Recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC): guía para diseñadores de productos

¿Es usted un diseñador de productos que busca crear piezas o componentes que contactarán con otras piezas o ensamblajes, o planea crear productos expuestos a químicos u entornos hostiles? Si es así, debe elegir un material con alta resistencia al desgaste y química.

Sin embargo, aunque varios materiales de ingeniería tienen impresionantes propiedades de resistencia al desgaste y químicas, estos materiales no suelen salir baratos. Por tanto, los diseñadores y fabricantes de primer nivel mejoran las propiedades de metales comunes usando procesos de acabado superficial especializados como el recubrimiento de carbono tipo diamante.

El recubrimiento de carbono tipo diamante (DLC) se forma cuando carbono ionizado y descompuesto aterriza en la superficie de un sustrato a alta energía. Este recubrimiento mejora las propiedades del sustrato (como resistencia a la abrasión, corrosión y coeficiente de fricción), haciéndolos ideales en una amplia gama de aplicaciones.

En este artículo, volveremos a los fundamentos del recubrimiento tipo diamante. También cubriremos los tipos y aplicaciones en varias industrias. ¡Empecemos!

Figura 1: Un sustrato metálico con recubrimiento de carbono tipo diamante

Entendiendo el recubrimiento tipo diamante

Al escuchar «recubrimiento tipo diamante» por primera vez, probablemente se pregunte cómo el diamante (una de las sustancias naturales más duras) se procesa para usarse como material de recubrimiento.

Pero no debe pensar en el DLC así. En su lugar, piense en el elemento químico esencial que hace al recubrimiento tipo diamante tan único: el carbono. El carbono es tetravalente —tiene cuatro electrones disponibles para formar enlaces con otros átomos. El número de enlaces y su disposición determinan las propiedades que poseerá un compuesto de carbono.

Por ejemplo, la estructura molecular del diamante presenta varios átomos de carbono, cada uno con cuatro electrones formando enlaces con otros carbonos. En contraste, los átomos de carbono en la estructura del grafito usan solo tres de estos electrones para enlazarse. Esta ligera variación es lo que hace que los cristales de diamante sean muy duros y los grafitos muy blandos.

Figura 2: Enlaces moleculares en diamante y grafito. Fuente: WikiMedia Commons

La película de carbono tipo diamante está esencialmente hecha de átomos de carbono, como diamante y grafito. Sin embargo, una película DLC combina la estructura atómica de ambos —presenta varios átomos de carbono y usa tres y cuatro electrones para formar enlaces. Como resultado, el DLC tiene una combinación de propiedades de diamante y grafito.

Características del recubrimiento tipo diamante

#1 Bajo coeficiente de fricción

El coeficiente de fricción es un número adimensional que los ingenieros usan para describir qué tan bien un material (o producto) resiste la fricción al deslizarse sobre otra superficie.

Los recubrimientos DLC tienen un coeficiente de fricción muy bajo, entre 0,015 y 0,2. Como resultado, las piezas (o ensamblajes) recubiertas con DLC suelen requerir menos energía para mantener un proceso (u operación mecánica). Esto los hace extremadamente útiles en aplicaciones con piezas móviles, como industria automotriz, talleres de mecanizado e industria aeroespacial.

Más información: Entendiendo cómo los fabricantes fabrican piezas aeroespaciales.

#2 Excelente resistencia a la abrasión

La abrasión describe el desgaste (rayado o frotamiento) de porciones de un material debido a la fricción. Suele ser indeseable e inevitable en operaciones mecánicas. La única solución es encontrar un material con alta resistencia a la abrasión para la necesidad particular.

Los metales recubiertos con DLC ofrecen alta resistencia a la abrasión comparados con metales normales. Para hacerse una idea, veamos la Figura 3, que muestra una prueba de resistencia a la abrasión en dos metales.

Figura 3: Prueba de desgaste (abrasión) en material recubierto con carbono tipo diamante

Supongamos que la primera pieza no tiene recubrimiento adicional mientras la otra está recubierta con DLC. En tal escenario, si se aplica un indentador sobre ambos materiales (con la misma fuerza), notaría que la superficie con DLC no se raya tanto como la sin recubrimiento. Esta característica única hace que las piezas con DLC sean útiles en piezas de desgaste de motores de automóvil, inyectores y aplicaciones de joyería.

#3 Resistencia a la corrosión

Los recubrimientos DLC ofrecen resistencia a la corrosión, haciéndolos ideales en aplicaciones donde las piezas estarán expuestas a entornos húmedos o agresivos (por ejemplo, tuberías y componentes aeroespaciales).

#4 Estética

El recubrimiento DLC destaca de otros porque protege las piezas metálicas contra atmósferas agresivas asegurando poco o ningún cambio en la apariencia estética. Además, puede lograr un rango de color atractivo desde antracita a negro profundo usando el proceso DLC.

Tipos de recubrimiento DLC

Los recubrimientos DLC vienen en diferentes tipos, dependiendo del metal (o no metal) añadido a su estructura química. Por ejemplo, los DLC dopados con metal son simplemente DLC aleados con metales como titanio, molibdeno, tungsteno, aluminio y cromo. En contraste, los tipos DLC dopados con no metales incluyen DLC-silicio, DLC-flúor y DLC-nitrógeno.

Figura 4: Recubrimiento DLC dopado con silicio en sustrato metálico

La elección ideal de DLC aleado dependerá de los requisitos de su aplicación. Por ejemplo, los recubrimientos DLC aleados con titanio son ideales para aplicaciones médicas debido a sus excelentes propiedades tribológicas, bio-inercia e inercia química. En contraste, los DLC aleados con silicio son ideales para herramientas de corte, bloques de motor, pistones y engranajes.

Figura 5: Piezas de pistón y cilindro con recubrimiento DLC

Afortunadamente, talleres de primer nivel como Gensun suelen ofrecer servicios de asesoramiento en acabados superficiales a sus clientes.

Servicios de recubrimiento DLC: Gensun puede ayudar

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