). Para el análisis químico se utilizo un equipo XPS ESCALAB 250 Thermo VG Scientific XPS/155, con una fuente de rayos X de Al y un analizador de energía hemisférico entre -10eV y 1200 eV.Influência da temperatura substrato sobre a microestrutura do TiN/TiC
Influence of substrate temperature on the microstructure of TiN/TiC
D. M. Devia1, F. Mesa2 y P. J. Arango3
1 Magíster en Ciencias Físicas dmdevian@utp.edu.co, profesor Universidad Tecnológica de Pereira (UTP), Pereira-Colombia
2 Magíster en Instrumentación Física femesa@utp.edu.co, profesor Universidad Tecnológica de Pereira (UTP), Pereira-Colombia
3 Magíster en Física pjarangoa@unal.edu.co, profesor Universidad Nacional de Colombiasede Manizales (UNAL), Manizales-Colombia
(Recepción: 26-ene-2010. Modificación: 02-abr-2010. Aceptación: 05-oct-2010)
]]> Resumen
Las bicapas de TiN/TiC se depositaron utilizando la técnica de deposición en fase vapor asistido por plasma (PAPVD)-Arco Pulsado, variando la temperatura del sustrato en un rango de 100-120 °C, con intervalos de 5 °C. Los recubrimientos se analizaron por medio de XPS y XRD. A partir del tratamiento de las señales de los espectros angostos de XPS y los patrones de XRD, se determino la formación de los compuestos TiN (Nitruro de Titanio), TiC (Carburo de Titanio) y TiCN (carbonitruro de titanio) en la fase cristalográfica fm-3m correspondiente a las fases FCC de estos compuestos sintetizados.
Palabras claves: Arco pulsado, Microestructura, TiN/TiC, XPS, XRD.
Resumo
As bicamadas de TiN/TiC foram depositadas utilizando a técnica de deposição de vapor assistida por plasma (PAPVD) de pulso, variando a temperatura do substrato na faixa de 100-120 °C, com intervalos de 5 °C. Os revestimentos foram analisados por meio de XRD e XPS. A partir do processamento dos sinais dos espectros estreitos de XPS e dos padrões de DRX, determinou-se a formação dos compostos TiN (nitreto de titânio), TiC (carbeto de titânio) e TiCN (carbonitretos de titânio) em fase cristalográfica fm-3m, correspondente
Palavras chaves: Arco pulsado, Microestructura, TiN/TiC, XPS, XRD.
Abstract
TiN/TiC bilayers were deposited using Plasma Assisted Physical Vapor Deposition technique PAPVD)-Pulsed Arc, varying the substrate temperature in a range of 100-120 °C, with intervals of 5 °C. Coatings were analyzed through XPS and XRD. From signal processing narrow spectrum of XPS and the XRD patterns, was determined the formation of TiN (Titanium Nitride), TiC (Titanium Carbide) and TiCN (Titanium Carbide Nitride) compounds in the crystallographic
]]> Key words: Pulsed Arc, Microstructure, TiN/TiC, XPS, XRD.
1 Introducción
En los recubrimientos duros en forma de multicapas las interacciones entre las diferentes intercaras determinan la capacidad de adherencia entre las capas y por lo tanto desempeñan un papel primordial en las diferentes aplicaciones industriales [1, 2]. Las multicapas crecidas por medio de técnicas de deposición de alta energía, como la PAPVD-Arco Pulsado, son sometidas a un alto grado de intercambio atómico de ambos materiales provenientes de los recubrimientos adyacentes [3], lo que permite un alto nivel de difusión atómica y buena adherencia. Las aplicaciones de estos sistemas incluyen: herramientas de corte y de conformación, barreras térmicas y materiales resistentes a la corrosión en estructuras metálicas [4, 5]. El TiC es un material de interés comercial debido a que posee características como: alta dureza, baja densidad, alta conductividad térmica y eléctrica y resistencia a la corrosión [6]. Debido a esto se ha despertado un creciente interés en los investigadores, especialmente al tratar de entender las propiedades estructurales y superficiales del compuesto [7, 8], para permitir el control de estas propiedades en función de los parámetros de síntesis. La temperatura del sustrato es importante en la producción de recubrimientos, ya que mejora el proceso de nucleación por medio de la combinación de factores tales como disociación en la formación de islas durante las etapas iníciales del crecimiento y el incremento de la movilidad superficial [9], además, la temperatura facilita la difusión de átomos hacia la superficie del sustrato y las intercaras [10]. Adicionalmente, mejora la coalescencia de islas en las etapas finales del crecimiento. En este trabajo se depositaron recubrimientos de TiN/TiC variando la temperatura del sustrato analizando su composición química obteniendo la energía y tipo de enlace característica para cada elemento y sus propiedades microestructurales tales como tipo de red cristalina, parámetros de red, tamaño de cristalito y microdeformaciones.
