Técnicas de indentación aplicadas al estudio de propiedades mecánicas de recubrimientos cerámicos de nitruro de titanio

Abstract

Este trabajo trata con el estudio de la respuesta mecánica de Nitruro de Titanio (TiN) a situaciones de contacto estático con indentadores Vickers y Rockwell C Se depositaron capas de TiN sobre aceros M2 y 304L a través del proceso de Arco-PAPVD. Para este propósito se utilizaron dos equipos: un reactor comercial de marca Balzers y uno experimental. Las probetas fueron sometidas a ensayos de indentación estática con cargas entre 5 mN y 1500 N, aplicadas por medio de un nanoindentador Fisher H 100V y equipos de indentación convencional equipados con indentadores Vickers y Rockwell C. Las indentaciones permitieron obtener la dureza y módulo de elasticidad de las capas y sustrato y su variación con el desplazamiento relativo del indentador (RID). La microestructura de estos sistemas, espesor de las capas, patrones de agrietamiento fueron obtenidos a través de microscopía electrónica de barrido (MEB), microscopía e fuerza atómica (MFA), difracción de rayos X (DRX) y ensayos Calo-test. En el caso de los sistemas recubiertos en el reactor experimenta, se tuvieron problemas con la medición de la dureza y módulo de elasticidad debido a la redondez de la punta del indentador y la hereogeneidad en la microestructura y espesor de las capas. Los valores de dureza y modulo de elasticidad medidos en las capas depositadas en el reactor Balzers, fueron de aproximadamente 25 GPa y 400 GPa. Las curvas (RID) mostraron una variación de estas propiedades y mostraron ser una herramienta importante para el desempeño de estas capas. Además las curvas (P-h^2), (P-h^1.5) y (P-h) permitieron correlacionar los patrones de agrietamiento generados durante los ensayos, con la capacidad de estos sistemas para sostener cargas y la posibilidad de agrietamiento. Los ensayos de indentación Rockwell C permitieron medir la adherencia de las capas al sustrato. Todos estos resultados indican que los sistemas M2-TiN se comportan mejor que los 304L-TiN, y estos a su vez que los depositados en el reactor experimental. También se demostró que algunos modelos estudiados para la medición de Kc, and Kc^INT de las capas e intercara respectivamente, no son adecuados para este propósito en los sistemas fabricados. Esto debido a la diferencia entre los patrones de agrietamiento en que los modelos se basan y los obtenidos.

Abstract : This work was concerned with the study of the mechanical response of Titanium Nitride (TiN) films during Rockwell and Vickers static indentations. TiN films were deposited onto M2 and 304L steels through Arc-Plasma Assisted Physical Vapor Deposition (PAPVD) process. For this purpose two equipments were used: A commercial Balzers reactor and an experimental reactor. Specimens were subjected to static indentation with loads between 5 mN and 1500 N, applied in either a Fischer H100V nanoindenter or conventional hardness equipments with Vickers and Rockwell indenters. Indentations allowed obtaining the hardness and Young’s modulus of films and substrate, and their variation with the relative indenter displacement (RID). The microstructure of these systems, film thickness and crack patterns were assessed by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), X ray diffraction (XDR) and Calo-test. In the case of coatings obtained in the experimental reactor, problems due to tip roundness, in-homogeneity in microstructure and films thickness avoided to measure hardness and elastic modulus of the films. The Measured hardness values of TiN films deposited in the Balzers reactor were about 25 GPa and Elastic modulus of 400 GPa. The (RID) plots showed a variation of these properties and became an important tool to evaluate the performance of these systems. Besides, (P-h2), (P-h1.5) and (P-h) plots allowed to relate the crack patterns generated during tests to both the capacity of these systems to sustain loads and cracking. Also Rockwell C indentations allowed to measure the adherence of these films to substrate. The results showed that the M2-TiN systems performed better than the 304L-TiN systems, while the behavior of the systems obtained in the experimental reactor was always worse. It was also demonstrated that some proposed models for the evaluation of Kc and KcINT of films and interface respectively, are not suitable in the systems studied in this investigation. This is due to the difference between the crack patterns assumed in the models and those actually observed in the specimens.