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Prueba de rayado del revestimiento de nitruro de titanio

ENSAYO DE RAYADO DEL REVESTIMIENTO DE NITRURO DE TITANIO

INSPECCIÓN DE CONTROL DE CALIDAD

Preparado por

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCCIÓN

La combinación de alta dureza, excelente resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión e inercia hace que el nitruro de titanio (TiN) sea un revestimiento protector ideal para los componentes metálicos de diversas industrias. Por ejemplo, la retención de los bordes y la resistencia a la corrosión de un revestimiento de TiN pueden aumentar considerablemente la eficacia del trabajo y prolongar la vida útil de las máquinas herramienta, como las cuchillas de afeitar, los cortadores de metal, los moldes de inyección y las sierras. Su gran dureza, inercia y no toxicidad hacen del TiN un gran candidato para aplicaciones en dispositivos médicos, como implantes e instrumentos quirúrgicos.

IMPORTANCIA DE LAS PRUEBAS DE ROTURA DEL RECUBRIMIENTO DE TiN

La tensión residual en los revestimientos protectores de PVD/CVD desempeña un papel fundamental en el rendimiento y la integridad mecánica del componente revestido. La tensión residual proviene de varias fuentes principales, como la tensión de crecimiento, los gradientes térmicos, las limitaciones geométricas y la tensión de servicio¹. El desajuste de la expansión térmica entre el revestimiento y el sustrato creado durante la deposición del revestimiento a temperaturas elevadas da lugar a una elevada tensión residual térmica. Además, las herramientas con revestimiento de TiN se utilizan a menudo bajo tensiones concentradas muy elevadas, por ejemplo, en brocas y cojinetes. Es fundamental desarrollar un proceso de control de calidad fiable para inspeccionar cuantitativamente la resistencia cohesiva y adhesiva de los revestimientos funcionales de protección.

[1] V. Teixeira, Vacuum 64 (2002) 393-399.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, demostramos que los probadores mecánicos NANOVEA en modo de rascado son ideales para evaluar la fuerza cohesiva/adhesiva de los revestimientos protectores de TiN de forma controlada y cuantitativa.

NANOVEA

PB1000

CONDICIONES DE PRUEBA

Se utilizó el probador mecánico NANOVEA PB1000 para realizar pruebas de rayado de revestimiento en tres revestimientos de TiN utilizando los mismos parámetros de prueba que se resumen a continuación:

MODO DE CARGA: Lineal progresivo

CARGA INICIAL

0.02 N

CARGA FINAL

10 N

TASA DE CARGA

20 N/min

LONGITUD DEL RASPADO

5 mm

TIPO DE INDENTADOR

Sphero-Conical

Diamante, 20 μm de radio

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La FIGURA 1 muestra la evolución registrada de la profundidad de penetración, el coeficiente de fricción (COF) y la emisión acústica durante el ensayo. En la FIGURA 2 se muestran las huellas completas de micro arañazos en las muestras de TiN. Los comportamientos de fallo a diferentes cargas críticas se muestran en la FIGURA 3, donde la carga crítica Lc1 se define como la carga a la que se produce el primer signo de grieta cohesiva en la pista de rayado, Lc2 es la carga después de la cual se producen fallos de espalación repetidos, y Lc3 es la carga a la que el recubrimiento se desprende completamente del sustrato. Los valores de la carga crítica (Lc) para los revestimientos de TiN se resumen en la FIGURA 4.

La evolución de la profundidad de penetración, del COF y de la emisión acústica permite conocer el mecanismo de fallo del recubrimiento en diferentes etapas, que están representadas por las cargas críticas en este estudio. Se puede observar que la muestra A y la muestra B presentan un comportamiento comparable durante el ensayo de rayado. El palpador penetra progresivamente en la muestra hasta una profundidad de ~0,06 mm y el COF aumenta gradualmente hasta ~0,3 a medida que la carga normal aumenta linealmente al principio del ensayo de rayado del revestimiento. Cuando se alcanza el Lc1 de ~3,3 N, se produce el primer signo de fallo por astillamiento. Esto también se refleja en los primeros picos grandes en el gráfico de la profundidad de penetración, el COF y la emisión acústica. A medida que la carga sigue aumentando hasta Lc2 de ~3,8 N, se producen nuevas fluctuaciones de la profundidad de penetración, el COF y la emisión acústica. Podemos observar un fallo de espalación continuo presente en ambos lados de la pista de rayado. En Lc3, el revestimiento se desprende completamente del sustrato metálico bajo la alta presión aplicada por el palpador, dejando el sustrato expuesto y desprotegido.

En comparación, la Muestra C presenta cargas críticas más bajas en las diferentes etapas de los ensayos de rayado del revestimiento, lo que también se refleja en la evolución de la profundidad de penetración, el coeficiente de fricción (COF) y la emisión acústica durante el ensayo de rayado del revestimiento. La muestra C posee una capa intermedia de adhesión con menor dureza y mayor tensión en la interfaz entre el revestimiento superior de TiN y el sustrato metálico en comparación con la muestra A y la muestra B.

Este estudio demuestra la importancia del soporte adecuado del sustrato y de la arquitectura del recubrimiento para la calidad del sistema de recubrimiento. Una capa intermedia más fuerte puede resistir mejor la deformación bajo una alta carga externa y la tensión de concentración, y así mejorar la fuerza cohesiva y adhesiva del sistema de recubrimiento/sustrato.

FIGURA 1: Evolución de la profundidad de penetración, del COF y de la emisión acústica de las muestras de TiN.

FIGURA 2: Rastro completo de arañazos de los revestimientos de TiN después de las pruebas.

FIGURA 3: Fallos del recubrimiento de TiN bajo diferentes cargas críticas, Lc.

FIGURA 4: Resumen de los valores de carga crítica (Lc) para los revestimientos de TiN.

CONCLUSIÓN

En este estudio, demostramos que el comprobador mecánico NANOVEA PB1000 realiza ensayos de rayado fiables y precisos en muestras recubiertas de TiN de forma controlada y estrechamente supervisada. Las mediciones de arañazos permiten a los usuarios identificar rápidamente la carga crítica a la que se producen los típicos fallos del revestimiento cohesivo y adhesivo. Nuestros instrumentos son herramientas superiores de control de calidad que pueden inspeccionar y comparar cuantitativamente la calidad intrínseca de un revestimiento y la integridad interfacial de un sistema de revestimiento/sustrato. Un revestimiento con una capa intermedia adecuada puede resistir una gran deformación bajo una alta carga externa y tensión de concentración, y mejorar la fuerza cohesiva y adhesiva de un sistema de revestimiento/sustrato.

Los módulos Nano y Micro de un comprobador mecánico NANOVEA incluyen todos los modos de indentación, rayado y desgaste que cumplen con las normas ISO y ASTM, proporcionando la gama más amplia y fácil de usar de pruebas disponibles en un solo sistema. La gama inigualable de NANOVEA es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades mecánicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros, incluyendo la dureza, el módulo de Young, la tenacidad a la fractura, la adhesión, la resistencia al desgaste y muchas otras.

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