ES2345986T3 - Procedimiento para el recubrimiento de una superficie de sustrato usando un chorro de plasma. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para recubrir una superficie (4) de sustrato usando un chorro (2) de plasma, al que se le añade un polvo de grano fino, que forma el recubrimiento, por medio de un transportador (16) de polvo controlable en una cantidad dosificada, caracterizado porque hacia la superficie (4) de sustrato se dirige un chorro (8, 2) de un plasma de baja temperatura, al que se le añade este polvo en una cantidad dosificada, situándose el aumento de temperatura de sustrato durante y tras el procedimiento de recubrimiento por debajo de 100ºC, preferiblemente por debajo de 50ºC.
Description
Procedimiento para el recubrimiento de una
superficie de sustrato usando un chorro de plasma.
La invención se refiere a un procedimiento para
recubrir una superficie de sustrato usando un chorro de plasma según
el preámbulo de la reivindicación 1 así como a un uso del
procedimiento según la reivindicación 12.
Se conoce la aplicación, por medio de un chorro
de plasma, de capas de alto punto de fusión sobre una superficie de
sustrato, alimentando sustancias adecuadas tales como por ejemplo
wolframio o cerámica de óxido en forma de polvo a un chorro de
plasma libre. A este respecto se trata de los denominados plasmas
térmicos, en los que en el núcleo del chorro de plasma libre que
sale existen temperaturas de hasta 20.000ºC. En este sentido la
estabilización del plasma tiene lugar mediante intensidades de
corriente elevadas (> 200 A) y gases fácilmente ionizables. Un
plasma de este tipo conlleva una alta carga de temperatura del
elemento constructivo que va a recubrirse. Si el proceso de
recubrimiento tiene lugar bajo la atmósfera, se oxidan además
parcialmente los materiales de recubrimiento metálicos. Por tanto el
campo de uso es muy limitado. El recubrimiento y/o el procesamiento
de materiales de bajo punto de fusión sólo es posible, si acaso,
mediante un control de procedimiento extremadamente de gran
despliegue y la utilización de un enfriamiento intenso.
En el documento WO 03/029762 se describen un
procedimiento y un dispositivo para alimentar cantidades dosificadas
de un producto a granel de grano fino.
Además se menciona, que con un dispositivo de
este tipo pueden alimentarse sustancias de manera dosificada a o sin
presión en un procedimiento de recubrimiento, por ejemplo soldadura
de recarga de polvo de plasma, y otros, lo que debe entenderse como
una indicación general.
En el documento WO 01/32949 se describe un
procedimiento para recubrir superficies, en el que con ayuda de un
plasma se hace reaccionar un material precursor y entonces se
deposita el producto de reacción sobre la superficie que va a
recubrirse. Este material precursor, ya sea líquido y/o sólido, se
alimenta de manera separada del gas de trabajo al chorro de plasma.
Por tanto, cuando deba tener lugar una reacción del material
introducido, debe conseguirse un calentamiento suficiente del
material precursor.
La presente invención se basa en el objetivo de
proponer un procedimiento del tipo mencionado al inicio, por medio
del que puedan aplicarse capas con una buena adherencia sobre metal,
vidrio, plástico u otras superficies de sustrato.
Este objetivo se soluciona según la invención
mediante un procedimiento con las características de la
reivindicación 1.
Los perfeccionamientos preferidos del
procedimiento según la invención forman el objeto de las
reivindicaciones dependientes.
Es especialmente ventajoso el uso del
procedimiento según la invención para aplicar una capa de zinc sobre
puntos de soldadura o de soldadura fuerte de chapas o piezas
metálicas zincadas, de manera ideal directamente tras el proceso de
soldadura o de soldadura fuerte proporcionando a continuación del
procedimiento de soldadura el plasmatrón y aprovechando éste el
calor de procedimiento del proceso de ensamblado anterior, para
conseguir una mejor adhesión de la capa de zinc al elemento
constructivo.
El polvo aplicado por el chorro de plasma libre
sobre la superficie de sustrato se aplica sobre la misma con buena
adherencia, sin que la temperatura del sustrato aumente de manera
inadmisible. Sin embargo, mediante este procedimiento de plasma
microscópico se consigue también bajo una atmósfera de aire una
adherencia excelente de la capa aplicada. Las capas metálicas se
caracterizan además por su contenido en oxígeno extremadamente
reducido.
La invención se explica en detalle a
continuación mediante el dibujo. Muestra:
la figura 1 esquemáticamente un principio del
procedimiento según la invención.
La figura 1 muestra una boquilla 1 de plasma en
sí conocida para generar un chorro 2 de plasma libre, que sale de
una abertura 3 de boquilla inferior del plasmatrón 1 y se dirige
hacia una superficie 4 de sustrato.
