Plasma electrolytic oxidation technology for the development of high-performance coatings on cast Al-Si alloys

La industria del transporte representa en la actualidad uno de los sectores más relevantes a nivel global. Sin embargo, y dado que la mayoría de los vehículos actuales funcionan con combustibles fósiles, esta industria también constituye una de las más contaminantes. Una de las estrategias más eficaces para la disminución del consumo de combustible y de las emisiones contaminantes consiste en el desarrollo de componentes formados por materiales más ligeros, entre los que destacan las aleaciones de aluminio. Entre la amplia gama de aleaciones de aluminio, resultan de especial interés las aleaciones de fundición de aluminio-silicio (Al-Si), constituyendo los materiales no férricos más ampliamente empleados en el sector automovilístico. Sin embargo, la baja resistencia frente al desgaste y la corrosión de estas aleaciones ha restringido notablemente su utilización en diversas aplicaciones. La modificación superficial de las aleaciones de Al-Si por medio del desarrollo de recubrimientos ha demostrado ser el método más eficaz para la mejora de las propiedades tribológicas incluso en condiciones extremas.

La electro-oxidación por plasma (PEO) es una avanzada tecnología electroquímica que ha revolucionado la modificación superficial de diversos materiales metálicos, entre los que destacan el aluminio, el titanio y el magnesio. Debido a las interesantes propiedades de estos recubrimientos, la tecnología PEO se postula como una de las técnicas más viables para el aumento de la durabilidad y mejora del comportamiento de diversos componentes de aluminio, al mismo tiempo que es una tecnología respetuosa con el medio ambiente. No obstante, y a pesar de haber proporcionado resultados prometedores en comparación con el anodizado, el desarrollo de recubrimientos PEO de altas prestaciones sobre aleaciones de fundición de Al-Si aún constituye un reto en la actualidad.

Este trabajo ha consistido en el desarrollo de recubrimientos PEO multifuncionales de altas prestaciones sobre aleaciones de fundición de Al-Si.

Para lograr este fin, se han desarrollado nuevos electrolitos alcalinos de base acuosa, formulados específicamente para este tipo de substratos metálicos, al mismo tiempo que se ha investigado la influencia de los parámetros eléctricos de proceso más relevantes. Así, mediante una optimización multivariable de los procesos y la aplicación de diferentes regímenes eléctricos se ha logrado obtener recubrimientos de elevado espesor, densidad, homogeneidad y dureza, así como con funcionalidad estética sobre complejas aleaciones secundarias e hipereutécticas de fundición de Al-Si. Además, los nuevos recubrimientos desarrollados también han presentado una excelente mejora de las propiedades tribológicas y dieléctricas, así como de la resistencia frente a la corrosión y la tribocorrosión, respecto de las aleaciones de Al-Si de referencia. Por otro lado, se han realizado ensayos tribológicos específicos para el estudio de la viabilidad de los recubrimientos PEO sobre fundición de Al-Si en aplicaciones de camisas de motor y sistemas de freno. En este caso, las prestaciones proporcionadas por los recubrimientos PEO han sido comparadas frente a las obtenidas con la fundición de hierro, material tradicionalmente empleado en estas aplicaciones, habiendo logrado resultados competitivos a nivel tribológico, obteniendo además un notable aligeramiento de los componentes. Finalmente, se ha realizado un análisis del escalado de la tecnología PEO a nivel industrial, considerando factores técnicos, económicos y medioambientales.

La presente tesis doctoral proporciona nuevo conocimiento acerca del desarrollo de recubrimientos PEO multifuncionales sobre aleaciones de fundición de Al-Si. Los resultados extraídos de este estudio ponen de manifiesto que la tecnología PEO no solo es una alternativa más eficiente y sostenible frente al anodizado convencional, sino que su aplicación en el sector del transporte contribuiría a la mejora de la sostenibilidad ambiental y al desarrollo de componentes de mayores prestaciones.