1

“Cooperacion Universidad-Centro Técnologico- Industria para el

desarrollo de nuevos recubrimientos cerámicos protectores

obtenidos mediante procesamiento por plasma”

Gustavo Zambrano Ph.D.

Grupo de Películas Delgadas

Departamento de Física

Universidad del Valle

Universidaddel Valle

“APLICACIONES INDUSTRIALES DE TECNOLOGÍAS DE PLASMA” AITP2011

24 y 25 de Noviembre de 2011

Grupo de Películas delgadas Universidad

del Valle

LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN:

• Materiales magnéticos

• Óxidos multifuncionales

• Nanofluidos magnéticos

• Recubrimientos duros antidesgaste

• Recubrimientos anticorrosivos

• Recubrimientos de barrera térmica

Colaboradores Universidaddel Valle

Centro de Excelencia en Nuevos Materiales Universidad

del Valle

CDT ASTIN

Centro de Desarrollo Tecnológico para la Asistencia Técnica a la Industria

Desarrollo en la industria del plástico

Laboratorio de recubrimientos

industriales por plasma

Análisis físicos y químicos a materiales

7

El Desgaste de los Materiales y sus Consecuencias

El desgaste y deterioro de las herramientas utilizadas en los procesos de

manufactura en la industria colombiana, representa hasta el 30% de los costos de

fabricación y repercuten desfavorablemente en el precio del producto final afectando

la productividad y competitividad de las empresas.

Consecuencias del fenómeno del desgaste de las herramientas y elementos de

máquinas y equipos

• Altos costos de mantenimiento y de reposición de herramientas y elementos de

máquinas.

• Aumento del consumo de grasas y lubricantes.

• Deterioro del medio ambiente.

• Incremento de los reprocesos y tiempos improductivos

• Disminución de la productividad y competitividad de las empresas.

8

Tendencias de las Aplicaciones de los Recubrimientos por

Plasma

9

Los Recubrimientos obtenidos por plasma como alternativa en el

desgaste

Alternativas tecnológicas para disminuir el desgaste

mediante el uso del plasma

Recubrimientos constituidos por nitruros, carburos, boruros,

carbonitruros (o combinaciones de éstos) de los metales de transición

(W, Zr, Ti, Al, Cr, V, Nb, B, Si, etc.)

Se pueden depositar sobre otro material a través de diferentes

técnicas (vía fase vapor PVD y CVD) con el fin de incrementar su

resistencia al desgaste y a la corrosión.

En términos generales sus en laces son de tipo covalentes y poseen

durezas que van desde los 2000 hasta los 10000 Vickers(materiales

superduros HV>4000, Veprek S. 1999).

Alternativas tecnológicas para disminuir el desgaste

mediante el uso del plasma

10 S. Veprek , J. Vac. Sci. Technol. Vol. 17, p.5. (1999).

BCN

11

•Alta dureza superficial ( 2000 HV)

•Bajo coeficiente de fricción (0.4)

•Alta resistencia al desgaste

•Gran resistencia a la fatiga

•Buena resistencia a la corrosión

•Baja conductividad térmica

• Baja reactividad química

•Buen propiedades ópticas.

•Excelente estabilidad dimensional.

•Gran diversidad de aplicaciones

Propiedades de los Recubrimientos obtenidos

por Plasma

Alternativas tecnológicas para disminuir el desgaste

mediante el uso del plasma

12

• Herramientas de corte por arranque de viruta (fresas, brocas, mandriles, buriles, Wideas,

escariadores, etc.)

• Herramientas utilizadas en la conformación metalmecánica y del plástico (moldes,

troqueles, punzones, matrices de extrusión, cuchillas, husillos, etc.).

• En la industria automóvil, ferroviaria y aeronáutica (componentes de frenos, cajas de

cambio, ejes, cilindros, pistones, piezas de fuselaje y demás elementos sometidos a

desgaste, etc.).

• Industria Farmacéutica y Biomédica (Troqueles, Utensilios quirúrgicos, recubrimientos

biocompatibles, etc.)

• Maquinaria (piñonería, ejes, cojinetes, rodamientos, válvulas, etc.).

•Industria Textil, Maderera y Minera (cuchillas, cinceles, brocas, agujas, guías, piñones etc.)

• Industria de alimentos (cuchillas, trituradores, molinos, válvulas, etc.)

• Otras aplicaciones: ópticas, electrónicas, magnéticas, barreras de difusión, barreras

térmicas, etc.

Aplicaciones de los Recubrimientos por Plasma

13

Equipo de deposición por pulverización catódica asistido

con campo magnético (Magnetrón sputtering)

Universidaddel Valle

Esquema del sistema Magnetrón Sputtering

B2 B1

Sistema planetario de

rotación 60 rpm

Sistema que permite la síntesis de materiales binarios, ternarios y cuaternarios

15

El objetivo primordial es el incremento de la vida útil de

los dispositivos y partes de máquinas, así como el

mejoramiento de la productividad y competitividad de las

empresas e intituciones del país y latinoamerica.

