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1. INTRODUCCIÓN

La ingeniería de superficies consiste en la modifica-ción de la microestructura y/o la composición de lasuperficie de un componente, mediante métodos fí-sicos o químicos que pueden implicar el aporte deotro material para cambiar las propiedades superficia-les del mencionado componente. En cierta forma, laingeniería de superficies imita a la naturaleza que con-fiere a los seres vivos una piel para protegerlos de las

agresiones del medio. Los objetivos de la ingenieríade superficies pueden resumirse como sigue:

— Incrementar la vida de un componente. La vi-da de un componente se puede alargar aumen-tando su resistencia frente a factores externosinherentes a su aplicación. Estos factores son,entre otros: a) el desgaste de material debidoa la abrasión resultante de la fricción entre dossuperficies en movimiento relativo o a la ero-sión por el impacto con partículas; b) el ata-

REVISTA DE METALURGIA, 43 (1)ENERO-FEBRERO, 63-75, 2007

ISSN: 0034-8570

* Trabajo recibido el día 29 de junio de 2006 y aceptado en su forma final el día 26 de octubre de 2006.** Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial, Área de Materiales Metálicos; Ctra. Ajalvir Km. 4, Torrejón de Ardoz, Madrid, España.

Ingeniería de superficies y su impacto medioambiental*

A. Agüero**

Resumen La ingeniería de superficies consiste en la modificación de la microestructura y/o la compo-sición superficial de un componente mediante métodos mecánicos, físicos o químicos, quepueden implicar el aporte de otro material para cambiar las propiedades superficiales del men-cionado componente. Una de sus consecuencias más importantes es que permite alargarsignificativamente, la vida útil de todo tipo de componentes empleados en un gran núme-ro de aplicaciones industriales. Por otra parte, contribuye al ahorro energético por permitirel aumento de las temperaturas de combustión consiguiendo una mayor eficiencia, por con-tribuir a la reducción de peso y por colaborar de forma significativa a disminuir la fricciónentre componentes. En el presente trabajo se introduce la ingeniería de superficies, sus di-ferentes modalidades, algunos ejemplos de sus aplicaciones industriales y las interaccio-nes, positivas y negativas, con el medio ambiente.

Palabras clave Modificación superficial. Impacto medioambiental. Recubrimientos. Aplicaciones industriales.

Surface engineering and environmental issues

Abstract Surface engineering addresses the modification of the microstructure and/or compositionof the surface of components by mechanical, physical or chemical methods that may implyadding a material in order to change the surface properties of said component. One of its mostimportant consequences is the significant increase of the useful life of a variety of compo-nents in a large number of industrial applications. Moreover, it contributes to energy sa-vings by increasing efficiencies as it allows higher combustion temperatures, by allowingthe use of lighter components and by significant friction reduction. In this paper, surfaceengineering is introduced, as well as its different modalities, examples of industrial applica-tions and positive and negative environmental impacts.

Keywords Surface modification. Environmental impact. Coatings. Industrial applications.

REVISIÓN

A. AGÜERO

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que químico que puede ocurrir a cualquier tem-peratura y puede provenir de medios gaseo-sos y líquidos (acuoso o fundido); y c) las altastemperaturas, ya que ciertos recubrimientos secomportan como aislantes térmicos, protegien-do a componentes que de no ser así no podrí-an soportar las altas temperaturas requeridaspor la aplicación correspondiente.

— Cambiar el aspecto de un componente (cos-mética). Un gran número de recubrimientostiene colores atractivos y suelen emplearse so-bre vidrios arquitectónicos y en joyería para re-emplazar a los metales preciosos como el oro.

— Modificar las propiedades ópticas de un compo-nente. Ciertos recubrimientos pueden ser em-pleados como filtros contra radiación indesea-da, como por ejemplo para gafas, cabinas depilotos en aeronaves, etc. Por otra parte, hayciertos materiales (en capa) que por sus emi-sividades y reflectividades pueden emplearsepara control térmico, por ejemplo, en satélites.

— Actuar como barrera frente al paso de especiesindeseadas. En el empaquetado de alimentosse emplean capas de ciertos materiales paraimpedir el paso del oxígeno y la humedad queconducirían a una degradación más rápida deestos últimos. Otra función es la de actuar co-mo barreras de difusión impidiendo o retar-dando el paso de especies entre un recubri-miento y el substrato.

