Deposición Física de Vapor de Cr/Cr2N sobre insertos de WC–Co con oxidación controlada

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(1)Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Monterrey Escuela de Ingeniería y Ciencias. “Deposición Física de Vapor de Cr/Cr2N sobre insertos de WC–Co con oxidación controlada” Tesis presentada por. Sergio Olivares Ramírez sometida a la Escuela de Ingeniería y Ciencias como un requisito parcial para obtener el grado académico de Maestro en Ciencias con Especialidad en Sistemas de Manufactura. Monterrey, Nuevo León, 5 de diciembre de 2017.

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(4) Dedicatoria Le quiero dar gracias a Dios por darme la oportunidad y la motivación para presentar y terminar el grado de Maestro en Ciencias con Especialidad en Sistemas de Manufactura en el Campus Monterrey del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Así mismo, le quiero agradecer a mis abuelos, Raúl y Águeda, por apoyarme financieramente en la manutención de este proyecto. A mi madre, Ma. Águeda Patricia, por su paciencia, soporte, motivación y confianza incondicional. A mi hermano, Marlon Mijaíl, y a mi padre, Sergio, por su entereza. Finalmente, a todas aquellas personas que directa o indirectamente coadyuvaron a la realización de mi meta. Gracias a todos por ser mi motivación principal para desarrollar este trabajo; sin su ayuda, nada de esto sería posible.. 4.

(5) 5. Reconocimientos Me gustaría expresar mi profunda gratitud a todas aquellas personas que han estado conmigo a lo largo de este proyecto; profesores, compañeros, directores, jefe de laboratorio, quienes estuvieron conmigo durante este trayecto y enriquecieron mi desarrollo. Al Tecnológico de Monterrey, por sus programas de becarios, los cuales me permitieron cubrir todos los gastos de colegiatura y de manutención durante los períodos escolares en los que se desarrolló..

(6) 6. “Deposición Física de Vapor de Cr/Cr2N sobre insertos de WC–Co con oxidación controlada” por Sergio Olivares Ramírez. Resumen En este trabajo, se realizó el recubrimiento multicapa de Cr/Cr2N por Deposición Física de Vapor (PVD) sobre insertos de WC–Co y placas de INCONEL 718 en atmósfera de N2 con oxidación controlada posterior; y para verificar su desempeño se hicieron pruebas de caracterización físico-química. La primer capa, formada por CrN y Cr2N, tiene un espesor de 1 µm, mientras que la segunda capa, formada por CrN y CrO, tiene un espesor de 2 µm. En el análisis térmico, se comparó la conductividad térmica 𝜅 de una placa de INCONEL 718, la cual es menor con recubrimiento que sin el. Se empleó la técnica de difracción de rayos X con incidencia rasante (GIXRD) para detectar la presencia de las fases de Cr/Cr2N; además, se usó la espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS) y la microscopía electrónica de barrido (SEM) para obtener la composición química y las micrografías de la superficie, las cuales revelan la presencia de las fases de CrN y CrO en la superficie del recubrimiento. Mediante el ensayo de microdureza, se obtuvo el número de dureza Vickers, el cual es mayor en las muestras recubiertas. Se realizó la prueba de tribología con la configuración de bloque sobre anillo a temperatura ambiente de un bloque de INCONEL 718 con y sin recubrimiento sobre un anillo de acero D2 para investigar su fricción y propiedades de desgaste; así mismo, se realizó una prueba de desgaste en simulador activado para medir el desgaste gradual de las fresas de WC K20 con y sin recubrimiento usando Al2O3 como abrasivo; y se hicieron pruebas de maquinado sobre acero D2 usando insertos de WC K20 con y sin recubrimiento para medir el desgaste del radio de borde y del ángulo de corte. Los resultados muestran que tanto la fricción como el desgaste son menores en el caso de las muestras recubiertas. También se llevó a cabo una prueba de corrosión en cámara de niebla salina con solución 0.5 M de NaCl a 24, 48, 96 y 168 horas de exposición sobre las placas de INCONEL 718 con y sin recubrimiento, la cual muestra que la resistencia a la corrosión del recubrimiento nitrurado es mayor..

(7) 7. Contenido Resumen ........................................................................................................................ 6 Lista de Figuras ............................................................................................................... 9 Lista de Tablas .............................................................................................................. 11 1 Introducción .............................................................................................................. 12 1.1 Objetivo ...................................................................................................................................... 12 1.2 Definición del problema y contexto ........................................................................................... 12 1.3 Preguntas de investigación ......................................................................................................... 15 1.4 Perspectiva general de la solución ............................................................................................. 15 1.5 Contribuciones principales ......................................................................................................... 15 1.6 Organización de la tesis .............................................................................................................. 16. 2 Antecedentes ............................................................................................................ 17 2.1 Deposición de Vapor por Arco .................................................................................................... 18 2.1.1 Arcos .................................................................................................................................... 18. 2.1.1.1 Arcos al Vacío .............................................................................................................................. 18 2.1.1.2 Arcos Gaseosos ........................................................................................................................... 19 2.1.1.3 Arcos Anódicos ............................................................................................................................ 19 2.1.1.4 Arcos Catódicos ........................................................................................................................... 20 2.1.1.5 “Macros” ..................................................................................................................................... 21 2.1.1.6 Química del plasma de arco ........................................................................................................ 21 2.1.1.7 Ionización post-vaporización ....................................................................................................... 22. 2.1.2 Configuraciones de fuente de arco ...................................................................................... 22 2.1.2.1 Fuentes de arco catódico ............................................................................................................ 22 2.1.2.2 Fuentes de arco anódico ............................................................................................................. 24. 2.1.3 Deposición de arco reactivo ................................................................................................ 25 2.1.4 Materiales de arco .............................................................................................................. 25 2.1.5 Sistema de deposición de vapor por arco ............................................................................ 25 2.1.5.1 Fuentes de poder ........................................................................................................................ 26 2.1.5.2 Sujetadores ................................................................................................................................. 26. 2.1.6 Monitoreo y control del proceso ......................................................................................... 26 2.1.7 Contaminación debida a la vaporización de arco................................................................ 27 2.1.8 Ventajas y desventajas de la deposición de vapor por arco ................................................ 27 2.1.8.1 Ventajas ....................................................................................................................................... 27 2.1.8.2 Desventajas ................................................................................................................................. 27. 2.1.9 Aplicaciones de la deposición de vapor por arco ................................................................. 27. 3 Revisión Bibliográfica ................................................................................................ 28 3.1 Recubrimientos........................................................................................................................... 28 3.2 Materiales ................................................................................................................................... 32 3.3 Desempeño................................................................................................................................. 38 3.4 Parámetros del proceso.............................................................................................................. 40 3.4.1 Temperatura del sustrato .................................................................................................... 41 3.4.2 Presión ................................................................................................................................. 42 3.4.3 Voltaje de sesgo del sustrato............................................................................................... 42 a) CrN/NbN ................................................................................................................................... 42 b) TiAlN, TiAlCrSiN ........................................................................................................................ 43.