Aplicaciones de los Recubrimientos por Plasma

16

0 10 20 30 40 500

40

80

120

160

200

De

se

mp

eñ

o

%

Número de capas

Torneado

de barras en AISI 8620

con buriles en AISI M2

sin

re

cu

bri

r

co

n 2

4 c

ap

as

co

n 3

2 c

ap

as

100%

129%

164.3%

108.3%

co

n 1

0 c

ap

as

17

0 10 20 30 40600

800

1000

1200

Lo

ng

itu

d d

e c

ort

e

m

Número de capas

Torneado de barras

en acero AISI 8620

con buril de acero AISI M2

Herramientas con recubrimiento

antidesgaste en el uso del mecanizado

18

Alabes de una microturbina recubiertos con barreras

térmicas de Zirconia estabilizada con Itria (YSZ)

O2

Al YSZ

19

1 bicapa 8 bicapas

Ra: 0.35 mm Ra: 0.15 mm

Hoja de papel cortada con recubrimientos antidesgaste

Ti Zr

N2

10X 10X

20

200 bicapas

Herramientas con recubrimiento antidesgaste en el uso del mecanizado

Nb TiC

N2

21 200 bicapas

Dispositivos recubiertos con

TiCN/TiNbCN para protección

ante la corrosión

22

Herramientas recubiertas para usos en la industria Colombiana

Brocas para taladrado de Hueso Moldes para produccion de copas de Cristal

Equipo de uso Hopitalario Dispositivos de uso quirurgico

23

Herramientas recubiertas para usos en la industria Colombiana

Buriles para mecanizado eficaz Insertos de Carburo de Tungsteno

Brocas para taladrado de alta velocidad Cuchillas para corte de carton

Recursos disponibles Magnetron Sputtering

Fresas

[TiN/ZrN]n

Cuchillas para corte de

plastico [TiN/ZrN]n

Brocas [Ti/TiN]n

Fresas para mecanizado eficaz

[TiN/TiAlN]n

Moldes para vasos de

cristal [CrN/ZrN]n

Alabes de microturbina

[Al2O3/YSZ]n

Recursos disponibles Magnetron Sputtering

Cabezales para bolsas

plasticas [Ti/TiN]n

[Ti/TiN]n [Cr/CrN]n Moldes para peceras

[Ti/TiN]n

Moldes para la Inyeccion de

Aluminio[TiN/TiAlN]n

Fresas para la industria

Militar [B4C/BCN/c-BN]n

Moldes para la extrucción de alimentos

26

Empresa Herramienta Producción /

vida filo sin

recubrir

Producción / vida

filo recubierto

Ahorro anual

(miles de dólares)

Alumina S.A Cuchilla corte de

folio

9 toneladas 11.7 toneladas

(+30%)

17.2

Sidelva Ltda Troquel de lámina 4000 piezas 5400 piezas (+35%) 20.3

Induvases

S.A

Troquel de

embutición

50.000 piezas 300.000 piezas

(600%)

45.5

Bonlam A.

Ltda

Cuchilla corte PE 1100 toneladas 1907 toneladas

(+73%)

22.1

Industrias

Lehner S.A

Fresas para aluminio 100 horas 400 horas (+400%) 10.4

Ahorro total 115.5

Herramientas recubiertas para usos en la industria Colombiana

27

• 38 empresas atendidas.

• 4020 herramientas recubiertas.

• Ahorro logrado al año aprox. 575.000 dólares/año.

• 620 personas capacitadas .

•7 tesis de pregrado , 2 maestría y 3 de doctorado culminadas en el

campo de la ciencia e ingeniería de materiales.

• 25 artículos publicados.

• 10 ponencias realizadas nacional e internacionalmente.

• Integración Universidad-SENA-Industria en actividades de

capacitación, formación y proyectos de Innovación y Desarrollo

Tecnológico.

Consolidado de trabajos y logros alcanzados

(4 años)

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Proyecto CENM - ASTIN – AGRAF S.A

“Mejoramiento del desempeño de las cuchillas de corte de AGRAF S.A

mediante la aplicación de multicapas de

B4C/BCN/c-BN, TiN/ZrN y TiN/TiAlNbN”

Ahorro proyectado de los costos de producción al primer año

$ 60.000 dólares

Proyecto CENM - ASTIN CARTÓN - COLOMBIA

Ahorro proyectado al primer año para

110 horas de corte adicionales

187 toneladas adicionales

$ 234.000 dólares

Tesis de maestría y doctorado.

Proyectos en proceso de formulación

Reconocimientos Multicapas nanoestructuradas de TiCN/TiNbCN

Reconocimientos Multicapas nanoestructuradas de TiCN/TiNbCN

33

Gracias por la

atención