Tratamiento superficial de aceros inoxidables por implantación iónica

El ININ hoy
Tratamiento superficial de aceros inoxidables
por IMPLANTACION IÓNICA
Por Arturo Muñoz Castro ([email protected]),
Departamento de Física
Antecedentes
Conviene aclarar que un plasma es un gas
ionizado (parcial o totalmente) que contiene casi
la misma cantidad de iones y electrones, pero
en el que pueden coexistir átomos neutros, con
una gran capacidad de neutralizar carga
introducida externamente; macroscópicamente se
considera un medio neutro y el efecto de estas
cargas externas solo se aprecia a nivel
microscópico.
La técnica de implantación de iones por
inmersión en plasmas (PIII, por sus siglas en
inglés) fue propuesta por J. Conrad en la
Universidad de Wisconsin, Estados Unidos, en
1987. El objeto era mejorar las propiedades
superficiales de los materiales y superar las
limitaciones del método de implantación por
haces iónicos unidireccionales que requería
manipulaciones complejas, es decir, utilizar
mecanismos de rotación en tres grados de
libertad de la pieza de trabajo o sustrato que se
deseaba tratar. En cambio, la técnica propuesta
por Conrad consiste en introducir la pieza de
trabajo en un plasma y polarizarla negativamente
con algunas decenas de kilovolts a fin de acelerar
e implantar los iones del plasma en la pieza.
Las mejoras superficiales se deben, básicamente,
a un aumento considerable de la solubilidad en
los sólidos que no puede lograrse por otros
métodos. En el caso de los aceros inoxidables
austeníticos1 implantados con nitrógeno, esto se
refleja en una fase γ expandida (fcc, cúbica
centrada en las caras). Cabe mencionar que a
pesar de ser una técnica simple, pues basta tener
una fuente de plasma de cualquier tipo y una
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fuente de alto voltaje pulsada para inducir la
implantación iónica, no se ideó esta técnica antes
de 1986, tal vez porque el proceso de nitruración
en aceros se hacía químicamente y en economía
de escala.
Una vez que se comprobó que por esta técnica
había una elevación sustancial de la dureza
superficial de la resistencia al desgaste y a la
corrosión, pareció obvio dirigirse a la utilización
del proceso PIII en aceros inoxidables que sin
estas mejoras no serían potencialmente útiles
para muchas aplicaciones industriales. Una gran
cantidad de estudios se han sucedido, sobre todo
en implantación de nitrógeno (nitruración por
PIII) en aceros inoxidables de uso industrial, para
mejorar sus propiedades superficiales, tales como
microdureza (dureza superficial), resistencia a
la corrosión, tribológicas (relacionadas con la
resistencia al desgaste), disminución del
coeficiente de fricción, etc.
El proceso PIII en el ININ
Para el proceso PIII, el laboratorio de Física de
Plasmas del ININ cuenta con:
a) cámara de vacío cilíndrica de acero inoxidable
AINSI 316 de 0.5m de altura y 0.3m de
diámetro;
b) electrodo cilíndrico de acero inoxidable de
15cm de largo y 3cm de diámetro colocado
horizontalmente al eje del cilindro (este
electrodo es el ánodo y la propia cámara el
cátodo);
Son aceros inoxidables, de alta resistencia a la corrosión y
buenas propiedades mecánicas; en su composición tienen
un 18% de cromo y un 8% de níquel. Deben su nombre a
la fase en la que poseen mayor estabilidad a temperatura
ambiente, denominada fase austenita.
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c) fuente de corriente/voltaje para producir el
plasma en corriente directa; y
d) una fuente de pulsos de voltaje de 0-50kV
ancho de pulso de 50-200 µs tasa de
repetición de 200-1000Hz.
El equipo posee varios accesos para colocar
termopares y sondas de Langmuir, los primeros,
para medir temperatura de la muestra a tratar, y
las segundas para determinar la temperatura
electrónica del plasma y la densidad del mismo.
Preparación de muestras
Con el propósito de determinar distintas
propiedades de las muestras de acero inoxidable
nitruradas, comúnmente denominadas técnicas
de caracterización de muestras, es necesario pulir
dichas muestras con lijas de carburo de silicio,
montadas en un sistema giratorio que van desde
el número 180 hasta la de 2000, según norma
de los Estados Unidos; y para terminar con un
pulido espejo se usa una emulsión de óxido de
aluminio de tamaño de partícula de 0.05 µm,
que se distribuye sobre un disco de pelo de
camello. Después se procede a enjuagar con
acetona.
Otra alternativa para finalizar el proceso, es la
limpieza con equipo de ultrasonido para remover
partículas extrañas.