— Estimular procesos deseados. Dos ejemplos tí-picos de esta aplicación son, por una parte, losrecubrimientos de hidroxiapatita (carbonato decalcio) sobre implantes óseos para acelerar laregeneración del tejido óseo en implantes den-tales, de cadera, rodilla, etc., y, por otra parte,los recubrimientos de TiO2 sobre techados co-mo catalizadores para la descomposición decompuestos orgánicos contaminantes presen-tes en la atmósfera mediante radiación ultra-violeta.

En los próximos párrafos se procederá a describirbrevemente la ingeniería de superficies y las diferen-tes tecnologías empleadas para modificar superficiesasí como algunos ejemplos de aplicaciones industria-les y, por último, se describirá el impacto medioam-biental de la ingeniería de superficies.

2. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES

2.1. Tipos de tratamientos superficiales

Las modificaciones superficiales que conlleva la inge-niería de superficies pueden clasificarse como sigue(Fig. 1):

— Transformación estructural sin aporte de mate-rial. Mediante tratamientos mecánicos o térmi-cos, se modifica la microestructura y/o la mor-fología de la superficie del material. Por ejem-plo, mediante granallado con partículas

Figura 1. Técnicas de modificación superficial empleadas en la ingeniería de superficies: a) Transformación estructural sin apor-te de material; b) Interdifusión entre un material aportado y el substrato; c) Tratamientos por conversión química; y d) Aporte deuna capa de otro(s) material(es).

Figure 1. Surface modification technique employed in surface engineering: a) Structural transformation without adding material;b) Interdiffusion between the substrate and the added material; c) chemical conversion treatments; and d) deposition of a layeror layers of other material(s).

INGENIERÍA DE SUPERFICIES Y SU IMPACTO MEDIOAMBIENTAL

SURFACE ENGINEERING AND ENVIRONMENTAL ISSUES

REV. METAL. MADRID, 43 (1), ENERO-FEBRERO, 63-75, 2007, ISSN: 0034-8570 65

esféricas de metal o de vidrio se puede aumen-tar la dureza de un material y en consecuen-cia su resistencia al desgaste[1]. Dentro de lostratamientos térmicos se encuentran el sople-te, el bombardeo con haz de electrones, la in-ducción electromagnética[2] y la irradiación conláser[3 y 4]. Dependiendo del substrato tratado,estos tratamientos pueden aumentar la resis-tencia a la corrosión atmosférica además de laresistencia al desgaste.

— Interdifusión con otro(s) elemento(s). Poniendoen contacto precursores sólidos, líquidos o gase-osos con la pieza a recubrir se puede lograr la in-terdifusión de uno o varios elementos con elmaterial del substrato mediante calentamiento.De esta forma, se puede carburizar, nitrurar, car-bonitrurar o boronizar[5] para endurecer, porejemplo, aceros. Por otra parte, también se pue-de aluminizar, siliconizar o cromizar[6] para au-mentar la resistencia a la corrosión a alta tem-peratura. El espesor de los tratamientos por di-fusión puede alcanzar de 20 a 1.500 µm. Laimplantación iónica podría considerarse comoun caso particular de los tratamientos por difu-sión[7]. Consiste en el bombardeo a energías muyaltas con iones del elemento que se quiere apor-tar y que “penetran” al substrato. Alcanza espe-sores muy pequeños (< 1 µm) en concentracio-nes, también, muy pequeñas. Prácticamente, to-dos los elementos pueden ser implantados. Laimplantación iónica puede aumentar la resisten-cia al desgaste y a la corrosión.

— Tratamientos por conversión química. Medianteestos tratamientos se consigue la oxidación delmaterial del substrato, con o sin aporte de otroselementos[8]. Por ejemplo, el anodizado consis-te en oxidar la superficie de las aleaciones dealuminio o titanio mediante un proceso elec-troquímico para pasivarlas[9]. El cromatado y elfosfatado resultan en la formación de óxidosprotectores que también se emplean como im-primación para después aplicar pinturas pro-tectivas.

— Aporte de una capa de otro(s) material(es).Mediante una serie de procesos físicos o quí-micos, es posible aportar todo tipo de materia-les sobre un substrato. Son muchas las técni-cas posibles y pueden realizarse en medioacuoso, orgánico, de metales fundidos y gase-oso. La tabla I ilustra las principales técnicasde deposición.

La electrodeposición[10] consiste en un procesoelectroquímico en el cual se hace pasar corriente en-tre dos eléctrodos a través de un electrolito que con-tiene cationes del metal o metales a depositar y la pie-za a recubrir se comporta como cátodo. Un ejemplomuy utilizado es la deposición de cromo duro, em-pleado en numerosas aplicaciones en la industrial me-tal-mecánica, energética y aeronáutica como recubri-miento antidesgaste.

