Diseñando la siguiente generación de recubrimientos

Uno de los entornos más exigentes en aplicaciones como las de los vehículos de alto rendimiento son las áreas de alta fricción, desgaste y contacto del motor y del tren de válvulas, como el árbol de levas y demás componentes donde hay alta presión de contacto y velocidades de deslizamiento. Los recubrimientos juegan un papel fundamental al reducir la fricción y agregar dureza para reducir el desgaste. Al hacerlo, se mejora el rendimiento y se aumenta la vida útil de los componentes clave.

Sin embargo, la utilización de recubrimientos es compleja, ya que estos deben funcionar dentro de un entorno tribológico de fricción, lubricación y desgaste. Además de proporcionar una superficie dura y lisa, los recubrimientos deben tener una excelente adhesión a los sustratos metálicos.

Limitaciones de las tecnologías de recubrimiento actuales

Hasta la fecha, el estándar de rendimiento para los recubrimientos en este entorno ha sido el recubrimiento de carbono tipo diamante (DLC, por su sigla en inglés), el recubrimiento elegido por los fabricantes de equipos originales y los deportes de motor profesionales durante los últimos 25 años. Estos se producen a través de la deposición química de vapor asistida por plasma (PACVD), que produce recubrimientos extremadamente duros pero delgados, logrando una alta adhesión a los sustratos al tiempo que proporcionan dureza y reducen la fricción. Dentro de esta familia de recubrimientos, la mayoría de los recubrimientos están hechos de carbono amorfo con hidrógeno (a-C: H).

"Aunque los recubrimientos a-C: H de hoy se pueden producir a gran volumen a precios bajos, en términos de sus propiedades de diseño ya están alcanzando sus límites de rendimiento", según Marc Hervé, gerente del segmento para deportes de motor del fabricante internacional de recubrimientos, Oerlikon Balzers. "Cuando un cliente busca un rendimiento superior al que puede ofrecer un recubrimiento a-C: H, la única opción hasta la fecha ha sido un DLC sin hidrógeno más costoso y que consume mucho tiempo".

"Aunque los recubrimientos a-C: H de hoy se pueden producir a gran volumen a precios bajos, en términos de sus propiedades de diseño ya están alcanzando sus límites de rendimiento",

dijo Marc Hervé, gerente del segmento para deportes de motor del fabricante internacional de recubrimientos, Oerlikon Balzers.

Los recubrimientos libres de hidrógeno, que representan solo un pequeño porcentaje de la categoría DLC, se fabrican mediante una deposición física de vapor (PVD) mediante un método de arco que produce carbono tetraédrico amorfo o ta-C. Aunque esto se puede usar para crear un recubrimiento duro muy denso con alta adhesión, el proceso produce pequeñas gotas que contribuyen a un acabado superficial rugoso.

Como resultado, los fabricantes de recubrimientos deben completar procesos de pulido secundarios para suavizar la superficie. Debido a su dureza, es un proceso lento y costoso.

"Los recubrimientos DLC sin hidrógeno son extremadamente duros y se adhieren bien, pero el proceso puede dejar un acabado superficial rugoso que requiere un pulido secundario", explica Hervé. Puede ser costoso, porque el recubrimiento es tan duro que requiere tiempo y equipo especializado

Crear un nuevo estándar de rendimiento

Los avances recientes en el desarrollo de recubrimientos DLC más duros pero menos rugosos están siendo impulsados por los refinamientos en el proceso de aplicación, dice Hervé.

En un proceso patentado desarrollado por Oerlikon Balzers, el recubrimiento DLC se puede aplicar utilizando Plasma de potencia pulsada escalable (S3p), que combina las ventajas de los métodos de evaporación por arco y pulverización catódica. La evaporación por arco es conocida por producir recubrimientos densos con alta adhesión. Sputtering, una tecnología de recubrimiento convencional donde los átomos son expulsados ​​de un objetivo o material fuente para ser depositados en un sustrato, es conocido por sus bajos niveles de rugosidad superficial.

El resultado es un recubrimiento DLC sin hidrógeno que ofrece una combinación única de alta dureza, baja fricción y una superficie lisa. La tecnología S3p genera un alto nivel de enlaces de "diamante" (tetraédrico) con una dureza de hasta 40 GPa (dureza de indentación, HIT). En comparación, los recubrimientos DLC típicos alcanzan niveles de dureza en el rango de 20 - 30 GPa y solo 10 - 15 para recubrimientos WC / C.

El recubrimiento descrito, llamado Baliq Carbos por el fabricante, proporciona el recubrimiento de superficie más duro dentro de la categoría y hasta el doble de la dureza de los recubrimientos DLC actuales. Los recubrimientos exhiben un desgaste abrasivo tres veces menor que un recubrimiento DLC duro de 20 GPa medido por una prueba de calor (formación cráteres con lechada abrasiva).

La rugosidad obtenida por el proceso puede llegar a ser de Ra = 0.03 µm, propio de otros recubrimientos de pulverización catódica o PACVD. Esta rugosidad se logra sin tratamientos de pulido adicionales ahorrando tiempo y costos. En la mayoría de los casos, el componente está listo para usar inmediatamente después del recubrimiento.

El proceso de recubrimiento funciona a una temperatura relativamente baja, por debajo de 200 grados Celsius en comparación con hasta 350 grados para otros recubrimientos DLC, lo que permite su aplicación a un rango de materiales mucho más amplio, uniéndose efectivamente a sustratos de aluminio y acero. Esto abre más opciones para aplicaciones de recubrimiento y la mayor dureza se traduce directamente en una mayor vida útil de los componentes.

Juntos, los avances en dureza, rugosidad y temperatura de los recubrimientos DLC aún más duros prometen brindar a los OEM y a los equipos profesionales de automovilismo la oportunidad de extraer más velocidad y aumentar la durabilidad de sus componentes de motor de precisión mientras persiguen sus objetivos de alto rendimiento.