Multicapas De Vanadio/Nitruro De Vanadio Crecidas Por Magnetrón Sputtering R.F.

Transcripción

1 Revista Colombiana de Física, Vol. 43, No. 3 de Multicapas De Vanadio/Nitruro De Vanadio Crecidas Por Magnetrón Sputtering R.F. Multilayers Of Vanadium/Vanadium Nitride Grown By RF Magnetron Sputtering V. Quintero a,d, C. Villacrez a,d, C. Barbosa b, A. Ruden b, P. Arango c, C. Rincón * a, d a Departamento de Física, Laboratorio de Bajas Temperaturas, Universidad del Cauca, Popayán, Colombia. b Laboratorio de Recubrimientos Duros y Aplicaciones Industriales, RDAI. Escuela de Ingeniería de Materiales, Universidad del Valle. Cali, Colombia. c Laboratorio del Plasma. Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales. d Centro de Excelencia en Nuevos Materiales, CENM. Cali, Colombia. Recibido ; Aceptado ; Publicado en línea Resumen Multicapas de Vanadio/Nitruro de Vanadio con 1, 5, 7 15 y 25 bicapas fueron depositadas sobre sustratos de silicio y acero M2, usando un sistema de magnetrón sputtering R.F, de un cátodo. El blanco fue de Vanadio puro (99.99%) y la estructura multicapa fue crecida alternando automáticamente una atmosfera pura de Ar y una mezcla reactiva de N 2 /Ar. Difracción de rayos X en las multicapas nos permite observar las diferentes fases obtenidas del nitruro de vanadio y del vanadio de las monocapa individuales. Análisis morfológico de las superficies fueron realizadas por microscopia de fuerza atómica AFM. Las propiedades mecánicas y tribológicas tales como dureza, desgaste y coeficiente de fricción en las multicapas fueron analizadas por medio de las técnicas de nanoindentación dinámica y ball on disk. Se presenta en este trabajo una correlación de estas propiedades con el número de bicapas. Palabras clave: Multicapas, Propiedades tribológicas. Abstract Multilayer of vanadium/vanadium nitride with 1, 5, 7, 15, 25 bilayer were deposited on substrate of silicon and HSS M2, using a system of Magnetron Sputtering R.F. The target is vanadium (99, 99%) and the structure multilayer was grown altering automatic a pure environment of Argon and reactive mixture of N 2 /Ar. XDR on multilayer shows phase of Vanadium Nitrite and the vanadium in monolayer. Technique of AFM (Microscope Force Atomic) was used for superficial analysis. The mechanical properties and tribology: Hardness, wear and friction were analyzed by techniques of dynamic nanoindentation and ball on disc respectively. This work shows a correlation of their properties with the number of bilayer. Keywords: Multilayer, tribology properties Revista Colombiana de Física. Todos los derechos reservados. 1. Introducción Los recubrimientos multicapas con periodos en el rango de los nanómetros han centrado un importante esfuerzo investigador debido a sus mejores propiedades mecánicas y tribológicas comparadas con aquellas de sus componentes individuales. Dentro de estas multicapas nanométricas, las del tipo metal/cerámico, como por ejemplo Cr/CrN pueden * crincon@unicauca.edu.co