La deposición por electroless[11] es también un pro-ceso electroquímico pero que no requiere electrodosya que la superficie de las piezas a recubrir se activapara que catalice la deposición de un metal median-te una reacción electroquímica. Se usa principalmen-

Tabla I. Principales Procesos de Deposición de Recubrimientos

Table I. Principal Coating Deposition Processes

Vía Proceso Material depositado

Acuosa Electro-deposición Ni, Cu, Cr, Cd, Zn, Ag, Pt, AleacionesElectroless Ni (Ni-P, Ni-B)

Inmersión en metal fundido Galvanizado Zn, Zn-AlHot Dip Sn, Al, Sn, Pb, Pb-Sn

Gaseosa PVD, CVD Óxidos, nitruros, carburos, metales

Sólida Proyección Térmica (llama, arco, plasma, Metalesalta velocidad y detonación) CerámicosLáser RefractariosSoldadura Polímeros

Materiales compuestos

Suspensiones RociadoInmersiónElectroforesisBrocha

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te para depositar Ni-P o Ni-B como recubrimiento an-tidesgate.

La inmersion en metal fundido o hot dip[12 y 13] con-siste, como su nombre lo indica, en la inmersión de lapieza a recubrir en el metal o aleación fundida. Seemplea para depositar zinc (galvanizado) o ZnAl, Al,AlSi, etc. Estos recubrimientos se emplean principal-mente para la protección contra la corrosión medioam-biental.

PVD y CVD son términos ingleses que vienen dePhysical y Chemical Vapour Deposition, respectiva-mente, y que se refieren a la deposición en fase gase-osa mediante procesos físicos o químicos, esencial-mente. La técnica PVD [14] implica la evaporación, poralgún medio físico, del material a recubrir en atmósfe-ra reducida inerte para depositar el mismo material,o reactiva (por ejemplo N2, O2, etc.) para depositarun compuesto del material evaporado (nitruro, óxi-do, etc.). Un ejemplo típico es la producción de TiNpara reducir el desgaste de las herramientas de cortey conformado. La técnica CVD, por su parte, consistebien en la descomposición térmica de una especie ga-seosa o bien en la reacción de dos especies, en amboscasos, sobre la superficie de la pieza a recubrir, resul-tando en un depósito sólido y en compuestos voláti-les[15]. La deposición de aluminio por CVD (AlCl3 +H2) sobre componentes de turbinas aeronáuticas y degeneración eléctrica se emplea como protección con-tra la oxidación y la corrosión a alta temperatura.

Mediante la proyección térmica se impulsan partí-culas micrométricas del recubrimiento mediante ungas portador y se llevan a la temperatura necesariapara que fundan[16]. Al chocar contra la superficie dela pieza, dichas partículas se aplastan y aglomeran for-mando un recubrimiento. Existen varios tipos entrelos que se incluye la proyección térmica por llama,arco eléctrico, plasma, alta velocidad oxicombustibley detonación. Esta es una técnica muy versátil ya quese puede depositar cualquier tipo de material sobre,prácticamente, cualquier tipo de substrato. Tiene unagran variedad de aplicaciones en todo tipo de indus-trias como pueden ser la aeronáutica, textil, automo-vilística, metal-mecánica, etc.

La deposición de recubrimientos mediante láser esrelativamente nueva y objeto de cada vez más acepta-ción por parte de la industria. El láser se emplea parafundir un material aportado en forma de polvo, barrao alambre sobre la superficie del componente que sedesea recubrir[17 y 18]. Se obtienen recubrimientos demuy buena calidad y adherencia con el substrato decualquier material.

También se puede aportar una capa de recubri-miento mediante soldadura por chispa, empleandoun electrodo del material que se aplica como recubri-miento. La principal aplicación de esta técnica es elaumento de la resistencia al desgaste aplicando ma-

teriales muy duros, por ejemplo, la estellita (aleacióna base de cobalto)[19].

La aplicación de pinturas es una de las técnicas dedeposición de recubrimientos más antiguas. No sólotienen una función estética sino también protectiva(frente a la corrosión), militar (camuflaje), anti-incrus-tante en la industria náutica (frente a la fijación decrustáceos y algas en los cascos de barcos), etc. Laspinturas son suspensiones de pigmentos orgánicos oinorgánicos en aglutinantes y solventes que se apli-can mediante rociado, brocha, electro-pintado, etc.[20].Un caso particular de las pinturas son aquellas en lasque el pigmento está constituido por partículas me-tálicas y que se conocen como slurries[21]. Se empleanen la industria aeronáutica y química para proteccióncontra la oxidación y corrosión medioambiental y aalta temperatura.

