Estudio mediante difracción de rayos X de las tensiones residuales producidas durante el depósito de películas delgadas de TiN sobre sustratos metálicos

Abstract

RESUMEN: En este trabajo se analizó la influencia que tiene el espesor de la película y el tipo de sustrato en el nivel y tipo de esfuerzos residuales generados en recubrimientos de TiN obtenidos por dos técnicas de deposición física en fase vapor: pulverización catódica con magnetrón e implantación iónica. Los sustratos utilizados fueron un acero inoxidable AISI 304 y un acero de herramientas AISI M2. Las tensiones residuales, las fases presentes y la orientación cristalográfica de las películas depositadas fueron obtenidas mediante análisis de difracción de rayos X por incidencia rasante. Se encontró que los esfuerzos residuales fueron mayores en las películas depositadas por la técnica de pulverización catódica con magnetrón que en las depositadas por la técnica de implantación iónica. En ambos casos estos esfuerzos son de compresión y disminuyen en la medida que aumenta el espesor de la película. Esto se debe a la forma como se entrega la energía, la capa en crecimiento y el momentum de las partículas ionizadas, lo que influye directamente en la microestructura y aumento o disminución de los esfuerzos residuales. En cuanto al tipo de sustrato se obtuvieron esfuerzos mayores en las películas depositadas sobre el acero AISI 304 que en las depositadas sobre el acero AISI M2, lo cual se debe posiblemente a que este último acero tiene un menor coeficiente de expansión térmica.

ABSTRACT: The influence of film thickness and the substrate type on the level and type of residual stresses generated on TiN coatings are analyzed. Two different physical vapor deposition (PVD) techniques: Magnetron Sputtering and Ion Plating were applied. Two materials were used as substrate: stainless steel AISI 304 and AISI M2 tool steel. The study of the residual stresses, the present phases, the crystalline structure and the crystallographic texture of the deposited films was performed by X-ray diffraction analysis using the grazing method with a low incidence angle. The results show that the residuals stresses produced by both deposition techniques were of compression and that their level decreased by increasing the film thickness. Moreover, the residual stresses were higher in those coatings deposited by Magnetron sputtering than coatings produced by Ion Platting. The residuals stresses in the films deposited on the AISI 304 steel were greater than those produced in AISI M2 steel. This is due to the delivery energy mechanism to the layer growth and momentum of the ionized particles, which directly influence the microstructure and increase or decrease residual stresses. Regarding the substrate, residuals stresses were greater on the films produced on AISI 304 steel, than those deposited on the AISI M2 steel, which is possibly due to the lower coefficient of thermal expansion of M2 steel.