2 Rev.Col.Fís., Vol. 43, No. 3 de presentar una menor fragilidad debido a que las capas metálicas confieren parte de su comportamiento dúctil al conjunto [1]. Es bien conocido que la dureza incrementa cuando el periodo de las multicapas se reduce, aumentando el interés de estas como recubrimientos resistentes al desgaste. Este incremento de la dureza es explicado entre otras razones por el hecho de tener diferentes sistemas de propagación de las dislocaciones en los componentes de las multicapas y por tener interfases marcadas que eviten dicha propagación. Varios multicapas han sido estudiadas durante los últimos años entre otras: Cr/CrN [1], Ti/TiN [2], Al/AlN [3], Cr/CrC [4], muestran sustancialmente mejoras en sus propiedades mecánicas y tribológicas que su contraparte en monocapa. Trabajos previos en nitruro de vanadio VN crecidas por magnetrón sputtering han mostrado que este material posee excelentes propiedades mecánicas y tribológicas las cuales dependen de los parámetros de depósito [5]. El propósito de este trabajo es estudiar las propiedades mecánicas y tribológicas de multicapas de V/VN crecidas sobre aceros M2 por magnetrón sputtering reactivo usando un solo blanco, con el propósito de observar la evolución de las propiedades mencionadas con la variación del espesor de las bicapas o el periodo. 2. Métodos Experimentales Las multicapas de V/VN se crecieron en un sistema Balzers BAE 250 por el método de pulverización catódica reactiva R.F, a partir de un blanco de vanadio metálico de 2 pulgadas de diámetro con pureza de %. Para el crecimiento de las capas de VN se uso una atmósfera compuesta por una mezcla de argón y nitrógeno, el flujo de este último se estableció en 2 sccm. Antes del crecimiento de las películas la presión en la cámara fue de mbar. Se estableció una presión de argón constante de mbar dentro de la cámara, la presión de trabajo fue de 1.4 x 10-2 mbar, en todos los casos. Para el crecimiento de las multicapas se estableció un tiempo total de 2.30 horas. El flujo de nitrógeno fue controlado automáticamente por periodos que variaron entre 1.15 horas y 3min, con el objetivo de crecer multicapas con 1, 5, 7, 15 y 25 bicapas respectivamente. La temperatura del sustrato se mantuvo constante a 350 o C. La potencia del blanco fue de 50 W. Se estableció una distancia entre el blanco y los sustratos de 5 cm. Todas las multicapas se comenzaron a crecer con una capa inicial de vanadio para obtener buena adherencia sobre los sustratos. Los sustratos de acero que fueron discos de 2,5 cm de diámetro por 2,5 mm de espesor, se les realizo un tratamiento de pulido al espejo con alúmina al 0,5 µm de tamaño de grano. Estos se sometieron a un proceso de limpieza en acetona en ultrasonido por 20 min y etanol para la limpieza final. También el blanco fue pre-pulverizado en argón puro para limpiar contaminantes y óxidos en su superficie, por 15 minutos. La estructura cristalina de las películas delgadas de VN fue identificada por un sistema de Difracción de Rayos X, Siemens D-500 usando la línea K α del Cu con una λ = nm y operado a 35 KV y 25 ma. Los picos obtenidos fueron indexados usando los patrones de difracción de rayos X JCPDS [6]. El espesor de las películas se determino con un perfilómetro Ambios Technology XP2, con una resolución de 10 Å hasta 100 µm, usando un escalón establecido en las películas. La dureza se midió utilizando la técnica de nanoindentación usando un equipo Nanovea, se utilizaron cargas de 2,8 mn y 3,8 mn para el acero M2 y el silicio respectivamente utilizando gráficas de Perfil de dureza profundidad de indentación, indicado por la norma ISO para encontrar parámetros. La adhesión de las películas al sustrato fue evaluada por la técnica de adhesión dinámica de rayado o Scratch. Esta caracterización se realizó con un equipo Microtest MTR2 que cuenta con un indentador tipo Rockwell C de 200µm de radio; la carga en el ensayo varió de 0 a 90N, con velocidad de aplicación 1N / s, en una distancia de 6mm. El coeficiente de fricción (µ) se evaluó con la técnica de ball on disk con un Tribómetro SCEM, usando una bola de alúmina de 6mm de diámetro, cargas de 1 y 3 N, distancia de recorrido de 100m, velocidad lineal de 5cm/s, y radio de la huella de 4mm. También se capturaron imágenes con una cámara olympus con aumentos a 5X y 10X adaptada a un microscopio óptico, para analizar las huellas del ensayo tribológico. 3. Resultados Experimentales En la figura 1, se observa el difractograma de la muestra V/VN con 25 bicapas. De la gráfica intensidad versus ángulo incidente se muestran picos (200), (111), (220) de la fase cúbica δ-vn y (110) del vanadio, se observa una alta orintación (200) de la fase δ-vn. Un pequeño pico a un ángulo aproximado de 42 o asociado a la fase hexagonal β-vn es regristrado en el difractograma como también una componente amorfa. En la figura 2, se observa las imágenes superficiales de microscopía de fuerza atómica (AFM) para las multicapas de 1y 25 bicapas sobre silicio. Estas imágenes muestran una morfología superficial muy característica de un crecimiento tipo columnar, observándose también, cambios en aquella con el número de bicapas. El tamaño de grano disminuyo con el número de bicapas obteniéndose valores de nm hasta nm. Igual comportamiento mostró la rugosidad con valores de 4,66 nm para la bicapa 708

