Recubrimientos-de-nitruros-metalicos-depositados-con-la-tecnica-de-espurreo-asistido-con-campos-magneticos-variables

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO 
POSGRADO DE MAESTRíA Y DOCTORADO EN 
INGENIERíA 
FACULTAD DE QUíMICA 
RECUBRIMIENTOS DE NITRUROS METÁLICOS 
DEPOSITADOS CON lA TÉCNICA DE ESPURREO 
ASISTIDO CON CAMPOS MAGNÉTICOS VARIABLES 
T E S I S 
QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE: 
DOCTOR EN INGENIERIA 
INGENIERIA QUIMICA - METALURGIA 
PRESENTA: 
M. en 1. JHON JAIRO OLAVA FLOREZ 
TUTOR: 
DRA. SANDRA EllZABETH RODll POSADA 
2005 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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JURADO ASIGNADO: 
Presidente : Dr. Mario Villagrán Muñiz 
Autorizo 8 la Diracclón GOMlral de Biblioteca~ . \1 ia 
UNAM 8 difundir en formato elsctronlco e impreso el 
contenido de mi trabajo reoepclonal. 
NOMBRE: ¡) haO ,,)or\To C>\9.(J' 
FECHA: '2-4 - \\S 6'>1 - '2 005 
FIf~MA:~ 
Secretario : Dr. José Bernardo Hernández Morales 
1 ero Volcal : Dr. Stephen Muhl Saunders 
2do. Volcal : Dr. Ramiro Pérez 
3er. Vocal : Dr. Ciro Falcony Guajardo 
1 er. Suplente : Dr. Arturo Barba Pingarrón 
2do. Suplente: Dr. Manuel Vite Torres 
Lugar donde se realizó la tesis: INSTITUTO DE INVESTIGACIONES EN MATERIALES, 
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO 
TUTOR DE TESIS 
DRA. SANDRA ELlZABETH RODIL POSADA 
FIRMA 
ii 
Dedicado a la memoria de mi abuelita 
Maria Roncancio de Florez 
jjj 
AGRADECIMIENTOS 
A mi mamá, mi abuelo, mi novia, Felipe, Gudalalupe, Libardo, mis tíos y primos. 
A la Dr. Sandra Elizabeth Rodil Posada, por su amistad, confianza, apoyo, su tiempo, 
consejos y paciencia. Muchas gracias. 
Al Dr. Stephen Muhl Saunders, por todo el apoyo para la realización de este trabajo . 
Al Posgrado en Materiales-Metalurgia de la Facultad de Ingeniería, así como a la Universidad 
Nacional Autónoma de México, por su colaboración y por permitir ser nuestra casa. 
A todo el personal del Instituto de Investigaciones en Materiales por todo el trato amable 
recibido, en especial: 
- Los miembros del taller de metalmecánica, por colaborarme con los trabajos en poco 
tiempo y por su amistad. 
- Los porteros del instituto de materiales, por su colaboración y amistad. 
- A la maestra Leticia Baños por los estudios de XRD, al Dr. José Guzmán por las fotografías 
SEM y TEM, al Ing. Carlos Flores por las imágenes de AFM y al Fís. Lazaro Huerta por los 
espectros de XPS. 
A los compañeros del 11M; a Said, Ivonne, Toña, Manuel, Javier, Gloria, Juancho, Enrique, 
Rafael, Fermín, Claudia, Efrén, Wendi, Lazara, Hugo, Raul y Sara, gracias por su compañía 
yamistad. 
A los amigos del "Gato Macho" y todos los compatriotas que estudian en la UNAM; a 
Armando, Holber, Jhon, Alejandro, Milton, Mauricio, Giovanny, Martín, Ronell y Dalila, 
Gabriel, Eliécer, Ernesto, José Luis, Ricardo, Javier, José y Yaneth, Hugo y Diana, Nuvia, 
Fabián, Matías, Gustavo y Andrea, Mizar, Ana Luisa, Ana, Carlos, Gabriela, Ruth, a todos 
ellos, gracias por que con ustedes nunca salí de Colombia. 
