(1) Laboratorio de Materiales en Capa Fina. Departament de Física Aplicada i Òptica, Universitat de

Barcelona, Avda. Diagonal 647, E-08028 Barcelona

(2) Tratamientos Térmicos Carreras,TTC S.A., C/Doctor Almera 85, E- 08205 Sabadell (Barcelona)

Presentado al IX Congreso Nacional de Tratamientos Térmicos y de Superfície TRATERMAT 2003. San

Sebastián, 28 y 29 de Mayo de 2003.

RECUBRIMIENTOS MULTICAPA Cr/CrN PARA APLICACIONES MECÁNICAS

OBTENIDOS POR PVD

A. Lousa (1), J. Romero (1), E. Martínez (1), J. Esteve (1), F. Montalà (2) y L.

Carreras (2).

RESUMEN:

Los recubrimientos duros y resistentes a la corrosión tienen una creciente aplicación

en la protección de los componentes industriales sometidos a condiciones de alto

desgaste, incrementando así su vida útil. Hemos desarrollado un tipo de

recubrimiento basado en el apilamiento periódico de capas alternadas de Cr y CrN

mediante el cual hemos obtenido diferentes multicapas con distintos espesores de

bicapa submicrométricos. Se han utilizado dos técnicas de depósito PVD,

magnetron sputtering y arco catódico, y como sustratos probetas de acero

endurecido. Hemos caracterizado la estructura de estas multicapas, junto con su

dureza y adhesión, comparando los resultados con los recubrimientos simples de

CrN. Los resultados muestran que estas estructuras mejoran la adhesión del

recubrimiento al sustrato al reducir las tensiones internas y la fragilidad del

material. Además, al reducir el espesor de las bicapas, se observa una creciente

reducción de las tensiones internas, y un aumento de la dureza y de la carga

crítica. En particular nuestras multicapas con un período de bicapa inferior a 60 nm

superan todas las propiedades de los recubrimientos simples de CrN..

ABSTRACT:

Hard and corrosion-resistant coatings are increasingly used to protect industrial

components working under severe wear conditions in order to increase their

lifetime. We have developed a type of coating based on the alternative piling of Cr

and CrN layers with different sub-micrometric bilayer periods. Two different PVD

techniques were used, namely magnetron sputtering and cathodic arc. Hardened

steel coupons were used as substrates. We have characterised the structure of the

multilayers together with the coatings hardness and adhesion. The results show

that for these structures, adhesion is improved as a consequence of decreasing

internal stress and brittleness. Moreover, the thinner the bilayer thickness, the

lower the stress, and the higher the hardness and critical load. In particular, our

multilayers with bilayer period thinner than 60 nm surpass all the simple CrN

coatings properties.

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INTRODUCCION

Los recubrimientos duros y resistentes a la corrosión tienen una creciente aplicación

en la protección de los componentes industriales sometidos a condiciciones de alto

desgaste, incrementando así su vida útil.

Las técnicas de Depósito Físico en Fase Vapor (Physical Vapor Deposition, o PVD)

como el Magnetron Sputtering o el Cathodic Arc Deposition, son las que mejores

resultados proporcionan en el depósito de recubrimientos duros. Entre los

materiales utilizados como recubrimientos antidesgaste en capa fina, el CrN

presenta un buen comportamiento mecánico trabajando a altas temperaturas,

buena adhesión, y puede ser depositado a baja temperatura, superando en muchos

aspectos a los recubrimientos convencionales de TiN. Por otra parte, los

recubrimientos en estructura multicapa constituyen una de las propuestas actuales

más eficaces para conseguir recubrimientos con propiedades mejoradas [1].

En este trabajo presentamos los resultados de nuestra investigación sobre las

propiedades de una serie de recubrimientos con estructura multicapa basados en el

apilamiento periódico de capas alternadas de Cr y CrN mediante el cual hemos

obtenido diferentes multicapas con distintos espesores de bicapa submicrométricos.

Los resultados de la caracterización tribológica de estos recubrimientos multicapa

se presenta en una comunicación aparte.

EXPERIMENTAL

Se han utilizado dos técnicas de depósito PVD, magnetron sputtering y arco

catódico para la obtención de los recubrimientos. Los sustratos utilizados fueron

probetas de acero endurecido, de 5 cm de diámetro.

El depósito por magnetron sputtering se realizó en el equipo del Laboratorio de

Materiales en Capa Fina de la UB. Se utilizó un blanco de Cr de 3” de diámetro,

una potencia de radiofrecuencia de 300 W, y una temperatura de sustrato de

300º C. Las capas de Cr se depositaron en una atmósfera inerte de Ar a la presión

de 3.3x10-1 Pa. Las capas de CrN se depositaron en una atmósfera reactiva de

Ar(60%)/N2(40%), manteniendo el flujo de Ar y añadiendo el adecuado flujo de N2.

