Caracterización Microestructural del Recubrimiento CrTiAlSiN Depositado Sobre Metal Duro K20 Mediante Sistema de Cosputtering.

Abstract

En el presente trabajo de grado se estudió el efecto de la adición de silicio en el recubrimiento TiAlCrN a partir de la caracterización microestructural, propiedades mecánicas y desgaste de este depositado sobre sustrato de metal duro K20. Para la obtención de estas películas delgadas se empleó la técnica de deposición en fase vapor (PVD) con magnetrón desbalanceado (cosputtering), utilizando el equipo propiedad de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá, que cuenta con dos magnetrones y dos fuentes, una de corriente alterna y otra con corriente continua.

Las técnicas de caracterización empleadas durante este trabajo incluyen la microscopia electrónica de barrido (SEM), espectrometría dispersión de energía de rayos X (EDS) y difracción de rayos X (XRD), así como también la técnica de nanoindentación para medidas de dureza y un equipo de desgaste según la norma ASTM B611.

Para estos últimos se adecuo mecánica y electrónicamente la máquina de ensayos de norma ASTM G65 existente en la Universidad ECCI, garantizando repetitividad en los ensayos en cada una de las dos normas. Asimismo, se modificó el equipo teniendo el análisis de películas delgadas, razón por la cual se modifica el peso de la masa por un valor de 1000 g con dimensiones de Ø127mm por una longitud de 10mm, obteniendo así una fuerza sobre la probeta de 37.2N.

En cuanto al depósito, la variación en los parámetros llevó a obtener las mayores durezas con 170 V en la fuente RF del blanco de cromo y 270 V para la fuente DC del blanco de TiAl donde se dispusieron las piezas de silicio y una temperatura de 270 °C.

A nivel microestructural se evidenció que la adición de silicio provocó aumento en el parámetro de red, disminución del tamaño de cristalito y aumento en dureza y módulo elásticos que son razonables debido a la incorporación de silicio en la red del TiAlCrN.

El efecto del silicio sobre las propiedades antes descritas está asociado a la ley de Hall Petch debida al afino de grano; no obstante, en los recubrimientos dicha ley es aplicable siempre que se considere una fase matriz suficientemente dura sumado a intercaras finas que no produzcan ablandamiento. Sin embargo, es necesario evidenciar esto mediante microscopia electrónica de transmisión. Existe otra teoría, que en función de los resultados de este trabajo de grado cobra más validez y es la que relaciona el incremento en la dureza debido al refinamiento microestructural que produce el bloqueo de las bandas de deslizamiento por los límites de grano.

El comportamiento a desgaste es otra propiedad importante a la hora de analizar la integridad de los recubrimientos y sustratos. En primer lugar, con el equipo de desgaste modificado para la norma ASTM B611 se realizaron medidas y validaciones de este a partir de ensayos sobre el sustrato (metal duro K20) las cuales mostraron alta reproducibilidad con promedio de pérdida de masa de 0.7826 g y varianza de 0.0857. Esto indica que el proceso es robusto viéndose poco afectado por factores externos de ruido.

En segundo lugar, se realizaron medidas sobre el recubrimiento bajo las condiciones antes mencionadas. Los resultados de estas medidas muestran una relación directa entre la dureza, el módulo elástico y el desgaste. En este sentido, y como ya se discutió, el silicio genera reducción en el tamaño de cristalito aumentando la dureza y módulo elástico, provocando menores pérdidas de masa y volumen de material. Esto se demostró lo estableciendo las relaciones H/E y H3/E2 en donde su aumento está bien correlacionado con un mejor desempeño de estos materiales frente la resistencia al desgaste