Al laboratorio de nanotribología del departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad 
del Estado de Ohio, USA, por su contribución con las mediciones de nanoindentación que 
permitieron caracterizar las propiedades mecánicas en las películas, en especial al Dr. 
Bharat Bhushan y el Dr. Gouhua Wei. 
Mil gracias al "Center for Microanalysis of Materials", Universidad of lIIinois, USA, que a 
través del proyecto DEFG02-91-ER45439 parcialmente pagado por el US Department of 
Energy me permitió obtener una gran cantidad de fotos de microscopía, gracias a la Mrs. 
Petrova por su apoyo. 
iv 
A la SRE, CONACYT, la UNAM y al proyecto IN100701 , por la beca doctoral y el apoyo 
económico para la adquisición de equipos y materiales que se utilizaron en este trabajo. 
v 
INDICE 
ABSTRACT...... ... ......................... ...... ............ ............ ..................... .......................................... ix 
RESUMEN ................................................................................................................................... x 
INTRODUCCIÓN ..................................................................... , ................................................... xi 
JUSTIFICACIÓN y ORIGINALIDAD .... ......................................... ............ ..................................... xvi 
OBJETIVOS .............................................................................................................................. xvii 
CAPÍTULO l ........................................................................................................................................................................... 1 
1 ANTECEDENTES ......................................................................................................................................................... 1 
1.1 REVISIÓN HISTÓRICA ......................................................................... ................... .................. ....... .. .... .. .. . .... .. . ...... . 1 
1.2 RECUBRIMIENTOS DUROS ...... ....... ...... .. .. .............. ............................. ..... ....... ........ ..... ........ ................. .. .. ... ... .. ..... ... 5 
1.2.1 Nitruros metálicos de transición .. ..... .......................................... ........ .. ................................ ...... ....................... 9 
1.2.1 .1 NitrurodeTitanio, TiN ...... ....................................................... .. ........... .......... ..................... ...... ..... .... ... .... .. ....... .... 13 
1.2.1.2 
1.2.1.3 
Nitruro de Tántalo, TaN ................................................................. .. ............... .. .. .............................. ...................... 15 
Nitruro de Cromo, CrN ................................. ..... ......... ............ .. .. ..................... ... ........ ...................... ...................... . 16 
1.2.1.4 Nitruro de Zirconio, ZrN ........ ....... ............................. ......... ......... ........................................................................... 16 
1.2.1.5 Nitruro de Niobio, NbN ................................. ... ....................................................................................................... 17 
1.3 REFERENCIAS ... .................... ....................... ............. .......... .............. . .................................................................... 18 
CAPÍTULO 2 ......................................................................................................................................................................... 22 
2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS ................................................................................................................................... 22 
2.1 PLASMAS ........ ..................... ..... ............................. .. .................. .. ................. .................. . ....... ..... .......................... 22 
2.1.1 Clasificación de los plasmas .... ............... ......... .... ... .... ........ ......... ............................ ..... .... ... ..... ........ ..... .. ........ 23 
2.1.2 Generación deplasmasFíos ........................................................................................ ... ...... .... ....... ....... ........ . 24 
2.1.3Características eléctricas de las descargas luminosas .................................................................................... 25 
2.1.4 Características visuales de las descargas luminosas ....................................................................................... 27 
2J5 Diagnóstico de plasmas utilizando sondas electrostáticas ........................ ............. ...... ........ .......... .. ............... 29 
