtodo consiste en trabajar en fro un metal resistente a la corrosin o capa de aleacin sobre un sustrato, por co-laminacin o co-extrusin simultanea, o por medio de una carga explosiva (explosion cladding)
Placa bimetlica para intercambiador de calor enchapado por explosin.
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Equipo para enchapado metlico
Remocin
unin
laminacin
Recocido
seccionamiento
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Ventajas y aplicaciones
El enchapado metlico ofrece una opcin competitiva en precio para la produccin de la creciente demanda de componentes elctricos y electrnicos.
Ventajas:
Alto rendimiento
Baja porosidad
Conformabilidad superior
Grabado superficial
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Mechanical Plating
Est mtodo tambin es llamado, deposicin mecnica recubrimiento mecnico.
Una delgada capa de metal resistente a la corrosin es unido a un superficie por distribucin del recubrimiento metlico en forma de partculas finas sobre la superficie del sustrato. Esta capa es impactada por un chorro de esferas de vidrio, ceramico, o porcelana similares a las granallas en shot peening.
Esta tcnica es usada para depositar espesores uniformes de Zinc sobre acero, especialmente en la reas roscadas de pasadores.
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Tratamientos Superficiales por
Procesos de tratamientos trmicos
Aplicable a aleaciones ferrosas, con un contenido adecuado de carbono para la formacin de martensita.
El calentamiento preferencial de la superficie a temperaturas de austenizacin, seguido por un enfriamiento brusco, endurecer la superficie.
El calentamiento superficial puede ser alcanzado por varios mtodos:
Llama
Induccin
Lser
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Llama El trmino "calentamiento por llama" se emplea para
todos aquellos procesos donde el calor se transfiere a la
pieza de trabajo por medio de una llama, sin que se funda
la pieza de trabajo ni se elimine material.
Los procesos de llama no requieren equipamientos
costosos y su fuente de energa puede ser transportada
fcilmente al lugar de uso. Una antorcha y un cilindro de
gas combustible son suficientes.
El temple a la llama puede ser utilizado para conseguir,
por ejemplo, el temple superficial parcial en, por ejemplo,
ejes o superficies de desgaste de rodillos.
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Induccin El calentamiento se produce mediante variaciones en la
orientacin magntica molecular por magnetismo inducido por
corrientes elctricas alternas de alta frecuencia.
Se trata de un proceso que permite un alto control, tanto en la
temperatura como en la profundidad de la capa calentada, lo
que permite alcanzar altas temperaturas sin alterar la
composicin del material calentado.
La induccin es un mtodo limpio y flexible, no hay llama ni
contacto, lo nico que se calienta es la pieza, que al fin es lo
importante. En fracciones de segundo, el aporte de energa se
conecta y desconecta sin inercias ajenas a la pieza.
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Lser
Del acrnimo en ingls LASER, Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation o Amplificacin de Luz
mediante Emisin Inducida de Radiacin).
Haz de luz coherente y monocromtico producido mediante
la emisin inducida y amplificada de radiacin. Tambin se
denomina as al aparato que produce ese tipo de luz. Este
tipo de luz tiene mltiples aplicaciones industriales:
comunicaciones, alineamiento, proceso de materiales
(corte, soldadura, cladding), impresin, holografa,
mdicas, iluminacin, fusin nuclear, etc...
En ingeniera se emplean casi exclusivamente lser de
dixido de carbono con potencias medias del orden de
kilovatios. Para tratamientos superficiales se emplean lser
de CO2 de 5KW.
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El lser es una herramienta flexible que aporta una gran cantidad de energa por unidad de superficie durante un corto espacio de tiempo, lo que reduce considerablemente el tiempo de conduccin calorfica al resto del material, y por tanto, su zona afectada trmicamente.
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Tratamientos Superficiales por
Tratamientos Termoqumicos Los tratamientos termoqumicos se utilizan
ampliamente en la industria metalmecnica para
mejorar el comportamiento al desgaste y a la
corrosin de piezas de aleaciones ferrosas.
En lneas generales se realizan los siguientes:
Nitruracin y variantes (Nitruracin Inica)
Cementacin y variantes
Los elementos que se incorporan a la superficie
para modificar su composicin y propiedades
son: nitrgeno, carbono y azufre.
