Desarrollo de recubrimientos nanoestructurados de arquitectura compleja tialtan-(tialn/tan) obtenidos por pulverización cátodica magnetrón con potencial aplicación en procesos de manufactura

Abstract

RESUMEN: Las diferentes tecnologías de manufactura convencional utilizadas en la industria involucran procesos de fresado, torneado, taladrado, doblado, extrusión, inyección, entre muchos otros. A su vez en cada uno de esos procesos se utilizan herramientas cuyo objetivo principal es la remoción de material en exceso, dar dimensiones finales, geometría final y/o acabado superficial final. En los procesos antes mencionados, los materiales y las herramientas utilizadas son sometidos a altos esfuerzos mecánicos y altas temperaturas principalmente, sin dejar de lado ambientes corrosivos lo cual en conjunto conlleva a la diminución en la vida útil de las herramientas, lo que a su vez representa aumentos significativos en los costos de producción bien sea por reemplazo de las piezas desgastadas, por los reprocesos o por los tiempos muertos de producción. La modificación superficial de las herramientas ha sido la principal estrategia para combatir el desgaste y corrosión de los componentes, los métodos térmicos y termoquímicos (llamados métodos tradicionales) han sido durante muchos años la principal solución al desgaste. Sin embargo, la búsqueda creciente y progresiva por obtener procesos cada vez más eficientes han impulsado la investigación y el desarrollo de nuevos métodos de protección superficial con los cuales puedan ser obtenidos materiales mucho más eficientes y adicionalmente con técnicas ambientalmente amigables. El desarrollo de recubrimientos depositados por PVD ha ganado gran interés en el último medio siglo en la modificación superficial de herramientas para su protección contra el desgaste y la oxidación, principalmente. La pulverización catódica magnetrón asistida por plasma PA-PVD una de las técnicas más estudiadas gracias a la versatilidad de esta técnica para la fabricación de un sinnúmero de recubrimientos para distintas aplicaciones bien sean tribológicas, biomédicas, decorativas, eléctricas, electrónicas, etc. Los primeros casos de éxito de implementación de recubrimientos en diferentes aplicaciones industriales se remontan a la década de los 50, Recubrimientos como el TiC fueron de los primeros materiales estudiados y utilizados en la protección contra la corrosión. De igual manera el TiN ha sido de los casos de éxito más significativos, tanto así que en la actualidad continúa siendo un recubrimiento utilizado en múltiples aplicaciones, pasando desde aplicaciones mecánicas, biomédicas e incluso decorativas por su atractivo color dorado. Considerando que los diferentes procesos industriales son la principal aplicación de estos recubrimientos protectores, es apenas natural que las crecientes exigencias de los nuevos procesos requieran a su vez recubrimientos con rendimientos cada vez superiores. Muchas han sido las estrategias para obtener mejoras en las propiedades de los recubrimientos, destacándose principalmente los recubrimientos multicapa y los recubrimientos ternarios y cuaternarios aleados con tres o más elementos. Los recubrimientos multicapa han sido unos de los sistemas de mayor interés sobre todo aquellos donde sus monocapas se encuentran por debajo de los 100 nm. La modificación de la microestructura y la combinación de las propiedades de cada una de las monocapas involucradas conllevan a recubrimientos con dureza, tenacidad y resistencia a la corrosión y al desgaste, superiores a sus monocapas constituyentes. Recubrimientos de nitruros de metales de transición han sido ampliamente estudiados, TiN y CrN son ejemplos de recubrimientos con muy buenas propiedades mecánicas y tribológicas, estudios recientes han dilucidado el efecto de la inclusión de elementos como C, Al, V, Mo, Zr, entre otros en la estructura y propiedades de estos recubrimientos, sin embargo, muchos mecanismos y su correlación con el comportamiento mecánico y tribológico de muchos recubrimientos cuaternarios. Hasta la entrega de esta tesis de investigación, no se ha encontrado reporte que involucre el estudio de las propiedades microestructurales de recubrimientos multicapa TiAlN/TaN y su correlación con las propiedades mecánicas y tribológicas. Adicionalmente, el depósito de un recubrimiento TiAlTaN “in situ” sobre las multicapas resulta en otra novedad, considerando que el depósito de las diferentes estructuras se realizó con un equipo de pulverización catódica equipado únicamente con dos cátodos enfrentados entre sí y sin ningún tipo de “shutters”, solo se utilizó la velocidad de rotación como parámetro para controlar la arquitectura deseada. En esta tesis, fueron desarrollados recubrimientos multicapa a escala nanométrica TiAlN/TaN mediante pulverización catódica magnetrón. Una vez depositados los recubrimientos se estudió su estructura, morfología, propiedades mecánicas y tribológicas. Adicionalmente, fueron depositados recubrimientos cuaternarios TiAlTaN por la misma técnica y acompañada de su respectiva caracterización. Una vez optimizados ambos sistemas (Multicapa y cuaternario), se procedió con el depósito de recubrimientos con arquitectura compleja, depositando el sistema TiAlN/TaN como base y posteriormente de forma “in situ” proceder con el depósito del recubrimiento cuaternario TiAlTaN, variando la fracción volumétrica de ambos y estudiando sus propiedades microestructurales, mecánicas y tribológicas. Luego de introducir esta tesis, se realiza una descripción detallada del estado del arte y los aspectos más relevantes de los recubrimientos TiN, TaN, TiAlN y TiAlTaN. De igual manera se realiza una descripción de las características especiales del acero AISI M2 y de la importancia de recubrirlo con sistemas que aumenten tanto su vida útil como sus prestaciones mecánicas y tribológicas. Una descripción de la técnica utilizada ha sido considerada fundamental para ubicar al lector sobre los aspectos fundamentales de la pulverización catódica magnetrón. Acto seguido es presentado el planteamiento del problema y los objetivos propuestos para dar solución a dicho problema. Se planteó una hipótesis de investigación y tanto el objetivo general como los objetivos específicos. En el capítulo 1 se presenta el estudio realizado a los recubrimientos multicapa TiAlN/TaN, estudiando la influencia del periodo en las propiedades de los recubrimientos. Se detalla todo el proceso de depósito de los recubrimientos, los diferentes procedimientos realizados para sus caracterizaciones junto con los resultados obtenidos de cada una de esas caracterizaciones microestructurales, mecánicas y tribológicas de los recubrimientos en mención. En el capítulo 2, son presentados los resultados obtenidos de los recubrimientos TiAlTaN en los cuales se estudió el efecto del contenido del tantalio en las propiedades microestructurales, mecánicas y tribológicas. Se presenta el procedimiento experimental concerniente al depósito de los recubrimientos y las caracterizaciones realizadas. En el capítulo 3, son presentados los recubrimientos nanoestructurados de arquitectura compleja TiAlTaN-TiAlN/TaN, se presenta la metodología utilizada para el deposito de los recubrimientos y sus respectivas caracterizaciones. Adicionalmente, se presentan todos los resultados sobre propiedades microestructurales, mecánicas y tribológicas obtenidas. En estos recubrimientos se estudió el efecto de la fracción volumétrica entre el recubrimiento multicapa y el recubrimiento cuaternario. Finalmente, el trabajo de investigación es concluido, se presentan las conclusiones generales sobre las diferentes caracterizaciones realizadas a cada uno de los recubrimientos obtenidos durante esta investigación, finalizando con recomendaciones y sugerencias para trabajos futuros.