El plasmatrón 1 presenta habitualmente una
carcasa 5 tubular, alargada, que se estrecha cónicamente en la zona
6 inferior hacia la abertura 3 de boquilla ya mencionada. La carcasa
5 metálica está conectada a tierra y forma con la punta de la
boquilla por ejemplo un electrodo externo. Un plasma en
desequilibrio primario con baja potencia eléctrica (< 5 kW) se
genera dentro del plasmatrón 5, indicado con el cuadro 11, mediante
una corriente alterna de alta frecuencia (> 10 KHz) por ejemplo a
través de un magnetrón, un plasma de RF, una descarga de alta
tensión directa, una descarga de barrera de corona o similar. En el
plasmatrón 1 se introduce de manera hidrodinámica desde arriba a
través de un conducto 7 de alimentación un gas de plasma o de
trabajo, de tal manera que de ese modo se estabiliza el plasma
primario (plasmatrón estabilizado por gas y por ejemplo también
plasmatrón estabilizado por vórtex).
Como gas de plasma o de trabajo se utiliza
preferiblemente aire o también vapor de agua (económico). Con el
aire pueden mezclarse en caso de que sea necesario además por
ejemplo nitrógeno, dióxido de carbono, metano o gases nobles. Sin
embargo estos otros gases también pueden usarse en forma pura o en
mezclas. También pueden usarse vapores de otros líquidos en forma
pura o en mezclas como gases de plasma.
El chorro 2 de plasma libre atmosférico que sale
se caracteriza en particular por una baja temperatura (en la zona
del núcleo < 500ºC) y una dilatación geométrica reducida
(diámetro normalmente < 5 mm). Según la invención se añade ahora
al chorro 2 de plasma libre como un polvo de grano fino,
fluidificado, el material en una cantidad dosificada de manera
exacta, que debe formar el recubrimiento previsto de la superficie
de sustrato. Allí, debido a la interacción con el plasma, se funde
completamente o sólo parcialmente y se acelera en la dirección hacia
la superficie que va a recubrirse, donde se deposita finalmente. El
material en polvo se suministra a este respecto desde un recipiente
15 por medio de un transportador 16 de polvo y opcionalmente se
introduce en el plasma secundario o también en el plasma
primario.
El plasma de baja temperatura se caracteriza
porque tras la formación de un plasma en desequilibrio primario
generado eléctrica o electromagnéticamente (plasma no térmico) en un
generador de plasma parcialmente cerrado, se acelera intensamente el
chorro de plasma primario dirigido mediante medidas adecuadas por
medio de una boquilla anular en la transición hacia el entorno
(abertura 3 de salida) y en consecuencia se forma tras la boquilla
un plasma secundario a presión ambiental. Si la superficie de
sustrato es eléctricamente conductora, puede aplicarse además una
tensión adicional (el denominado arco eléctrico transmitido o
también plasmatrón directo) entre la boquilla y el sustrato. La
temperatura del plasma medida con un termopar del tipo NiCr/Ni, con
un diámetro pico de 4 mm, a 10 mm de distancia de la salida de la
boquilla, asciende a menos de 900ºC en el núcleo del chorro (2) de
plasma secundario a presión ambiental.
Como transportador 16 de polvo se usa
preferiblemente un dispositivo conocido por la solicitud de patente
PCT n.º PCT/EP02/10709 para alimentar cantidades dosificadas de un
producto a granel de grano fino, que presenta al menos dos cámaras
de dosificación que pueden llenarse y vaciarse de manera alternante,
llenándose con el polvo las cámaras de dosificación en cada caso
mediante la conexión a un conducto de aspiración o de vacío y
vaciándose mediante la conexión a un conducto de gas comprimido y
fluidificando el gas comprimido a este respecto el polvo y
transportándoselo adicionalmente de manera neumática.
La activación y desactivación de la conexión de
aspiración así como la activación y desactivación de la conexión de
gas comprimido tiene lugar a través de válvulas controladas
neumática y/o hidráulicamente. Un dispositivo de este tipo como
transportador 16 de polvo permite una dosificación sumamente precisa
y una alimentación tanto pulsada como continua, sin aglomeración,
del polvo más fino, cuyo tamaño de grano se sitúa en el intervalo
desde nanométrico hasta micrométrico (de 1 nm a 100 \mum). Las
posibles configuraciones de un transportador de polvo de este tipo
para el transporte controlable electrónicamente deben deducirse de
la solicitud de patente mencionada anteriormente y por tanto no se
describen más en detalle en el presente documento.
