ES2361916T3 - Recubrimiento para una pieza mecánica que comprende al menos una capa externa de carbono amorfo hidrogenado y una capa de carburo de silicio hidrogenado en contacto con la pieza, y procedimiento de deposición de dicho recubrimiento. - Google Patents
Recubrimiento para una pieza mecánica que comprende al menos una capa externa de carbono amorfo hidrogenado y una capa de carburo de silicio hidrogenado en contacto con la pieza, y procedimiento de deposición de dicho recubrimiento. Download PDFInfo
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Abstract
Recubrimiento para una pieza mecánica que consta de al menos una capa externa (5) de carbono amorfo hidrogenado, caracterizado porque el recubrimiento (1) está constituido por una primera capa (3) de carburo de silicio amorfo hidrogenado destinada a estar en contacto con la pieza mecánica (2), un apilamiento (4) constituido por una alternancia de capas (4a, 4b) respectivamente de carbono amorfo hidrogenado y carburo de silicio amorfo hidrogenado que están dispuestas entre la primera capa (3) y la capa externa (5).
Description
Recubrimiento para una pieza mecánica que
comprende al menos una capa externa de carbono amorfo hidrogenado y
una capa de carburo de silicio hidrogenado en contacto con la pieza,
y procedimiento de deposición de dicho recubrimiento.
La invención se refiere a un recubrimiento para
una pieza mecánica que comprende al menos una capa externa de
carbono amorfo hidrogenado.
Para mejorar la resistencia al desgaste y a las
fricciones de las piezas mecánicas, se pueden recubrir con una
película de carbono amorfo hidrogenado, llamado también DLC (carbono
de tipo diamante). En efecto, el carbono amorfo hidrogenado presenta
una gran dureza, un módulo de Young elevado y los coeficientes de
fricción y de desgaste son extremadamente bajos. Además, la película
de carbono amorfo hidrogenado es muy poco rugosa y muy poco porosa y
tiene una energía superficial baja.
Sin embargo, la película de carbono amorfo
hidrogenado presenta tensiones intrínsecas muy elevadas, del orden
de varios GPa. Estas tensiones elevadas que pueden deteriorar la
adherencia de la película sobre una pieza mecánica, en concreto de
acero, no permiten realizar deposiciones de más de 5 micrómetros de
espesor. Además, el carbono amorfo hidrogenado tiene una estabilidad
térmica relativamente pequeña, lo que impide usar un recubrimiento
de DLC para temperaturas superiores a 250ºC. El coeficiente de
fricción del DLC aumenta también en función de la tasa de humedad de
la atmósfera. A modo de ejemplo, el coeficiente de fricción de una
película de carbono amorfo hidrogenado depositada sobre acero
aumenta gradualmente de 0,05 en una atmósfera seca hasta 0,3 en una
atmósfera con humedad al 100%.
Algunos han intentado mejorar las propiedades
del DLC mediante dopaje con elementos metálicos o no metálicos. Así
pues, la adición de 10 a 20% en átomos de silicio en el carbono
amorfo hidrogenado permite disminuir las tensiones internas hasta un
valor cercano a 1 GPa, sin aumentar a la vez significativamente el
coeficiente de fricción. Además, la adición de silicio aumenta la
estabilidad térmica de la película de DLC disminuyendo la
dependencia del coeficiente de fricción con respecto a la tasa de
humedad.
La solicitud de patente
WO-A-00/47290 propone añadir átomos
de silicio en una capa de DLC de forma que se modifique el color del
recubrimiento, diluyendo la concentración de carbono. Así, un
recubrimiento decorativo compuesto por sustrato metálico, de un
espesor total comprendido entre 1 y 25 \mum, consta de al menos
una primera capa de un espesor de 0,1 a 15 \mum de carbono amorfo
hidrogenado dopado con silicio en una proporción de 2 a 40% en
átomos. El recubrimiento también puede constar de una capa adicional
que comprende capas de carbono amorfo hidrogenado dopadas con
silicio y de carbono amorfo hidrogenado, de un espesor superior o
igual a 0,5 \mum. La capa de carbono amorfo hidrogenado dopado con
silicio tiene, no obstante, una estructura se cercana a la del
carbono amorfo hidrogenado, provocando la presencia de átomos de
silicio en el DLC la formación de enlaces Si-H
destinados a limitar la formación de enlaces C-C de
tipo sp^{2} en relación a los enlaces C-C de tipo
sp^{3}.
