La guía completa del recubrimiento DLC (recubrimiento tipo diamante)

Existen diversos métodos de tratamiento superficial disponibles tanto para piezas metálicas como plásticas, y el recubrimiento DLC es una de las técnicas más importantes y utilizadas. En este artículo, conoceremos juntos qué es el recubrimiento DLC, sus características, ventajas y aplicaciones.

¿Qué es el recubrimiento DLC?

El recubrimiento DLC, también conocido como recubrimiento de carbono tipo diamante, es un recubrimiento superficial especial (recubrimiento nanocompuesto) con propiedades similares a las del diamante, como dureza, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión e inercia química. El recubrimiento DLC suele estar compuesto de carbono e hidrógeno y se aplica sobre la superficie de diversos materiales mediante deposición física en fase de vapor o deposición química en fase de vapor.

El DLC es una forma metaestable de carbono amorfo tipo diamante con una proporción de enlaces sp2 y sp3. Se utiliza con frecuencia para aumentar la dureza y la resistencia al desgaste de las superficies de los materiales, a la vez que reduce la fricción y la adherencia superficial. El recubrimiento de carbono tipo diamante (DLC) es un avance tecnológico reciente en recubrimientos PVD + PECVD que ha logrado un éxito generalizado en la industria comercial.

Breve historia del recubrimiento DLC

En la década de 1970, Sol y Ronald, de Alemania, utilizaron la deposición por haz de iones para depositar iones de carbono monovalentes sobre un sustrato a temperatura ambiente y producir películas de DLC.

En 1984, Lin Xigang y otros utilizaron tecnología de deposición por haz de iones de baja energía para preparar películas de carbono tipo diamante y probaron de forma preliminar sus propiedades mecánicas, ópticas y eléctricas.

A partir de la década de 1990, los investigadores comenzaron a estudiar el DLC dopado y continuaron explorando nuevos tipos de recubrimientos DLC y desarrollando técnicas de deposición más avanzadas para mejorar su rendimiento. Los recubrimientos DLC se han convertido en una tecnología madura y se utilizan ampliamente en diversas industrias, incluidas la médica, la aeroespacial y la de equipos electrónicos.

Tipos de recubrimiento DLC

• a-C = carbono amorfo sin hidrógeno
• ta-C = carbono amorfo sin hidrógeno con enlaces tetraédricos
• a-C: H = carbono amorfo con hidrógeno
• a-C:H: Me = carbono amorfo con hidrógeno dopado con metal (Me = W, Ti)
• ta-C:H = carbono amorfo con hidrógeno con enlaces tetraédricos
• a-C:H:Si = carbono amorfo con hidrógeno dopado con Si
• a-C:Me = carbono amorfo sin hidrógeno dopado con metal (Me = Ti)
• a-C:H:X = carbono amorfo con hidrógeno dopado con no metal

Propiedades del recubrimiento DLC

Dureza: Gracias a su estructura tipo diamante, el recubrimiento DLC presenta una elevada dureza, con una dureza del recubrimiento superior a 2300HV, diez veces más duro que el grafito. Esto lo hace muy eficaz para mejorar la dureza superficial y la resistencia al desgaste de los materiales. Esta dureza permite su uso generalizado en piezas mecánicas, herramientas de corte y rodamientos.

Bajo coeficiente de fricción: La superficie lisa del recubrimiento DLC presenta un bajo coeficiente de fricción (0,05-0,1), formando una capa de fricción autolubricante en la superficie del producto, lo que ayuda a reducir las pérdidas por fricción. Esto resulta especialmente útil en entornos donde los lubricantes son limitados o no pueden utilizarse, como en la industria aeroespacial, la automoción y los equipos industriales.

Resistencia a la corrosión: Los recubrimientos DLC presentan cierta resistencia a la corrosión química, lo que ayuda a mejorar la resistencia a la corrosión de los materiales. Esto da lugar a aplicaciones en entornos marinos, la industria química y los dispositivos médicos.

Estabilidad térmica: Los recubrimientos DLC tienen buena estabilidad en entornos de alta temperatura y pueden soportar temperaturas de hasta 450 °C. Esto permite su uso generalizado en procesos de alta temperatura y en componentes de motores de automoción.

Biocompatibilidad: Algunos tipos de recubrimientos DLC cumplen las normas para implantes médicos y son biocompatibles con el cuerpo humano, por lo que se utilizan ampliamente en el ámbito médico, como en articulaciones artificiales, implantes e instrumentos quirúrgicos.

Conductividad: Algunos tipos de recubrimientos DLC presentan buena conductividad eléctrica, lo que da lugar a ciertas aplicaciones en dispositivos electrónicos, sensores y pantallas.

Ventajas del recubrimiento DLC

Resistencia a la corrosión y al desgaste: La capa protectora que aporta el recubrimiento DLC ayuda a mantener la integridad y la funcionalidad del material subyacente, incluso en condiciones ambientales adversas.