El polvo de grano fino, fluidificado, se
introduce a través de un conducto 20 en el plasmatrón 1 y allí en el
plasma secundario y/o se introduce a través de un conducto 21
directamente en el chorro 2 de plasma que sale de la abertura 3 de
boquilla. También es ventajosa una alimentación de polvo en la zona
6 del plasmatrón 1, que se estrecha hacia la abertura 3 de boquilla
(o en la propia abertura 3 de boquilla) a través de un conducto 22
indicado con línea discontinua en la figura 1. Otra posibilidad
consiste en alimentar el polvo a través de un conducto 23 indicado
igualmente con línea discontinua directamente a través del plasma
primario en la dirección de corriente del chorro de plasma hasta la
abertura 3 de boquilla.
La cantidad del gas comprimido necesario para el
transporte neumático del material en polvo asciende preferiblemente
a del 2 al 20% de la cantidad de gas de plasma. El consumo de gas de
plasma se sitúa a aproximadamente de 100 a 5000 nl/h).
El polvo aplicado por el chorro 2 de plasma
libre sobre la superficie 4 de sustrato se aplica sobre la misma con
buena adherencia, sin que la temperatura del sustrato aumente de
manera inadmisible. La temperatura del plasma medida con un termopar
del tipo NiCr/Ni, con un diámetro pico de 3 mm, a 10 mm de distancia
de la salida de boquilla asciende a menos de 900ºC en el núcleo del
chorro de plasma secundario libre a presión ambiental. El aumento de
temperatura de sustrato se sitúa durante y tras el procedimiento de
recubrimiento claramente por debajo de 100ºC, preferiblemente por
debajo de 50ºC. Sin embargo, mediante este procedimiento de plasma
atmosférico microscópico se consigue una adherencia excelente de la
capa aplicada.
Una ventaja del procedimiento según la invención
consiste en que la superficie 4 de sustrato que va a recubrirse no
requiere ninguna preparación especial.
Una limpieza de la superficie puede realizarse
mediante el propio procedimiento de plasma. Ventajosamente con este
fin se dirige inicialmente una o varias veces el chorro de plasma
sin adición de polvo hacia la superficie que va a recubrirse, antes
de que tenga lugar el verdadero recubrimiento. Este proceso sirve
sobre todo para atemperar la superficie y para someterla a micro o
nanoestructuración.
\newpage
El procedimiento según la invención es adecuado
de manera excelente por ejemplo para aplicar una capa de zinc sobre
puntos de soldadura o de soldadura fuerte de chapas o piezas
metálicas zincadas, que se usan en particular en la industria del
automóvil. Tal como se conoce, se elimina la capa de zinc de las
chapas o piezas metálicas zincadas convencionalmente al aplicar la
soldadura o soldadura fuerte, por lo que existe riesgo de corrosión
en tales puntos. Con el procedimiento según la invención puede
dirigirse un chorro de plasma con una anchura definida de manera
exacta hacia el punto que va a tratarse, por ejemplo un cordón de
soldadura y mediante un avance relativo del sustrato/boquilla de
plasma (por ejemplo 0,3 m/s) aplicarse de manera exacta una capa de
zinc con una anchura correspondiente (por ejemplo de 2 a 8 mm). Como
el material en polvo de grano fino añadido al chorro de plasma se
usa polvo de zinc que puede obtenerse comercialmente. La
alimentación de polvo se sitúa en el intervalo de desde
aproximadamente 0,5 hasta 10 g/min. Los espesores de capa que pueden
conseguirse ascienden normalmente a de 0,1 a 100 micrómetros por
recorrido. El dispositivo puede usarse directamente a continuación
del procedimiento de soldadura (procedimiento en línea).
Naturalmente pueden aplicarse también otros
materiales (metales, cerámica, termoplásticos o también sus mezclas,
etc.) sobre otras superficies de sustrato (metal, vidrio, plástico,
etc.) con el procedimiento según la invención y formarse capas
funcionales tales como por ejemplo capas de protección, de desgaste,
de aislamiento, o también capas con propiedades antibacterianas, de
autolimpieza o también catalíticas. Sin embargo, el procedimiento
también puede aprovecharse con fines médicos y servir por ejemplo
para aplicar capas biológicamente activas sobre un injerto cutáneo o
implantes óseos, con el objetivo de una integración más rápida y
mejorada del implante en el tejido humano.
El procedimiento también puede usarse para la
metalización o premetalización dirigida y dosificada o moderada de
plásticos, papel, semiconductores o aisladores, por ejemplo para la
producción de capas eléctricamente conductoras de Zn, Cu o Ag sobre
obleas de Si.
Además, el procedimiento puede usarse para la
aplicación sin descomposición de capas con buena adherencia de
plásticos, tal como poliamida, o plásticos de alto rendimiento, tal
como PEEK, sin o con adiciones de partículas inorgánicas con un
tamaño de un nanómetro a varios micrómetros sobre plásticos, madera,
papel o metales.