2.2 PROCESOS PVD .............. .............................................................. ................ ..... ...... .. ....... : ... ...... .............. . . .. ......... 32 
2.2.1 Procesos de espurreo ..................... .. .......................... ................................................... .................... ..... .... ...... 32 
2.2.2 Espurreo d.c . ................... ....... ..................... .................................... ........ ............................. ........... ..... ............ 34 
2.2.3 Espurreo con magnetrón "BM" .... ....... ............. ... .............................. ....... ................ .. ........ .... .. ... .. .................. 35 
2.2.4 Espurreo con magnetrón desbalanceado "UBM" ............... .. .... ...... ............ .. .................................................. 37 
2.3 BOMBARDEO IÓNICO ........................ .................................................................................................................... .41 
2.4 MICROESTRUCTURA DE NITRUROS METÁLICOS ........................... .................................................... ........... ... .... ..... 42 
2.4.1 Influencia del sustrato y los esfuerzos residuales en la microestl1lctura ........ .... ............................................ .47 
2.5 TEXTURA DE LAS PELíCULAS DE NMT .............. ....... .............. ..................... .................. ................. .. ......... .... .. ...... 51 
2.6 DUREZA ....... . .......... ....... ...... .. .......................... .. .......... .. . ................... ...... .... .. ... ... ... ... ....... .. . ...... ........... . ..... .. ......... 59 
2.7 MEDICiÓN DE ESFUERZOS RESIDUALES ................... . .. .. ........... ...... ................. .............. .... .... ......................... ...... . .. 66 
2.8 ESPECTROSCOPIA DE FOTOELECTRONES GENERADOS POR RA VOS X ..................................................................... 69 
vi 
2.9 DIFRACCiÓN DE RAyos X .............. .. ....... .. ................................. ................................ ... .. ........ .... .......... ................ 7\ 
2.10 ESTUDIO DE DESGASTE .................. ..................... ... . ... ... ............. ...... ........ .. .. .... ...... .. ............................. . .... ... ......... 72 
2.\\ MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO ...... ... .. . .. ................ .. ...... ....................................................... .. ... ........... 73 
2. \2 MICROSCOPIA ELECTRÓN'ICA DE FUERZA ATÓMICA . ..... . ........ ..... .... ....................................................................... 74 
2.\3 ENSAYOS DE CORROSiÓN .. ..... ............ .......... ...... ....... ..... . ......... . ................................... . .... . .................... ... ..... .... .. .. 75 
2.13.1 Ensayos de corrosión usando polarización d.c . ....................................... ... .. .... ......... ..................... ... .... ..... 76 
2.13.2 Espectroscopia de Impedancias. EIS .... ....... ....... .. ..... ...... .. ....... ... .... ........ ...... ... ..... .............. .... ...... ... .......... 80 
2.\4 REFERENCIAS . ....................... .. .... ... .. ............ ..... ..... .... ............. ...... . .. ... ....... .. .. .......... .. ............. .. .. ............. . ....... ..... 87 
CAPÍTULO 3 ......................................................................................................................................................................... 92 
3 DESCRIPCIÓN EXPERIMENT AL .......................................................................................................................... 92 
3.1 EQuIPO DE ESPURREO ................................... . .................................. ... .... .. ....... ... ..... ...... ..... .. .... .................... .. ... .... 92 
3.2 
3.3 
3.4 
3.4.1 
3.4.2 
3.5 
3.5.1 
3.5.2 
3.5.3 
3.5.4 
3.5.5 
3.5.6 
3.5.7 
3.5.8 
3.6 
DISEÑO DEL MAGNETRÓN DES BALANCEADO ........... . .................................... . ... .. .... . ..... .. ......... ... . . ......................... 94 
SELECCiÓN DE LOS SUSTRATOS .......... .. ................................... . ....... ... ........ .. ................... .......... .. . ......................... 97 
OPTIMIZACiÓN DE LAS CONDICIONES DE DEPÓSITO .. .. ....... ............................................................................ ..... ... 99 
Sistema UBM-I. .... ...... ... ............................ ........ ....... ... ........................ .. ............ .................. .... .. .............. ......... 99 