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Cementacin o Carburizacin La cementacin es un procedimiento en el cual un
acero de bajo carbono, 0,2% C o menos, se austeniza
en una atmsfera o en un ambiente rico en C, el cual
difunde hacia el interior de la pieza, permitiendo a la
austenita disolver altos porcentajes de ste.
La temperatura usual de cementacin es cercana a los
950C y la profundidad de este tratamiento depende
del tiempo y de la dureza deseada.
Una vez obtenida la capa exterior rica en C, se
endurece por temple. Cabe sealar que la cementacin
en lo posible debe usarse en aceros en los cuales no
pueda crecer mucho el grano y se pueda templar
directamente.
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Carbonitruracin
Es un proceso de endurecimiento superficial de carcter
gaseoso, en l se calienta un acero en una atmsfera
gaseosa de composicin tal que el C y N se absorben
simultneamente, obtenindose una capa superficial muy
dura.
La atmsfera consiste en un "gas portador" enriquecido
por gas natural, metano o propano (que proporcionan el
C), y por amonaco (que entrega el N necesario). El
proceso de difusin de C y N se realiza entre 815 y
870C y luego se templa en aceite, para disminuir la
distorsin y el peligro que se produzcan fisuras.
El espesor de capa carbonitrurada es menor a 0,5 mm.
As por ejemplo, capas de 0,15 a 0,40 mm se obtienen
con tiempo de carbonitruracin que van de 1/2 a 3 horas
a una temperatura de 815 C.
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Nitruracin La nitruracin es un tratamiento termoqumico que
consiste en la adicin de nitrgeno atmico a la
superficie, a temperaturas dentro del rango ferrtico y
consecuentemente sin transformaciones de fase en el
material base.
La efectividad de este proceso depende de la
formacin de nitruros en el acero por la reaccin del N
con ciertos elementos de aleacin, principalmente Al,
Cr y Mo. El N difunde en el acero y forma nitruros
complejos.
Dado que la temperatura de tratamiento es
relativamente baja (rango ferrtico) los cambios
volumtricos y distorsiones son mnimas.
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Diagrama Fe-N
e-Fe2-3N
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Nitruracin Este proceso de endurecimiento superficial de aceros
aleados se realiza convencionalmente en una
atmsfera constituida por una mezcla en proporciones
adecuadas de gas amonaco y amonaco disociado:
NH3 N + 3/2 H2 ;
Disociacin de amonaco y nitrgeno entrando al acero durante la nitruracin
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Aplicaciones
Es especialmente aplicado en aceros y fundiciones
con el objeto de: Aumentar la dureza superficial, la
resistencia al desgaste, mejorar la resistencia a la
fatiga (a causa de cierta compresin superficial
producida) y la resistencia a corrosin (en ciertos
casos).
Los aceros aleados con cromo, manganeso, aluminio
y vanadio son especialmente adecuados para la
nitruracin, ya que los mismos facilitan la formacin
de nitruros.
La dureza superficial alcanzada es muy elevada, del
orden de 69-70 HRC, y no altera las caractersticas
del ncleo alcanzadas en tratamientos previos.
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Tipos La clasificacin se basa en el estado del medio que
aporta los elementos que producen la modificacin
de la superficie.
Histricamente, se comenz con medios lquidos y
se continu con los gaseosos. A partir de la dcada
del setenta hicieron su ingreso a escala industrial los
procesos asistidos por plasma: NITRURACIN
INICA.
Todas las tecnologas han recibido gran
impulso en determinado momento por la
importancia econmica del sector involucrado
(automotriz, aeronutico, petrolero, industria
metalmecnica en general).
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Las principales variantes de la nituracin son:
nitruracin gaseosa;
nitruracin en sales;
nitruracin inica;
nitrocarburacin;
sulfocarbonitruracin, oxicarbonitruracin, etc.
Todas estas formas de nitruracin permiten la
obtencin de una capa superficial de elevada
dureza con una estructura rica en nitruros y
carbonitruros, muy bien definida y comn a todos
ellos, que est formada por: una capa perifrica
(capa blanca), denominada capa de compuesto o
capa de combinacin; y una segunda capa
subyacente a la primera, llamada zona de
difusin.
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Estructura de la capa nitrurada
La formacin de la capa blanca est estrictamente relacionada con la temperatura, tiempo y el potencial de nitruracin y con los elementos de aleacin, decreciendo su espesor cuando los elementos aleantes formadores de nitruros aumentan.