2 Detalles experimentales
Las bicapas de TiN/TiC se depositaron sobre sustratos de acero inoxidable 304, ampliamente utilizado en la industria química, procesamiento alimenticio, equipamiento quirúrgico, válvulas, tuberías, equipo de refrigeración. Variando la temperatura del substrato entre 100 y 120 °C con intervalos de 5 grados utilizando la técnica PAPVD arco Pulsado, se ha observado que este rango de temperatura presenta la menor presencia de esfuerzos residuales en la estructura del compuesto [11], queriendo estudiar la temperatura en la cual se presenta mejor microestructura. En la tabla 1 se muestra las condiciones de deposición de las bicapas de TiN/TiC. La caracterización estructural se realizó por medio de un Difractómetro de Rayos X (XRD) Bruker D8 Advanced con geometría θ-θ de haces paralelos y se utilizo la técnica de incidencia rasante de 3, con un barrido 2θ a un paso de 0.02° a una velocidad de 2s/paso y utilizando una fuente de radiación Cukα (λ=1.5406 ). Para el análisis químico se utilizo un equipo XPS ESCALAB 250 Thermo VG Scientific XPS/155, con una fuente de rayos X de Al y un analizador de energía hemisférico entre -10eV y 1200 eV.
3 Análisis y resultados
]]> 3.1 Análisis XPSEn la figura 1a, 1b y 1c se muestran los espectros angostos XPS para los elementos de las bicapas de TiN/TiC depositadas a una temperatura de 115 °C, (Ti2p1/2,Ti2p3/2, C1s y N1s); bajo tratamiento de deconvolución de estas señales se obtuvieron las energías de enlace correspondiente los compuestos TiC, TiCN, C-N y Ti-N y los valores de estas energías se muestran en la tabla 2 [12, 13, 14, 15]. En la figura, se observa el pico correspondiente al enlace C-C, el cual se forma por el gas reactivo (CH4) en la deposición del TiC.
3.2 Análisis XRD
Los patrones de difracción para las bicapas se observan en la figura 2. Con respecto a la temperatura del substrato, los patrones muestran orientación en los planos cristalográficos pertenecientes a la fase FCC de los compuestos analizados anteriormente por XPS, TiN, TiC, TiCN, en las direcciones (111), (200), (220) y (311); trabajos previos realizados por Yamasaki [16] y Devia [17], presentan estas orientaciones como correspondientes a las bicapas de TiN/TiC.
Los picos de difracción de estos compuestos se superponen ya que tienen el mismo factor de estructura, es decir, cristalizan en el mismo grupo espacial fm-3m, además, sus parámetros de red son similares [18, 19], como es reportado por Kim [20] y Devia [21]. Si observamos el conjunto de picos cristalográficos, el incremento de la temperatura del substrato, influye en el aumento de la cristalinidad ya que hay mayor movilidad de especies generando una distribución energéticamente más estable; esto se refleja en que los recubrimientos depositados a 100 °C y 105 °C presentan baja cristalinidad respecto a los depositados a mayor temperatura; fenómeno observado, a partir de los recubrimientos depositados a temperaturas superiores (110 °C, 115 °C y 120 °C), donde la intensidad cristalográfica del substrato y de la bicapa es comparable; de la misma manera podemos establecer la contribución de los diferentes compuestos en los patrones de difracción, mostrando interacciones de corto alcance entre celdas cristalinas, en particular a partir del patrón de la bicapa depositada a 110 °C donde es evidente la superposición de picos. En el patrón de difracción del recubrimiento depositado a 115 °C los picos observados coinciden con los reportados en la base de datos ISDD # 064904 [18], el cual corresponde a un patrón de difracción de menores esfuerzos residuales, este efecto es debido a la temperatura, ya que presenta el mejor gradiente de difusión atómica, disminuyendo las fronteras de grano e incrementando la cristalinidad del recubrimiento [22].