Sistema UBM-II ....... .. ......... ... ............ .... ............................ ........ ... ... ... ... ......... ........... ................... .. .... ..... .. .... 100 
CARACTERIZACiÓN DE LAS PELíCULAS ............ ........... .................................. . .................. ... .. ... ... .. .... ............... .... \ 02 
Dureza ........................... .. ........... ........ .... .............................. .... ... ......... ....... .......... ....... ... .. .... .... .................... . 102 
Parámetros del plasma ......................... ........................................ .... ... ......... ............................... ... ............. .. 104 
Medición de esfiterzos residuales ............. ................... .............. .. .............. .. ... ............. .. .... .... ... ...... ....... ........ . 105 
Análisis de la composición química ... ... .. ......... ... .... ... ...... ...... ... ..... .......... ......... ...... ............. ............... .... ....... 105 
Estudio de la estructura por difi'acción de Rayos X ... ... ....... ..... .. ........ .... ... .. .................. .. ... .. ....... ....... .......... 106 
Medición de la resistencias al desgaste micro-abrasivo ..... ... .... ................ .... ... ........ ..... ..... ..... .... .. .. ... ... ... .. ... 107 
Microestructura y Morfología ... .... ..... ..... .. ..... ...... ... .... ... .... .... ....... ....... .. ..... ...... .... ............... ....... .. ......... ........ 107 
Resistencia a la corrosión ........ ........ ......... .......... .. .. .... .. ............ ...................... .... ... ..... .. .. .. .. ........ .. ......... ........ 108 
REFERENCIAS ............. .. ....... . ......... .. .. ... ............ .................. .... . ........... .................... ......... .... . .. ............................. \ 09 
CAPÍTULO 4 ....................................................................................................................................................................... 110 
4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................................................................ 110 
4.\ CARACTERIZACiÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO Y LOS PARÁMETROS DEL PLASMA ................................. . ................ 110 
4.1.1 Caracterización del sistema balanceado, BM .............. .. .......... .. ...................... .......... ..... ....... .. ... ........... ...... .. III 
4.1.1.1 Caracterización del campo magnético ..... ... ........................ .. ............ .. ....... ..... .... ........... ........ .. .... ................... ....... III 
4.1.1.2 Caracterización del plasma ........ ........... .... ..... ............................ .............. ................... ....... ...... ...... ......... .. ... .. .. ...... I 12 
4.1.2 Caracterización del ssitema desbalaceado, UBM-I.. ............. ....... ...... ....... .... .... .... ... ... .... .... .. .... .................... 1 13 
4.1.2.1 Caracterización del campo magnético ... .......... ......... ...... ... ........................ ... ..... ............... ......... ........ ........... .... .. .. . 113 
4.1.2.2 Caracterización del plasma usando el sistema UBM-I en función de Nv .••.••.••..••••••••••••••••••••.••••• • .•.• .••. ••••••• . • • ••••••• 115 
4.1.2.3 Caracterización del plasma usando el sistema UBM-I variando la distancia blanco-sustrato ..... .. ... .......... .... ... ..... I 16 
4.1. 3 Caracterización del Sistema desbalanceado, UBM-JI ............. .... ........... ...... .... .. .. ... .. .. .. .. ........ ... ........ ....... ... 119 
4.1.3.1 Caracterización del campo magnético ..... .... .... .. .... ............................ ................. .......... ... .... ................ .................. 119 
vii 
4.1.3.2 Caracterización del plasma en función de la distanci a radia!... ... .. ............. ............................. .... ..... ........ .... ...... .... 124 
4.1.3.3 Caracterización del plasma en función de KG para los diferentes blancos: TiN, CrN, TaN y ZrN ............ ........ .. .. 126 
4.2 EFECTO DEL CAMPO MAGNÉTICO EN LAS PROPIEDADES DE LAS PElíCULAS : COMPARAC IÓN ENTR E SISTEMA 
BALANC EADO Y DESBALANCEADO . .. .... .... ... ... ... ..... ... ... .. ........ ... . .. ............ ....... .... .... .. .. .. ... . ... ...... ..... ............. .... .. . .. . .. . . .... ... . 133 
4.2.1 Estudio comparativo de películas de CrN depositadas con los sistemas UBM-1 y BM ..... ....... ....... ... .. ... .... .. 133 
4.2.2 Estudio comparativo de películas de NbN depositadas con los sistemas UBM-Il y BM. .......... .. .......... .. ... .. . 142 
4.3 INFLUENCIA DE lA CONFIGURACIÓN DEL CAMPO MAGN ÉTICO SOBRE LAS PROPIEDADES DE l AS PElíCULAS .. .. .. . 149 