Durabilidad: Los recubrimientos DLC son conocidos por su extrema durabilidad. Gracias a su elevada dureza, resistencia a la corrosión y resistencia al desgaste, estos recubrimientos pueden utilizarse durante periodos prolongados. Esta durabilidad garantiza que el material recubierto siga siendo resistente al desgaste o a la pérdida de color, siempre que el material subyacente se mantenga en buen estado.

Respeto por el medio ambiente: Los recubrimientos DLC no utilizan productos químicos nocivos y, por lo general, son más seguros tanto para el medio ambiente como para los operarios que intervienen en el proceso de recubrimiento.

Mejora del aspecto: Los recubrimientos DLC pueden conferir a los objetos un atractivo aspecto gris negruzco y realzar la calidad visual de los productos.

Versatilidad: Modificando las condiciones de deposición y añadiendo dopantes, el rendimiento de los recubrimientos DLC puede adaptarse para satisfacer diversas necesidades de aplicación.

Deposición del recubrimiento DLC

En el mercado existen varios métodos para la deposición de recubrimientos DLC, entre ellos el haz de iones, el haz de electrones, el PAVCD, la pulverización catódica, el arco catódico y el láser. Hoy en día, para los recubrimientos DLC se emplean PVD y PAVCD, ya que se consideran los métodos más consistentes y de mayor calidad. A continuación tratamos principalmente la tecnología PVD y la tecnología PACVD:

Tecnología PVD

La deposición física en fase de vapor (PVD) es una novedosa tecnología de deposición de películas finas que consiste en transformar físicamente el material objetivo (material de origen) en gas o plasma en un entorno de vacío y, a continuación, depositarlo sobre la superficie del sustrato. Es una de las principales técnicas de fabricación de superficies utilizadas en la actualidad. Abarca principalmente tres grandes categorías: recubrimiento por evaporación al vacío, recubrimiento por pulverización catódica al vacío y recubrimiento iónico por arco al vacío.

Las películas depositadas mediante la tecnología de recubrimiento PVD presentan una elevada dureza, una alta resistencia al desgaste (bajo coeficiente de fricción), una excelente resistencia a la corrosión y estabilidad química, lo que se traduce en una mayor vida útil de la película. Además, la película mejora notablemente las propiedades decorativas de la pieza.

La tecnología de recubrimiento PVD es un método de tratamiento superficial respetuoso con el medio ambiente que permite obtener recubrimientos de nivel micrométrico sin contaminación. Puede utilizarse para preparar diversas películas de metal único (como aluminio, titanio, circonio, cromo, etc.), películas de nitruro (TiN, ZrN, CrN, TiAlN) y películas de carburo (TiC, TiCN), así como películas de óxido (como TiO).

El espesor de la película de recubrimiento PVD está en el rango micrométrico, siendo relativamente fino, generalmente de 0,3 μm a 5 μm. El espesor de las películas de recubrimiento decorativas suele ser de 0,3 μm a 1 μm. Por lo tanto, permite mejorar diversas propiedades físicas y químicas de la superficie de la pieza sin afectar significativamente a sus dimensiones originales, lo que elimina la necesidad de un posprocesamiento.

Resistencia al desgaste: Los recubrimientos PVD son muy duros y resistentes al desgaste, lo que los hace ideales para superficies sometidas a un uso y desgaste frecuentes.

Resistencia a la corrosión: Los recubrimientos PVD pueden aportar una capa adicional de protección contra la corrosión, lo que los convierte en una buena opción para entornos exteriores o marinos.

Estética mejorada: Los recubrimientos PVD pueden aplicarse en diversos colores, lo que ofrece una amplia gama de opciones estéticas.

Respeto por el medio ambiente: Los procesos de recubrimiento PVD no liberan productos químicos nocivos, lo que los hace más respetuosos con el medio ambiente que otros procesos de recubrimiento.

Tecnología PACVD

PACVD es la abreviatura de Deposición Química en Fase de Vapor Asistida por Plasma. Este método de deposición se utiliza ampliamente para depositar recubrimientos de carbono tipo diamante. Este proceso se basa en vacío y todos los productos de partida del proceso PACVD se encuentran en estado gaseoso. A diferencia del PVD, el proceso de deposición gaseoso lo hace adecuado para el recubrimiento 3D sin necesidad de rotación. Los recubrimientos PACVD contienen alrededor del 70 % de enlaces sp3 y son amorfos. Los enlaces sp3 son responsables de la propiedad de ultraalta dureza (10-40 GPa) del recubrimiento. A temperaturas inferiores a 200 ℃, el PACVD puede depositar recubrimientos sobre una amplia gama de materiales de sustrato conductores y no conductores.