3 V. Quintero, C. Villacrez, C. Barbosa, A. Ruden, P. Arango, C. Rincón: Multicapas De Vanadio/Nitruro De Vanadio Crecidas Por Magnetrón Sputtering R.F. y aproximadamente 1.07 nm con el aumento del número de bicapas (25 bicapas). Intensidad (u.a) (111) δ VN (200) δ-vn β V 2 N (110) V metal VN- 25 bicapas θ (grados) (220) δ-vn Fig. 1: Difractograma de rayos X para una película de VN de 25 bicapas. Los ensayos de rayado revelan una buena adherencia de las multicapas a los sustratos de acero. Los valores de carga crítica de adhesión para las multicapas se puede observar en la figura 5. DUREZA H (GPa) NUMERO DE BICAPAS (n) Acero M2 Silicio Fig 3: Variación de la dureza con respecto al número de capas 400 Modulo de Elasticidad E (GPa) Silicio Acero M2 (a) (b) Fig. 2: a) Imagen de una bicapa de V/VN sobre silicio,b) multicapa- 15 bicapas Numero de bicapas (n) Fig. 4: Variación del modulo de Elasticidad con respecto al número de capas La figura 3, muestra la variación de la dureza medida por nanoindentación usando el método de Oliver y Pharr, por lo que la profundidad de penetración del indentador se limitó a un 10% del espesor total de las capas. De la gráfica se puede constatar que el aumento de la dureza en las multicapas es mayor cuanto más pequeño es el periodo o mayor el número de bicapas, hecho ya reportado para multicapas nanométricas por muchos autores y muy superior al valor reportado por la regla de las mezclas. El modulo de Young en las multicapas tiene un comportamiento como el que se observa en la figura 4, y es proporcional al número de bicapas. En la perspectiva de aplicación final de estas multicapas como recubrimientos antidesgaste las propiedades tribológicas en función del número de bicapas fueron analizadas. Fig. 5: Curvas típica de Coeficiente de Friccion vs Carga aplicada, para las multicapas sobre acero M2 709

4 Rev.Col.Fís., Vol. 43, No. 3 de Con respecto al coeficiente de fricción, las multicapas presentan con respecto al número de bicapas una disminuvalor de 0.4 ción de un valor de 0,75 para la bicapa a un para la multicapa de 25 bicapas. 1,0 Fig 6: Micrografía Óptica de zonas de desgaste con ball on disk a 3N y aumento de 10 X para A) una bicapa B) 15 bicapas C) 25 bicapas, sobre aceros M2. COEFICIENTE DE FRICCION (µ) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 15 V/VN 1 V/VN 25V/VN RECORRIDO (m) 100 Fig 8: Curvas típica de Coeficiente de Fricción para u recorrido de 100m para las multicapas sobre acero M2 4. Conclusiones Se crecieron multicapas V/VN haciendo un control aude magnetrón tomático del flujo de gases en la cámara sputtering. Una fase mayoritaria de nitruro de vanadio se puede observar en nuestras multicapas asociada a la fase δ-vn con orientación preferencial (200) como también una componente amorfa. Un pequeño pico de la fase hexamulticapas gonal β-vn fue registrado. El incremento de V/VN mejora la dureza sobre el acero M2 y los sustratos de silicio. Valores de y GPa se alcanzaron para las multicapas de 25 bicapas para acero y silicio rese. Una correlación entre la disminución del pectivamente. tamaño de grano y la dureza fue encontrada. La rugosidad de las multicapas disminuye con el número de bicapas para los sustratos de silicio. Las mejores resistencias al desgaste en los aceros se encuentran para las multicapas de mayor número de bicapas. El coeficiente de fricción para las multicapas sobre acero disminuye con el número de bicapas. 5. Agradecimientos c. El desgaste mejora para la multicapa de 25 bicapas. En la figura 7 se puede apreciar los resultados del ensayo de desgaste para 1 N. Un bajo desgaste adhesivo se puede apreciar en las películas. Las huellas en la bicapaa muy posiblemente nos sugieren un desgaste triboquímicoo en la superficie por formación posiblemente de óxidos de vana- dio. a. b. Fig.7: Imágenes del surco de desgaste después del ensayo de rayado a 1N y aumento de 50X para a) una bicapa b) 15 bicapas c) 25 bicapas sobre aceros M2 Este trabajo fue realizado con el apoyo parcial del Centro de Excelencia de Nuevos Materiales CENM, contrato numero Los autores agradecen a Johan Steeven Restrepo por su aporte en los ensayos de Ball on disc. C. Rincón agradece a la Universidad del Cauca por el tiempo asignado para la realización de este trabajo. 710

5 V. Quintero, C. Villacrez, C. Barbosa, A. Ruden, P. Arango, C. Rincón: Multicapas De Vanadio/Nitruro De Vanadio Crecidas Por Magnetrón Sputtering R.F. Referencias [1] J. Romero, J. Esteve, A. Lousa. Surface and Coatings Technology (2004) [2] C. Rincón, F. Correa, J. Caicedo, G. Bejarano. Revista Colombiana de Física Vol. 39, No 2. (2007). [3] J. H. Lee, W. M. Kim, T. S. Lee, M. K Chung, B. Cheong, S. G. Kim. Surface and Coatings Technology (2000) [4] J. Romero, A. Lousa, E. Martinez, J. Esteve. Surface and Coatings Technology (2003) [5] A. Urrutia, C. Rincón, G.Bolaños, N. de Sanchez, F. Correa. Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009, S1 (4): [6] JCPDS Powder Diffraction File (JCPDS International Centre for Diffraction Data, Swarthmore, PA, 1998). 711