4.3.1 Sistema UBM-l.. ................... .. ... .... .... ... ...... ... ... .. ... ... ..... ............. .... .... ...... .. .... ..... ... ..... ...................... .. ... .... .. .. 149 
4.3.2 Películas de CrN variando la distancia blanco sustrato usando el magnetrón UBM-l.. ..................... .... ...... 152 
A. Sistema UBM-Il ... ... ...................... .. .... ... ....... .............. ..... ............................ .... ..... .... .... ..... .. .. .......... ........ ....... ........ . 163 
4.4 COMPARACIÓN DEL EFECTO DE lA CONFIGURACIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO EN DIFERENTES NITR UROS 
METÁLICOS ...... ... ........ .. ... .... ... ..... .... .... ... .. ............. .. .... .. ......... ... .. ... .... ... . .. .. .. .. ..... .. . . .. ... .. .... .. ... . ... .. . .. ..................... ...... . ... .. 173 
4.5 REFERENCIAS . .. .... .... ... .. ........... ... .. . ... . .. . ... ... . .... . .. ............. . ........ . .... ... . ... ...... .. ... ............ .. .. . ... .. ........... . ..... .. . ... ... ... 200 
CAPÍTULO 5 ....................................................................................................................................................................... 205 
5 RESUMEN Y CONCLUSIONES ............................................................................................................................. 205 
5.1 
5.1.1 
5.1.2 
5.1.3 
RESUMEN .. ........ .... . ...... .. . .... .. .......................... ..... .... ... .. .... ........................ .. ...... .. ...... ... ........ ... .. .... .... ... . .... . .... ..... . 205 
Configuración del campo magnético .......... .... ..... .. .... ....... ........ .. .... .. .. ...... .. .. ....... .... .. ...... ........ .... .. .. ........ ... ... 205 
Parámetros del plasma .... ... .. ..... ........... ................................... ..... ... ........ ............................... ..... .... .... .. .... .... 206 
Comparación de los sistemas BM Y UBM ..... .... ... ................ ........ .... .. .. ... ............................. .... .. .. .. ... ........ ... . 207 
5.1.4 Efecto del campo magnético en las propiedades de los recubrimientos .. ................................. .. ....... ... ... .. .. .. 207 
5.1.4.1 Si stema UBM-I ......... ........ .. .. ...... .. ................. .............................. .......... ........ ...................... .... .. .... ... ..................... 207 
5.1.4.2 Sistema UBM- II en función de Kc .......................... .... ..... ..... .. .. .......... .. ...................................... .. .. ............... .. .... 208 
5.1.5 Nitruros metálicos depositados con el sistema UBM-Il.. ...... .. .... .. .... ...... ...... .. .................... .. ........ .... ......... .... 209 
5.2 CONCLUSIONES . .. .. .. .. . .. ... .. .... ......... . .... ............ . ... .. .. ..................... .. .. .. .. .. . .. .... ...... ... ... .. .. . ...... ......... ..... .. . ......... 215 
CAPÍTULO 6 ....................................................................................................................................................................... 218 
6 ANEXOS ..................................................................................................................................................................... 218 
6.1 DEPÓSITO DE PElíCULAS DE NBN CON MAGNETRÓN BALANCEADO ... .... .. . ... .. ...... .... .. .. ...... .... ..................... ........ 218 
6.2 V ARIACIÓN DEL FLUJO DE N2 EN EL DEPÓSITO DE PElíCU LAS DE CRN USANDO El MAGNETRÓN UBM-II .. ...... .. 222 
6.3 V ARIACIÓN DEL FLUJO DE N2 EN EL DEPÓSITO DE PELíCULAS DE TIN USANDO EL MAGNETRÓN UBM-II ...... .. ... 224 
6.4 RESULTADOS DE ESPECTROSCOPIA DE IMPEDANCIA DE lAS PElíCULAS DE NMT DEPOSITADOS SOBRE EL ACERO 
AISI 304 .. .. ....... ... .. ..... ..... ....... .. ..... .... ... ..... .... .. ... ... ... ...... .... ..... .... .. ......... .... .. .. .... ......... .... ..... ...... .. ... ...... ........... .... ..... ........ 230 
6.5 RESULTADOS DE MICROSCOPIA DE FUERZA ATÓMICA EN LAS PElíCULAS DEPOSITADAS CON El SISTEMA UBM-II 
236 
6.6 REFERENCIAS . .. ...... . ............... .. .. .. ....... .. .. ........ ... ..... ... ................... ... .. .. .. ... .. ............ ... .. ... ... ........ .. ........ ... .......... .. 238 
viii 
ABSTRACT 
The objective of this investigation was to study the influence of the magnetic field 
configuration, using an unbalanced magnetron sputtering system, on both plasma 
characteristics and film properties: TiN, NbN, TaN, ZrN and CrN. The configuration of the 
magnetic field was varied by changing the vertical separation between the magnets and the 
target surface. The higher degree of unbalancing was obtained when this distance was larger. 
