(2) TTC, Av. Dr. Almera 85, 08205 Sabadell CAR

CARACTERIZACIÓN
DE
TRATAMIENTOS
SUPERFICIALES
MEDIANTE
ESPETROMETRÍA GDS
J. A. García (1), R. J. Rodríguez (1), R. Martínez (1), L. Carreras (2), F. Montalá (2)
y Sandra Bueno (2)
RESUMEN:
La espectrometría GDS (Glow discharge spectrometry) es una técnica que permite
analizar muestras de espesores mayores de 100 micras en tiempos del orden de
15-30 minutos. En este trabajo se describe la aplicabilidad de las técnicas GDS con
fuentes de continua y radiofrecuencia para el análisis de diferentes tratamientos
superficiales como la cementación, nitruración iónica, recubrimientos por CVD y
PVD y implantación iónica. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto que la
espectrometría GDS en una importante herramienta de caracterización y control de
calidad.
ABSTRACT:
Glow discharge spectrometry (GDOES) is a powerful technique that allow to do
depth profiles larger than 100 microns in times of about 15-30 minutes. This work
gathers a study of applicability of this technique in the analysis of different surface
treatments with thinkness from 200 nm to more than 10 microns. Rf and DC
sources were used to measure nitrogen implanted titanium, PVD and CVD ultrahard
coatings and a plasma nitrurated steel sample. Results show that GDOES is a
suitable and economical method to analysed these kind of treatment
(1) Centro de Ingeniería Avanzada de Superficies AIN, 31191 Cordovilla-Pamplona
(2) TTC, Av. Dr. Almera 85, 08205 Sabadell
1
INTRODUCCIÓN
Actualmente existe un amplio menú de tratamientos superficiales, que sin alterar
las propiedades del cuerpo del material proporcionan importantes mejoras de
comportamiento y el aumento de la vida útil de útiles y herramientas. Estas
modificaciones en las propiedades mecánicas y tribológicas dependen en gran
medida de la composición química y del espesor de las capas de cada tipo de
tratamiento. Por lo tanto la caracterización de los perfiles de concentración en
profundidad es una valiosa información obtenida mediante diferentes técnicas (AES,
XPS, SIMS…). El principal inconveniente del uso de estas técnicas es el elevado
coste tanto en tiempo como en otros recursos, factor que limita enormemente su
aplicabilidad industrial. Otra importante limitación de estas técnicas que se deriva
del tiempo necesario para analizar una muestra es el máximo espesor medible,
limitándose en la mayoría de los casos a análisis de capas cuyo espesor no vaya
más haya de unas pocas micras. En este contexto la espectroscopía GDOES permite
analizar perfiles de composición en profundidad en tiempos mucho más pequeños
con resoluciones comparables a las de técnicas como AES y XPS.
2
DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS TECNICAS GDOES
La espectroscopía de descarga luminiscente (GDS) es una técnica de análisis
elemental basada en la discriminación óptica de longitudes de onda emitidas por
una fuente de pulverización catódica. El principio de funcionamiento de las
lamparas de emisión es el mismo que el de los tubos catódicos, funcionando en su
modo de descarga anormal.
La elección de esta zona de funcionamiento está debida a varios factores [1]:
•
Es una zona de alta emisión.
•
Como en esta zona la relación V-I es prácticamente lineal se puede controlar
mejor la descarga.
•
En esta zona toda la superficie del cátodo participa en la descarga.
Figura 1: Esquema de una lampara de emisión
Los sistemas de análisis constan fundamentalmente de una lámpara Grimm (figura
1) [2], con una fuente de excitación bien de DC o de RF que proporciona la emisión
que es recogida a través de una ventana y es focalizada sobre una red de difracción
montada sobre un circulo de Roland. Al difractarse en la retícula las diferentes
longitudes de onda (caracteristicas de cada elemento) lo hacen con ángulos
específicos de dichas longitudes y son recogidos por detectores [3].