(8) 8 c) AlTiCrN ...................................................................................................................................... 44 d) ZnO ........................................................................................................................................... 46. 4 Pruebas de Caracterización Físico-Química ................................................................ 47 4.1 Elaboración de probetas y prototipos ........................................................................................ 47 4.2 Transferencia de calor ................................................................................................................ 49 4.2.1 Método experimental .......................................................................................................... 50 4.2.2 Resultados ........................................................................................................................... 51 4.3 Difracción de rayos X con incidencia rasante ............................................................................. 53 4.3.1 Método experimental .......................................................................................................... 53 4.3.2 Resultados ........................................................................................................................... 54 4.4 Espectroscopia de rayos X de energía dispersiva ....................................................................... 55 4.4.1 Método experimental .......................................................................................................... 55 4.4.2 Resultados ........................................................................................................................... 55 4.5 Ensayo de microdureza Vickers .................................................................................................. 57 4.5.1 Método experimental .......................................................................................................... 58 4.5.2 Resultados ........................................................................................................................... 59 4.6 Tribología .................................................................................................................................... 60 4.6.1 Método experimental .......................................................................................................... 61 4.6.2 Resultados ........................................................................................................................... 62 4.7 Prueba de corrosión con solución 0.5 M de NaCl ....................................................................... 63 4.7.1 Método experimental .......................................................................................................... 64 4.7.2 Resultados ........................................................................................................................... 66 4.8 Prueba de desgaste en simulador activado ................................................................................ 68 4.8.1 Método experimental .......................................................................................................... 72 4.8.2 Resultados ........................................................................................................................... 74 4.9 Pruebas de maquinado ............................................................................................................... 79 4.9.1 Método experimental .......................................................................................................... 82 4.9.2 Resultados ........................................................................................................................... 82. 5 Discusión de Resultados ............................................................................................ 86 6 Conclusiones ............................................................................................................. 90 7 Trabajos Futuros ........................................................................................................ 91 Apéndice Historia de la Tecnología de Recubrimiento .................................................. 92 Apéndice A: Abreviaciones y Acrónimos ......................................................................110 Apéndice B: Variables y Compuestos Químicos............................................................111 Trabajos citados ..........................................................................................................113 Curriculum Vitae .........................................................................................................116.

(9) 9. Lista de Figuras Figura 1. Aparato de Wright [10]. ........................................................................................ 17 Figura 2. Método de Edison para duplicar fonogramas [10]. .............................................. 18 Figura 3. Arco al vacío [8]..................................................................................................... 18 Figura 4. Deposición de arco anódico de plata sobre berilio [8].......................................... 20 Figura 5. Fuentes de arco catódico aleatorias y una imagen del movimiento del arco sobre la superficie [8]. ................................................................................................................... 22 Figura 6. Fuente de arco catódico conducido [8]................................................................. 23 Figura 7. Fuente de “arco filtrado” usando un ducto de plasma [8].................................... 24 Figura 8. Fuentes de arco anódico [8].................................................................................. 25 Figura 9. Estructura de las capas evaporadas [7]. ................................................................ 41 Figura 10. Estructuras de película típicas a diferentes temperaturas de sustrato [7]. ........ 41 Figura 11. Imágenes (SEM) del desgaste de flanco para la herramienta recubierta de AlTiCrN (HPPMS) (vc, 320 m/min; avance f, 0.26 mm/rev; ap, 1 mm) [2]. ........................... 45 Figura 12. Imágenes (SEM) del desgaste de flanco para la herramienta recubierta de AlTiCrN (CAE) (vc, 320 m/min; avance f, 0.26 mm/rev; ap, 1 mm) [2]. ................................. 45 Figura 13. Herramientas de corte y prototipos de álabes [33]. ........................................... 48 Figura 14. Aparato de análisis térmico [33]. ........................................................................ 51 Figura 15. Comportamiento térmico de la placa de INCONEL 718 entre las placas de acero [33]. ...................................................................................................................................... 52 Figura 16. Difractograma de la muestra recubierta [33]. .................................................... 54 Figura 17. Imagen obtenida por MEB a 2000x [33]. ............................................................ 55 Figura 18. Imagen obtenida por MEB y su mapeo en el área [33]. ...................................... 56 Figura 19. Imagen obtenida por MEB y su mapeo en el punto señalado [33]. .................... 56 Figura 20. Aparato de microdureza Vickers modelo 402-MVD de Foundrax-Wolpert (izquierda) y aparato Tukon modelo 2100 de Foundrax-Wolpert (derecha) [33]. .............. 57 Figura 21. Penetrador Vickers [33]. ..................................................................................... 58 Figura 22. Equipo usado para el ensayo de dureza (izquierda). Muestras a analizar (derecha) [33]. ..................................................................................................................... 58 Figura 23. Huella del microindentador después de aplicar la carga de 19.6133 N (2 kgf) por 10 s [33]. .............................................................................................................................. 59 Figura 24. Esquema de prueba bloque sobre anillo [34]. .................................................... 62 Figura 25. Réplicas para ensayo de corrosión acelerada [33]. ............................................. 65 Figura 26. Acomodo de muestras replicadas a 45° para análisis de corrosión [33]............. 65 Figura 27. Fotografías 20x antes y después del análisis de corrosión acelerada a 24, 48, 96 y 168 horas de la muestra 1 [33]. ........................................................................................ 66 Figura 28. Réplicas en cámara salina a 0 (a), 24 (b), 48 (c), 96 (d) y 168 (e) horas de exposición [33]. .................................................................................................................... 67 Figura 29. Microscopías de réplicas a 196 horas de exposición [33]. .................................. 67 Figura 30. Clasificación del desgaste abrasivo por el tipo de contacto: a) abrasión de dos cuerpos, b) abrasión de tres cuerpos, c) erosión [33]. ........................................................ 69.

(10) 10 Figura 31. Clasificación del desgaste abrasivo por el contacto y el ambiente: a) sistema abierto de dos cuerpos, b) sistema cerrado de dos cuerpos, c) sistema abierto de tres cuerpos, d) sistema cerrado de tres cuerpos [33]. .............................................................. 70 Figura 32. Formas del abrasivo: a) alúmina, b) arena sílice [33]. ......................................... 71 Figura 33. Fresas recubiertas de cuatro filos de WC 90, Co 10 [33]. ................................... 72 Figura 34. Microscopio óptico Alicona Infinite Focus SL [33]. .............................................. 73 Figura 35. Probeta 1 (con recubrimiento): Superficie sin desgaste [33]. ............................. 75 Figura 36. Probeta 2 (con recubrimiento): Superficie con desgaste [33]. ........................... 75 Figura 37. Probeta 3 (con recubrimiento): Superficie con desgaste [33]. ........................... 76 Figura 38. Probeta 4 (sin recubrimiento): Superficie con desgaste [33]. ............................. 76 Figura 39. Perfil de altura típico de la probeta 1 (con recubrimiento) [33]. ........................ 77 Figura 40. Perfil de altura típico de la probeta 2 (con recubrimiento) [33]. ........................ 77 Figura 41. Perfil de altura típico de la probeta 3 (con recubrimiento) [33]. ........................ 77 Figura 42. Perfil de altura típico de la probeta 4 (sin recubrimiento) [33]. ......................... 77 Figura 43. Rugosidad Media Aritmética [33]. ...................................................................... 78 Figura 44. Corte con fresa recubierta [33]. .......................................................................... 81 Figura 45. Makino PS95 VMC [33]. ...................................................................................... 81 Figura 46. Reporte de medición del borde de corte [33]. .................................................... 83 Figura 47. Reporte de medición del borde de corte [33]. .................................................... 83 Figura 48. Reporte de medición del borde de corte [33]. .................................................... 84 Figura 49. Reporte de medición del borde de corte [33]. .................................................... 84 Figura 50. Gráfica de barras de los radios de los filos después del corte [33]. .................... 85.