Luego del proceso de nitruracin aparecen en el material tratado dos zonas conocidas como capa blanca o de compuestos y una zona de difusin.
La capa de compuestos o capa blanca (as denominada por su aspecto metalogrfico frente al ataque con Nital), est constituida por nitruros e-Fe2-3N y/o g-Fe4N.
Figura: Capa de compuestos en un acero AISI 4140 nitrurado por plasma.
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Debido a la difusin de nitrgeno dentro del material
ocurren diversas reacciones: precipitacin de nitruros,
saturacin de la red Fe-a, generacin de tensiones y
redistribucin de carbono.
En la capa difusiva se forman zonas monofsicas en
concordancia con las zonas monofsicas del diagrama
Fe-N.
Cuando el limite de solubilidad es excedido, los nitruros
son precipitados en borde de grano y a lo largo de
ciertos planos cristalogrficos.
Mediante un perfil de microdureza se puede determinar
perfectamente la zona de difusin.
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Caractersticas de la capa nitrurada
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Nitruracin gaseosa
Nitruracin gaseosa: Es uno de los procesos ms antiguo, que utiliza amonaco como medio para obtener el nitrgeno atmico necesario para producir el endurecimiento superficial. La temperatura empleada para dicho tratamiento en el caso de aceros est comprendida entre 495 y 565 C.
Equipo moderno para nitruracin gaseosa La instalacin se compone de:
Horno elctrico vertical. Pote hermtico con turbina recirculacin del gas. Dispositivo enfriamiento rpido. Soporte enfriamiento y descarga. Cuadro de mandos y regulacin automtica de temperatura. Control del sistema de proceso acelerado.
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Nitruracin en bao de sales
La nitruracin en bao de sales fundidas se realiza a temperaturas de aproximadamente 570 C. La mezcla de sales utilizadas contienen cianatos y carbonatos alcalinos, los cuales son colocados en un crisol, de material especial (Ti). La calidad de la zona de compuestos es influenciada por la composicin del bao.
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Diferencias entre los mtodos
Con respecto al tiempo de tratamiento, la nitruracin en
sales presenta una gran ventaja (la nitruracin gaseosa
requiere entre 12 y 120 horas mientras que la salina entre
1 y 4 horas), pero se debe tener en cuenta que el tiempo
de la nitruracin salina est restringido debido a la
formacin de poros.
La capa de compuestos producida mediante nitruracin
gaseosa es ms frgil que la desarrollada en la nitruracin
salina esto es debido a que en la primera existe una
polifase formada por nitruros e-Fe2-3N y g'-Fe4N mientras
que en la salina solo se presentan nitruros e-Fe2-3N, dado
que la presencia de una polifase g'- e produce tensiones
internas en la interfaces, resultantes de las diferencias de
volmenes, que pueden producir fisuras si la pieza est
sometida a carga cclica.
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Nitruracin Inica Desde mediados de 1960 una nueva tcnica
denominada nitruracin inica o nitruracin por
plasma se ha mantenido en continuo crecimiento.
La nitruracin inica es un proceso termoqumico
asistido por plasma, por ello es tambin conocida como
"plasma nitriding".
Puede ser llevada a cabo con diferentes mezcla de
gases (generalmente N2/H2) consiguiendo mediante su
variacin diferentes caractersticas metalrgicas en las
piezas tratadas.
El equipamiento utilizado para el tratamiento de
nitruracin por plasma, consiste esencialmente de una
cmara de vaco, un sistema de bombeo, un sistema de
distribucin de gases y una fuente elctrica.
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Equipo: Reactor experimental
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Las piezas a ser tratadas son colocadas dentro del reactor, siendo las mismas el ctodo de un circuito elctrico y la cmara el nodo (conectada a tierra). Entre estos dos electrodos se establece un campo elctrico.
A baja presin (0,2 a 8 hPa) y alto voltaje (300 1000 V) las molculas y tomos del gas son excitados e ionizados, produciendo el fenmeno conocido como glow discharge (descarga luminiscente).
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Los iones positivos bombardean el ctodo (piezas) y
al transferir su energa cintica producen defectos
en la red, pulverizacin de tomos en la superficie
"sputtering", oclusin de iones condensados y un
aumento de temperatura en las piezas debido al
intercambio de energa. Lo anterior, favorece las
reacciones fsico-qumicas necesarias para el
endurecimiento superficial, con el consecuente
aumento de velocidad de penetracin del nitrgeno.