Además, la adición de un dopante metálico como
el tántalo, tungsteno, titanio, niobio o circonio, permite disminuir
las tensiones intrínsecas y la dependencia del coeficiente de
fricción con respecto a la tasa de humedad. La adición de silicio,
boro, flúor, oxígeno o nitrógeno, permite también influir en la
energía superficial.
También se pueden paliar los defectos del
carbono amorfo hidrogenado no dopado, realizando una deposición de
un material compuesto constituido por carbono amorfo hidrogenado y
óxido de silicio amorfo. El material compuesto tiene tensiones
intrínsecas reducidas con respecto al carbono amorfo hidrogenado
solo, lo que permite obtener una mejor adherencia de la película
sobre numerosos materiales que constituyen la pieza a proteger.
Además, mejora la estabilidad térmica y se reduce el coeficiente de
fricción. Sin embargo, la dureza del material compuesto es inferior
a la del carbono amorfo hidrogenado solo.
Sin embargo, este tipo de recubrimiento no es
fácil de poner en práctica, en concreto para piezas mecánicas que
tienen una forma compleja. Al ser las tensiones intrínsecas del
carbono amorfo hidrogenado elevadas, no son realizables los
recubrimientos de un espesor superior a 5 \mum, lo que puede
limitar los rendimientos de los recubrimientos. Además, la
realización de un depósito de carbono amorfo hidrogenado, dopado o
no dopado, o de un depósito constituido por un material compuesto
que consta de carbono amorfo hidrogenado, no se puede realizar a
temperatura baja, La aplicación de dicho depósito puede ser además
larga y costosa, y para obtener propiedades de antidesgaste,
antifricción y de estabilidad térmica, puede ser poco satisfactoria
en algunos tipos de aplicaciones.
La invención tiene por objetivo realizar un
recubrimiento apto para adherirse perfectamente sobre una pieza
mecánica que puede tener cualquier tipo de forma, capaz de ser
térmicamente estable a temperaturas elevadas, preferiblemente
superiores a 250ºC, y que tiene, en particular, propiedades
antidesgaste y antifricción elevadas.
De acuerdo con la invención, este objetivo se
alcanza por el hecho de que el recubrimiento está constituido por
una primera capa de carburo de silicio amorfo hidrogenado destinado
a estar en contacto con la pieza mecánica, un apilamiento
constituido por capas alternas respectivamente de carbono amorfo
hidrogenado y carburo de silicio amorfo hidrogenado que están
dispuestas entre la primera capa y la capa externa.
Según un desarrollo de a invención, el espesor
total del recubrimiento está comprendido entre 10 y 20 \mum.
Según un modo de realización preferido, el
espesor de la primera capa está comprendido entre 150 y 300 nm.
Según otra característica de la invención, el
espesor de la capa externa está comprendido entre 0,5 y 2
\mum.
La invención tiene también como objetivo un
procedimiento de deposición de un recubrimiento para una pieza
mecánica, fácil de aplicar, poco costoso y que se puede realizar a
temperatura baja.
Según la invención, este objetivo se logra por
el hecho de que el procedimiento consiste en depositar,
sucesivamente, en un mismo recinto de deposición química en fase de
vapor activada por plasma:
- una primera capa de carburo de silicio amorfo
hidrogenado,
- una alternancia de capas respectivamente de
carbono amorfo hidrogenado y de carburo de silicio amorfo
hidrogenado,
- y una capa externa de carbono amorfo
hidrogenado.
\vskip1.000000\baselineskip
Otras ventajas y características aparecerán más
claramente en la siguiente descripción de los modos particulares de
realización de la invención dados a modo de ejemplos no limitantes y
que se representan en la única figura adjunta.