(11) 11. Lista de Tablas Tabla 1. Materiales de recubrimiento y sus características. ................................................ 37 Tabla 2. Composición química de los aceros de herramienta probados [19]. ..................... 43 Tabla 3. Características principales de los recubrimientos usados (datos del fabricante) [17]. ...................................................................................................................................... 44 Tabla 4. Parámetros de deposición de películas de ZnO (CAPD) [27]. ................................. 46 Tabla 5. Propiedades de Carburos [31]. ............................................................................... 47 Tabla 6. Propiedades de Carburos Cementados [31]........................................................... 47 Tabla 7. Límite de Composición Química (%) [32]. .............................................................. 48 Tabla 8. Propiedades térmicas del INCONEL 718 [32]. ........................................................ 50 Tabla 9. Temperaturas de la placa de INCONEL 718 en la parte superior (contacto con la placa de acero a temperatura ambiente) [33]. .................................................................... 51 Tabla 10. Número de dureza Vickers (HV) para ambos tipos de muestras [33]. ................. 59 Tabla 11. Condiciones del ensayo bloque sobre anillo [33]. ................................................ 62 Tabla 12. Parámetros del WC K20 [33]. ............................................................................... 72 Tabla 13. Parámetros de prueba de desgaste abrasivo en condición seca [33]. ................. 74 Tabla 14. Datos de rugosidad obtenidos [33]. ..................................................................... 78 Tabla 15. Tabla de clases de rugosidades [33]. .................................................................... 78 Tabla 16. Clases de rugosidades [33]. .................................................................................. 79 Tabla 17. Clase de rugosidad de las probetas [33]............................................................... 79 Tabla 18. Especificaciones técnicas de Makino PS95 VMC [33]. .......................................... 80 Tabla 19. Especificaciones técnicas del acero D2 [33]. ........................................................ 80 Tabla 20. Valores de radios de los filos después del corte [33]. .......................................... 85 Tabla 21. Comparación de recubrimientos monocapa y multicapa sobre acero Vanadis 23 [14]. ...................................................................................................................................... 87.

(12) 12. 1 Introducción 1.1 Objetivo Desarrollar un nuevo recubrimiento por Deposición Física de Vapor de Cr/Cr2N con oxidación controlada que ayude a evitar la oxidación de una herramienta de corte, en este caso de WC–Co, expuesta a condiciones de trabajo de alta velocidad como elevadas temperaturas, fricción, desgaste y corrosión; para incrementar su vida útil.. 1.2 Definición del problema y contexto Debido a la carga mecánica (los esfuerzos de corte desiguales), a la variación de temperatura (ocurre el fenómeno de deformación plástica), a las reacciones químicas que existen entre la herramienta de corte y la pieza de trabajo, pero también por el fenómeno de abrasión y el fenómeno de adhesión, las superficies de las herramientas de corte están sujetas a desgaste [1]. En la actualidad, la tendencia del maquinado industrial es hacia el maquinado en seco, de alta velocidad y bajo costo y es debido al manejo del desperdicio, a los problemas ambientales y a la competitividad [2]. Las tendencias más importantes en el mercado son: • Velocidades de corte más altas, para aumento de productividad. • Maquinado en seco y/o mínima cantidad de lubricación para reducción de costos y aspectos ambientales. • Materiales difíciles de maquinar (materiales de alta dureza para componentes más ligeros y construcciones). Todas estas tendencias ponen más demanda en la resistencia al desgaste, resistencia a la deformación y dureza en el mismo grado [3]. Se ha reportado que el nitruro de boro cúbico y las herramientas de corte de diamante pueden ser usadas para maquinado en seco y de alta velocidad, lo cual eventualmente no provee una solución costeable [2]. Los procesos usados para agregar recubrimientos a las herramientas de corte sin tener en cuenta si el sustrato es HSS, carburo cementado, cermet, cerámico o material superduro—son la deposición de vapor química (CVD) y la deposición de vapor física (PVD). Generalmente, las capas en los recubrimientos CVD son más gruesas que las de los revestimientos PVD—en el orden de micrones de espesor, frente a tan finas como unos pocos nanómetros para recubrimientos PVD. PVD emergió en los 1980s como un proceso viable para aplicar recubrimientos duros a herramientas de carburo cementado. El proceso seleccionado depende de la composición del material de la herramienta, su geometría y en la aplicación intencionada de la herramienta. La diferencia principal entre PVD y CVD es la temperatura de procesamiento relativamente baja de la primera—500°C (930°F). Esta temperatura de procesamiento más baja resulta en múltiples beneficios para los recubrimientos de PVD. Por ejemplo, la estructura de grano del recubrimiento es muy.

(13) 13 fina. El resultado es un recubrimiento muy liso, brillante, con un bajo coeficiente de fricción. Y, los recubrimientos de PVD están esencialmente libres de la formación de las grietas térmicas que son comunes en los recubrimientos de CVD. Otra ventaja del proceso de PVD es la habilidad para recubrir herramientas con filos agudos y geometrías de rompevirutas complejas. Las microestructuras de los recubrimientos dependen de las condiciones de procesamiento. Ajustar los parámetros de proceso en la PVD permite la modificación de estructura columnar a una equiaxiada. Los recubrimientos de PVD también tienen esfuerzos de compresión internos muy altos que los ayudan a resistir la iniciación de grietas y su propagación. Minimizar la formación de grietas y su propagación puede ayudar a prevenir la falla prematura de la herramienta, mejorando la seguridad del filo de la herramienta [4]. Debido a la elevada temperatura durante el proceso de CVD (1,000°C), el sustrato de carburo cementado pierde alguna resistencia a la fractura. El proceso de PVD ofrece una temperatura de deposición menor y un filo de corte pronunciado se puede retener fácilmente, lo cual es esencial para maquinar aceros inoxidables [2]—el acero para HSS mantiene su dureza sólo hasta temperaturas alrededor de 550°C [5]. Varias técnicas de deposición de vapor físico están disponibles para deposición de recubrimientos duros. Entre ellos, deposición de vapor por arco catódico (plasma o recubrimiento de iones por arco), chisporroteo magnetron (o recubrimiento de iones por chisporroteo) y procesos combinados de magnetron y arco son las técnicas más ampliamente usadas para depositar varios recubrimientos duros. Estos procesos de PVD difieren con respecto al tipo de evaporación de los componentes metálicos y las condiciones de plasma empleadas durante el proceso de deposición. El proceso PVD de evaporación por arco emplea mayor energía de entrada que el proceso PVD de chisporroteo. En el caso de la evaporación por arco, una pequeña área catódica limitada es evaporada con un arco de energía muy alta que rápidamente se mueve sobre un punto en la superficie del metal a ser evaporada. El plasma generado consiste en vapor metálico altamente ionizado. Los recubrimientos depositados por arco catódico también exhiben un nivel mayor de adhesión al sustrato debido al efecto de bombardeo por iones o grabado por iones [6]. Sin embargo, materiales con alto punto de fusión no pueden ser efectivamente evaporados, ya que el suministro de energía es limitado. Aleaciones que contienen componentes de diferente presión de vapor no pueden evaporar estequiométricamente [7]. Una selección apropiada de la técnica de recubrimiento de PVD parece tener un impacto fuerte en la vida de la herramienta. Un ejemplo es el recubrimiento de AlTiCrN depositado por técnica HPPMS (chisporroteo por magnetron pulsado de alta energía) que demuestra mejores propiedades mecánicas y tribológicas que el recubrimiento depositado por la técnica CAE (evaporación por arco catódico). Además, el recubrimiento HPPMS demostró una morfología de sección transversal densa así como buena adhesión al sustrato. El recubrimiento HPPMS mostró mejores resultados en comparación al recubrimiento CAE dentro de la etapa de desgaste estable posterior debido a su excelente adhesión y a la formación de una capa de óxido mixto 𝛼(Al,Cr)2O3 estable. Una abrasión intensa y desportillamiento del filo de corte se observaron durante el maquinado usando la herramienta recubierta por CAE. La herramienta recubierta por HPPMS mostró una vida.

