II. CONSIDERACIONES DE LOS PROCESOS PVD
II.3. Características del recubrimiento
Finalmente en la elección del recubrimiento se ha de considerar que, desde un punto de vista físico-químico, las propiedades están también determinadas por su composición química y tipo de enlace1 así como por la arquitectura de recubrimiento. Estos dos factores van a determinar de
manera crítica la funcionalidad del recubrimiento.
Desde el punto de vista físico-químico las propiedades del recubrimiento están determinadas por su composición química y el tipo de enlace que posee. Atendiendo a este criterio los recubrimientos PVD se pueden clasificar en:
- materiales con enlace tipo metálico, donde se engloban un amplio conjunto de nitruros, boruros y carburos. La estructura cristalina se halla formada por una red de cationes con radio iónico elevado intercalados con aniones de pequeño tamaño, debido a lo cual se les puede conocer como compuestos intersticiales. Debido al elevado radio iónico de los cationes metálicos, se produce un cierto solapamiento entre los orbitales atómicos, por lo que el enlace atómico es una mezcla de iónico-covalente-metálico, confiriendo al material características propias de los metales (alta conductividad eléctrica y brillo metálico), pero por otro lado tienen una alta dureza y estabilidad química a temperatura ambiente típica de materiales cerámicos.
-materiales con enlace iónico, son fundamentalmente óxidos como la alumina, zircona, dióxido de silicio, etc. Su estructura cristalina está formada por una red de aniones de radio iónico elevado, con intercalación de cationes de menor tamaño. Estos materiales se caracterizan por su alta dureza y baja conductividad térmica. Pero, sobre todo, una elevada estabilidad química, incluso a alta temperatura. Esta es la característica que hace de estos materiales, los candidatos idóneos como recubrimientos resistentes a la oxidación.
-materiales con enlace covalente, son aquellos que están formados por elementos de peso atómico bajo, como C tipo diamante, BN, SiC y AlN. Presentan una elevada dureza y una excelente estabilidad química. Normalmente la adherencia sobre los substratos es crítica dada a la poca tendencia que tienen para reaccionar con otros materiales. Quizás uno de los compuestos que más interés ha despertado durante los últimos años es lo que se conoce como carbono tipo diamante o DLC-Diamond Like Carbon-. Se trata de una estructura de carbono amorfo con una hibridación sp2+ sp3, lo que le confiere una dureza y resistencia al rayado similar a la del diamante pero con una conductividad eléctrica propia del grafito.
Además del tipo de enlace entre los átomos constituyentes del recubrimiento, sus propiedades van a estar determinadas también por la arquitectura del recubrimiento depositado. Uno de los errores más habituales en la deposición de recubrimientos, es considerar que su funcionalidad viene marcada únicamente por las características intrínsecas del material depositado. Sin embargo, en las condiciones de servicio influyen muchos aspectos: las características del substrato, del recubrimiento, de la intercara entre el recubrimiento y el substrato, y la superficie del recubrimiento. Obviando las características propias del substrato, parece evidente que en muchas ocasiones es difícil que un único material cumpla todas las propiedades exigidas a la intercara, al recubrimiento y a la superficie. Por eso, para superar este inconveniente, se han desarrollado distintas tipologías de recubrimiento con estructuras más o menos complejas que permiten optimizar las propiedades del conjunto.
Atendiendo a estos diseños, se pueden distinguir tres tipos de arquitecturas de recubrimiento: - capas gradiente: se trata de recubrimientos cuya composición varía desde la intercara hasta la superficie, consiguiendo propiedades específicas en cada parte del recubrimiento. Una buena adherencia en la intercara68,69 ; un bulk donde el material presente las
propiedades específicas del recubrimiento; y una superficie con una elevada estabilidad química -Figura 12a-. Se ha demostrado que, generalmente, la deposición de recubrimientos con gradientes de composición ofrecen mejores propiedades tribológicas70.
Un ejemplo es el del sistema Ti/TiN/TiCN/C. El titanio, al igual que otros metales -sobre todo los de transición-, tiene muy buenas propiedades de adherencia con substratos muy diferentes. El TiN, a su vez, presenta buena compatibilidad con el titanio y además, posee una elevada dureza y buena estabilidad química, aunque su coeficiente de rozamiento
suele ser elevado. Por ello, se suele incluir una capa de TiCN, que también ofrece una elevada dureza pero con un menor coeficiente de rozamiento. Y, finalmente, disminuyendo la cantidad de titanio y nitrógeno, se deposita la capa más externa de carbono puro con propiedades autolubricantes.
-multicapas: Las multicapas se forman por el apilamiento de capas alternadas de dos materiales, con propiedades diferentes y normalmente con intercaras abruptas -Figura 12b-. El aumento de intercaras paralelas a la superficie, es interesante desde el punto de vista de sus propiedades mecánicas, ya que actúan como barreras deteniendo la propagación de grietas y aumenta la tenacidad del conjunto. Además, este tipo de estructuras proporcionan una mejor resistencia a la corrosión obstaculizando la entrada de los agentes corrosivos hacía el substrato.
-capas mixtas: son aquellas formadas por soluciones sólidas de dos materiales, en las proporciones necesarias para exceder los límites de solubilidad y formar estructuras metaestables, mejorando así las propiedades mecánicas -Figura 12c-. Algunos ejemplos de estos materiales los encontramos en el TiAlN o el CrAlN, que combinan las propiedades de buena adherencia de los compuestos metálicos como CrN o TiN con la dureza de los compuestos covalentes como el AlN.
a) Esquema de un recubrimiento gradiente. b) Esquema de un recubrimiento multicapa c) Esquema de un recubrimiento mixto