Modificación de la atmósfera de trabajo durante el depósito vía magnetrón sputtering, y su efecto en las propiedades mecánicas, electroquímicas y tribológicas de recubrimientos de BN sobre acero AISI M2

Abstract

Para prolongar la vida útil de las herramientas de corte y aumentar su adaptabilidad en las diversas aplicaciones, es una necesidad el uso de recubrimientos protectores que mejoren la resistencia al desgaste, a la corrosión y las propiedades mecánicas de la herramienta, sin comprometer la tenacidad del sustrato. Entre ellos, los recubrimientos basados en nitruro de boro (BN) tienen un alto potencial debido a su alta dureza y buen desempeño tribológico. Sin embargo, su implementación está limitada por su adhesión al sustrato, la cual tiende a disminuir con el aumento del contenido de la fase cúbica (c-BN), provocando su pronta delaminación debido al alto grado de esfuerzos residuales. Para prevenir estas limitaciones, se han empleado distintas arquitecturas multicapa, al igual que la optimización de las condiciones de depósito, buscando mejorar la composición y microestructura de los recubrimientos basados en nitruro de boro. Por otro lado, el efecto de la atmósfera de trabajo, en particular el uso de gases nobles distintos al argón, en el depósito por magnetrón sputtering han sido poco estudiado y se ha enfocado, sobre todo, en recubrimientos base carbono, donde el tipo de gas influye en el grado de ionización del plasma, la densidad del recubrimiento y la relación entre enlaces sp2 y sp3. En este contexto, la incorporación de neón en la atmósfera de trabajo podría permitir manipular la composición y microestructura de recubrimientos basados en nitruro de boro, con potencial para mejorar la microestructura y propiedades como la dureza y la resistencia a la corrosión, un aspecto aún no estudiado de manera sistemática. En este trabajo se investigó el efecto de la relación de flujo Ar:Ne en el depósito por magnetrón sputtering de recubrimientos de Cr/CrN/B4C/B-C-N/BN sobre sustratos de acero AISI M2. Se utilizaron cuatro relaciones de flujo, ???: ??? de 1:0, 7:3, 1:1, y 3:7, muestras nombradas como Ne0, Ne30, Ne50 y Ne70, respectivamente, donde se mantuvieron constantes las demás condiciones experimentales de depósito. Se analizó su influencia en la microestructura, composición química, propiedades mecánicas, adhesión y comportamiento electroquímico mediante diversas técnicas de caracterización. Las mediciones por microscopía electrónica de barrido y microscopía de fuerza atómica indicaron una superficie homogénea y rugosidades promedio menores a 3.9 nm para Ne0, Ne30 y Ne50. En cambio, la muestra Ne70 exhibió defectos tipo nódulos que incrementaron la rugosidad en un orden de magnitud. El análisis por difracción de rayos X reveló un dominio de la fase Cr2N en la capa CrN para todas las muestras, con picos más intensos en Ne50 y Ne70, lo que indica un mayor contenido de esta fase o una orientación preferencial promovida por la mayor incorporación de nitrógeno en estas condiciones. Las capas B4C/B-C-N/BN de los recubrimientos presentaron una estructura amorfa, conformadas, en su mayoría, por enlaces sp2-BN asociados a la fase t-BN, con una baja fracción de c-BN. Entre las diferentes condiciones, la muestra Ne50 presentó la mayor intensidad en la banda de c-BN según la espectroscopía infrarroja transformada de Fourier, lo que implica un mayor contenido de c-BN atribuido a un mayor grado de ionización del plasma alcanzado en el depósito. Los análisis de espectroscopía de fotoelectrones emitidos por rayos X evidenciaron que una relación ???: ??? de 3:7 favoreció la incorporación de boro y nitrógeno en la superficie de los recubrimientos, mientras que se redujo la concentración relativa de carbono y oxígeno. 6 La estimación de esfuerzos residuales, realizada mediante el método de la curvatura del sustrato de silicio, indicó valores menores a 1.3 GPa en todas las muestras, donde la muestra Ne50 fue la única que presentó esfuerzos de compresión, mientras que las demás exhibieron esfuerzos de tensión. La dureza de los recubrimientos, determinada por nanoindentación, se encontró en el rango de 9.7 y 11.0 GPa, valores asociados a un alto contenido de enlaces sp2-BN, en concordancia con lo reportado para recubrimientos de h-BN o B-C-N. La adhesión práctica se estudió a través de ensayos de rasgado, los cuales exhibieron una carga crítica LC3 (delaminación total) superior a 39 N en todas las muestras. La muestra Ne30 presentó la mayor adhesión, atribuido a una mejor compatibilidad mecánica con el sustrato ante la deformación plástica, relacionada con su menor dureza. En contraste, la muestra Ne70 mostró la adhesión más baja, asociada a que la presencia de defectos actuó como sitios de inicio de agrietamiento, provocando una mayor delaminación. Por su parte, el comportamiento electroquímico fue estudiado por espectroscopía de impedancia electroquímica y polarización potenciodinámica, donde se estableció que la aplicación de los recubrimientos mejoró de manera significativa la resistencia a la corrosión del acero AISI M2. La resistencia de polarización se incrementó entre 2.2 y 5.0 veces respecto al sustrato sin recubrir, alcanzando su valor máximo en la muestra Ne70. Asimismo, las muestras Ne50 y Ne70 presentaron la mayor disminución en la densidad de corriente de corrosión, lo que apunta a una mejor protección frente a la penetración del electrolito hacia el sustrato. Estos resultados indican que un mayor flujo de Ne durante el depósito promovió la formación de recubrimientos más densos y con menor porosidad, aumentando su resistencia a la corrosión. Asimismo, el análisis por difracción de rayos X, realizado después de un tratamiento de recocido a 600 °C y mediante calentamiento in situ, mostró que los recubrimientos mantuvieron estabilidad térmica hasta 500 °C. A 600 °C se observó oxidación parcial y recristalización, evidenciada por la desaparición de la fase Cr y la formación de Cr2O3 en las intercapas Cr/CrN. Entre las muestras, Ne30 exhibió una mayor resistencia a la oxidación tras el tratamiento térmico.