(14) 14 de herramienta casi 40% mayor que aquella de la herramienta recubierta por CAE. El chisporroteo por magnetron pulsado de alta energía (HPPMS) es una técnica de PVD ionizada novedosa. Proporciona propiedades de película superiores tales como películas densas y lisas y buena adhesión de película a sustrato [2]. Ventajas de los procesos de PVD (evaporación en alto vacío, deposición iónica y chisporroteo): • Recubrimientos de varias monocapas de hasta varias decenas de micrones se pueden producir. • La uniformidad y reproducibilidad son extremadamente altos. • El número de materiales de recubrimiento es muy alto. • Metales puros, aleaciones y compuestos químicos se pueden depositar. • Es posible depositar varias capas de diferentes materiales con diferentes espesores en una sola operación. • Los procesos de PVD no afectan el ambiente. • Características particulares de las capas tales como estructura, densidad, dureza y comportamiento eléctrico se pueden controlar al ajustar los parámetros de recubrimiento correspondientementes (i.e., temperatura del sustrato, presión del gas residual o velocidad de evaporación) [7]. Aunque alrededor del 60% de todos los carburos cementados recubiertos son recubiertos por CVD [3], el desarrollo en los recubrimientos por deposición física de vapor proporciona una solución eficiente y costeable para el maquinado de alta velocidad. La evaporación por arco catódico (CAE) es una de las técnicas de PVD, usadas con éxito principalmente para la preparación de recubrimientos duros, resistentes al desgaste, para herramientas y diferentes partes mecánicas. Tiene muchas propiedades excelentes, tales como ionización alta y homogeneidad excelente de recubrimientos sobre sustratos de forma compleja [2]. En muchos casos, los procesos de PVD compiten con los procesos de galvanoplateo y de revestimiento con respecto a la producción de capas de contacto. En casos especiales, uno de los otros procesos no es apropiado o es difícil de aplicar. Ejemplos típicos son el revestimiento de sustratos con molibdeno puro o rodio o el revestimiento de molibdeno con aleaciones especiales, e.g., platino-tungsteno. Los metales rodio, rutenio y renio no permiten un proceso de revestimiento. Los métodos de PVD hacen posible recubrir sustratos cerámicos sin dificultades. Especialmente en el campo de la electrónica este proceso es ampliamente usado. Con la ayuda de capas adhesivas chisporroteadas, por ejemplo capas soldables se pueden producir, lo cual muestra una resistencia de esfuerzo de varios kp/mm2. Además del galvanoplateo o el revestimiento, los métodos de PVD también pueden ser usados para depositar láminas de circuitos para equipo semiconductor. En este caso, con la introducción de una tecnología de máscara apropiada la deposición de punto es posible [7]. La deposición de vapor por arco es una técnica de deposición de vapor física (PVD) que utiliza la evaporación de un electrodo bajo condiciones de arco como fuente de material vaporizado. Las condiciones del arco consisten en una corriente eléctrica de bajo voltaje y alta corriente pasando a través de un gas o vapor del material del electrodo. El voltaje del arco solamente tiene que estar cerca del potencial de ionización del gas o.

(15) 15 vapor (>25 voltios). El bombardeo de iones en el cátodo y el bombardeo de electrones en el ánodo calientan los electrodos. La mayoría del material eyectado es evaporado termalmente pero algo es eyectado como gotas fundidas o partículas sólidas desde el cátodo. Un porcentaje grande de los átomos de vaporización están ionizados en el proceso de vaporización por arco. El arco se puede establecer entre electrodos espaciados muy cerca en vacío (arco de vacío) al vaporizar algo del material del electrodo, o entre electrodos en un ambiente gaseoso de baja o alta presión (arco gaseoso). Arcos gaseosos de alta presión no se usan en el procesamiento por PVD, pero se usan en procesos como rociado de plasma, soldadura por arco y recubrimiento por electrochispa [8].. 1.3 Preguntas de investigación Se requiere investigar lo relativo a los siguientes puntos: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7). El estado del arte de la tecnología de Deposición Física de Vapor por arco catódico. Los recubrimientos en las herramientas de corte. Los materiales usados como recubrimientos en esta tecnología. El desempeño de estos productos. Los parámetros del proceso de deposición que se deben controlar. La caracterización físico-química del recubrimiento a desarrollar. Los trabajos futuros.. 1.4 Perspectiva general de la solución Para desarrollar el recubrimiento seleccionado de Cr/Cr2N con oxidación controlada, se requieren realizar diferentes pruebas de caracterización físico-química, las cuales tienen el propósito de evaluar el desempeño del recubrimiento en condiciones de trabajo reales. Estas pruebas son: Transferencia de calor, Técnica de difracción de rayos X con incidencia rasante (GIXRD), Espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS), Ensayo de microdureza, Prueba de tribología con la configuración de bloque sobre anillo, Prueba de corrosión con solución 0.5 M de NaCl, Prueba de desgaste en simulador activado y Prueba de maquinado.. 1.5 Contribuciones principales Desarrollar un nuevo recubrimiento por Deposición Física de Vapor de Cr/Cr2N con oxidación controlada para incrementar la vida útil de herramientas de corte, en este caso se analiza el WC–Co..

(16) 16. 1.6 Organización de la tesis En el capítulo 2 Antecedentes, se analiza la respuesta a la pregunta de investigación: 1) El estado del arte de la tecnología de Deposición Física de Vapor por arco catódico; en el capítulo 3 Revisión Bibliográfica, se estudian 2) los recubrimientos en las herramientas de corte en la sección 3.1 Recubrimientos, 3) los materiales usados como recubrimientos en esta tecnología en la sección 3.2 Materiales, 4) el desempeño de estos productos en la sección 3.3 Desempeño y 5) los parámetros del proceso de deposición que se deben controlar en la sección 3.4 Parámetros del proceso. En el capítulo 4 Pruebas de Caracterización Físico-Química, se estudian la metodología y los resultados para la pregunta de investigación: 6) La caracterización físico-química del recubrimiento a desarrollar por sección: 4.2 Transferencia de calor, 4.3 Difracción de rayos X con incidencia rasante, 4.4 Espectroscopia de rayos X de energía dispersiva, 4.5 Ensayo de microdureza Vickers, 4.6 Tribología, 4.7 Prueba de corrosión con solución 0.5 M de NaCl, 4.8 Prueba de desgaste en simulador activado y 4.9 Pruebas de maquinado. Se hace la discusión de resultados en el capítulo 5 Discusión de Resultados y se dan las conclusiones en el capítulo 6 Conclusiones. Los trabajos futuros se mencionan en 7 Trabajos Futuros. Se incluyen los siguientes apéndices al final del documento: Apéndice Historia de la Tecnología de Recubrimiento, Apéndice A: Abreviaciones y Acrónimos y Apéndice B: Variables y Compuestos Químicos. Se proporcionan los Trabajos citados y un breve Curriculum Vitae..

