Estudio de recubrimientos protectores generados por high power impulse magnetron sputtering en un equipo industrial

Abstract

Actualmente el 30% del consumo mundial de energía se desperdicia en forma de calor debido a la fricción. Además, la mitad de las piezas metálicas que se fabrican tienen como único objetivo reemplazar otras que se han deteriorado a consecuencia de su uso. Los recubrimientos de deposición física en fase vapor (PVD) son una alternativa viable para la solución de este tipo de problemas. Como en todo sistema donde dos materiales distintos entran en contacto estrecho, la adhesión del film hacia el sustrato es un tema clave donde continuamente se busca generar interfases más eficientes, lo que puede derivar en una mejora de las propiedades mecánicas. Los recubrimientos binarios y ternarios con base de cromo y aluminio han mostrado ser una opción viable y de buenos resultados cuando se necesita resistencia al desgaste y a la degradación por temperatura, solicitaciones frecuentes en procesos de mecanizado por arranque de virutas o inyección de metales. En este trabajo se produjeron recubrimientos finos de nitruro de (CrN) con un equipo HPIMS de la firma Cemecon. Se investigaron distintos parámetros de operación del equipo, en especial el ancho de pulso, y se midió su efecto en los recubrimientos. Una vez que se encontraron condiciones de operación óptimas, se escogieron una serie de variables para producir recubrimientos, caracterizarlos y ensayarlos en tribología y desgaste mediante el ensayo pin-on-disk. Finalmente se ensayaron recubrimientos de CrAl a alta temperatura para estudiar su resistencia a la oxidación y se analizaron los resultados obtenidos mediante difracción de rayos X. Los resultados de este trabajo permitieron la estandarización de un proceso de prerecubrimiento para utilizarse como capa de anclaje para recubrimientos de nitruro de cromo y nitruro de cromo-aluminio. A su vez, se generaron capas con blancos aleados, una tecnología no empleada previamente, obteniendo películas finas de propiedades similares o superiores que las obtenidas con blancos previamente probados.

Currently 30% of the world's energy consumption is wasted as heat due to friction. In addition, half of the parts that are manufactured have the sole purpose of replacing others that have deteriorated because of their use. Physical Vapor Deposition (PVD) coatings are a viable alternative for solving this type of problem. As in any system where two different materials come into close contact, the adhesion of the film to the substrate is a key issue where more efficient interfaces are continuously sought, which can lead to an improvement in mechanical properties. Binary and ternary coatings based on chromium and aluminum have shown to be a viable option with good results when resistance to wear and degradation due to temperature is needed, frequent requests in machining processes by chip removal or metal injection. In this work, thin coatings of nitride (CrN) were produced using a HPIMS equipment from the firm Cemecon®. Different operating parameters of the equipment were investigated, especially the pulse width, and its effect on the coatings was measured. Once optimal operating conditions were found, a series of variables were chosen to produce coatings, characterize them and test them in tribology and wear through the pin-on-disk test. Finally, Cr-Al coatings were tested at high temperature to study their resistance to oxidation and the results obtained were analyzed by X-ray diffraction. The results of this work allowed the standardization of a pre-coating process to be used as an anchor layer for chrome nitride and chrome-aluminum nitride coatings. Also, layers with alloyed targets were generated, a technology not previously used, obtaining thin films with similar or superior properties than those obtained with previously tested targets.