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“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
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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.
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Tendencias de las Aplicaciones de los Recubrimientos por
Plasma
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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
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•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
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• 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
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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
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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
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Alabes de una microturbina recubiertos con barreras
térmicas de Zirconia estabilizada con Itria (YSZ)
O2
Al YSZ
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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
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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
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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
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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
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• 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
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Gracias por la
atención