2.2. Criterios de selección detratamientos superficiales

En la actualidad, el principal criterio que se toma encuanta a la hora de decidir si se va a aplicar o no untratamiento superficial es el económico, es decir, si elreemplazar un componente tiene un coste más ele-vado que el de aplicar el tratamiento que se requiera.

Los factores a evaluar son:— el coste añadido— el incremento de la vida útil del componente— la disminución de la frecuencia del tiempo de

parada (cuando hay que cambiar componen-tes)

— el incremento en la calidad del producto final.Por otra parte, para estimar el coste del proceso

hay que tener en cuenta:— que el proceso de deposición o tratamiento de-

be de permitir recubrir todo el componente (ta-maño y geometría)

— que en ocasiones será necesario rediseñar ocambiar las especificaciones del componentepara poder aplicar un recubrimiento, lo cualimplica un coste añadido

— y que el tratamiento o proceso no debe com-prometer las propiedades del substrato.

Si el tratamiento elegido implica aporte de materialo recubrimiento (tipo b, c o d, descritos en el apartadoanterior), al seleccionarlo y diseñarlo para una aplica-ción específica, hay que tener en cuenta las caracterís-ticas y propiedades de cada una de los cuatro “elemen-tos” que constituyen un sistema substrato-recubrimien-to (Fig. 2) y que deben ponderarse de acuerdo con laaplicación específica. Algunas de estas propiedadestambién se emplean como parámetros de control decalidad. La denominación “ingeniería de superficies”resulta de la complejidad de estos sistemas.




3. APLICACIONES INDUSTRIALES

Las aplicaciones industriales de la ingeniería de su-perficies son muchas y muy diversas. En este párrafose describen, brevemente, algunas de las más repre-sentativas.

3.1. Recubrimientos contra la oxidacióny la corrosión en turbinasaeronáuticas y de generacióneléctrica[22]

Las turbinas de gas para generación eléctrica o pro-pulsión aeronáutica constan esencialmente de un com-presor en el que el aire es llevado a altas presiones yuna zona de alta temperatura en la que ocurre unacombustión que al provocar expansión provoca mo-vimiento. En las primeras, que son de gran tamaño(Fig. 3), se emplea dicho movimiento para la genera-ción de energía eléctrica mientras que en las segundas,de menor tamaño, se emplean para propulsión.

Los componentes de las zonas que operan a eleva-das temperaturas están hechos de superaleaciones, queson materiales, generalmente, a base de cobalto o ní-quel, desarrollados para soportarlas en condiciones enque las tensiones mecánicas son relativamente altas y enlas que se requiere una alta estabilidad superficial. Sinembargo, durante la década de 1950, se hizo evidenteque las composiciones que aumentaban la resistenciamecánica de estos materiales y aquellas que ofrecíanuna óptima protección contra el medio ambiente, noeran compatibles. Esto condujo a la idea de emplearrecubrimientos protectores sobre materiales con alta

resistencia mecánica y pobre estabilidad superficial. Sinrecubrimientos, las superaleaciones de cobalto o ní-quel actualmente empleadas sufren oxidación o corro-sión por sales fundidas. La figura 4 muestra los efectosde la oxidación sobre un álabe de turbina mostrandouna importante y catastrófica pérdida de material pordesprendimiento de óxidos no protectores.

Un sistema protectivo de recubrimientos para ála-bes consta de dos capas: una metálica, intermedia cu-ya función es ofrecer protección contra la oxidación yla corrosión y que además sirve de anclaje para la se-gunda, constituida por un material cerámico, poroso yaislante térmico (Fig. 5). La finalidad de esta segundacapa, denominada barrera térmica, es la de manteneruna menor temperatura sobre la superficie del álabeinternamente refrigerado. De esta forma, se puedeelevar la temperatura de trabajo para obtener mayoreseficiencias energéticas sin comprometer la resistenciamecánica de los álabes.

3.2. Implantes óseos[23 y 24]

Los implantes dentales y de articulaciones (Fig. 6) es-tán hechos de materiales metálicos tales como alea-ciones a base de titanio sobre las que se deposita unrecubrimiento anti-desgaste, como TiN, mediante CVDo PVD. Sobre este recubrimiento, a su vez, se deposi-ta mediante proyección térmica por plasma, una capade hidroxiapatita, un carbonato de calcio de estruc-tura similar a la ósea, que estimula el crecimiento óseopara una mejor y más rápida fijación del correspon-diente implante, es biocompatible y posee gran esta-bilidad a largo plazo.