(17) 17. 2 Antecedentes El primer registro de la tecnología de recubrimiento al vacío se origina en 1805 con el trabajo de Young sobre la relación del ángulo de contacto a la energía de superficie [9]. Sin embargo, la deposición por arco al vacío fue investigada por primera vez a finales del siglo 19 por A. W. Wright y T. A. Edison, como recubrimientos para espejos y capas para moldes de réplica de fonogramas, respectivamente. El aparato de Wright (Figura 1) consistió en un par de electrodos dentro de un recipiente de cristal, los cuales eran energizados desde una fuente de poder que consistía en una batería de celdas Grove y una bobina de inducción. Activar el interruptor mientras la corriente fluye impone un pulso de alto voltaje a lo largo del tubo de descarga, causando interrupción y, subsecuentemente, la corriente en la bobina fluye a través de la descarga. Presumiblemente, el interruptor era operado de manera repetitiva para producir series de pulsos.. Figura 1. Aparato de Wright [10].. Thomas A. Edison entregó en 1884 una aplicación de patente para un “proceso de recubrir un material con otro por deposición al electro-vacío”, la cual entró en conflicto con el trabajo previo de Wright, del cual no tenía conocimiento. Esto lo obligó a cambiar su patente a deposición por arco al vacío usando un arco eléctrico continuo. La patente aplicó finalmente el 18 de septiembre de 1894. En 1888, Edison entregó otra aplicación de patente para un proceso de duplicación de fonogramas (Figura 2). Sus fonogramas originales eran cilindros de cera, sobre los cuales se imprimía mecánicamente la banda sonora. Edison usó un arco al vacío para recubrir las impresiones fonográficas. Una vez que una buena deposición inicial se formaba, la deposición electroquímica se usaba para incrementar su grosor. Finalmente, el sustrato de cera podía ser removido, dejando un recubrimiento cilíndrico de pie conteniendo la impresión inversa de la banda sonora en la superficie interior, la cual servía como molde para vaciar fonogramas adicionales [10]..

(18) 18. Figura 2. Método de Edison para duplicar fonogramas [10].. Posteriormente, se han tenido muchos avances en este campo como se muestra en la línea de tiempo del Apéndice Historia de la Tecnología de Recubrimiento.. 2.1 Deposición de Vapor por Arco 2.1.1 Arcos 2.1.1.1 Arcos al Vacío La vaporización de arco en un vacío de baja presión ocurre cuando una densidad de corriente alta, corriente eléctrica de bajo voltaje pasa entre electrodos ligeramente separados en un vacío, vaporizando las superficies de los electrodos y formando un plasma del material evaporado entre los electrodos (Figura 3).. Figura 3. Arco al vacío [8].. Esto significa que la deposición del material del electrodo en vacío donde no hay termalización, está acompañada por bombardeo concurrente de la “capa de iones” de alta energía [8]..

(19) 19 2.1.1.2 Arcos Gaseosos El arco gaseoso involucra utilizar un ambiente gaseoso que va de pocos mTorr a presión atmosférica e incluso más. Cuando se usa un arco gaseoso para deposición de capas, la presión del gas se mantiene abajo para prevenir la nucleación de fase gaseosa del material vaporizado y permitir la aceleración de iones desde el plasma sin colisión y termalización. En el arco gaseoso, átomos gaseosos así como átomos de los electrodos son ionizados y sostienen la descarga. Esto permite a los electrodos de arco ser más ampliamente separados que en el arco al vacío. La distribución potencial en la región del interelectrodo de un arco gaseoso depende del voltaje, presión del gas, y corriente total. El gas que es usado en la deposición de arco gaseoso puede ser un gas inerte como argón si la deposición de un material elemental se desea o puede ser un gas reactivo o una mezcla de gas reactivo e inerte si la deposición de un material compuesto (deposición reactiva) se desea [8]. 2.1.1.3 Arcos Anódicos En una descarga de arco, si el ánodo se funde, el material se evapora de la superficie fundida del ánodo hacia el arco y a la fuente se le llama fuente de arco anódico. A este tipo de arco algunas veces se le conoce como arco distribuido, ya que la densidad de corriente es mucho menor en el ánodo que en la gota del cátodo (∼10 A/cm2 vs 104–106 A/cm2). El arco anódico tiene la ventaja de que las gotas fundidas no se forman. Como el ánodo se funde habrá vaporización preferencial de constituyentes de un electrodo aleado para que la deposición de materiales aleantes y materiales compuestos multi-componente pueda ser difícil usando el arco anódico. El grado de ionización del material del electrodo vaporizado en el arco anódico es generalmente menos que en el arco catódico y los iones están típicamente cargados de manera simple. Los arcos anódicos se pueden categorizar como la fuente de electrones. Los electrones pueden surgir de una superficie emisora de termoelectrones con temperatura elevada, de un cátodo hueco caliente o frío, o de un cátodo de arco. Un ejemplo de usar el arco anódico es la deposición de películas de plata adherente en berilio usando una fuente de electrones de un cátodo hueco caliente con desviación de campo magnético (Figura 4). Al aplicar un sesgo negativo alto de CD en el sustrato de berilio, el berilio se limpia de chisporroteo por la plata y los iones gaseosos entonces, al reducir el sesgo, se forma una película de plata adherente [8]..

(20) 20. Figura 4. Deposición de arco anódico de plata sobre berilio [8].. 2.1.1.4 Arcos Catódicos Si la vaporización ocurre primariamente desde la superficie del cátodo por erosión del arco al sistema se le llama fuente de arco catódico continuo. El cátodo puede ser fundido o sólido con un cátodo sólido enfriado por agua (“cátodo frío”). La fuente del cátodo frío es la fuente de arco catódico más común para deposición de películas. Para que un arco estable se forme debe haber un mínimo de corriente pasando a través del arco. Las corrientes de arco mínimas varían de 50–100A para materiales de bajo punto de fusión tales como cobre y titanio, de 300–400A para materiales refractarios tales como tungsteno. La mayoría de la caída del voltaje de arco ocurrirá cerca de la superficie del cátodo. El voltaje de arco puede ir de 15 voltios a 100 voltios dependiendo de la facilidad de movimiento de los electrones del cátodo al ánodo (i.e., diseño del cátodo). La energía de disipación en el arco es alrededor de: Calor Emisión de electrones Evaporación (átomos y macros) Ionización (sencilla y múltiple) Energía a iones Energía a electrones. 34% 21% 3% 7% 23% 10%. Problemas con la técnica de deposición de arco catódico incluyen estabilización y movimiento del arco en la superficie del sólido y la formación de “glóbulos” fundidos de tamaño micrométrico (o “macros”) del material eyectado de la superficie del sólido. Los macros no se forman si el cátodo está fundido. El movimiento del arco en el cátodo se ve afectado por la composición y presión del gas, el material del cátodo y sus impurezas y la presencia de campos magnéticos. Cuando no hay campo magnético, el arco tiende a moverse de manera completamente aleatoria [8]..