La figura única es una representación
esquemática, en corte, de un recubrimiento para una pieza mecánica
de acuerdo con la invención.
\vskip1.000000\baselineskip
Como se representa en la figura única, se
deposita un recubrimiento 1, que tiene preferiblemente un espesor
total comprendido entre 10 y 20 \mum, sobre una pieza mecánica 2
de forma que se proteja la superficie de la pieza 2 frente al
desgaste y frente a la fricción. El recubrimiento 1 consta de una
primera capa 3 de carburo de silicio amorfo hidrogenado, un
apilamiento de capas 4 y una capa externa 5 de carbono amorfo
hidrogenado (DLC). La primera capa 3 está dispuesta sobre la
superficie de la pieza mecánica 2, y preferiblemente, tiene un
espesor comprendido entre 150 y 300 nm, mientras que la capa externa
5 de carbono amorfo hidrogenado tiene un espesor comprendido entre
0,5 y 2 \mum. Por carburo de silicio amorfo hidrogenado, que se
indica también SiC :H o
a-Si_{1-x}C_{x} :H, siendo x
preferiblemente del orden de 0,5, se entiende un compuesto amorfo de
carburo de silicio en el que se ha incorporado una proporción de
hidrógeno más pequeña que las proporciones de silicio y de carbono.
Dicho compuesto no consta de enlaces de tipo C-C
sino únicamente de enlaces de tipo Si-C,
Si-H y C-H.
El apilamiento 4 está constituido por una
alternancia de dos capas 4a y 4b, respectivamente de carbono amorfo
hidrogenado (DLC) y de carburo de silicio amorfo hidrogenado (SiC :H
o a-Si_{1-x}C_{x}). En el
apilamiento 4, cada capa 4a de carbono amorfo hidrogenado tiene
preferiblemente un espesor comprendido entre 10 y 150 nm, mientras
que cada capa 4b de carburo de silicio amorfo hidrogenado tiene
preferiblemente un espesor comprendido entre 5 y 50 nm. El
apilamiento consta, por lo tanto, de un gran número de capas que
está comprendido preferiblemente entre 400 y 1000.
Dicho recubrimiento, gracias a su espesor y su
estructura, permite obtener rendimientos mecánicos muy elevados y en
particular resistencias al desgaste y a la fricción muy importantes
con respecto a un recubrimiento que consta de una sola capa de
carbono amorfo hidrogenado. Además, el carbono de silicio amorfo
hidrogenado es conocido como aislante térmico. Así, las capas 4b y 2
de carburo de silicio amorfo hidrogenado, permiten proteger
térmicamente las capas adyacentes 4a y 5 de carbono amorfo
hidrogenado, que son térmicamente poco estables para temperaturas
superiores a 250ºC.
Por lo tanto, dicho recubrimiento se puede
depositar sobre una pieza mecánica destinada a estar sometida a
temperaturas superiores a 250ºC, como los pistones de motor por
ejemplo, y en particular los utilizados en Fórmula 1. El carburo de
silicio amorfo también permite mejorar la adherencia del
recubrimiento sobre la pieza mecánica y las capas que constituyen el
recubrimiento son particularmente densas, homogéneas y adherentes
entre ellas.
Dicho recubrimiento también presenta la ventaja
de que se aplica fácil y rápidamente. Así, para realizar la
deposición de dicho recubrimiento sobre una pieza mecánica, las
capas se depositan, preferiblemente, sucesivamente por un mismo
procedimiento de deposición química en fase de vapor activada por
plasma ("Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition" o
"PECVD"), en un mismo recinto y preferiblemente a baja
frecuencia. Esto permite, en particular, realizar deposiciones sobre
las piezas mecánicas que tienen dimensiones importantes y/o
geometría compleja.