Figura 2. Algunas propiedades estudiadas en la ingeniería de superficies.

Figure 2. Some properties studied in surface engineering.

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Figura 3. Turbina de gas para generación eléctrica.

Figure 3. Power generation gas turbina.

Figura 4. Álabe de turbina de generación eléctrica sometido a oxidación a alta temperatura.

Figure 4. Power generation turbine blade subjected to high temperature oxidation.




Figura 5. Sistema protectivo de álabes de turbina refrigerados.

Figure 5. Protective system for refrigerated turbine blades.

Figura 6. Implantes óseos para, a) prótesis dental y b) para cadera.

Figure 6. Bone implants for a) dental prosthesis and b) hips.

A. AGÜERO


3.3. Automóviles[25]

La industria del automóvil realiza esfuerzos constante-mente para mejorar las prestaciones y, al mismo tiem-po, conseguir mayores eficiencias y menores costes. Lareducción de peso y de fricción son dos de los prin-cipales métodos para aumentar la eficiencia. Para ello,el uso de recubrimientos es primordial, por una par-te, porque permite utilizar componentes de aleacio-nes de aluminio y magnesio mucho menos pesadospero que no poseen las propiedades superficiales ne-cesarias y, por la otra, porque permiten la reducciónde la fricción. El caso típico es la camisa de los cilin-dros, hecha de una aleación de aluminio que, comopuede verse en la figura 7, se recubre mediante pro-yección térmica con un recubrimiento anti-desgaste.

3.4. Perfiles estructurales[26]

En todo tipo de construcciones, como naves indus-triales, estadios deportivos, aparcamientos, inverna-deros, torres eléctricas, etc., se emplea acero para la fa-bricación de perfiles estructurales. Estos aceros debenser protegidos contra la corrosión medioambiental ypara ello se emplea, comúnmente, el galvanizado orecubrimiento con zinc mediante inmersión en calien-te (Fig. 8).

3.5. Espacio[27]

Los materiales poliméricos o compuestos base poli-mérica son muy utilizados en la construcción de estruc-turas espaciales tales como la Estación EspacialInternacional (Fig. 9) debido a su poco peso. Sin em-bargo, estos materiales sufren en su mayoría erosiónpor oxigeno atómico, presente en la baja órbita te-rrestre (alrededor de 300 Km por encima del nivel delmar). Por esta razón, deben ser protegidos y para ellose emplean óxidos de aluminio o silicio depositadospor PVD o CVD.

Por otra parte, en los vehículos de uso espacial ytambién en los satélites, se emplean recubrimientostribológicos que ofrecen lubricación sólida a aquellaszonas que lo necesitan como por ejemplo las superfi-cies de control de los transbordadores espaciales.

3.6. Herramientas de corte yconformado[28 y 29]

Para conseguir mayor durabilidad y calidad en los cor-tes, la mayoría de las herramientas para corte se en-cuentra recubiertas con capas duras tales como el car-bono tipo diamante, TiN, TiC, TiAlN, etc. depositadospor PVD y CVD (Fig. 10). En el caso de moldes de fa-bricación, estos deben ser protegidos de los materia-les fundidos que van a ser moldeados (principalmen-

Figura 7. a) Bloque de cilindros de automóvil siendo recubierto mediante proyección térmica y b) aspecto de los cilindros despuésde ser recubiertos.

Figure 7. a) Automotive cylinder block being coated by thermal spray and b) cylinder appearance after coating application.




Figura 8. Proceso de galvanizado en caliente para grandes perfiles estructurales.

Figure 8. Large structure galvanizing.

Figura 9. Estación Espacial Internacional.

Figure 9. International Space Station.

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te las aleaciones de aluminio). También las boquillasde extrusión en numerosas aplicaciones pueden serrecubiertas para reducir la abrasión, como por ejem-plo en la fabricación de tejas.

4. INGENIERÍA DE SUPERFICIES YMEDIOAMBIENTE

Los factores socioeconómicos que determinan la in-troducción de nuevos productos y tecnologías en elmercado son varios, muy complejos y se encuentraninter-relacionados entre sí. La figura 11 ilustra algu-nos de los más importantes. Por ejemplo, primero yprincipalmente, es evidente que el proceso o produc-to tendrá que ser rentable, pero que también respe-

tará la legislación imperante que, afortunadamente,tiende cada vez más a respetar la salud, el medio am-biente y a conservar los recursos naturales.