This system allowed us to modify the ion current density and the energy of the ions arriving at 
the substrate, without modifying other parameters of the deposition process. The magnetic 
field changed considerably at the target center, from 170 G to 980 G; nevertheless, at the 
position of the substrate its change was smaller, only from 36 to 44 G. The different magnetic 
field configurations were quantified through the unbalance coefficient, KG that is proportional 
to the position of the null magnetic field point. In this magnetron, the parameter KG varied from 
0.75 to 1.3. In general, lowering KG the energy and the ion flux was increased, meaning that 
the magnetron was more unbalanced. The ion bombardment was represented by the energy 
parameter, Ep, which is the product between the ion-atom flux ratio and the ion energy. 
By the deposition of the nitride films on the M2 and the 304 steel substrates, we observed an 
improvement of the mechanical properties (hardness and Young modulus) and the wear 
resistance as the energy parameter increased, while the corrosion resistance was decreased. 
The most important effect of the magnetic fieldconfiguration was observed on the film 
microstructure, particularly on the preferential orientation. For the configuration having KG = 
1.3, the orientation was [200] for all the coatings. However, using KG = 0.85 different 
variations were observed: the ZrN and TiN films conserved the [200] orientation, the CrN films 
presented a mixed orientation ([200] + [111]) and for the TaN and NbN films, the preferential 
orientation changed completely to [111]. Another consequence of the rise on the ion 
bombardment was a higher degree of compressive stress. The highest values appeared for 
the TaN films, whereas the CrN films presented the smaller concentration of stress. The 
harder films were NbN, TaN and ZrN, while the films presenting the the best corrosion 
resistance were ZrN films, and the best wear resistance was found for NbN films. 
ix 
RESUMEN 
El objetivo de esta investigación es estudiar la influencia de la configuración del campo 
magnético, en un sistema de espurreo con magnetrón, sobre los parámetros del plasma y las 
propiedades de los recubrimientos: TaN, TiN, NbN, ZrN y CrN. La configuración del campo 
magnético se modificó cambiando la separación vertical entre los imanes y el blanco. La 
configuración más desbalanceada se logra cuando se aumenta dicha distancia. Dicho 
sistema permite modificar la densidad de corriente iónica y la energía de los iones que llegan 
al substrato sin modificar otras condiciones del depósito. El campo magnético cambió 
considerablemente en el centro del blanco, desde 170 G a 980 G; mientras que, en la 
posición del sustrato su cambio fue menor, sólo de 36 a 44 G. Las diferentes configuraciones 
del campo magnético se cuantificaron a través del coeficiente de desbalance, KG el cual es 
proporcional a la posición del punto de campo cero del magnetrón. En este sistema, el 
parámetro KG varió desde 0.75 hasta 1.3. En general, con la disminución del valor de KG se 
aumenta la energía y el flujo de iones, indicando que el ssitema es más desbalanceado. El 
bombardeo iónico fue representado por el parámetro de energía, Ep. el cual está definido 
como el producto entre la razón de iones-átomos depositados y la energía de los iones. Al 
depositar los recubrimientos de nitruros sobre los aceros AISI M2 y 304, se observó una 
mejora en las propiedades mecánicas (dureza y módulo elástico) y en la resistencia al 
desgaste al incrementar el parámetro de energía, mientras que la resistencia a la corrosión 
se redujo. El efecto más importante de la configuración del campo magnético se observó en 
la microestructura de las películas, particularmente en la orientación preferencial. Usando la 
configuración KG = 1.3, se observó la orientación preferencial [200] en todas los 
recubrimientos. Sin embargo, cuando KG = 0.85 la respuesta fue diferente para cada material; 
las películas de ZrN y TiN conservaron la orientación preferencial [200], la película de CrN 
presentó una orientación mixta ([200] + [111]) Y las películas de TaN y NbN la orientación 
preferencial cambio completamente a la dirección [111]. Otra consecuencia del aumento del 
bombardeo iónico fue el aumento de los esfuerzos residuales de compresión. El mayor 
aumento se presenta en las películas de TaN, mientras que en las películas de CrN se 
obtuvó la menor concentración de esfuerzos. Las durezas más altas se observaron en las 
películas de TaN, NbN y ZrN, la mejor resistencia a la corrosión en las películas de ZrN y la 
mejor resistencia al desgaste en las películas de NbN. 