(21) 21 2.1.1.5 “Macros” Las macros se forman por ablación de partículas fundidas o sólidas por choque térmico y efectos hidrodinámicos en la gota fundida sobre una superficie sólida. Las macros no se forman de superficies anódicas o catódicas. El número y tamaño de las macros producidas a partir de la superficie sólida del arco catódico depende del punto de fusión y la presión del vapor del material del cátodo y el movimiento del arco. Las macros grandes (diámetro de decenas de micrones) se forman con materiales de bajo punto de fusión y movimiento de arco lento mientras que las macros pequeñas (<1 micra) se forman con materiales con alto punto de fusión y movimiento de arco rápido. Los glóbulos fundidos pueden representar desde un bajo a un alto porcentaje del material eyectado del cátodo. El material se puede evaporar térmicamente de los glóbulos fundidos eyectados y muchos de los átomos neutros encontrados en la vaporización de arco se piensa que se producen por evaporación térmica de los glóbulos eyectados. Este efecto puede causar que la composición de la película depositada varíe con el espesor y posición al depositar una aleación. Los glóbulos se pueden “filtrar” del arco usando varios medios como tales como el “ducto de plasma”. Otro enfoque para reducir el número de macros es hacer pasar el vapor y las macros a través de un plasma de alta densidad para evaporar aún más las macros. El número y tamaño de los glóbulos incrementa con materiales de bajo punto de fusión, corrientes y temperaturas de cátodo altas. El número de macros que se depositan en el sustrato se pueden minimizar al reducir la corriente de arco, incrementar la distancia entre fuente y sustrato, incrementar la presión del gas y al usar un campo magnético coaxial para incrementar la densidad de plasma. En la deposición reactiva, el número de macros disminuye con la presión parcial del gas reactivo—probablemente debido a los gases reactivos que reaccionan con la superficie objetivo produciendo un material más refractario [8]. 2.1.1.6 Química del plasma de arco La entalpía es la suma de la energía interna (contenido calorífico) de un sistema. La entalpía de un arco depende de la densidad de partícula y el grado de ionización. La presencia de una densidad alta de electrones energéticos en el plasma hace el plasma de arco una región rica para activación de especies químicas. Esta activación disocia las especies químicas, crea nuevas especies químicas y produce iones que pueden ser acelerados bajo un campo eléctrico aplicado. Esto es importante en procesos de deposición reactiva de películas y recubrimiento por iones [8]..

(22) 22 2.1.1.7 Ionización post-vaporización En algunos casos, particularmente al usar arcos anódicos, puede ser deseable incrementar la ionización de las especies de película vaporizadas. Esto puede hacerse al establecer un plasma auxiliar entre la fuente de arco y el sustrato o al usar un campo magnético axial para incrementar la longitud de la trayectoria de los electrones y la probabilidad de colisión ionizante [8]. 2.1.2 Configuraciones de fuente de arco 2.1.2.1 Fuentes de arco catódico Ha habido un número de diseños de fuentes de arco catódico. Cada fuente tiene que tener alguna manera de iniciar el arco y una configuración que re-encienda el arco cuando se extinga. Inicio del arco El arco se puede iniciar al tocar y separar los electrodos, usando un “arco detonante” de voltaje alto, ionización láser o alguna otra técnica que forme iones y electrones en una trayectoria entre los electrodos. Típicamente un arco detonante se obtiene de un voltaje alto en un electrodo auxiliar cerca de la superficie del cátodo causando que se forme el arco. Cuando un arco se extingue, la inductancia en la fuente de poder del arco da un pico de voltaje, el cual reinicia el arco. Fuentes de arco aleatorias Las fuentes de arco aleatorias son generalmente redondas y pueden estar rodeadas por un escudo separado del objetivo o un aislante en contacto con el objetivo (confinamiento de arco pasivo) (Figura 5). Cuando el arco entra en el espacio entre el objetivo y el escudo o se mueve sobre la superficie del aislante, se extingue. El ánodo puede ser las paredes de la cámara o una superficie separada en el sistema de vacío.. Figura 5. Fuentes de arco catódico aleatorias y una imagen del movimiento del arco sobre la superficie [8]..

(23) 23 Fuentes de arco conducido En la fuente de arco conducido el arco está confinado a la superficie por un campo magnético y se mueve en trayectorias específicas y con mayor velocidad que con el arco aleatorio. Usualmente el campo magnético tiene una configuración en forma de arco que cierra a sí misma (Figura 6). El campo magnético puede ser establecido usando electromagnetos o magnetos permanentes. Los magnetos permanentes se pueden mover físicamente para conducir el arco.. Figura 6. Fuente de arco catódico conducido [8].. La configuración de campo en forma de arco es muy similar a la configuración de chisporroteo de magnetrón plano y el cátodo se puede convertir de modo en forma de arco a modo de chisporroteo por cambios en la configuración de campo magnético. Esto permite que la deposición inicial se realice usando vaporización de arco para obtener buena adhesión y el espesor de película elaborado usando deposición de magnetrón por chisporroteo para evitar la producción de macros. A esto se le llama proceso de Adherencia de Arco por Chisporroteo (ABS). Fuentes de arco pulsado Los arcos pulsados se pueden hacer activando y rompiendo el circuito de arco al tocar repetitivamente las superficies en forma de arco o al usar una fuente de poder de CD pulsada. El pulsado se hace en vacío y no requiere enfriamiento activo. Este es el tipo de fuente que se usa en algunas fuentes de iones metálicos. “Arcos filtrados” Las macros se pueden remover del plasma de arco (“filtrar”) mediante varias técnicas. La técnica más común es el uso de un ducto de plasma ya sea en forma de sección toroidal (Figura 7) o una configuración de “rodilla” doblada. En el ducto, el plasma se desvía fuera de la línea de visión de la fuente de arco catódico por un campo magnético. Las macros se depositan en las paredes y sólo los iones de capa cargados llegan al sustrato. Típicamente, el ritmo de deposición se reduce a la mitad al usar el ducto de plasma. Al cambiar el sesgo del sustrato durante la deposición las propiedades de la capa de carbón se pueden controlar..

(24) 24. Figura 7. Fuente de “arco filtrado” usando un ducto de plasma [8].. Fuentes de “auto-chisporroteo” El proceso de chisporroteo no genera macros. “Auto-chisporroteo” es cuando un átomo de alta energía o ion del material objetivo bombardea un objetivo de chisporroteo y chisporrotea el material objetivo. La fuente de arco catódico provee iones de metal ionizados abundantes que pueden ser acelerados para chisporrotear un objetivo. Sanders usó una fuente de arco catódico para vaporizar y ionizar iones de metal, un campo magnético para ionización post-vaporización para incrementar la densidad de iones y auto-chisporroteo para vaporizar el material objetivo de chisporroteo a ser depositado. Esta técnica de deposición de chisporroteo/vaporización por arco elimina el problema de macros golpeando la superficie del sustrato [8]. 2.1.2.2 Fuentes de arco anódico Las fuentes de arco anódico son básicamente fuentes de evaporación calentadas por rayos sin enfocar de electrones de bajo voltaje y alta corriente. El rayo de electrones puede ser desviado por un campo magnético para que la fuente de emisión esté fuera de línea de visión de la fuente de evaporación (Figura 4) o puede estar en la línea de visión. Los electrones se pueden hacer ir en espiral en un campo magnético para incrementar la probabilidad de ionización post-vaporización del material evaporado. La Figura 8 muestra algunas configuraciones de fuente de arco anódico [8]..

(25) 25. Figura 8. Fuentes de arco anódico [8].. 2.1.3 Deposición de arco reactivo En la deposición de arco reactivo, el gas reactivo es activado en el plasma de arco. Usualmente la deposición se hace en un modo de recubrimiento de iones, i.e., iones de ambos el material de la película y el gas reactivo son acelerados al sustrato. Como los iones no juegan un papel en la vaporización de los electrodos, no hay necesidad de un gas inerte excepto para limpieza de chisporroteo del sustrato. Una presión parcial de gas inerte se puede necesitar para ayudar a sostener el arco si la composición de la película depositada es clasificada al controlar la disponibilidad del gas reactivo [8]. 2.1.4 Materiales de arco Los cátodos para arqueo catódico deben ser hechos de material completamente denso. Los objetivos de polvo comprimido se deben evitar, ya que no dan arqueo estable y las partículas son eyectadas de la superficie de arqueo. El material fundido para arqueo anódico se contiene usualmente en un crisol de la misma forma que para evaporación térmica [8]. 2.1.5 Sistema de deposición de vapor por arco La deposición de vapor por arco no tiene requerimientos especiales de vacío. En la deposición por arco reactivo, el control del flujo de gas debe ser establecido y controlado de la misma forma que para la deposición por chisporroteo reactivo. En la deposición por arco catódico por medio de un cátodo enfriado, el flujo de refrigerante y los sensores de temperatura deben usarse en el circuito de refrigeración del cátodo. Usualmente, en la deposición de vapor por arco, las cámaras de deposición son grandes para permitir a los sujetadores ser colocados bastante lejos de la fuente del arco. Al usar la deposición por arco catódico, seguido varias fuentes son colocadas en la cámara. Otra configuración de arco catódico usa un poste centrado como electrodo catódico. Al.