En el caso concreto de los procesos de modifica-ción superficial y de los productos que de ellos se ge-neran, podemos encontrar efectos positivos y negati-vos en lo que se refiere al medioambiente.

4.1. Efectos positivos

La protección de componentes mediante la ingenie-ría de superficies tiene importantes efectos positivospara el medioambiente:

— Contribución a la reducción del consumo de ma-teriales. Como se ha mencionado repetidamen-te, la ingeniería de superficies alarga la vida útilde todo tipo de componentes siendo posible,en algunos casos, extenderla más allá de la mis-ma vida útil del tratamiento correspondiente yaque algunos de estos pueden ser reparados y/ore-aplicados. Existen metales denominados “es-tratégicos” que son constituyentes fundamenta-les de las principales aleaciones o materiales em-pleados mundialmente y cuya disponibilidadpuede verse interrumpida, bien sea por la esca-sez de las reservas conocidas o por la situacióngeográfica de los correspondientes yacimientos(vulnerabilidad frente a situaciones políticas).Estos elementos son cromo, cobalto, wolframio,manganeso, vanadio, molibdeno, niobio, pala-dio, rodio, iridio, osmio y platino. La ingenieríade superficies implica una disminución signifi-cativa de su consumo.

— Reducción del consumo de energía y de emisio-nes tóxicas. El empleo de recubrimientos ha

Figura 10. Herramientas de corte recubiertas con TiN.

Figure 10. Cutting tools coated with TiN.

Figura 11. Factores que determinan la introducción de nue-vos productos y tecnologías en el mercado.

Figure 11. Factors determining the inclusion of new productsand processes in the market place.




contribuido a un aumento significativo de laeficiencia de las turbinas de gas generadorasde electricidad o aeronáuticas (párrafo 3.1), de-bido a que permite que operen a mayores tem-peraturas. El aumento de la eficiencia resultaen una correspondiente disminución de emi-siones por KW producido o por Km de vuelorespectivamente. Lo mismo ocurre en el trans-porte marítimo (turbinas marinas).También, en el sector de transporte terrestre, elempleo de recubrimientos que disminuyen lafricción ha tenido un impacto importante en lareducción del consumo de combustible por Km.Por otra parte, el uso de recubrimientos facilitael empleo de materiales más ligeros como, porejemplo, al aumentar la resistencia al desgastede componentes fabricados de aleaciones dealuminio, mucho más ligeras que los aceros pe-ro con poca resistencia al desgaste, contribuyen-do de esta manera al correspondiente ahorro decombustible. De forma menos directa, graciasal uso de recubrimientos específicos, es posiblefabricar los mencionados componentes de alea-ciones de aluminio o también de magnesio , yaque dichos recubrimientos protegen los moldesde acero empleados para su manufactura que,de no llevar protección, reaccionarían con la ale-ación fundida.

— Efecto barrera frente a agentes “dañinos” me-dioambientales. El empleo de recubrimientospara el empaquetado de alimentos tiene comofinalidad impedir o retardar el paso del O2 yH2O medioambientales con la finalidad de man-tener la frescura y la calidad del alimento pormayor tiempo. Se emplean capas finas de Al,Al2O3 o SiO2. Otro ejemplo es el empleo de ca-pas muy finas como filtros para radiaciones da-ñinas como por ejemplo la ultravioleta, en laprotección para gafas, cristales arquitectónicosy cabinas de aviones.

4.2. Efectos negativos

Como cualquier proceso industrial, la deposición de re-cubrimientos conlleva algunas interacciones negativascon el medioambiente, por ejemplo, la descarga de re-siduos que estos procesos puedan generar, la toxicidady/o peligrosidad de los productos químicos empleadoso resultantes, tales como solventes orgánicos, metalespesados, etc. Sin embargo, afortunadamente, la legisla-ción referente a todos estos aspectos es cada vez másrestrictiva y como consecuencia se están realizando es-fuerzos para mejorar los tratamientos de residuos, pa-ra reemplazar aquellos procesos que resulten demasia-do negativos para la salud y el medioambiente o para

encontrar procesos alternativos con impactos mínimos.Esta situación se ilustra con dos ejemplos:

— Aplicación de pinturas en la industria del au-tomóvil. En esta industria, la aplicación de pin-turas se realiza a gran escala. Algunos de losproblemas con sus respectivas soluciones sedetallan a continuación:• Preparación superficial. Las superficies a re-

cubrir se preparan tradicionalmente median-te chorreado con arena. Esta, puede causarproblemas respiratorios a los trabajadores ypor esta razón se ha comenzado a reempla-zar por otros abrasivos menos tóxicos. Unejemplo muy reciente es el uso de partículasde CO2 sólido (hielo seco) que no dejan re-siduo alguno ya que se evaporan despuésde haber cumplido su misión.