En la tabla 3 se muestran los parámetros de red respecto a la temperatura del substrato, el recubrimiento depositado a 110 °C muestra el parámetro de red más cercano al estándar [21], los otros parámetros son mayores posiblemente debido a dislocaciones, vacancias o absorción de óxidos. Se observa una disminución del parámetro de red del TiC, la absorción de hidrocarburo durante y después de la descarga en los intersticios de la red del carburo, usando metano, acetileno y propano como gas de atmósfera, genera ensanchamiento de la red [23, 24], sin embargo altas concentraciones de carbono hacen que el parámetro de red disminuya [25].
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En la tabla 4 se observa el tamaño de cristalito respecto a la temperatura del substrato, el tamaño de cristalito más grande para el TiN se observa a la temperatura de deposición de 115 °C y el menor para 105 °C, este resultado se ajusta con los patrones de difracción de la figura 2, donde el recubrimiento sintetizado a 115 °C presenta mejor cristalinidad que el recubrimiento a 105 °C, sin embargo la comparación no se ajusta para el recubrimiento a 120 °C, la cual presenta alta cristalinidad, pero presenta un tamaño de cristalito bajo; una causa de esto se puede observar en la tabla 3 donde las microdeformaciones o defectos de la red son mayores en los recubrimientos a 115 y 120 °C, además, es posible corroborar que a bajas temperaturas, los defectos de la red son mayores como se puede observar en el recubrimiento depositado a 100 °C. Para el tamaño de cristalito del TiC, el mayor valor se encuentra a la temperatura de crecimiento de 105 °C y este disminuye con el aumento de la temperatura. En la tabla 4, se observan las microdeformaciones respecto a la temperatura del substrato. Cuando se aumenta la temperatura, la microdeformación disminuye y comparando con los resultados de tamaño de cristalito, la muestra crecida a más baja temperatura posee el cristalito más grande y las microdeformaciones también son grandes, sin embargo, la muestra crecida a 115 °C posee cristalito con menor tamaño y microdeformaciones.
4 Conclusiones
Se depositaron bicapas de TiN/TiC variando la temperatura del substrato de 100 a 120 °C con intervalos de 5 °C. Usando XPS fueron identificados los elementos y enlaces entre ellos, encontrando las correspondientes energías de enlace comprobando la existencia del compuesto. Por medio de XRD se identifico la fase TiN/TiC encontrando un incrementando en su cristalinidad con la temperatura del substrato, se observo que la temperatura de crecimiento ideal para el compuesto es 115 °C debido a la ausencia de esfuerzos residuales en el patrón. Se encontró que el tamaño de cristalito y las microdeformaciones disminuyen con el aumento de la temperatura, lo que para el TiC, como recubrimiento duro es de gran utilidad para mejorar sus propiedades mecánicas, ya que se espera un aumento en la dureza y en la resistencia a la deformación plástica debido a la ausencia de defectos y dislocaciones en el material. De igual forma los recubrimientos se encuentran orientados en los planos más densos lo que permite un mejor comportamiento mecánico y tribológico.
Agradecimientos
Los autores agradecen el apoyo financiero de la Universidad Nacional de Colombia-sede Manizales, durante el transcurso de esta investigación, en virtud del proyecto Beca II Convocatoria Nacional de Apoyo a Programas de Posgrados.
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