En caso de que las muestras sean una
herramienta o una pieza que se piense utilizar
tal como está, solamente se limpian previamente
con algún solvente y con ultrasonido.
Proceso de implantación por inmersión en
plasmas
Como se dijo anteriormente el proceso de
implantación por inmersión en plasmas se realiza
a través de una fuente de plasma de cualquier
tipo. La pieza queda inmersa en dicha atmósfera.
Además se utiliza una fuente pulsada
negativamente, para polarizar la pieza, lo cual
genera el voltaje que impulsa los iones positivos
hacia la muestra, implantándolos en la superficie
cercana. La presencia del voltaje negativo
establece un campo eléctrico en la región cercana
a la pieza de trabajo lo que trae como
consecuencia la presencia de los iones positivos
y neutros y el desplazamiento de los electrones
al seno del plasma. Esta región que rodea a la
muestra es una capa límite (sheath).
La técnica PIII de implantación iónica se puede
hacer bajo dos enfoques. Uno de ellos consiste
en utilizar exclusivamente altos voltajes, del orden
de decenas de kilovolts, e implantar dichos iones
en una zona de algunas decenas de nanómetros
desde la superficie manteniendo la pieza a bajas
Equipo del laboratorio de Física de Plasmas diseñado y construido en el ININ
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temperaturas. A este tipo de implantación se le
denomina por balística. Sin embargo, es posible
una implantación de varias micras, aún a bajos
voltajes, si se permite a las piezas de acero
inoxidable calentarse a temperaturas mayores a
350 oC, en cuyo caso se dice que la implantación
es por difusión.
Sistemas de caracterización
La caracterización de materiales en el proceso
PIII se refiere a todas las técnicas que miden la
presencia de átomos implantados o depositados
sobre la superficie (PIIID), pero no para medir
los efectos que estos átomos producen, como
por ejemplo dureza superficial, resistencia a la
corrosión, resistencia al desgaste, y otras, pues
en ese caso deberían emplearse pruebas de
materiales.
Sin embargo, suele usarse indistintamente
caracterización de materiales por pruebas de
materiales, tal vez porque existen laboratorios
denominados de caracterización de materiales
que incluyen ambos conceptos (causa y efecto).
En términos generales podemos decir que los
resultados de la caracterización de piezas de
acero inoxidable se refieren a la dosis retenida
en la superficie cercana, la composición
modificada de la región implantada, información
de precipitados o fases secundarias y rugosidad
superficial. Existen otros resultados, como se
señaló anteriormente, como las propiedades
mecánicas, las electroquímicas y otras.
Es conveniente aclarar que todas las pruebas
de materiales y de caracterización son
complementarias, es decir, cada una atiende a
una propiedad específica, por lo que el usuario
de tales técnicas debe saber qué propiedades
busca mejorar.
Enumeraremos algunas de las técnicas de
caracterización de materiales con que cuenta el
ININ y su utilidad:
a) Microscopio electrónico de barrido (SEM, por
sus siglas en inglés). La técnica SEM
aprovecha la interacción de un haz intenso
de electrones (1-25keV) con la superficie de
la muestra. Este haz barre un espacio
pequeño de la superficie de la muestra, de
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tal forma que los electrones llegan a una
pantalla de rayos catódicos de televisión y
como producto de esta interacción se producen
electrones
secundarios,
electrones
retrodispersados y rayos X. Ambos tipos de
electrones dan lugar a micrografías y los rayos
X son indicativos de la presencia de elementos
en la superficie (análisis EDS por elementos)
y en la región cercana a la superficie. Esta
técnica también es útil para mostrar los
cambios topográficos en la superficie de las
muestras tratadas.
b) Difracción de rayos X. En este caso se tiene
una fuente de rayos X, la cual incide sobre el
material que actúa como un espejo y cuya
reflexión (difracción) es recogida por un
detector. Debido a que el detector se mueve
con relación a la muestra, éste mide los rayos
X difractados de los cristalitos en cualquier
orientación. Lo que se obtiene finalmente es
un diagrama de intensidad (en unidades
arbitrarias) contra ángulo (2θ) de difracción
en grados denominada difractograma. Un
difractograma puede considerarse como una
huella digital de una fase, o estructura
cristalina
c) Espectroscopía Raman. Esta técnica utiliza un
haz de luz monocromática (de un láser de
He-Ne de 632.8nm) que ilumina la muestra
perpendicularmente. Debido a esta interacción,
los fotones pierden parte de su energía lo
cual se refleja en corrimientos (hacia menores
valores) de la frecuencia del fotón denominado
dispersión de Stokes. La distribución de la
frecuencia o espectro de la luz dispersada se
mide utilizando monocromadores y
fotomultiplicadores. Estos espectros que
funcionan como una huella digital, han sido
determinados para una gran cantidad de
materiales. La espectroscopía Raman puede
utilizarse para caracterizar la cristalinidad de
la superficie de la muestra.
d) Microdureza. En este caso, a través de un
indentador de diamante que utiliza cargas
bajas (de 10g a 500g) se evalúa la dureza de
recubrimientos delgados y capas superficiales
modificadas. Entre las pruebas más conocidas
están las de Knoop y Vickers. Ambas utilizan
la medida de la diagonal de la indentación
para medir la dureza, aunque las geometrías
del indentador sean diferentes.
