Mechanical and tribological features of TaN(Ag-Cu) duplex nanocomposite coatings: their response to heat treatment

Características mecánicas y tribológicas de recubrimientos nanocompuestos dúplex de TaN(Ag-Cu): su respuesta al tratamiento térmico

Se recubrieron muestras de acero inoxidable martensítico AISI 420 y de silicio (100) con nitruro de tantalio dopado con nanopartículas de plata y cobre TaN(Ag-Cu) para mejorar su dureza y resistencia al desgaste. Los recubrimientos fueron depositados por la técnica de la pulverización catódica DC asistida por campo magnético, utilizando un blanco de tantalio confrontado a otro blanco compuesto de plata/cobre (50/50 %at). Las muestras recubiertas se sometieron a un apropiado ciclo de tratamiento térmico a 250 ºC durante 8 minutos para lograr una difusión controlada de las nanopartículas Ag-Cu hacia la superficie del compuesto, ya que sus propiedades mecánicas y tribológicas dependen, no solo del contenido de Ag/Cu, sino también del tamaño, forma y densidad de las nanopartículas de Ag-Cu sobre la superficie del TaN (Ag,Cu). Se evaluó la influencia del contenido de Ag-Cu sobre la microestructura, las propiedades mecánicas y tribológicas del compuesto antes y después del tratamiento térmico. 

En términos generales la microdureza y la tasa de desgaste aumentan inicialmente con el contenido de Ag/Cu, pero luego disminuyen para contenidos mayores a 0,71%at, exhibiendo el efecto lubricante que ejercen las nanopartículas de Ag-Cu en el compuesto. El recubrimiento C3 tratado térmicamente, presentó una microdureza de 15GPa, muy superior a la exhibida por acero inoxidable AISI 420, así como una tasa de desgaste seis órdenes de magnitud menor que la de dicho acero.

INTRODUCCIÓN

El acero inoxidable AISI 420 ha sido ampliamente utilizado en la fabricación de herramientas de corte y en la producción de piezas de maquinaria para la industria alimentaria, farmacéutica y química, así como en el diseño de dispositivos quirúrgicos y dentales, debido a su adecuada resistencia a la corrosión, buena templabilidad y alta tenacidad [1-3]. Sin embargo, la dureza media obtenida en este tipo de aceros, de unos 4,5 GPa, no es lo suficientemente alta para algunas aplicaciones tribológicas, lo que provoca el desgaste prematuro y el fallo de las piezas cuando operan en condiciones de trabajo severas o durante los procesos de esterilización.

Una alternativa estratégica para mejorar la resistencia al desgaste del acero inoxidable AISI 420 es el uso de recubrimientos cerámicos como TiCN, TiAlN, CrN, ZrN, entre otros [4-9]. El objetivo de este trabajo de investigación fue la mejora de la dureza y la resistencia al desgaste del acero inoxidable AISI 420 mediante un tratamiento superficial dúplex consistente en la nitruración por plasma del acero, seguido de la deposición de un recubrimiento de TaN dopado con nanopartículas de Ag y Cu.