Cada vez resulta más interesante la obtención de recubrimientos, capas protectoras que permitan mejorar las propiedades del material base (substrato). Lo esencial en el proceso de obtención de capas protectoras, sea cual sea el método empleado (sistemas de metalización, soldaduras, depositación de vapor químico o físico, etc.) es poder conseguir superficies de contacto completamente lisas, sin poros, perfectamente adherentes y totalmente compatibles.
Adherencia cerámica-metal de elevada resistencia a la rotura
Se ha comprobado que se puede obtener fácilmente una superficie de contacto perfectamente lisa, libre de porosidades, entre, prácticamente, cualquier cerámica y cualquier metal, utilizando sistemas de metalización de tecnología avanzada.
El proceso patentado es relativamente económico y la aleación de metalización utilizada contiene el 95% de Sn, pudiéndose conducir el proceso, en atmósfera reductora que contenga CO, a temperaturas relativamente bajas tales como, 850°C. Estas temperaturas, siempre inferiores a los 1000 °C, reducen el peligro de deterioro de los substratos que tengan que soportar cualquier cambio no deseado por calor inducido. Pero lo que realmente diferencia el proceso de metalización indicado de uno convencional es que, la capa metálica se adhiere al substrato fuertemente gracias ala cohesión atómica.
En los procesos de metalización convencionales que requieren temperaturas considerablemente más elevadas, por encima de los 1.300 °C, las capas metálicas (normalmente de Mo/Mn) se mantienen adheridas por fuerzas de cohesión física o mecánica mucho más débiles.
En las experiencias se pone de manifiesto, que la única forma de eliminar la capa metalizada, por el nuevo proceso, es por abrasión, y no por fusión. Determinados trabajos indican que los elementos del Grupo IV, como el Sn, pueden formar adherencias híbridas (de resonancia) lo que explicaría la cohesión atómica en la interfase Sn-substrato cerámico.
Por el proceso en estudio también se pueden adherir a los carburos, nitruros y grafitos de cualquier porosidad y densidad, materiales semiconductores (Si, cristales simples de AsGa y de PGa), cuarzos y la mayoría de los metales incluyendo el Mo y el W.
Después de la metalización, el substrato se comporta prácticamente como si fuera un metal. Así pues, en estas condiciones, se pueden utilizar para las cerámicas metalizadas procedimientos de unión metalotécnica estandarizados, tales como soldadura fuerte (latón), soldadura ordinaria y adhesividad por difusión atómica en estado sólido. Debido a que no existen huecos en la interfase, cuando conductores térmicos, como el nitruro de aluminio y el óxido de berilio, se metalizan se pueden alcanzar conductividades térmicas más elevadas (teóricas).
Por metalización sobre un substrato continuo, después de una correcta difusión física, se puede crear una auténtica cohesión atómica entre una cerámica, en forma de fibra, y el metal y, de esta forma, alcanzar una resistencia teórica análoga a la de las compositas de matriz metálica.
Cerámicas de baja temperatura adheridas al acero
Los técnicos investigadores están ya utilizando las cerámicas en los rotores de turboalimentadores. Lo más probable es que, la evolución hacia el motor de explosión adiabático se lleve a cabo únicamente después de que se haya encontrado la manera más fuerte de unir las cerámicas al acero.
El problema, hasta ahora, ha sido que la fundición nodular se degrada por encima de los 750 °C, que son las temperaturas necesarias para adherir la circonia parcialmente estabilizada (Zr02, SPZ) a la fundición nodular.
Los procesos en cuestión tratan a la cerámica (capa) y al metal (substrato) conjuntamente, para adherir aquélla a éste (los métodos convencionales operan solamente sobre el metal) originando, mediante ciertos agentes, la reacción y adherencia de la cerámica al acero a temperaturas por debajo de los 750°C. En el nuevo método se están diseñando piezas de transición para minimizar las tensiones sobre la cerámica.
Pequeñas muestras, obtenidas por este proceso, han proporcionado excelentes resistencias a la cizalladura y buena resis tencia al choque térmico.
Metales adheridos a cerámicas resistentes a las altas temperaturas
En los ensayos para adherir capas metálicas a ciertas cerámicas, para mejorar las propiedades físicas de éstas; se ha encontrado, frecuentemente, que los materiales compuestos (compositas) así formados pueden presentar ciertas debilidades. La baja reactividad de la mayoría de las cerámicas con los metales, que constituyen las capas adheridas, limita los tipos de compositas que puedan formarse con metales de alto punto de fusión así como las técnicas de empleo.
La depositación de vapor físico, no obstante, resuelve el problema de la baja reactividad, pero cuando la lámina metálica se suelda, por soldadura fuerte (latón), a otro metal, el calor generado reduce la adherencia (ligadura) de la lámina metálica a la cerámica. Además, los ciclos térmicos originan adherencias debilitadas debido a diferencias en los coeficientes de dilatación.
Los investigadores han salvado, en parte, estos problemas de las compositas cerámica/metal al adherir una capa metálica, compuesta de varios films metálicos, a la cerámica substrato. Inicialmente, se adhirieron dos films metálicos, a la cerámica, por deposición gaseosa: Un primer film se constituye por metales del Grupo IV-A (Ti y Zr con preferencia), altamente activos que reaccionan con la cerámica para formar nitruros y óxidos; ello origina una fuerte adherencia y amortigua la dilatación de la cerámica. A continuación, un 2º film, constituido por un metal del Grupo I-B, ahora por Cu, Au, ó Ag, se adiciona por deposición gaseosa, amortiguándose también los choques térmicos. Puede también añadirse una capa opcional de elementos metálicos, del Grupo VIII (Fe, Co), para mejorar el mojado durante las soldaduras, con Ag, de otras láminas metálicas.
Una capa superior (exterior), con elementos del Grupo I-B, proporciona mayor ductilidad al conjunto y un mayor espesor de la capa metálica global, proporcionando así los mejores resultados de resistencias mecánicas y térmicas.