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e) Técnicas nucleares. Es posible utilizar técnicas
nucleares englobadas bajo el nombre análisis
de haz iónico (IBA), que son los únicos
métodos no destructivos que se utilizan para
medir dosis retenida y distribución de la
misma. En este contexto, sobresale la técnica
espectroscopía de retrodispersión de
Rutherford, la cual utiliza típicamente un haz
de He+ de 2 MeV de energía.
Algunos de estos iones pierden energía por
colisiones inelásticas con los electrones en
su paso por el material, algunos otros son
dispersados elásticamente por colisiones de
Coulomb con los núcleos en el material, y
sólo una pequeña fracción son reflejados,
es decir dispersados a 180° o
retrodispersados. De esta manera los iones
de He pueden detectar la presencia de
cualquier átomo con masa atómica mayor
de 4 y la energía de los iones
retrodispersados es proporcional a la masa
del núcleo retrodispersor.
Lo que se obtiene experimentalmente es un
gráfico que muestra los iones
retrodispersados con cierta energía, conocido
como un espectro RBS. La profundidad y
concentración requiere de simulación
computacional del espectro RBS.
f)
Pruebas electroquímicas. Utilizadas para
evaluar la resistencia a la corrosión de la
superficie tratada. Las pruebas de corrosión
consisten en sumergir la muestra tratada en
una solución electroquímica y proceder a
aplicar voltajes por pasos (generalmente a
1mV/s) y obtener la corriente para cada voltaje.
Existen
dos
pruebas
de
tipo
potenciodinámicas que son muy utilizadas
en los laboratorios de corrosión: las cíclicas y
las no cíclicas. La primera tiene como
propósito evaluar la resistencia al desgaste
uniforme de la superficie de la muestra y
para tal efecto obtiene la corriente y voltaje
de corrosión a través de la característica
donde un potencial de corrosión más positivo
denotaría un más deseable comportamiento
a corrosión; complementariamente una
corriente más baja de corrosión es deseable.
Las pruebas cíclicas como su nombre lo indica
son una prueba donde el barrido de voltaje
se hace en forma cíclica con lo que se obtiene
una curva en forma de lazo y cuyo objetivo
es evaluar el ataque por corrosión localizada
o de picadura. Entonces se procede a
determinar el potencial de picadura,
gráficamente se observa en el punto donde
ocurre un rápido incremento en la corriente
indicando una disolución rápida de la
superficie. Potenciales más altos de picadura
son deseables en cuanto a que denotan
menos susceptibilidad a las picaduras.
Aportaciones del ININ en el tratamiento superficial de aceros inoxidables por implantación iónica
Como se muestra en la fotografía de la página 15, la geometría de la cámara de descargas es de forma cilíndrica. Para la
producción de plasma, en su interior hay un electrodo cilíndrico (ánodo) de acero inoxidable. La propia pared de la cámara
es el cátodo. Esta disposición ha permitido producir una descarga de plasma en corriente directa de la forma más simple.
En cuanto a la fuente de plasma, se diseñó y construyó una fuente de voltaje/corriente en lugar de una fuente de voltaje
como es usual en este tipo de descargas logrando a través de dicha fuente un incremento de un orden de magnitud en
la densidad del plasma.
Por otro lado, se han obtenido implantaciones de varias micras en la superficie cercana de aceros inoxidables austeníticos
304, 316 y 316-L con voltajes de polarización de algunos kilovolts en la muestra (voltaje de implantación). Esto se ha
logrado sin contar con una fuente de plasma más sofisticada (fuentes RF, de filamentos, etc.) y sin usar altos voltajes
(decenas de kilovolts) de polarización. En el caso del acero inoxidable ferrítico 434, por este proceso PIII se ha obtenido un
desempeño excelente a corrosión localizada según pruebas electroquímicas cíclicas realizadas.
Estos resultados nos muestran que el proceso llevado a cabo en el ININ es viable a escala industrial, pues su reducido
gasto de energía lo hacen atractivo desde el punto de vista económico. E
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