Así, en un modo particular de realización, la
pieza mecánica cuya superficie se va a proteger, previamente se
limpia y se dispone en un recinto de deposición química en fase de
vapor activada por plasma. La superficie de la pieza mecánica se
somete a continuación a un decapado iónico, que consiste en ionizar
un gas inerte, tal como argón, para formar iones positivos
destinados a bombardear la superficie de la pieza para decaparla. La
primera capa de carburo de silicio amorfo hidrogenado se deposita a
vacío mediante una deposición PECVD, así como las capas que forman
el apilamiento y la capa externa de carbono amorfo hidrogenado. Así,
el vacío límite que se alcanza antes de la deposición de la primera
capa es del orden de 10^{-3} mbar y la presión en el recinto
durante la deposición de las capas está comprendida entre 0,05 mbar
y 0,5 mbar. La deposición PECVD sucesiva de las diferentes capas
preferiblemente está dirigida y controlada por cualquier tipo de
medio informático conocido, de modo que el espesor de cada capa
pueda ser controlado.
Las capas de carburo de silicio amorfo
hidrogenado se realizan preferiblemente por deposición PECVD, usando
como precursor tetrametilsilano (Si(CH_{3})_{4})
diluido en hidrógeno o una mezcla gaseosa que comprende silano y
metano (SiH_{4} y CH_{3}). El uso de dichos precursores permite,
en efecto, obtener un compuesto estequiométrico de carburo de
silicio amorfo hidrogenado
(a-Si_{1-x}C_{x} :H von x =
0,5). Como se indica en el artículo de J.Huran ("Properties of
amorphous silicon carbide films prepared by PECVD",
Vacuum, Vol 47, nº10, páginas 1223 a 1225/1996), dicho
compuesto solo tiene enlaces Si-C,
C-H y Si-H, que ya estaban presentes
en el precursor, y por lo tanto ningún enlace C-C.
Por lo tanto el carburo de silicio amorfo hidrogenado no debe
confundirse estructural mente con un carbono amorfo hidrogenado
dopado con silicio, que consta, en particular, de enlaces
C-C de tipo sp^{2} y sp^{3}.
El hecho de realizar sucesivamente la deposición
de las diferentes capas del recubrimiento en un mismo recinto de
PECVD, permite realizar el recubrimiento por un mismo procedimiento
de deposición a baja temperatura. Esto permite controlar la calidad
de las interfases entre dos capas adyacentes y realizar las
deposiciones de las capas con un espesor muy pequeño. Además, esto
permite realizar una alternancia perfecta de las capas de carbono
amorfo hidrogenado y de carburo de silicio amorfo hidrogenado.
A modo de ejemplo, el primer y segundo
recubrimientos A y B se han realizado por dicho procedimiento de
deposición.
Así, un primer recubrimiento A consta de una
primera capa 3 de SiC :H de un espesor de 225 nm, un apilamiento 4
que consta de una alternancia de 240 capas de DLC y 240 capas de SiC
:H y una capa externa 5 de DLC de un espesor de 1 \mum. En el
apilamiento 4 cada una de las capas de DLC del apilamiento tiene un
espesor de 150 nm, mientras que cada una de las capas de SiC : H
tiene un espesor de 50 nm.
Un segundo recubrimiento B consta de una primera
capa 3 de SiC : H de un espesor de 195 nm, el apilamiento 4 consta
de una alternancia de 490 capas de DLC y de 490 capas de SiC : H y
la capa externa 5 de DLC tiene un espesor de 1 \mum. En el
apilamiento 4, cada una de las capas de DLC del apilamiento tiene un
espesor de 15 nm, mientras que cada una de las capas de SiC : H
tiene un espesor de 5 nm.
Los resultados de los ensayos mecánicos
realizados en el primer y segundo recubrimientos A y B, así como en
un recubrimiento C_{ref} que consta de una sola copa de carbono
amorfo hidrogenado de 2 \mum de espesor, se resumen en la
siguiente tabla:
El volumen de desgaste V_{d} se mide por
perfilometría.