3
DESCRIPCIÓN
DE
LOS
EQUIPOS
Y
DE
LAS
CONDICIONES
EXPERIMENTALES DE ENSAYO
Para los ensayos se emplearon un equipo JY 10000RF del Centro de Ingeniería de
Superficies de AIN, y un equipo LECO SA 2000 de TTC. El equipo Jovin Ibon tiene 1
metro de focal y fuente de excitación de radiofrecuencia que permite el análisis de
muestras no conductoras. La figura 2 muestra una fotografía de dicho equipo.
Figura 2: Espectrómetro JY10000RF de AIN
La fuente de radiofrecuencia del JY10000RF trabaja en modo presión y potencia
constante y la selección de estos parámetros es de gran importancia para la
obtención de cráteres de pulverización planos. Las medidas se realizaron a potencia
de 35 W y presión de 650 Pa. Para la realización de las rectas de calibración se
empleó el programa Quatum IQTM.
El equipo LECO SA2000 instalado en el Departamento Técnico de TTC dispone de
fuente de continua y los análisis se realizaron en modo V-I constante. Durante
estos ensayos la presión del gas varía para mantener constante la velocidad de
erosión de la muestra. La figura 3 muestra el equipo LECO SA 2000.
Figura 3: Espectrómetro LECO SA2000 de TTC
4
RESULTADOS
La figura 4a muestra el perfil de concentración atómica de una muestra de titanio
implantada con 8*1017 át./cm2 de nitrógeno molecular a 150 KeV. Este perfil fue
realizado empleando la fuente RF. La figura 4b muestra el perfil de nitrógeno de
una nitruración iónica realizado mediante fuente de continua.
110
100
Ti
100
Fe
90
80
80
% atómico
% atómico
70
60
50
40
60
40
30
20
20
N
N
10
0
0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0
5
10
15
20
25
30
Profundidad (µm)
Profundidad (µm)
(a):Titanio implantado con N+ (RF)
(b):Acero nitrurado
Figura 4: Muestras metálicas con perfiles de nitrógeno
La figura 5a muestra una capa de PVD sobre un acero de herramientas realizada
por arco eléctrico. La medida fue realizada empleando el equipo LECO SA 2000.
Finalmente la figura 5b muestra un recubrimiento de CVD sobre un acero de
herramientas
realizada
radiofrecuencia.
empleando
el
equipo
JY10000
RF
con
fuente
de
90
Fe
80
80
Concentración % atomica
% atómico
70
N
60
Cr
40
Ti
20
Cr
Ti
N
C
Fe
Cr
60
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
0
10
0
5
Profundidad (µm)
10
15
20
Profundidad (micras)
(a):PVD CrN/TiN sobre acero (DC)
(b):CVD TiN/TiC sobre acero (RF)
Figura 5: Muestras metálicas con recubrimientos cerámicos
5
CONCLUSIONES
En este trabajo se han realizado ensayos de GDOES sobre muestras con diferentes
tratamientos
superficiales
empleando
un
equipo
JY10000RF
con
fuente
de
excitación de radiofrecuencia, y un equipo LECO SA2000 con fuente de continua.
Los resultados obtenidos indican que:
•
Las técnicas GDOES, además de realizar análisis elementales de materiales
sólidos pueden proporcionar perfiles de concentración en profundidad que van
desde los pocos nanómetros hasta decenas de micras.
•
Para el análisis de muestras conductoras la fuente de radiofrecuencia del equipo
JY10000RF proporciona resultados similares a los obtenidos con el equipo LECO
SA2000 que emplea fuentes de excitación de continua.
•
La técnica GDOES es una potente herramienta de investigación y control de
calidad, que permite realizar análisis superficiales con precisiones comparables
a métodos como el AES y XPS, pero en tiempos de análisis muy inferiores.
5
BIBLIOGRAFÍA
[1]
A. GÓMEZ, Segundo curso de ciencia y Ingeniería de los materiales (1996)
CENIM
[2]
W. GRIMM, Spectrochim Acta, 23 B (1968) 443
[3]
R. PAYLING, Materials Forum 18 B (1994) 195
6
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean expresar su agradecimiento al Departamento de Industria del
Gobierno de Navarra, y al Servicio de Acción Exterior del Gobierno de Navarra por
su apoyo a través del proyecto TRIBOTEC del programa Aquitania-Navarra