Caracterización mecánica y microestructural de superficies de metal duro con implantación iónica

Abstract

El metal duro es un material compuesto por cerámica-metal (cermet). Consiste en carburo de tungsteno (WC) en una matriz de cobalto. Es un material altamente utilizado en la industria por sus propiedades mecánicas: es un material muy duro, con elevada resistencia al desgaste, temperatura, impactos e incluso corrosión, entre otras. Es por ello que se usa principalmente en herramientas de corte y perforación. Ahora bien, pese a sus elevadas propiedades, el metal duro se suele recubrir con recubrimientos cerámicos duros para aumentar su vida útil, sobretodo en aplicaciones de corte a alta velocidad. La mayoría de estos recubrimientos son ternarios o cuaternarios, como por ejemplo el AlCrSiN o TiAlSiN. Estos mejoran la dureza y la resistencia al desgaste y oxidación pero presentan una baja adhesión al sustrato. Para mejorar la adhesión de esos recubrimientos se están estudiando muchas técnicas y este proyecto se centra en una de ellas: la implantación iónica del sustrato. Así pues, en este proyecto se han estudiado muestras de metal duro con implantación iónica de titanio, cromo y nitrógeno (por separado). El objetivo es averiguar que produce la implantación iónica de estos elementos en el metal duro para su post-recubrimiento. Se ha realizado una caracterización mecánica y microestructural de las muestras. Se han llevado a cabo ensayos mecánicos de indentación hertziana, ensayo mercedes, scratch y microdureza con estimación de la tenacidad de fractura. También se han caracterizado mediante espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS), espectroscopia de rayos X por dispersión de energía (EDX), nanoindentación con Berkovich y, finalmente, se han estimado las tensiones residuales mediante la técnica de correlación de imagen digital (FIB-DIC). Los resultados muestran una mejora en la tenacidad de fractura con la implantación de Titanio o Cromo, así como una disminución en la dureza de las muestras implantadas. Finalmente se han encontrado tensiones residuales de compresión en la muestra implantada con Cromo. En el resto de ensayos prácticamente no se observa diferencia en los resultados obtenidos.

El metall dur és un material compost per ceràmica-metall (cermet). Consisteix en carbur de tungstè (WC) en una matriu de cobalt. És un material altament utilitzat en la indústria per les seves propietats: és un material molt dur, amb elevada resistència al desgast, temperatura, impactes i fins i tot corrosió, entre d'altres. És per això que es fa servir principalment en eines de tall i perforació. Ara bé, malgrat les seves elevades propietats, el metall dur se sol recobrir amb recobriments ceràmics durs per augmentar la seva vida útil, sobretot en aplicacions de tall a alta velocitat. La majoria d'aquests recobriments són ternaris o quaternaris, com ara el AlCrSiN o TiAlSiN, aquests milloren la duresa i la resistència al desgast i oxidació però mostren una baixa adhesió al substrat. Per millorar l'adhesió d'aquests recobriments s'estan estudiant moltes tècniques i aquest projecte se centra en una d'elles: la implantació iònica del substrat. Així doncs, en aquest projecte s'han estudiat mostres de metall dur amb implantació iònica de titani, crom i nitrogen (per separat). L'objectiu és entendre que produeix la implantació iònica d'aquests elements en el metall dur per al seu post-recobriment. S'ha realitzat una caracterització mecànica i microestructural de les mostres. S'han dut a terme assajos mecànics d’indentació hertziana, assaig mercedes, scratch i microduresa amb estimació de la tenacitat de fractura. També s'han caracteritzat mitjançant espectroscòpia fotoelectrònica de raigs X (XPS), espectroscòpia de rajos X per dispersió d’energia (EDX), nanoindentació Berkovich i, finalment, s'han estimat les tensions residuals mitjançant la tècnica de correlació d'imatge digital (FIB-DIC). Els resultats mostren una millora en la tenacitat de fractura amb la implantació de Titani o Crom. Així, també s’observa una disminució en la duresa a les mostres implantades. Finalment, s’han trobat tensions residuals de compressió a la mostra implantada amb Crom. A la resta d'assajos pràcticament no s'observa diferència en els resultats obtinguts.

Hard metal is a metal-ceramic (cermet) composite material. It consists of tungsten carbide (WC) in a cobalt matrix. This material is highly used in industry due to its properties: it is a very hard material, with high resistance to wear, temperature, impacts and even corrosion, among others. That’s why it is mainly used in cutting and drilling tools. However, despite its high properties, hard metal is usually coated with hard ceramic coatings to increase its useful life, especially in high-speed cutting applications. Most of these coatings are ternary or quaternary, such as AlCrSiN or TiAlSiN, they improve hardness and resistance to wear and oxidation but shows low adhesion to the substrate. To improve the adhesion of these coatings, many techniques are under study, and this project focuses in one of them: ionic implantation of the substrate. So, in this project, hard metal samples with ion implantation of titanium, chromium and nitrogen (separately) have been studied. The purpose is to find out what produces the ionic implantation of these elements in the hard metal for its post-coating. A mechanical and microstructural characterization of the samples has been carried out. Mechanical tests of Hertzian indentation, Mercedes test, scratch and microhardness with estimation of the fracture toughness have been done. They have also been characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), nanoindentation with Berkovich tip, and finally, residual stresses have been estimated using the digital image correlation technique (FIB-DIC). The results show an improvement in fracture toughness with the implantation of Titanium or Chromium. As well as a decrease in the hardness of the implanted samples. Finally, residual compressive stresses have been found in the Chromium implanted sample. In the rest of the tests, practically no difference was observed in the results obtained.