Recubrimiento para una pieza mecánica que consta de al menos una capa externa (5) de carbono amorfo hidrogenado,

caracterizado porque el recubrimiento (1) está constituido por una primera capa (3) de carburo de silicio amorfo hidrogenado destinada a estar en contacto con la pieza mecánica (2), un apilamiento (4) constituido por una alternancia de capas (4a, 4b) respectivamente de carbono amorfo hidrogenado y carburo de silicio amorfo hidrogenado que están dispuestas entre la primera capa (3) y la capa externa (5)

Recubrimiento para una pieza mecánica que comprende al menos una capa externa de carbono amorfo hidrogenado y una capa de carburo de silicio hidrogenado en contacto con la pieza, y procedimiento de deposición de dicho recubrimiento.

Campo técnico de la invención

La invención se refiere a un recubrimiento para una pieza mecánica que comprende al menos una capa externa de carbono amorfo hidrogenado.

Estado de la técnica

Para mejorar la resistencia al desgaste y a las fricciones de las piezas mecánicas, se pueden recubrir con una película de carbono amorfo hidrogenado, llamado también DLC (carbono de tipo diamante). En efecto, el carbono amorfo hidrogenado presenta una gran dureza, un módulo de Young elevado y los coeficientes de fricción y de desgaste son extremadamente bajos. Además, la película de carbono amorfo hidrogenado es muy poco rugosa y muy poco porosa y tiene una energía superficial baja.

Sin embargo, la película de carbono amorfo hidrogenado presenta tensiones intrínsecas muy elevadas, del orden de varios GPa. Estas tensiones elevadas que pueden deteriorar la adherencia de la película sobre una pieza mecánica, en concreto de acero, no permiten realizar deposiciones de más de 5 micrómetros de espesor. Además, el carbono amorfo hidrogenado tiene una estabilidad térmica relativamente pequeña, lo que impide usar un recubrimiento de DLC para temperaturas superiores a 250ºC. El coeficiente de fricción del DLC aumenta también en función de la tasa de humedad de la atmósfera. A modo de ejemplo, el coeficiente de fricción de una película de carbono amorfo hidrogenado depositada sobre acero aumenta gradualmente de 0,05 en una atmósfera seca hasta 0,3 en una atmósfera con humedad al 100%.

Algunos han intentado mejorar las propiedades del DLC mediante dopaje con elementos metálicos o no metálicos. Así pues, la adición de 10 a 20% en átomos de silicio en el carbono amorfo hidrogenado permite disminuir las tensiones internas hasta un valor cercano a 1 GPa, sin aumentar a la vez significativamente el coeficiente de fricción. Además, la adición de silicio aumenta la estabilidad térmica de la película de DLC disminuyendo la dependencia del coeficiente de fricción con respecto a la tasa de humedad.

La solicitud de patente WO-A-00/47290 propone añadir átomos de silicio en una capa de DLC de forma que se modifique el color del recubrimiento, diluyendo la concentración de carbono. Así, un recubrimiento decorativo compuesto por sustrato metálico, de un espesor total comprendido entre 1 y 25 μm, consta de al menos una primera capa de un espesor de 0,1 a 15 μm de carbono amorfo hidrogenado dopado con silicio en una proporción de 2 a 40% en átomos. El recubrimiento también puede constar de una capa adicional que comprende capas de carbono amorfo hidrogenado dopadas con silicio y de carbono amorfo hidrogenado, de un espesor superior o igual a 0,5 μm. La capa de carbono amorfo hidrogenado dopado con silicio tiene, no obstante, una estructura se cercana a la del carbono amorfo hidrogenado, provocando la presencia de átomos de silicio en el DLC la formación de enlaces Si-H destinados a limitar la formación de enlaces C-C de tipo sp² en relación a los enlaces C-C de tipo sp³.

Además, la adición de un dopante metálico como el tántalo, tungsteno, titanio, niobio o circonio, permite disminuir las tensiones intrínsecas y la dependencia del coeficiente de fricción con respecto a la tasa de humedad. La adición de silicio, boro, flúor, oxígeno o nitrógeno, permite también influir en la energía superficial.

También se pueden paliar los defectos del carbono amorfo hidrogenado no dopado, realizando una deposición de un material compuesto constituido por carbono amorfo hidrogenado y óxido de silicio amorfo. El material compuesto tiene tensiones intrínsecas reducidas con respecto al carbono amorfo hidrogenado solo, lo que permite obtener una mejor adherencia de la película sobre numerosos materiales que constituyen la pieza a proteger. Además, mejora la estabilidad térmica y se reduce el coeficiente de fricción. Sin embargo, la dureza del material compuesto es inferior a la del carbono amorfo hidrogenado solo.

Sin embargo, este tipo de recubrimiento no es fácil de poner en práctica, en concreto para piezas mecánicas que tienen una forma compleja. Al ser las tensiones intrínsecas del carbono amorfo hidrogenado elevadas, no son realizables los recubrimientos de un espesor superior a 5 μm, lo que puede limitar los rendimientos de los recubrimientos. Además, la realización de un depósito de carbono amorfo hidrogenado, dopado o no dopado, o de un depósito constituido por un material compuesto que consta de carbono amorfo hidrogenado, no se puede realizar a temperatura baja, La aplicación de dicho depósito puede ser además larga y costosa, y para obtener propiedades de antidesgaste, antifricción y de estabilidad térmica, puede ser poco satisfactoria en algunos tipos de aplicaciones.