(26) 26 usar cámaras así de grandes, significa que grandes áreas colectarán el exceso de película depositada y se tendrán que limpiar [8]. 2.1.5.1 Fuentes de poder El arqueo utiliza fuentes de poder de bajo voltaje (100 voltios) y alta corriente (cientos de amperes) muy parecidas a las fuentes de poder de soldadura por arco. La fuente de poder debe tener una inductancia alta a fin de formar el pulso de alto voltaje necesario para reiniciar el arco cuando se apaga. Además de la fuente de arco, una fuente de poder sesgada de CD de alto voltaje (a 1,000 voltios) seguido se requiere para permitir la limpieza de chisporroteo de las partes en la cámara. El sesgo se reduce típicamente a 50– 100 voltios durante la deposición [8]. 2.1.5.2 Sujetadores La deposición de vapor por arco seguido involucra recubrir objetos en tres dimensiones y sujetadores rotatorios se requieren para que permitan la deposición sobre toda la superficie con un ángulo de incidencia uniforme del flujo de vapor depositado. Comúnmente, el sujetador está sesgado a algún voltaje para permitir la limpieza de chisporroteo y el bombardeo energético de la película que crece. En algunos diseños, las fuentes de arco están montadas en las paredes de las cámaras y en otros diseños la fuente de arco es un poste en el centro de la cámara. La posición de la fuente de arco afecta el diseño de los sujetadores y el herramental usado para sostener y mover los sustratos [8]. 2.1.6 Monitoreo y control del proceso La mayoría de la aplicación actual de la deposición de vapor por arco no requiere control de espesor de película estricto. La cantidad de película depositada se determina por los parámetros de proceso, la configuración de sujetadores y el tiempo de deposición. Seguido los sustratos a ser recubiertos se calientan en el sistema de deposición. Por ejemplo, el herramental se calienta a 300–400°C. Esto se puede hacer con calentadores radiantes o por bombardeo de iones durante la limpieza de chisporroteo. La temperatura se monitorea usando un pirómetro óptico infrarrojo de máxima lectura. En la deposición por arco, el control de la presión del gas generalmente no es tan crítico como en la deposición por chisporroteo y la presión del gas se monitorea de la misma manera que para la deposición por chisporroteo [8]..

(27) 27 2.1.7 Contaminación debida a la vaporización de arco Los contaminantes más comunes son las partículas generadas durante la deposición por arco catódico frío. Estas pueden ser glóbulos fundidos al ser eyectados del cátodo o pueden ser partículas sólidas tales como aquellas eyectadas del carbón u objetivos hechos de polvo comprimido [8]. Más de la mitad de los productos de la erosión del cátodo representan la fracción de gotas que no participan en la generación de plasma y empeora las propiedades de los recubrimientos. Para limpiar un flujo de plasma de gotas en los evaporadores de arco, diferentes filtros eléctricos curvilineares y magnéticos (conductores de plasma) se usan, lo cual inevitablemente resulta en pérdidas significativas de la intensidad de un flujo de plasma en la salida del filtro. Otro método obvio de limpieza de flujo de plasma de gotas es la evaporación de gotas [11]. Ver la configuración de “arcos filtrados” en la sección 2.1.2.1 Fuentes de arco catódico. 2.1.8 Ventajas y desventajas de la deposición de vapor por arco 2.1.8.1 Ventajas La vaporización de arco provee una velocidad de vaporización más alta que el chisporroteo pero no tan alta como la evaporación térmica. La vaporización a partir de superficies sólidas permite a las fuentes de arco catódico ser montadas en cualquier configuración. La producción de iones gaseosos y de película abundantes provee un flujo alto de iones para la limpieza del chisporroteo y para modificar las propiedades de la película por bombardeo concurrente durante la deposición. Las fuentes de poder de bajo voltaje usadas son atractivas desde un punto de vista de seguridad [8]. 2.1.8.2 Desventajas La producción de macros puede ser un factor determinante en algunas aplicaciones. 2.1.9 Aplicaciones de la deposición de vapor por arco La vaporización por arco catódico y anódico son ampliamente usadas para depositar recubrimientos duros y resistentes al desgaste tanto para aplicaciones decorativas como funcionales. [8]. Los espesores de capa individuales están en el orden de 0.5 µm y el espesor global de las películas multicapa es de 5 a 10 µm. El uso de recubrimientos duros se ha extendido más allá de las herramientas; hoy, recubrimientos duros se usan para muchas aplicaciones tribológicas, tales como en rodamientos o levas, y para recubrimientos decorativos o funcionales, tales como en plumas, perillas de puerta o grifos. Para elementos que giran tales como rodamientos, recubrimientos de herramienta estándar de 5 µm pueden ser de hecho perjudiciales, mientras que muchos.

(28) 28 recubrimientos más delgados (en el orden de 0.5 a 0.75 µm) pueden mejorar la vida de los elementos giratorios de seis a ocho veces. Para usar estos recubrimientos superduros (definidos con dureza >40 Gpa) en aplicaciones prácticas se requiere que sean depositados en materiales de sustrato policristalinos comunes tales como aceros o carburos cementados. También deben ser capaces de ser depositados en equipo de recubrimiento de tamaño industrial a un costo razonable si van a ser aceptados como material de recubrimiento comercial viable. La combinación de superretículas con deposición de óxido de alta velocidad está abriendo completamente nuevas y excitantes rutas para la producción de películas duras y superduras [5]. Muchos de los procesos de deposición por arco se usan en el modo de recubrimiento por iones, i.e., con bombardeo concurrente de partículas energéticas durante la deposición de película, lo cual afecta las propiedades de la película. La deposición por arco catódico es la técnica de arco más usada ampliamente cuando se quiere evaporar electrodos aleados tales como Ti-Al. • Deposición de recubrimientos duros de TiN, ZrN, TiC, Ti(C,N), (Ti,Al)N, CrN en herramientas, moldes de inyección • Deposición de TiN y Zr(CN) (amarillo-dorado), ZrN (latón) y TiC (negro) y TiC(N,C) (rosado, violeta, etc.) para recubrimientos decorativos resistentes al desgaste • Deposición de óxidos para recubrimientos ópticos (arco anódico) • Deposición de recubrimientos metálicos adherentes • Deposición de recubrimientos de carbón amorfo (a-C) y carbón tipo diamante (DLC) (arco catódico) • Como recubrimiento base adherente sobre el cual el balance del recubrimiento se forma por deposición por chisporroteo o evaporación térmica (arco catódico) [8]. 3 Revisión Bibliográfica 3.1 Recubrimientos Los recubrimientos avanzados sobre herramientas de corte juegan un papel importante en mejorar la maquinabilidad de materiales difíciles de cortar (e.g., aleaciones de titanio, superaleaciones basadas en níquel y aceros de ultra alta resistencia). El titanio y sus aleaciones son bien conocidos como los típicos materiales difíciles de cortar por su pobre maquinabilidad debido a su baja conductividad térmica y alta reactividad química. El titanio puede producir la reacción química con el oxígeno o el nitrógeno en aire a alta temperatura y formar una capa frágil en la superficie del material [12]. Las aleaciones de titanio son difíciles de maquinar a velocidades de corte mayores a 30 m/min con herramientas de acero de alta velocidad y mayores a 60 m/min con herramientas de carburo de tungsteno cementado comparadas a otros materiales de metal [13]. Actualmente, 85% de las herramientas de carburo usadas en la industria están recubiertas y 80% de todas las operaciones de maquinado son ahora realizadas con herramientas de.