Los sustratos se polarizaron a un valor de –50 V al objeto de someter la capa a un

bombardeo controlado de iones durante el proceso de crecimiento.

El depósito por arco catódico se realizó en las instalaciones de TTC, en un sistema

equipado con dos blancos de Cr. La temperatura de sustrato fue de 500º C, y su

polarización fue de –150 V. En ambos casos el proceso de depósito se realizó de

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forma continua, alternando las dos condiciones de depósito mediante una fuente

programable que controla los aportes de flujo de Ar y N2 al interior del reactor.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Para las condiciones de depósito descritas anteriormente, la composición Cr:N de

las capas de CrN analizada por XPS fue 1:1.

Para las multicapas, los ritmos de

crecimiento obtenidos por ambas técnicas

fueron muy similares, y de valor

1,5 µm/h.

Las imágenes de Microscopía Electrónica

de Barrido (SEM) muestran una

estructura de multicapa bien definida

(Fig.1), con un espesor total de 1,5 µm.

Los espesores de las capas de CrN

resultaron mayores que los de las capas

de Cr en los recubrimientos depositados

por Arco, mientras que en los

depositados por Sputtering ambos espesores resultaron iguales.

Los difractogramas de rayos X de las multicapas muestran (Fig. 2) unos picos

intensos, incluso en las de menor período, lo que demuestra la formación de una

buena estructura cristalina con una fuerte orientación preferencial en la dirección

(200) tanto en el Cr como en el CrN.

Las tensiones residuales en las multicapas decrecen desde 1,7 GPa a 0,5 GPa a

medida que el espesor de la bicapa se reduce desde 110 nm a 22 nm (Fig.3), y son

1 µm 1 µm

(a) (b)

Figura 1.- Imágenes SEM de multicapas Cr/CrN obtenidas por: (a) sputtering, con 20 bicapas , y (b) arco catódico con 6 bicapas.

20 40 60 80 100

b)

a)

Cr (200)

CrN (200)

Inte

nsid

ad (u

.a.)

2θ Figura 2.- Difractograma de Rayos X de dos

multicapas Cr/CrN con diferentes períodos: a) 70 nm; b) 44 nm.

0 20 40 60 80 100 1200

5

10

15

20

25

30

Dur

eza

(GPa

)

Grosor de bicapa (nm)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0Tensiones en CrN

Dureza CrN

Ten

sión

resi

dual

(GPa

)

Figura 3.- Dependencia de la dureza y de los

esfuerzos residuales con el grosor del período de bicapa.

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hasta cinco veces inferiores a las obtenidas en los recubrimientos simples de CrN de

grosor similar (2,8 GPa). Este efecto es muy beneficioso, ya que la disminución de

las tensiones favorece la adhesión al sustrato. Los resultados del “microscratch

test” confirman lo anterior, mostrando que la carga crítica aumenta al disminuir el

período de bicapa.

La dureza del recubrimiento simple de Cr fue de 7 GPa, y la del de CrN 18 GPa

comparable con el obtenido por otros autores [2]. Para la multicapa depositada por

arco catódico, el valor de la dureza fue de 23 GPa, mientras que para las

multicapas depositadas por sputtering (Fig.3), ésta aumenta al disminuir el período

de bicapa. En todos los casos se supera el valor de la “regla de las mezclas” entre

las durezas del Cr y del CrN, e incluso la dureza es superior a la del CrN para

grosores de bicapa inferiores a 60 nm.

Es bien conocido que la dureza de recubrimientos de diversos nitruros aumenta al

incrementar la polarización del sustrato, aunque al mismo tiempo se produce un

incremento de la tensión residual, lo que perjudica a la adhesión. Por el contrario,

el aumento de la dureza observado en nuestras multicapas, va acompañado de

una reducción de las tensiones residuales, lo que favorece la adhesión del

recubrimiento.

CONCLUSIONES

Hemos depositado unos recubrimientos PVD con estructura multicapa Cr/CrN bien

definida, tanto por magnetron sputtering como por arco catódico, con espesor total

de 1,5 µm y grosores de bicapa entre los 110 y 22 nm. Estos recubrimientos

presentan grandes ventajas respecto al recubrimiento simple de CrN, ya que al

reducir el grosor de la bicapa, se obtiene una reducción importante de las tensiones

internas, acompañada de un aumento de la carga crítica y de la dureza del

recubrimiento. En particular, nuestras multicapas Cr/CrN con grosores de bicapa

inferiores a 60 nm mejoran todas las propiedades de los recubrimientos simples de

CrN.

Este trabajo ha sido financiado por la C.I.C.Y.T. bajo el contrato MAT2000-

1014-C02-02.

REFERENCIAS

[1] S. Vepreck, J.Vac. Sci. Technol. A 17 (5), 1999, 2401.

[2] Y. Fu et al., Wear 217 (1998) 159-166.