Mientras que los iones + son acelerados hacia el
ctodo, los electrones lo son hacia el nodo (paredes
del reactor).
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Fenmenos involucrados
Sputtering es un proceso donde un material es eyectado desde la superficie de un slido o lquido debido al intercambio de momentum asociado con el bombardeo de partculas energticas.
Las especies bombardeadas son generalmente iones de un gas inerte pesado, siendo el argn el ms comnmente usado. La fuente de iones puede ser un ion beam o un plasma discharge donde el material a ser bombardeado est inmerso.
El mecanismo de sputtering puede ser utilizado como un mtodo de ataque o de recubrimiento.
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El fenmeno de condensacin est asociado al
sputtering; segn B. Edenhofer los tomos del
sustrato eyectados desde la superficie, pueden
combinarse con los tomos altamente reactivos de
nitrgeno en el plasma cerca de la superficie, y ser
depositados como nitruros de hierro FeN.
El FeN que es condensado en la superficie a
temperatura de tratamiento (350) es inestable y se
descompone en nitruros Fe2N, Fe3N y Fe4N. El
nitrgeno liberado en este proceso difunde en la
pieza y parte vuelve al plasma.
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Resultados de algunas investigaciones
Diversas investigaciones con respecto a ductilidad,
desgaste, friccin, etc., han mostrado que la
eficiencia de la capa de compuestos depende
fundamentalmente de dos factores, la
homogeneidad de la estructura y el espesor de capa.
Mejores resultados en ductilidad y fatiga fueron
encontrados cuando la capa de compuestos fue
constituida por una sola fase.
Cuando el espesor de capa aumenta, tambin lo
hace la fragilidad, por lo que se debe encontrar el
espesor ptimo para las aplicaciones requeridas.
El espesor de la capa de compuestos depende del
tiempo durante las primeras horas, luego cuando un
determinado espesor es alcanzado este crecimiento
se detiene.
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TiAlN-25% N2
TiAlN-75% N2
Micrografas por Microscopa Electrnica de la subcapa de nitruros de hierro, en las secciones
transversales de los recubrimientos duplex a) TiAlN-25%N2, b) TiAlN-75% N2.
Secciones transversales de la superficie de fractura de un recubrimiento duplex
Capa de
g-Fe4N
Capa de
g-Fe4N y
e-Fe2-3N
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Ventajas del tratamiento de
nitruracin por plasma
Reduccin en el tiempo de tratamiento de
nitruracin, al compararlo con las tcnicas
gaseosa y lquida, esta disminucin es debido al
diferente mecanismo de difusin en la
superficie.
Aparentemente son dos los factores que
aceleran la difusin de nitrgeno en la
nitruracin por plasma, la mayor concentracin
de nitrgeno sobre la superficie (condensacin
de FeN) y el aumento de velocidad de
penetracin del nitrgeno en la interfase
plasma superficie (debido al bombardeo inico).
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En comparacin con la nitruracin gaseosa, en la
cual los nitruros son formados en la superficie
cuando se ha alcanzado un nivel de saturacin,
por un mecanismo de nucleacin y crecimiento
que requiere un tiempo de incubacin de 20 a
120 minutos, en la nitruracin inica la formacin
de nitruros que produce un gran gradiente de
concentracin en la superficie es inmediato .
La nitruracin por plasma presenta la ventaja de
aplicarse a baja temperatura desde los 350 C, lo
que permite una mnima distorsin.
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Debido a la gran versatilidad que presenta la nitruracin inica, la capa blanca puede estar ausente o presente.
Dependiendo de los parmetros de tratamiento, los compuestos en la capa blanca, pueden ser nitruros g'-Fe4N y/o e-Fe2-3N.
La capa de compuestos obtenida mediante nitruracin inica es ms compacta a la producida por nitruracin en sales, que presenta porosidad.
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Otras ventajas
Permite mediante el control de las variables,
presin, densidad de corriente, tiempo, potencial,
etc., ajustar el proceso para cada material y
aplicacin requerida con total repetibilidad.
En otro orden, la nitruracin por plasma no
produce gases txicos, riesgos de explosin o
contaminacin.
Como una consecuencia directa de la legislacin
diseada a proteger el medio ambiente, hay un
creciente inters en los tratamientos
termoqumicos asistidos por plasma.