(29) 29 corte recubiertas [12]. Así, la duración de los insertos de carburo cementado puede ser mejorada por la aplicación de recubrimiento duro, el cual ayuda en reducir el costo de maquinado. Dureza, coeficiente de fricción, resistencia a la oxidación, estabilidad química y adhesión del recubrimiento juegan papeles importantes en caso de maquinar 'materiales difíciles de cortar', mientras que la dureza y la conductividad térmica alta del sustrato son deseables para evitar la aparición de cráteres y la difusión térmica [2]. Estudios previos han mostrado que los mecanismos de desgaste principales de las herramientas de corte usualmente incluyen abrasión, adhesión, difusión, oxidación y desgaste químico. La falla de la herramienta es causada usualmente por el desgaste acelerado, desportilladura temprana, el rompimiento o el choque térmico. Y las herramientas de corte generalmente fallaron debido al cráter en la cara de corte y/o el desgaste del flanco [12]. La resistencia al desgaste mejorada resulta de la alta dureza, inercia química y bajos coeficientes de fricción de los materiales de recubrimiento. En herramientas sin recubrimiento, la resistencia al desgaste incrementada obtenida al aumentar la cantidad de carburos duros en el material se sacrifica por menor dureza. Los recubrimientos mejoran la resistencia al desgaste, incrementan la vida de la herramienta, amplían el rango de aplicación de un cierto grado y permiten su uso a velocidades más altas [4]. El recubrimiento incrementa la lubricidad y reduce la afinidad al material de la pieza de trabajo. Y el recubrimiento puede también proveer una mejor barrera térmica, la cual conduce a una reducción de temperatura [13]. Además, añaden propiedades físicas al material, tal como dureza y resistencia a la corrosión que mejoran la calidad global del componente. Baja fricción puede ser alcanzada con recubrimientos duros porque forma micropelículas de baja fuerza cortante sobre el recubrimiento. Por lo tanto, el corte toma lugar dentro de la micropelícula y particularmente, la carga es soportada por el recubrimiento duro. Decrementos posteriores en la fricción y el desgaste se pueden lograr al incrementar la dureza del sustrato para inhibir las deflexiones. Estos recubrimientos duros típicamente exhiben esfuerzos residuales de compresión, los cuales pueden prevenir la posibilidad de que ocurran fuerzas de tensión [14]. El uso de recubrimientos duros ofrece tiempo de vida extendido y desempeño de maquinabilidad. Para facilitar la operación en un medio de deslizamiento seco, la dureza de la película debe ser alta y combinada apropiadamente con una buena adhesión y resistencia a la oxidación a temperaturas relativamente altas. Por lo tanto, una variedad grande de tipos de recubrimientos han sido propuestos a fin de cumplir al menos algunos de estos requerimientos. Recubrimientos multicapa de escala nanométrica consistentes en capas muy delgadas han sido reportados para ser un enfoque prometedor al maquinado en seco. Estas multicapas se sabe inhiben la propagación de grietas, tienen valores de esfuerzo residual bajo, adhesión y microdureza altas, superiores a aquellas de las capas componentes. El esfuerzo de compresión de todos los recubrimientos multicapa poseen esfuerzos más altos, tendencia de adhesión más baja y dureza más alta que los recubrimientos monocapa [15]. Los recubrimientos PVD nano-estructurados duros modernos eficientemente desempeñan tres funciones mayores durante el corte: protección contra la carga mecánica pesada y el daño superficial intensivo, protección de barrera térmica y lubricación superficial. Los recubrimientos duros son capaces de exhibir propiedades.

(30) 30 adaptativas bajo operación. Varios procesos físico-químicos desarrollándose en la zona de corte son capaces de cambiar críticamente las propiedades de la superficie de la herramienta. Estos procesos son principalmente responsables del comportamiento adaptativo durante la vida de la herramienta, siendo la oxidación tribológica el proceso más importante entre ellos. Las películas de óxidos tribológicos de escala nanométrica son generadas dinámicamente y destruidas en la superficie de fricción como resultado de este proceso de auto-organización. Las propiedades de barrera térmica del sistema de recubrimiento duro, por lo tanto, dependen de las propiedades de la capa de recubrimiento por sí mismo e, igualmente importante, de las propiedades de la capa de escala nanométrica de las películas tribológicas formadas en la superficie de fricción. En general, estas características pueden resultar en una redistribución de calor benéfica durante el corte. Una de las características principales asociadas al corte es un incremento rápido en la densidad de dislocación cerca de la superficie con la deformación siendo ubicada dentro de una capa delgada. Bajo condiciones extremas de fricción de corte, esta capa tiene un grano muy fino, cercano a la estructura amorfa que corresponde a datos obtenidos previamente. El incremento en la densidad de dislocación en este volumen local es acompañado por activación de las capas superficiales de la herramienta conduciendo a interacciones intensivas más profundas con el ambiente (oxidación tribológica). Esto resulta en la formación rápida de las películas tribológicas. A temperaturas elevadas de fricción el nitrógeno está migrando de la superficie y es reemplazado por oxígeno (como resultado de los procesos de oxidación tribológica) [16]. La teoría básica que subyace al uso de múltiples capas de recubrimiento es que cada capa tiene su propia función. Una capa puede tener alta dureza, otra resistencia al desgaste químico y otra resistencia a la oxidación. Debido a que los procesos de mecanizado resultan en muchos tipos de entornos de desgaste, los revestimientos multicapa pueden agregar a la capacidad multiuso de una herramienta. El uso de PVD ha dado como resultado una producción económica de revestimientos con cientos o incluso miles de capas muy delgadas. En los revestimientos de PVD, múltiples capas pueden ayudar a distribuir las tensiones internas de manera más uniforme en el recubrimiento para mejorar la tenacidad a la fractura [4]. La inercia química y un coeficiente de fricción bajo pueden ser desarrollados al combinar distintas propiedades de varias monocapas en un recubrimiento multicapa [14]. El espesor de los depósitos pueden variar de ángstroms a milímetros. Velocidades de deposición muy altas (25 µm/s) han sido alcanzadas con el advenimiento de las fuentes de calor por rayo de electrones. Un número muy grande de materiales inorgánicos— metales, aleaciones, compuestos y mezclas—así como algunos materiales orgánicos, pueden ser depositados usando tecnologías de deposición de vapor física [6]. Las características principales que deben revisarse en el proceso de deposición de capas delgadas son: composición, estructura, espesor, adherencia, dureza, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, porosidad [1]. Una herramienta con buen recubrimiento y propiedades de sustrato, pero topografías inadecuadas, puede exhibir desgaste acelerado y, consecuentemente, desempeño reducido [17]; ya que la adhesión es de suma importancia para el éxito o fracaso de la película. La carga crítica se usa para expresar la resistencia de adhesión al rasguño de la película delgada [2]. Un elemento.