Síntesis y caracterización de nanocompuestos y películas delgadas de TiN/Si3N4 para aumentar la dureza superficial de aceros HSS Bohler S700 y SAE 5210

Abstract

Desde 1969 la compañía sueca Sandvik Coromant introdujo la idea de recubrir superficialmente herramientas de corte, dichas herramientas hechas de acero de alta velocidad HSS fueron recubiertas en un inicio de carburo de titanio por la técnica de CVD (chemical vapor deposition), todo ello, con el objetivo de producir recubrimientos duros. Desde los años ochenta se viene sintetizando el carburo de titanio y otros compuestos con la técnica PVD (physical vapor deposition) a nivel internacional. En el presente trabajo establecemos los parámetros óptimos para la fabricación del nitruro de titanio TiN por la técnica de DC Magnetrón Sputtering, en un inicio, trabajamos con hojas de bisturíes para dicho propósito, para luego depositar sobre dos tipos de acero, el acero HSS S700 Böhler usado ampliamente en fabricación de herramientas de corte y el acero SAE 5210. Se trabajó entonces con recubrimientos de monocapa de TiN, para luego recubrir multicapas de TiN/Si3N4 con dos tipos de relación de modulación (relación de espesores de capas lTiN/lSi3N4 10:15 y 3:15) encontrándose diferencias en la dureza. Posteriormente se trabajó con compósitos nanoestructurados de titanio, silicio y nitrógeno, obteniéndose durezas cercanas a las catalogadas como superduras, atribuyéndose esta al tamaño de los granos. La caracterización morfológica fue hecha por SEM para la monocapa de TiN y también las multicapas en los laboratorios de la Universidad de Uppsala. La composición química fue hecha por EDS para el sustrato de acero SAE 5210 y para la monocapa de TiN así como la cuantificación de especies por la matriz ZAF para esta última, para las multicapas se usó espectroscopia Auger y GDOES. Para la caracterización cristalina se usó DRX para las multicapas y compósitos, calculándose el parámetro de red y el tamaño de grano, excepto para la monocapa. Finalmente, como ejemplo de aplicación, se recubrió moletas o rolas para la industria del consumo humano, esto es enlatados de conservas el cual cuadriplicó la vida útil de las moletas reduciendo los tiempos muertos en el recambio.

Since 1969 the Swedish company Sandvik Coromant introduced the idea of surface coat cutting tools, these tools made of high speed steel HSS were initially coated tungsten carbide by chemical vapor deposition technique, all with the purpose of producing hard coatings. Since the eighties have been synthesized titanium carbide and other compounds with the physical vapor deposition technique. In this work, we establish the optimal parameters for the production of titanium nitride TiN by the technique of DC Magnetron Sputtering, initially work with leaves scalpels for this purpose, then deposited on two types of steel, steel HSS S700 Böhler widely used in manufacturing of cutting tools and steel SAE 5210. Initially work with monolayer coatings of titanium, then coated multilayers TiN/SiNx with two types of modulation ratio finding differences in hardness. Finally, we worked with composites nanostructured titanium, silicon and nitrogen; thus we obtained superhard hardness, attributing this to the size of the grains. The morphological characterization was made by SEM for TiN monolayer and multilayers in the laboratories of the Uppsala University. The chemical composition was made by EDS for SAE 5210 steel substrate and the monolayer of TiN and quantification of species by the ZAF matrix, for the multilayers and GDOES Auger spectroscopy was used. XRD for crystalline characterization was used for the multilayers and composites, calculating the lattice parameter and the grain size, except for the monolayer. Finally, as an example of application, we have covered parts for the canning y, thus the use full life cycle of the parts will be increased.