Caracterización física y funcional de recubrimientos en capa fina depositados por PVD para aplicaciones avanzadas

Abstract

Esta tesis se centra en el desarrollo de nuevos recubrimientos depositados por técnicas PVD, con propiedades funcionales específicas, diseñados para obtener la competitividad deseada de estos productos en el mercado globalizado. Para ello, se ha investigado la estructura morfológica y cristalina de los recubrimientos PVD basados en los siguientes materiales: ZrCN, AlTiSiN, AlCrSiN, CrC y 10B4C. También se han realizado caracterizaciones de sus propiedades tribológicas, mecánicas y funcionales.

En el capítulo de recubrimientos para aplicaciones decorativas, se estudia la influencia del potencial de polarización del sustrato en recubrimientos de ZrCN depositados por arco catódico sobre escudos de latón niquelado y cromado de TESA. Para ello, se ha analizado la variación de la composición química, estructura cristalina, morfología superficial, estrés, las propiedades mecánicas y el color de los recubrimientos en función de dicho potencial. Se puede concluir que la variación del potencial de polarización del sustrato es una solución eficaz para cambiar el color de los recubrimientos de ZrCN, obteniendo una amplia gama de dorados, sin deteriorar sus propiedades mecánicas (los recubrimientos mantienen su alta dureza 25 ± 2 GPa) ni aumentar el estrés de la capa.

En el capítulo de los recubrimientos de AlTiSiN y AlCrSiN optimizados para su uso sobre herramientas de corte el objetivo es conocer en detalle la estructura cristalina de estos y estudiar su evolución cuando son sometidos temperaturas de recocido, similares a las que alcanzarán en los procesos de mecanizado de alta velocidad. También se ha estudiado la variación de las propiedades mecánicas y el estrés en función de la temperatura de recocido. Los resultados demuestran que los recubrimientos poseen una variación modulada en la composición dando lugar a una nanoestructuración por capas del recubrimiento. Se observa una alta estabilidad térmica de los recubrimientos. Los recubrimientos poseen durezas superiores a 30 GPa incluso después de ser sometidos a los tratamientos térmicos. Además, el estrés de las capas de los recubrimientos mejora con el aumento de la temperatura, siendo esto un síntoma de la calidad de los recubrimientos.

Los recubrimientos de CrC sobre fundas de planchado de CEGASA se depositaron por arco catódico variando el voltaje de polarización del sustrato. A lo largo del capítulo, se ha investigado desde el punto de vista funcional la influencia de dicho potencial de polarización en las propiedades mecánicas y tribológicas de estos recubrimientos así como la variación de sus propiedades al someter las muestras a temperaturas comprendidas entre 100 y 300 °C. Los recubrimientos obtenidos son homogéneos en el área de la suela de planchado y su apariencia visual es atractiva ya que presentan colores que varían entre negros y grises. Estos colores fueron valorados positivamente por el departamento de marketing de CEGASA. Los resultados de las caracterizaciones demuestran que se han obtenido recubrimientos con mayor dureza y mejor coeficiente de deslizamiento que los de los sustratos de acero inoxidable de CEGASA. Por último se describe el proceso de depósito mediante magnetón sputtering rf y se muestra la caracterización estructural, mecánica y tribológica de recubrimientos de10B4C como material conversor para la detección de neutrones. Los espesores requeridos por el IMB-CNM son elevados (mayor o igual a 3 micras) y suponen una dificultad adicional en el proceso de depósito. Los espesores obtenidos son de 2.7 micras y gracias a la capa de adhesión crecida con un gradiente de composición de N2, estas capas tienen un bajo estrés compresivo (menor que 1 GPa). Sus excelentes características mecánicas proporcionan un valor añadido adicional como protección mecánica al detector. Estos detectores se han probado en salas de radioterapia de hospitales y muestran una buena detección de los neutrones térmicos.

This thesis is focused in the development of novel coatings deposited by PVD techniques with specific functional properties designed to obtain the desired competitiveness of the coated products in the global market. With this aim in mind, we have investigated the morphologic and crystalline structure of the PVD coatings based on the following materials: ZrCN, AlTiSiN, AlCrSiN, CrC and 10B4C. We have also characterised its tribological, mechanical and functional properties paying special attention to the properties which are important for the specific applications of the novel coatings.

Throughout this thesis, we have collaborated with a number of spanish companies which are at the forefront of I+D and surface technologies, such as TESA, CEGASA and Metal Estalki which together with our research group, were part of the CENIT­ARTDECO project. Furthermore, we have also worked together with the Institut de Microelectrònica de Barcelona of the Centre Nacional de Microelectrónica. The deposition techniques used to obtain the functional coatings were cathodic arc deposition and magnetron sputtering rf. Both techniques are the most commonly used in industrial coaters, due to the high quality of the obtained coatings and its low production costs.

This thesis is divided in two parts. The first one is a brief introduction to the state of the art of PVD coatings for industrial applications and the various deposition and characterisation techniques employed by both the companies involved and our research group. The second part of this thesis shows the results obtained from the deposits and the physical and functional characterisation of the materials listed above taking into account its specific applications. This second part at the same time can be divided into four clearly differentiated blocks corresponding to solutions proposed in different collaborations: Coatings with decorative applications, coatings for cutting tools, coatings for sliding surfaces, and coatings for neutron detection.

The results of this thesis provide answers to the goals established by the companies within the CENIT-ARTDECO project and the specific needs raised by IMB-CNM.