• Reemplazo de disolventes orgánicos tóxicos.La gran mayoría de las pinturas empleadasen esta industria se basan en solventes orgá-nicos que, como es bien conocido, no soloson perjudiciales para la salud de los traba-jadores, sino que también para el medio am-biente causando, entre otras cosas, la destruc-ción de la capa de ozono. En la actualidadya se ha comenzado a reemplazar dichas pin-turas por otras hidrosolubles, sólidas o conmenor contenido de VOC (compuestos orgá-nicos volátiles).

• Reemplazo de pigmentos tóxicos. Gran par-te de los se pigmentos constitutivos de laspinturas son muy tóxicos (CrVI, plomo, mer-curio, estaño, etc.) y, por esta razón, han co-menzado a reemplazar por sales de zinc, ba-rio y calcio, pigmentos vegetales, etc., demucha menor toxicidad.

— Reemplazo del cromo duro. Los recubrimien-tos de cromo duro poseen una gran resisten-cia al desgaste y a la corrosión medioambien-tal y, en consecuencia, tienen un gran núme-ro de aplicaciones en las industrias aeronáutica,automotriz, componentes de funcionamientohidráulico, válvulas, herramientas, componen-tes de imprentas, etc. Se depositan por electro-deposición a partir de Cr (VI), una especie muycancerígena y que por lo tanto está sujeta a unalegislación cada vez más restrictiva en cuanto alos límites de exposición y de descarga deefluentes permitidos. Por está razón, su pro-ducción está alcanzando precios inadmisibles yen algunos casos se ha prohibido su uso. Hasido necesario, en consecuencia, dedicar gran-des esfuerzos a nivel mundial para buscar al-ternativas al uso de estos recubrimientos contan buenas prestaciones pero que representanun impacto muy negativo tanto para la salud

A. AGÜERO


de los trabajadores como para el medioambien-te en general.

Entre los principales candidatos están siendo estu-diados los recubrimientos tipo cermet depositados porproyección térmica por alta velocidad (HVOF). En latabla II, se ilustran algunas propiedades de estos recu-brimientos en comparación con el de cromo duro.

5. CONCLUSIONES

De la ingeniería de superficies se deriva un impactomedioambiental beneficioso porque, por una parte,contribuye a optimizar el “consumo” de materiales y,por otra, conduce a un ahorro energético significativocon su correspondiente efecto positivo en la economíamundial. Afecta directamente, también de forma bene-ficiosa, a la salud, la calidad de aguas y suelos y, en ge-neral, a la calidad de vida. Como todo proceso indus-trial, aquellos entrañados por la ingeniería de superfi-cies interactúan con el medio ambiente por losefluentes que generan y por la peligrosidad o toxici-dad inherente a alguno de ellos. Sin embargo, actual-mente se dedican grandes esfuerzos de I+D para des-arrollar nuevas técnicas y nuevos recubrimientos y pa-ra mejorar la calidad de los ya existentes, tomandomuy en cuenta la salud y las interacciones con el me-dio ambiente, con la finalidad de minimizar o eliminarlos efectos negativos.

REFERENCIAS

[1] ASM Handbook, Surface Engineering, V 5, ASMInternational, Materials Park, Ohio, EE.UU., 1994,pp. 126-135.

[2] K.G. BUDINSKI, Surface Engineering for WearResistance, Prentice Hall, 1988, pp. 120-137.

[3] ASM Handbook, Lubrication and Wear Techno-logy, V 18, ASM International, Materials Park,Ohio, EE.UU., 1992, pp. 861-872.

[4] V. AMIGÓ, Y. PINEDA, F. SEGOVIA Y A. VICENTE,Rev. Metal. Madrid 40 (2004) 403-408.

[5] J.R. DAVIES, Surface Engineering for Corrosionand Wear Resistance, ASM International, MaterialsPark, Ohio, EE.UU., 2001, pp. 112-116.

[6] R. BIANCO Y R.A. RAPP, Metallurgical andCeramic Coatings, Ed. K.H. Stern, Chapman andHall, Glasgow, England, 1996, pp. 236-263.

[7] M.F. STROOSNIJDER E I.F. NORTON, Surf. Interf.Anal. 22 (1994) 436-440.

[8] ASM Handbook, Surface Engineering, V 5, ASMInternational, Materials Park, Ohio, EE.UU., 1994,pp. 378-411 y 482-493.

