Tesis doctoral de Jordi Romero Mora
Esta tesis trata del crecimiento y la caracterización estructural y funcional de capas protectoras basadas en cr por técnicas de depósito en fase vapor (pvd), prestando un especial énfasis en algunas de las combinaciones multicapa ofrecidas por este material y sus compuestos. En particular, los materiales de base que fueron empleados en el depósito de estas capas delgadas son los siguientes: cromo, nitruro de cromo y carburo de cromo. Por lo tanto, las tres estructuras multicapa generadas a partir de estos constituyentes fueron: cr/crn, cr/crc y crn/crc. En este punto, nuestros esfuerzos se concentraron en el diseño, el depósito y la caracterización de estas multicapas con periodicidades nanométricas (¿). La tecnología de depósito empleada en este estudio fue la pulverización catódica r.F. Magnetron a partir de un único blanco de cromo y habitualmente asistida por un gas reactivo (n2 o ch4) mediante un sencillo proceso en continuo variando de forma secuencial la atmósfera de depósito a través del control del flujo de los gases utilizados. La caracterización se realizó principalmente utilizando técnicas de difracción e rayos x (xrd), microscopía electrónica de transmisión (tem), en configuración de alta resolución y de sección transversal; así como ensayos de nanoidentación y tribológicos. el trabajo presentado establece que el sistema cr-c permite alcanzar un buen compromiso entre las propiedades mecánicas y tribológicas de estas capas gracias, principalmente, al control del contenido de carbono. Los mejores resultados de dureza, 24 gpa, fueron obtenidos en capas ligeramente sobre-estequiométricas de cr3c2 (alrededor de 46% en porcentaje atómico de carbono). En cambio, el mejor comportamiento tribológico se obtuvo en las capas con el contenido de carbono más elevado (por encima del 50%) que poseen una estructura nanocompuesta con nanopartículas de cr3c2 cristalinas (tc = 5 nm de media) en una matriz de carbono. Estas últimas presentaron coeficientes de fricción por debajo de 0.3 y ritmos de desgaste por deslizamiento y abrasión inferiores a 10-14 m3/nm. Estos estudios también posibilitaron el establecimiento de las ventanas de proceso, para la obtención de cr3c2 en capa delgada. El parámetro de mayor relevancia resultó ser la presión parcial de ch4, con una ventana de proceso sorprendentemente pequeña: 0.06-0.08 pa. La polarización del sustrato influye a un segundo nivel, siendo determinante sólo en las condiciones de transición. las periodicidades estudiadas en esta tesis se variaron en el rango entre 2 y 300 nm, aunque el orden composicional se perdía por debajo de los 5 nm (ta ó tb ~2nm), debido a los efectos de mezcla generados por una limitación inherente a nuestro equipo de depósito: el tiempo no nulo de permanencia de los gases reactivos en la cámara de depósito una vez interrumpido su flujo. De hecho, debido a este efecto, se observaron en todas las estructuras multicapa algunas desviaciones ya esperadas, pero no por ello menos relevantes, de las relaciones de espesor de bicapa (ta/¿). Aún y pese a esta limitación, cabe destacar los buenos resultados que se alcanzaron, tanto en control del espesor de bicapa, como a nivel estructural, mecánico y tribológico para estas multicapas basadas en el cr y sus compuestos. Las multicapas de cr/crn presentaron un crecimiento columnar coherente mediante una relación «cubo-en-cubo» en la dirección 001, con una rotación relativa de las celdas de 45° en torno al eje c (relaciones epitaxiales (001)||(001) y [100]||[110]). La texturación de ambos materiales en estas multicapas fue forzada por el crecimiento en estructuras laminares una sobre la otra. El cr en estas capas manifestó una competencia en el crecimiento preferencial entre las orientaciones (001) y (110) al adentrarse en el rango nanométrico (la frontera de dominio se estableció entorno a los 20 nm). Este cambio de orientación preferencial causó un cierto incremento en la tensión residual de esos recubrimientos y afectó a su rendimiento tribológico y mecánico. Se obtuvieron incrementos en la dureza, generalmente de más de 100% con respecto a lo esperado por la regla de mezclas, para todo el rango de periodos teóricos (120-2 nm), en esos recubrimientos también se obtuvieron buenos comportamientos tribológico, con las mejores tasas de desgaste en deslizamiento en el orden de hasta 10-17 m3/nm, aún y pese a ofrecer unos coeficientes de fricción moderados (0.4). Las multicapas de cr/crc (300 ¿ ¿ ¿ 22 nm) fueron principalmente de tipo amorfo, con pequeños nanocristales de cr3c2, debido a la estructura en capas y a su espesor reducido. Su endurecimiento fue relativamente cercano a los valores predichos por la regla de las mezclas, presentando escasas variaciones como mucho de un par de gpa, alcanzando un máximo de 19 gpa para ¿= 32 nm. La resistencia al desgaste de estas capas no fue excelente. Ni mejoró mucho los resultados de las capas de crc, ni presentaron buenos coeficientes de fricción (0.5). De hecho, estas capas sólo demostraron buenos resultados de adhesión a nivel funcional. Finalmente, las multicapas de crn/crc (89 ¿ ¿ ¿ 5.4 nm) también presentaron estructuras poco o nano-cristalinas cr3c2, pero en este caso ya eran esperadas por su exceso en el contenido de carbono. Tampoco en estas capas se aumentó de forma significativa la dureza (máximo de 21 gpa para ¿ = 5.4 nm, sólo un 20% más que el valor previsto por la regla de mezclas), pero su coeficiente de fricción fue muy bajo, de hasta 0.15; resultando en unos ritmos de desgaste en deslizamiento excelentes (10-17 m3/nm) en todo el rango de periodos, comparables con los mejores resultados obtenidos para las multicapas de cr/crn.
Datos académicos de la tesis doctoral «Cr-based nanometric multilayered coatings for protective applications by r.f. magnetron sputtering«
- Título de la tesis: Cr-based nanometric multilayered coatings for protective applications by r.f. magnetron sputtering
- Autor: Jordi Romero Mora
- Universidad: Barcelona
- Fecha de lectura de la tesis: 27/04/2009
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Arturo Lousa Rodríguez
- Tribunal
- Presidente del tribunal: José María Albella martin
- jens Birch (vocal)
- (vocal)
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