PROPIEDADES MECÁNICAS Y TRIBOLÓGICAS DE MONOCAPAS DE W-C, DLC Y MULTICAPAS DE W-C/DLC. Universitaria Autónoma de Occidente, Cali, Colombia

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1 PROPIEDADES MECÁNICAS Y TRIBOLÓGICAS DE MONOCAPAS DE W-C, DLC Y MULTICAPAS DE W-C/DLC C. Rincón 1, G. Zambrano 2, P. Prieto 2 1 Grupo Ciencia e Ingeniería de Materiales, Departamento de Física, Corporación Universitaria Autónoma de Occidente, Cali, Colombia 2 Grupo de Películas Delgadas, Departamento de Física, Universidad del Valle, Cali, Colombia 1 crincon@cuao.edu.co RESUMEN En el presente trabajo, se crecieron monocapas de carburo de tungsteno W-C y carbono amorfo hidrogenado tipo diamante DLC, como también multicapas de W-C/DLC, como recubrimientos antidesgaste sobre substratos de aceros rápidos M2 (AISI). Las multicapas consisten de un apilamiento de monocapas de W-C y una capa superior de DLC. Las multicapas fueron obtenidas insitu por medio de la técnica de Pulverización Catódica con campo magnético, usando un blanco binario formado por mitad tungsteno (99.999%) y mitad carbono (99.999%) y ajustando la concentración de metano CH 4 en la mezcla de Ar/CH 4. La estructura multicapa fue evaluada por SIMS y la composición de las monocapas mediante XPS y Espectroscopia Raman. La deconvolución de los espectros Raman de las capas de DLC arrojan una concentración de enlaces sp 3 entre 25 y 35%. La morfología de la las superficies de la multicapas fue analizada por AFM. Las propiedades tribológicas y mecánicas fueron estudiadas usando la técnica rayado, bola sobre disco y nanoindentación. Se encontró que las multicapas mejoran la adhesión de las capas de DLC sobre los substratos de acero manteniendo su bajo coeficiente de fricción. ABSTRACT W-C, DLC monolayers and W-C/DLC multilayers have been growth on M2 (AISI) high-speed steel for wear-protective purposes. The coatings are composed of a W-C multilayer base and an upper lubricious DLC layer and they are obtained by reactive r.f. magnetron sputtering from a single tungsten-carbon binary target. The whole coating structure was obtained in-situ, without any interruption of the sputtering process. SIMS was used to assess the multilayers structure. XPS and Raman spectroscopy were used to analyze its composition. Raman analysis of the DLC monolayers show that the sp 3 bonds concentration is between 25 and 35%. The properties tribological and mechanical of the coatings were investigated by means of scratch test, ball-ondisk and nanoindentation test measurements. It was found that the multilayer W-C bas improves the adhesion of the upper DLC layer to steel susbtrates while keeping its low friction coefficient. Palabras claves: Multicapas, desgaste, Magnetrón Sputtering, blanco binario. 1. Introducción Películas delgadas de DLC son caracterizadas por una alta dureza, un bajo coeficiente de fricción, una alta resistencia química, la cual hace de éstos materiales buenos candidatos para recubrimientos contra el desgaste. Las propiedades físicas y mecánicas del DLC dependen fuertemente de la razón de enlaces sp 2 /sp 3, la cual varía dentro de un gran rango de valores. Una desventaja del DLC es su alta tensión compresiva que produce una mala adherencia sobre substratos metálico. Se ha encontrado que dopando el DLC con un pequeño porcentaje de metales de transición o depositando una capa metálica intermedia se reduce las tensiones y mejora la adhesión [1,2]. 47