Si no se aplica a continuación el polvo o la
mezcla de polvos incorporados en el chorro de plasma sobre una
superficie como capa, sino que se captura a través de un dispositivo
adecuado, se producen polvos con una superficie química y/o
físicamente modificada de manera dirigida. Estos polvos pueden
servir entonces como producto previo nuevo o mejorado para otros
procedimientos (por ejemplo la modificación del comportamiento
hidrófobo del negro de carbón a un comportamiento hidrófilo).
Claims (17)
1. Procedimiento para recubrir una superficie
(4) de sustrato usando un chorro (2) de plasma, al que se le añade
un polvo de grano fino, que forma el recubrimiento, por medio de un
transportador (16) de polvo controlable en una cantidad dosificada,
caracterizado porque hacia la superficie (4) de sustrato se
dirige un chorro (8, 2) de un plasma de baja temperatura, al que se
le añade este polvo en una cantidad dosificada, situándose el
aumento de temperatura de sustrato durante y tras el procedimiento
de recubrimiento por debajo de 100ºC, preferiblemente por debajo de
50ºC.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el tamaño de grano del polvo de grano
fino o de las mezclas de polvos puede situarse en el intervalo
nanométrico entre 1 nanómetro y 100 micrómetros.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque el polvo de grano fino se suministra
desde un recipiente (15) por medio de un transportador (16) de polvo
que presenta al menos dos cámaras de dosificación que pueden
llenarse y vaciarse de manera alternante, llenándose con el polvo
las cámaras de dosificación en cada caso mediante la conexión a un
conducto de aspiración o de vacío y vaciándose mediante la conexión
a un conducto de gas comprimido y fluidificando el gas comprimido a
este respecto el polvo y transportándolo adicionalmente de manera
neumática, teniendo lugar la activación y desactivación de la
conexión de aspiración así como de la conexión de gas comprimido a
través de válvulas controladas neumática y/o hidráulicamente.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se forma el
plasma en una boquilla (1) de plasma alimentando un gas de trabajo
y/o un líquido evaporable y generando una descarga, que se produce
mediante alta tensión o un acoplamiento eléctrico y/o
electromagnético de alta frecuencia y se sopla el chorro (8) de
plasma primario a través de una abertura (3) del plasmatrón (1)
conformada como boquilla hacia la superficie (4) de sustrato,
introduciéndose el polvo de grano fino en el plasma primario y
llegando desde allí al chorro (2) de plasma secundario y/o
introduciéndose directamente en el chorro (2) de plasma secundario
que sale de la abertura (3) de boquilla.
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque el polvo de grano fino se introduce en
una zona (6) de la boquilla (1) de plasma, que se estrecha hacia la
abertura (3) de boquilla.
6. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque el polvo de grano fino se incorpora
directamente (23) en el plasma primario.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque la cantidad de
gas comprimido para el transporte (20) neumático del polvo de grano
fino asciende a del 2 al 20% de la cantidad (7) de gas de
plasma.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque se usa aire como
gas de trabajo o de plasma.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque en el plasma de
baja temperatura, tras la formación de un plasma en desequilibrio
primario generado eléctrica o electromagnéticamente en un generador
de plasma parcialmente cerrado, se acelera intensamente el chorro de
plasma primario dirigido por medio de una boquilla (3) anular en la
transición hacia el entorno y en consecuencia se forma tras la
boquilla un plasma secundario a presión ambiental.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la superficie
(4) de sustrato se limpia mediante el chorro (2) de plasma
secundario y/o se somete a microestructuración o nanoestructuración
sin alimentación de polvo.
11. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 4 a 10, caracterizado porque para generar el
plasma (8) primario se usan una corriente continua o alterna de alta
frecuencia con frecuencias de desde 10 KHz hasta 10 GHz y una
potencia eléctrica inferior a 5 kW.
12. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque el polvo de grano fino se pasa a una
suspensión acuosa y se añade al plasma con ayuda de al menos una
unidad de transporte.
13. Uso del procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 12, para aplicar una capa de zinc sobre puntos
de soldadura o de soldadura fuerte de chapas o piezas metálicas
zincadas.
14. Uso del procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 12, para aplicar una soldadura con y sin
fundente sobre elementos constructivos.
15. Uso del procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 12, para aplicar capas de cobre.
16. Uso del procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 12, para la metalización o premetalización
dosificada de plásticos, papel, semiconductores o aisladores, tal
como para la producción de capas eléctricamente conductoras de Zn,
Cu o Ag sobre obleas de Si.
17. Uso del procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 12, para la aplicación sin descomposición de
capas de plásticos, tal como poliamida, o plásticos de alto
rendimiento, tal como PEEK, sin o con adiciones de partículas
inorgánicas con un tamaño de un nanómetro a varios micrómetros sobre
plásticos, madera, papel o metales.
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