Se observa que la microdureza de los
recubrimientos A y B es ligeramente menor que la del recubrimiento
C_{ref} de DLC, pero los recubrimientos A y B presentan un buen
compromiso entre una buena microdureza y un coeficiente de fricción
pequeño en atmósfera seca y atmósfera húmeda, al contrario que el
recubrimiento C_{ref} que presenta un coeficiente de fricción que
varía mucho en función de la tasa de humedad.
\vskip1.000000\baselineskip
Hasta ahora, la aplicación industrial del
carbono amorfo hidrogenado como recubrimiento estaba limitada por el
compromiso demasiado grande entre el coeficiente de fricción y la
microdureza. Por lo tanto, el recubrimiento de acuerdo con la
invención permite paliar este inconveniente garantizando a la vez un
coeficiente de fricción pequeño y una buena microdureza. Además, el
comportamiento de los recubrimientos A y B en atmósfera húmeda es
mejor que el del recubrimiento C_{ref}.
Dicho recubrimiento constituido por un
apilamiento sucesivo de capas respectivamente de carburo de silicio
amorfo hidrogenado y carbono amorfo hidrogenado es comparable a una
superposición de hojas de espesor muy pequeño de carburo de silicio
amorfo hidrogenado y carbono amorfo hidrogenado, y permite obtener
una adherencia muy buena sobre una pieza mecánica, características
antidesgaste y antifricción mejoradas y una buena estabilidad
térmica a temperaturas elevadas.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el autor
de la solicitud es sólo para la conveniencia del lector. No forma
parte del documento de patente europea. Aunque se ha tenido mucho
cuidado al recopilar las referencias, no se pueden excluir errores u
omisiones y la EPO rechaza cualquier responsabilidad en este
aspecto.
\bullet WO 0047290 A
\bullet J.Huran. Properties of
amorphous silicon carbide films prepared by PECVD. Vacuum,
1996, vol. 47 (10), 1223-1225.
Claims (10)
1. Recubrimiento para una pieza mecánica que
consta de al menos una capa externa (5) de carbono amorfo
hidrogenado, caracterizado porque el recubrimiento (1) está
constituido por una primera capa (3) de carburo de silicio amorfo
hidrogenado destinada a estar en contacto con la pieza mecánica (2),
un apilamiento (4) constituido por una alternancia de capas (4a, 4b)
respectivamente de carbono amorfo hidrogenado y carburo de silicio
amorfo hidrogenado que están dispuestas entre la primera capa (3) y
la capa externa (5).
2. Recubrimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque el espesor total del
recubrimiento (1) está comprendido entre 10 y 20 \mum.
3. Recubrimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque el espesor de la
primera capa (3) está comprendido entre 150 y 300 nm.
4. Recubrimiento de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el
espesor de la capa externa (5) está comprendido entre 0,5 y 2
\mum.
5. Recubrimiento de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el
espesor de cada una de las capas (4b) de carburo de silicio amorfo
hidrogenado del apilamiento (4) está comprendido entre 5 y 50
nm.
6. Recubrimiento de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el
espesor de cada una de las capas (4a) de carbono amorfo hidrogenado
del apilamiento (4) está comprendido entre 10 y 150 nm.
7. Recubrimiento de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el número
de capas (4a, 4b) en el apilamiento (4) está comprendido entre 400 y
1000.
8. Procedimiento de deposición de un
recubrimiento para una pieza mecánica (2) de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado
porque consiste en depositar, sucesivamente, en un mismo recinto de
deposición química en fase de vapor activada por plasma:
- una primera capa (3) de carburo de silicio
amorfo hidrogenado,
- una alternancia de capas (4a, 4b)
respectivamente de carbono amorfo hidrogenado y de carburo de
silicio amorfo hidrogenado,
- y una capa externa (5) de carbono amorfo
hidrogenado.
9. Procedimiento de deposición de acuerdo con la
reivindicación 8, caracterizado porque la presión dentro del
recinto, durante la deposición de las capas, está comprendida entre
0,05 mbar y 0,5 mbar.
10. Procedimiento de deposición de acuerdo con
una de las reivindicaciones 8 y 9, caracterizado porque la
pieza mecánica (2) previamente se limpia y se somete a un decapado
iónico.
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