x 
INTRODUCCION 
El desarrollo histórico de la evolución industrial de los materiales para fabricar 
elementos estructurales y herramientas de corte ha buscado mejorar sus propiedades. De 
este proceso, se ha observado que la durabilidad de un material sometido a diferentes tipos 
de esfuerzos depende principalmente de sus propiedades superficiales. En el caso particular 
de los aceros, se ha notado que el desgaste y la corrosión dan origen a la rotura o falla de las 
herramientas o de los elementos estructurales. Indicativos del impacto nacional en Estados 
Unidos han presentando pérdidas anualmente debido a dichos fenómenos que excede los 
300 billones de dólares y continúa creciendo. En 1990, las pérdidas económicas 
representaban el 7% del Producto Interno Bruto) 1. Es por ello, que se ha visto la necesidad 
de mejorar las propiedades de los materiales, entre ellas las superficiales, para así aumentar 
su utilidad y durabilidad. 
Una alternativa económica y competitiva ha sido la aplicación de recubrimientos duros, los 
cuales son empleados ampliamente en la industria metal-mecánica por que mejoran las 
propiedades tribológicas de los aceros e incrementan la resistencia a la corrosión y al 
desgaste de los materiales metálicos, que se encuentran sometidos a ambientes agresivos 
como puede ser el agua salina o de gran abrasión. El ejemplo más típico son los 
recubrimientos de TiN depositados sobre aceros rápidos para herramientas de corte. De esta 
forma, se logra obtener un material de alta resistencia al desgaste abrasivo en la superficie 
(recubrimiento duro) y alta tenacidad en el núcleo (acero), que permite trabajar en los tornos 
y fresas con las imposiciones tecnológicas del maquinado a alta velocidad, las cuales están 
dirigidas al mejoramiento de la calidad y producción. 
El término recubrimiento duro se refiere a un espectro de materiales con durezas mayores a 
10GPa. Especialmente han alcanzado un gran interés materiales en forma de nitruros y 
carburos de metales de transición, así como diamante y películas de cuasidiamante (OLe). 
Esto es debido a su gran dureza, así como a su considerable inercia química. La primera 
con pequeños coeficientes de fricción, disminuyen la tasa de desgaste abrasivo del 
componente recubierto, mientras que la segunda disminuye la interacción química, por 
ejemplo entre una herramienta recubierta y la pieza de trabajo. 
A pesar del incremento comercial de los recubrimientos duros, y un gran volumen de 
literatura científica disponible, existe aún un pobre entendimiento de la relación entre los 
parámetros de depósito de la película y la microquímica y microestructura de las películas. 
xi 
Esto es debido a la complejidad de los procesos de depósito y en muchos de los casos a una 
pobre caracterización de las películas. 
Dentro de los recubrimientos duros, los nitruros metálicos de transición NMT, han 
demostrado su utilidad al depositarse sobre aceros para herramientas al mejorar sus 
propiedades tribológicas, permitiéndoles así ser competitivos con las nuevas exigencias del 
mercado. Además, presentan bajos coeficientes de fricción, elevada dureza, adecuada 
adhesión y resistencia a la abrasión, resistencia a la corrosión y permiten dar tonalidades de 
colores brillantes y decorativos. Por ello, son ampliamente usados en la industria de 
alimentos, metalmecánica, aeronáutica, electrónica, petroquímica y como biomaterial, entre 
otros. 