• No requiere posprocesamiento
• Puede depositarse sobre una amplia gama de sustratos
• No se produce distorsión en sustratos de alta precisión
• Emplea un proceso gaseoso que permite un recubrimiento uniforme

Consejos para mejorar la adhesión del recubrimiento DLC y el material del sustrato

Optimización del tratamiento superficial: Limpieza y rugosidad de la superficie del sustrato: se pueden emplear métodos como el uso de papel de lija, el chorreado de arena y el grabado ácido para aumentar la energía superficial y el área de contacto entre el recubrimiento y el sustrato, mejorando así la adherencia.

Tratamiento térmico: Ajustar el coeficiente de expansión térmica del recubrimiento y del material del sustrato para que coincidan puede reducir las tensiones provocadas por los cambios de temperatura.

Uso de agentes de acoplamiento: La aplicación o inmersión de un agente de acoplamiento entre el recubrimiento y el sustrato permite que las moléculas orgánicas reaccionen químicamente con la superficie del sustrato, formando enlaces químicos fuertes que mejoran la adherencia.

Implantación iónica: La introducción de elementos metálicos en la superficie del sustrato mediante implantación iónica puede crear una capa intermedia con buena adherencia al material del recubrimiento, mejorando así la fuerza de unión.

Tratamiento de aleación: La adición de elementos de aleación al material del sustrato puede hacerlo más compatible y con una unión más fuerte con el material del recubrimiento.

Uso de recubrimientos compuestos: La adición de una o varias capas intermedias de alta adherencia entre el recubrimiento y el sustrato, como metales, cerámicas u otros materiales poliméricos, puede mejorar la adherencia entre el recubrimiento y el sustrato.

Aplicaciones del recubrimiento DLC

El recubrimiento DLC puede mejorar el rendimiento de los materiales, prolongar su vida útil y mejorar su resistencia a la corrosión. Se utiliza ampliamente en moldes, aplicaciones médicas, automóviles y herramientas de corte.

Moldes

El recubrimiento DLC se caracteriza por su superficie lisa, bajo coeficiente de fricción, fácil desmoldeo, resistencia al desgaste y buena conductividad térmica. El recubrimiento posee una dureza extremadamente alta, y resulta difícil que el barrido a alta presión y las partículas del material lo dañen, lo que puede aumentar la vida útil del molde. Por ello, se utiliza con frecuencia para fabricar diversos moldes, entre ellos: moldes de estampado, moldes de inyección y moldes para semiconductores. Por ejemplo: punzones, matrices, troquelado de precisión y piezas de estampado en relieve.

Aplicaciones médicas

El recubrimiento DLC tiene una buena biocompatibilidad, lo que permite que los tejidos biológicos y los materiales artificiales implantados coexistan en armonía sin reacción de rechazo. Puede utilizarse como recubrimiento superficial para materiales de prótesis articulares, materiales dentales, huesos artificiales, materiales de válvulas cardíacas artificiales, agujas quirúrgicas y catéteres médicos.

Automoción

El recubrimiento DLC puede desempeñar un buen papel en la lubricación y la resistencia al desgaste en condiciones de fricción seca sin aceite lubricante, y es una buena opción para las piezas del motor de automóvil. El segmento del pistón del motor de automóvil se desplaza alternativamente hacia arriba y hacia abajo en el cilindro, y la superficie del segmento roza constantemente la pared interior del cilindro, lo que provoca una gran pérdida de potencia por fricción que afecta en gran medida al consumo energético y a la vida útil del motor.

Herramientas

El recubrimiento DLC tiene un bajo coeficiente de fricción y una gran resistencia al desgaste. Puede mejorar eficazmente la vida útil de las herramientas de corte y permitir que estas obtengan excelentes propiedades mecánicas integrales, mejorando así en gran medida la eficiencia del mecanizado. El recubrimiento DLC se ha convertido en un material de recubrimiento ideal para herramientas de acero rápido y de metal duro.

Preguntas frecuentes

¿Cuáles son los colores del recubrimiento DLC?

El color del recubrimiento DLC se ve afectado por el espesor, la estructura y los dopantes, y no existe un color fijo. Mostrará colores diferentes según los distintos procesos de preparación y componentes del material, desde incoloro y transparente hasta gris negruzco, e incluso marrón o amarillo. El más común es el recubrimiento negro grisáceo.

¿Cuáles son las limitaciones del recubrimiento DLC?

Los recubrimientos DLC generan tensiones internas durante el proceso de deposición, lo que puede provocar la deformación del sustrato o incluso el desprendimiento del recubrimiento. Unas tensiones excesivas también pueden reducir la resistencia al desgaste y al impacto del recubrimiento. Si el recubrimiento no es homogéneo, se reducirá el rendimiento de determinadas zonas. Su coste es mayor en comparación con otros recubrimientos.

Conclusión

Después de leer este blog, estamos seguros de que ahora tiene una idea más clara del recubrimiento DLC. En los últimos años, el recubrimiento DLC se ha utilizado cada vez más en diversos campos, desde piezas de automoción hasta herramientas de máquina-herramienta, pasando por dispositivos médicos de precisión y resortes convencionales.

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