2 REVISTA COLOMBIANA DE FISICA, VOL. 35, No De otro lado, el W-C en películas delgadas ha sido investigado como recubrimiento duro para proteger contra el desgaste, la erosión, y la oxidación a altas temperaturas debido a su alta dureza y excelente estabilidad térmica. Un ejemplo de aplicación del W-C es su utilización en herramientas de corte, sin embargo su alto coeficiente de fricción de 0.5 a 0.6 sin lubricación es un inconveniente y limita su total desempeño. Otro de los problemas del W-C es también su fragilidad. El coeficiente de fricción del carburo de tungsteno se reduce creciéndolo con carbono libre tipo grafito o DLC mediante técnicas híbridas como ablación láser-pulverización, mejorando así la tenacidad. El carbono tipo grafito proporciona un bajo coeficiente de fricción pero, la formación de carbono libre produce una amorfización del W-C reduciendo su dureza de 30 a 15 GPa [3,4]. En este trabajo, recubrimientos de monocapas de W-C, DLC y multicapas de W- C/DLC fueron crecidas por medio de la técnica de pulverización catódica usando un blanco binario, mitad tungsteno mitad carbono. Las diferentes capas se obtienen insitu a partir de la variación de la concentración de metano en la mezcla de argón / metano. Usando este novedoso método, se prepararon recubrimientos en forma de multicapas con la idea de investigar la influencia de la estructura de la multicapas sobre las propiedades mecánicas y tribológicas de los recubrimientos. 2. Detalles experimentales 2.1 Crecimiento de las películas El sistema de pulverización catódica asistida con campo magnético usando un blanco binario ha sido descrito anteriormente [5]. Dos tipos de capas de W-C fueron depositadas en dos diferentes procesos: proceso A: Ar puro a 4x10-2 mbar y proceso B: 20% de CH 4 /Ar a 7x10-2 mbar. La temperatura del substrato se mantuvo constante a 300 o C para el proceso A y a 500 o C para el proceso B. Un proceso C fue establecido para obtener una capa de DLC introduciendo al sistema un 40, 50, 60, y 80% de metano en la mezcla de CH 4 /Ar con una temperatura del substrato de 150 o C para evitar una posible grafitización del recubrimiento. Las multicapas fueron obtenidas por una combinación alternativa de los procesos A y B hasta un número de bicapas deseadas. Cuatro diferentes estructuras fueron depositadas formadas por 1, 6, 7 y 8 bicapas. Una capa superior de DLC fue crecida en la parte superior del apilamiento de las bicapas para las diferentes concentraciones de metano. El espesor de la capa de DLC fue alrededor de 0.3 µm. El espesor total de todos los recubrimiento fue del orden de 1µm aproximadamente. 2.2 Caracterización de las películas El equipo y las condiciones usadas para obtener la caracterización de las capas están definidas en la referencia [5]. 3. Resultados y discusión 3.1 Morfología y composición Las imágenes de AFM sobre las capas crecidas para los procesos A, B y C muestran unas superficies con alta homogeneidad. El tamaño de grano para estas capas fueron 48

3 120, 75 y 133 nm. respectivamente. El análisis SIMS de las multicapas corrobora la estructura multicapa mostrando una modulación periódica con franjas estrechas ricas en carbono y franjas asociadas al tungsteno, más un perfil agudo de carbono asociado con la capa superior de DLC [5]. Del análisis de XPS se concluye que la capa del proceso A presenta una fase hexagonal W 2 C y la capa del proceso B presenta una fase cúbica WC 1-x [v]. El análisis Raman de las capas depositadas por el proceso C muestra las bandas características G y D, centradas a 1350 cm -1 y 1550 cm -1 respectivamente, asociadas a películas DLC. El espectro Raman cambia muy poco con la concentración de metano para estas capas. El espectro Raman no fue detectado para las muestras depositadas por los procesos A y B. La figura 1a muestra el espectro Raman y su deconvolución en Gaussianas para una capa crecida con 50% de CH 4. La razón I D /I G puede tomarse como la razón de las áreas de las bandas D y G respectivamente para obtener información sobre las concentraciones de enlaces sp 3 y sp 2. La figura 1b muestra la evolución de la razón de Intensidades I d /I G y la posición del pico G con la concentración de CH 4 en el plasma. Figura 1a. Espectro Raman. Proceso C Se puede observar un comportamiento similar para la razón I D /I G y la posición del pico G a diferentes concentraciones. Un cambio a valores menores está asociado a mayor concentración de enlaces sp 3 ; mientras que un aumento se asocia a capas mas grafiticas con enlaces sp 2 incorporados en su estructura. De acuerdo a las relaciones encontradas por Ferrari y Robertson [6] para este tipo de capas, se encontró a partir de la figura 1b que la concentración de enlaces sp 3 para las capas del proceso C en el rango de concentraciones estudiado están entre 25% y 35%. 49

