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Caracterización de las propiedades tribológicas de los recubrimientos duros

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Universitat de Barcelona. Departament de Física Aplicada i Òptica

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[spa] En este trabajo se presenta de forma muy detallada los procedimientos realizados y los resultados obtenidos en la evaluación de las propiedades tribológicas y mecánicas de cuatro grupos de recubrimientos duros obtenidos por técnicas PVD, además, se describen los procedimientos de depósito de los recubrimientos. Con un sistema de bola sobre disco se estudió el coeficiente de fricción y el desgaste en deslizamiento de los recubrimientos, además, se evaluó la tasa de desgaste abrasivo mediante un disco abrasivo. Se realizaron medidas de dureza y adhesión mediante un nanoindentador. Para el estudio de la composición química, microestructura y morfología de los recubrimientos se utilizaron las siguientes técnicas: DRX, espectroscopia Raman, SEM, EDS y GDOES.  Se depositaron monocapas de CrC por evaporación por arco catódico (CAE) sobre sustratos de acero. Para obtener estos recubrimientos se utilizaron blancos de Cr en una atmósfera reactiva de C2H2, variando la presión de depósito desde 6.1 a 0.4 Pa. Los coeficientes de fricción presentaron un comportamiento paralelo a la evolución de la estructura cristalina y dureza de los recubrimientos, se obtuvieron valores altos de coeficientes de fricción y de dureza en los recubrimientos con la fase Cr3C2 depositados con presiones de 0.4 Pa. Los recubrimientos depositados con la presión de 6.1 Pa mostraron los más bajos valores de coeficientes de fricción, mientras que los valores de dureza disminuyeron considerablemente. Estos últimos recubrimientos mostraron una fase amorfa de CrC con exceso de carbono.  Se obtuvo otro grupo de recubrimientos de CrC mediante pulverización catódica magnetrón, a partir de un blanco de Cr en una atmósfera de gas reactivo de CH4. Durante el depósito de estos recubrimientos se varió la composición del gas, la polarización del sustrato y la presión. Los coeficientes de fricción muestran un amplio rango de variación, que va desde 0.7 para el recubrimiento con el más bajo contenido de carbono hasta valores de 0.2 para los recubrimientos con exceso de carbono. Los recubrimientos de composición estequiométrica Cr3C2 y cercana a ella revelaron coeficientes de fricción alrededor de 0.4 y los más altos valores de dureza de todos los recubrimientos de este grupo. Las tasas de desgaste en deslizamiento y abrasivo presentaron un comportamiento análogo, presentando los recubrimientos con los más altos contenidos de carbono las más bajas tasas de desgaste. Además, se depositó una serie de recubrimientos multicapa de Cr/CrC mediante pulverización catódica magnetrón. Los períodos de bicapa Cr/CrC presentaron variaciones entre 22 y 300 nm, con espesores totales de recubrimientos muy similares. Las propiedades tribológicas de estos recubrimientos multicapa están determinadas por las propiedades tribológicas de cada una de las capas que forman la multicapa. La fricción en los primeros ciclos de ensayo refleja la fricción de la capa más externa (CrC) del recubrimiento, pero una vez esta capa está desgastada la fricción aumenta debido a la capa de metal (Cr). Un estudio detallado del desgaste en la multicapa ha permitido demostrar el mecanismo de desgaste capa a capa y las variaciones del coeficiente de fricción asociadas a este mecanismo. Los esfuerzos residuales de estos recubrimientos y la carga crítica presentaron un comportamiento paralelo. Por último, se estudiaron recubrimientos de CrAlN depositados mediante evaporación por arco catódico, variando la polarización del sustrato entre 50 y -400 V. Los coeficientes de fricción medidos en estos recubrimientos son altos, pero en cambio, de todos los recubrimientos estudiados, éstos, presentaron la tasa de desgaste más baja así como los valores de dureza más altos. Los contracuerpos de WC-Co y alúmina sufrieron tasas de desgaste 20 y 5 veces mayores que los recubrimientos de CrAlN. PALABRAS CLAVE: Recubrimientos duros, evaporación por arco catódico, pulverización catódica, propiedades tribológicas, propiedades mecánicas.

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[eng] "CHARACTERIZATION OF THE TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF HARD COATINGS". This work presents the procedures for the evaluation of tribological and mechanical properties of four groups of hard coatings obtained by PVD techniques and the results obtained. The friction coefficients and the sliding and abrasive wear rates of the coatings were studied, and hardness and adhesion measurements were developed. Chemical composition, microstructure and morphology were analyzed by means of XRD, Raman spectroscopy, SEM, EDS, GDOES and SIMS. CrC monolayers were deposited using cathodic arc evaporation (CAE). Friction coefficients presented a parallel behavior to the evolution of the crystalline structure and hardness of the coatings. Coatings with a Cr3C2 phase showed high friction coefficients and hardness values, whereas coatings with an amorphous CrC phase and excess carbon showed the lowest friction coefficients and hardness values.  Other group of CrC coatings was deposited by r.f. magnetron sputtering. Stoichiometric composition coatings of the Cr3C2 phase and with composition near to this one, these coatings had friction coefficients of around 0.4; these coatings presented the highest hardness values of all the coatings of this group. Sliding and abrasive wear rates presented analogue behavior, and coatings with the highest carbon content exhibited the lowest wear rates. A series of Cr/CrC multilayer coatings was also obtained by r.f. magnetron sputtering. Tribological properties of these coatings were determined by the properties of each of the layers that constitute the multilayer. A detailed study of the wear of the multilayers has permitted demonstrate the wear mechanism layer by layer, and the friction coefficient variations as regards this mechanism. The coatings that presented higher residual stresses showed lower critical loads. Finally, CrAlN coatings were deposited by CAE at negative substrate bias between 50 and 400 V. Of all the coatings studied in this thesis, these CrAlN coatings presented the lowest wear rates and the highest hardness values.

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Tesis Doctorals - Departament - Física Aplicada i Òptica

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Caracterización de las propiedades tribológicas de los recubrimientos duros