[9] E. ESCUDERO, M.J. BARTOLOMÉ, V. LÓPEZ,J. SIMANCAS, J.A. GONZÁLEZ, M. MORCILLO Y

E. OTERO, Rev. Metal.Madrid 41 (2005) 133-138.[10] J.W. DINI, Electrodeposition: The Materials Science

of Coatings and Substrates, Noyes, (1993)[11] G. O. MALLORY Y J.B. HAIDU, Electroless Plating:

Fundamentals and Applications, American Elec-troplaters and Surface Finishers Society, INC.,EE.UU., 1990.

[12] A.R. MARDER, Prog. Mater. Sci. 45 (2000) 191-275.[13] H.E. TOWSENS, L. ALLEGRA, R.J. DUTTON Y S.A.

KRINER, Mater. Perform. (1986) 36- 46.[14] D. MATTOX, Handbook of Physical Vapour

Deposition Processing (PVD), Lattice Press, SunsetBeach, CA, EE. UU., 1998.

[15] K.L. CHOY, Prog. Mater. Sci. 48 (2003) 57-170.

Tabla II. Propiedades de recubrimientos de Cr duro y de algunas de sus alternativas depositadas por proyección térmica por HVOF

Table II. Properties of hard Cr as well as some of its alternative coatings deposited by HVOF thermal spray

Propiedades Cromo duro Alternativas por HVOF

Resistencia al desgaste/ Buena / Bajo En función del material. Recubrimientos Coeficiente de fricción comparables al cromo duro: WCCoCr, NiCrMo,

CoMoCrSi

Resistencia a la Corrosión Media En función del material y del medio corrosivo:recubrimientos tales como WC-CrCo, CrNi-acero eInconel ofrecen mejor resistencia que el cromo duro

Fatiga Mala Altas tensiones residuales que generanmicrogrietasMejor que el Cromo duro. Algunosrecubrimientos, sobre todo los carburos, pueden serproducidos con tensiones compresivas

Máxima temperatura de servicio Hasta 400 ºC, pero a partir En función del material, por Ej.: WCCoCr hasta 550ºCde 200 la dureza disminuye Cr3C2-NiCr hasta 950ºC




[16] M.R. DORFMAN, Ad. Mater. Proces. 160 (2002) 66-68.[17] L.J. LI Y J. MAZUMDER, Laser Processing of Mate-

rials, Eds. K. Mukherjee y J. Mazumder, The Me-tallurgical Society of AIME, Warrendale, PA,EE.UU., 1985, p. 35.

[18] G.P. RODRÍGUEZ, M. CHECA Y J.J. DE DAMBORENEA,Rev. Metal. Madrid Vol. Extr. (2005) 513-517.

[19] S. GRAINGER, Engineering Coatings, Design andApplications, Abington Publishing, 1989, p. 33.

[20] J. BENTLEY Y G.P.A. TURNER, Química y tecnolo-gía de pinturas y revestimientos, A. MadridVicente Ediciones, Madrid, España, 1999.

[21] J.D. GAD, J.F. NEJEDLIK Y L. D. GRAHAM, Elec-trochem. Technol. 6 (1968) 307-315.

[22] J.R. DAVUES, High Temperature Coatings forSuperalloys, ASM Specialty Handbook: Nickel,Cobalt and their Alloys, ASM international,Materials Park, Ohio, EE.UU., 2000, pp. 281-290.

[23] P.A. DEARNLEY, J. Eng. Med. 213 (1999) 107-135.[24] E. PEÓN, A. JIMÉNEZ-MORALES, E. FERNÁNDEZ-

ESCALANTE, M.C. GARCÍA-ALONSO, M.L. ESCUDERO

Y J.C. GALVÁN Rev. Metal. Madrid Vol. Extr. (2005)479-482.

[25] G. BARBEZAT, Int. J. Automot. Technol. 2 (2001)47-52.

[26] Hot Deep Galvanizing for Corrosion Protection ofSteel Products, American Galvanizers Association(1989)

[27] I. KLEIMAN Y Z. A. ISKANDEROVA, Proc. 8th Int.Symp. Mat, in a Space Environment and 5thInternat. Conf. Protection Materials StructuresLEO Space Environment, ESA, (2000).

[28] R. HAUERT, J. PATSCHEIDER, Ad. Eng. Mater. 2(2000) 247-259.

[29] M. KUPCKYK Y W. MISIAK, Rev. Metal. Madrid Vol.Extr. (2005) 483-487.

revisiÓn revista de metalurgia, 43 (1) enero febrero issn

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