4 REVISTA COLOMBIANA DE FISICA, VOL. 35, No Figura 1b. Razón de Intensidades I d /I g y evolución del pico G 3.2 Propiedades mecánicas y tribológicas Los valores obtenidos para la carga critica de adherencia sobre acero se observan en la tabla 1. Las monocapas de DLC, presentan una carga crítica promedio 500 mn. Este es un valor bajo comparado con valores de carga crítica obtenidos con esferas de 200 µm de radio, pero está en el rango de valores reportados con esferas de radio de 50 µm [7]. Se observa que el valor de la carga crítica para las multicapas es alrededor de tres veces mayor con respecto a los valores de carga crítica de las capas de DLC. En la tabla 1 se observa la rugosidad, valores que están de acuerdo con recubrimientos duros de WC/C crecidos por pulverización catódica asistida con campo magnético [8,9]. Tabla 1. Resultados de las propiedades mecánicas y tribológicas Capas Rugosidad (nm) Proceso A. W-C 24.6 Proceso B. W-C 15.3 Proceso C. DLC 10.5 Multicapas W-C/DLC 10.8 Carga crítica (mn) Coeficiente de fricción acero alúmina Tiempo de vida (Número de revoluciones) acero alúmina Dureza (GPa) En la tabla 1 se observa la diferencia sustancial obtenida para el coeficiente de fricción contra bola sobre alúmina y acero de las capas de DLC comparada con la capas de W-C 50

5 crecidas con los procesos A y B. Se puede observar que las capas de DLC mantienen su bajo coeficiente de fricción cuando estas son crecidas sobre las multicapas. Estos valores obtenidos son típicos de valores reportados para recubrimientos de carburo de tungsteno crecidos con la técnica híbrida ablación láser-pulverización [10]. Con respecto al tiempo de vida de las multicapas, éste se incrementa notablemente cuando se comparan con las capas de DLC, como se observa en la tabla 1. Los ensayos de desgaste muestran entonces la ventaja de la estructura multicapa para mejorar la resistencia al desgaste del DLC sobre substrato de aceros manteniendo sus propiedades de lubricación en seco. Las capas crecidas por el proceso A presentan la mayor dureza, esta capa corresponde a la fase hexagonal W 2 C [5] con un bajo porcentaje de carbono. Para la capa crecida con el proceso B cuya fase es WC 1-x [5] la dureza disminuye ligeramente. El cambio de fase y el aumento en el contenido de carbono en esta capa produce probablemente esta disminución. El valor de la dureza para la capa crecida con el proceso C, 50% de CH 4, crece con respecto a la capa del proceso B, este aumento está relacionado con una mayor concentración de enlaces sp 3 como fue reportado por análisis Raman. La estructura multicapa mejora la dureza con respecto a las monocapas. 4. Conclusiones La Pulverización Catódica asistida con campo magnético de un blanco binario prueba ser un método alternativo para el crecimiento de multicapas de W-C y de una capa superior de DLC en un sólo proceso variando alternadamente la composición de metano en la mezcla de gases. La estructura de estas multicapas consiste de una fase policristalina de W-C separada por una capa estrecha rica en carbono. Los experimentos han mostrado que las multicapas mejoran la adhesión y la resistencia al desgaste del DLC sobre substratos de acero mientras mantiene su bajo coeficiente de fricción. Referencias [1]. H. Dimigen C.P Klages, Surf. Coat. Technol. 49, 543, (1993). [2]. K. Bewiloga, H. Dimigen, Surf. Coat. Technol. 61, 144, (1993). [3]. Ph. Gouy-Pailler, Y. Pauleau, J. Vac. Sci. Technol. A 11, 96, (1993). [4]. Y. Pauleau, Ph. Gouy-Pailler, S. Paidassi, Surf. Coat. Technol , 324, (1992). [5]. C. Rincón, G. Zambrano, P. Prieto, H. Galindo, E. Martínez, A. Lousa, J. Esteve, Surf. Coat. Technol. 148, 277, (2001). [6]. A.C. Ferrari, J. Robertson, Phys. Rev. B. V. 61, No. 20, 14095, (2000). [7]. E. Martínez, M.C. Polo, E. Pascual, J. Esteve, Diamond Relat. Mater. 8, 563, (1999). [8]. Olle Wanstrand, Mats Larsson, Per Hedenqvist, Surf. Coat. Technol, 111, 247, (1999). [9]. N. J. M. Caravalho, J. Th. M. DeHosson, Thin Solid Films, 388, 150, (2001). [10]. A.A. Voevodin, J.P. O Neill, J.S. Zabinsky, Thin Solid Films, 342, 194, (1999). 51