Objeto de la invención

La invención tiene por objetivo realizar un recubrimiento apto para adherirse perfectamente sobre una pieza mecánica que puede tener cualquier tipo de forma, capaz de ser térmicamente estable a temperaturas elevadas, preferiblemente superiores a 250ºC, y que tiene, en particular, propiedades antidesgaste y antifricción elevadas.

De acuerdo con la invención, este objetivo se alcanza por el hecho de que el recubrimiento está constituido por una primera capa de carburo de silicio amorfo hidrogenado destinado a estar en contacto con la pieza mecánica, un apilamiento constituido por capas alternas respectivamente de carbono amorfo hidrogenado y carburo de silicio amorfo hidrogenado que están dispuestas entre la primera capa y la capa externa.

Según un desarrollo de a invención, el espesor total del recubrimiento está comprendido entre 10 y 20 μm.

Según un modo de realización preferido, el espesor de la primera capa está comprendido entre 150 y 300 nm.

Según otra característica de la invención, el espesor de la capa externa está comprendido entre 0,5 y 2 μm.

La invención tiene también como objetivo un procedimiento de deposición de un recubrimiento para una pieza mecánica, fácil de aplicar, poco costoso y que se puede realizar a temperatura baja.

Según la invención, este objetivo se logra por el hecho de que el procedimiento consiste en depositar, sucesivamente, en un mismo recinto de deposición química en fase de vapor activada por plasma:

- una primera capa de carburo de silicio amorfo hidrogenado,

- una alternancia de capas respectivamente de carbono amorfo hidrogenado y de carburo de silicio amorfo hidrogenado,

- y una capa externa de carbono amorfo hidrogenado.

Breve descripción de los dibujos

Otras ventajas y características aparecerán más claramente en la siguiente descripción de los modos particulares de realización de la invención dados a modo de ejemplos no limitantes y que se representan en la única figura adjunta.

La figura única es una representación esquemática, en corte, de un recubrimiento para una pieza mecánica de acuerdo con la invención.

Descripción de modos particulares de realización

Como se representa en la figura única, se deposita un recubrimiento 1, que tiene preferiblemente un espesor total comprendido entre 10 y 20 μm, sobre una pieza mecánica 2 de forma que se proteja la superficie de la pieza 2 frente al desgaste y frente a la fricción. El recubrimiento 1 consta de una primera capa 3 de carburo de silicio amorfo hidrogenado, un apilamiento de capas 4 y una capa externa 5 de carbono amorfo hidrogenado (DLC). La primera capa 3 está dispuesta sobre la superficie de la pieza mecánica 2, y preferiblemente, tiene un espesor comprendido entre 150 y 300 nm, mientras que la capa externa 5 de carbono amorfo hidrogenado tiene un espesor comprendido entre 0,5 y 2 μm. Por carburo de silicio amorfo hidrogenado, que se indica también SiC :H o a-Si_1-xC_x :H, siendo x preferiblemente del orden de 0,5, se entiende un compuesto amorfo de carburo de silicio en el que se ha incorporado una proporción de hidrógeno más pequeña que las proporciones de silicio y de carbono. Dicho compuesto no consta de enlaces de tipo C-C sino únicamente de enlaces de tipo Si-C, Si-H y C-H.

El apilamiento 4 está constituido por una alternancia de dos capas 4a y 4b, respectivamente... [Seguir leyendo]

1. Recubrimiento para una pieza mecánica que consta de al menos una capa externa (5) de carbono amorfo hidrogenado, caracterizado porque el recubrimiento (1) está constituido por una primera capa (3) de carburo de silicio amorfo hidrogenado destinada a estar en contacto con la pieza mecánica (2), un apilamiento (4) constituido por una alternancia de capas (4a, 4b) respectivamente de carbono amorfo hidrogenado y carburo de silicio amorfo hidrogenado que están dispuestas entre la primera capa (3) y la capa externa (5).

2. Recubrimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el espesor total del recubrimiento (1) está comprendido entre 10 y 20 μm.

3. Recubrimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque el espesor de la primera capa (3) está comprendido entre 150 y 300 nm.

4. Recubrimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el espesor de la capa externa (5) está comprendido entre 0,5 y 2 μm.

5. Recubrimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el espesor de cada una de las capas (4b) de carburo de silicio amorfo hidrogenado del apilamiento (4) está comprendido entre 5 y 50 nm.

6. Recubrimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el espesor de cada una de las capas (4a) de carbono amorfo hidrogenado del apilamiento (4) está comprendido entre 10 y 150 nm.

7. Recubrimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el número de capas (4a, 4b) en el apilamiento (4) está comprendido entre 400 y 1000.

8. Procedimiento de deposición de un recubrimiento para una pieza mecánica (2) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque consiste en depositar, sucesivamente, en un mismo recinto de deposición química en fase de vapor activada por plasma:

- una primera capa (3) de carburo de silicio amorfo hidrogenado,

- una alternancia de capas (4a, 4b) respectivamente de carbono amorfo hidrogenado y de carburo de silicio amorfo hidrogenado,

- y una capa externa (5) de carbono amorfo hidrogenado.

9. Procedimiento de deposición de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque la presión dentro del recinto, durante la deposición de las capas, está comprendida entre 0,05 mbar y 0,5 mbar.

10. Procedimiento de deposición de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 y 9, caracterizado porque la pieza mecánica (2) previamente se limpia y se somete a un decapado iónico.