Ahora bien, en los NMT depositados en películas delgadas la relación estructura/propiedad 
es particularmente importante para estudiar, debido a que estas usualmente son depositadas 
lejos de las condiciones de equilibrio. Esto implica, a diferencia de los materiales preparados 
convencionalmente en bulto, que las películas delgadas contienen un mayor número de 
defectos en la red, tales como vacancias, dislocaciones, límites de grano y precipitados de 
segunda fase. Además, el flujo de material durante el crecimiento de la película 
frecuentemente es direccional, lo que genera una microestructura con propiedades físicas 
anisotrópicos. Se han realizado muchos estudios enfocados en encontrar modelos 
generalizados que describan la microestructura en función de los parámetros de depósito de 
películas producidas en fase de vapor. Sin embargo, debido a la naturaleza compleja de los 
procesos de depósito, la constitución del sustrato y a un gran número de parámetroscinéticos, un modelamiento satisfactorio aún no se ha logrado. 
Es posible depositar los NMT por una gran variedad de técnicas de fase vapor, PVD 
(Physical Vapor Deposition-Deposición Física en Fase de Vapor). El proceso PVD está 
basado en la vaporización o pulverización de un blanco, o sea el material de recubrimiento, 
por técnicas térmicas y no térmicas. Las más empleadas son: vaporización térmica en vacío, 
la deposición iónica, el plateado iónico con evaporador de arco catódico, ablación láser y el 
espurreo con magnetrón (magnetrón sputtering). La gran mayoría de los NMT son 
depositados a temperaturas relativamente bajas (menores de 450°C) en el sustrato para no 
reducir las propiedades mecánicas de los aceros bonificados. La baja temperatura de 
depósito, permite desarrollar una morfología columnar que es perpendicular a la superficie 
del sustrat02 . Esta presenta una microposorisdad inherente entre sus límites de grano que 
tiende a disminuir las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión del conjunto. Por 
xii 
ejemplo, las películas de NMT son en general más nobles que los metales, luego se 
esperaría que el recubrimiento aumente notoriamente la resistencia a la corrosión de las 
superficies de los aceros. Sin embargo, en muchos casos los resultados no son favorables . 
Lo cual suena muy paradójico, pero es consecuencia de la microestructura columnar con 
gran cantidad de defectos e incluso microgrietas. Estos defectos, pueden generar una 
degradación acelerada de la superficie del metal y la pérdida de adherencia del 
recubrimiento. 
Actualmente se investiga tanto a nivel básico como de desarrollo industrial una gran 
diversidad de técnicas y equipos de PVD asistidos por plasma para mejorar la calidad de los 
recubrimientos y generar nuevas estequiometrías. Uno de los avances más importantes es la 
introducción del sistema de espurreo con magnetrón desbalanceado (UBM), con el cual se 
han logrado avances importantes para obtener estructuras más densas y equiaxiales en 
películas metálicas3. 
El sistema de espurreo con magnetrón constituye actualmente la técnica de depósito más 
utilizada en la producción de recubrimientos industriales. En el proceso básico, un blanco es 
bombardeado por iones energéticos generados en una descarga gaseosa. El proceso de 
espurreo consiste en la remoción de átomos del blanco debido al bombardeo iónico, los 
cuales se condensan posteriormente sobre un substrato. Un conjunto de imanes es colocado 
detrás del blanco con la finalidad de confinar el plasma alrededor del blanco, lo cual se logra 
debido al confinamiento de los electrones secundarios alrededor de las líneas del campo 
magnético. La mayor densidad del plasma sobre el blanco optimiza el proceso de erosión y 
permite mantener los plasmas a menor vacío y potencial. El término des-balanceado se 
refiere a que las intensidades del campo magnético en el centro y los extremos del 
magnetrón no están equilibrados. Esta configuración, permite aumentar el bombardeo de 
iones en la superficie de crecimiento mejorando así la estructura del recubrimiento. El 
bombardeo iónico en los procesos de formación de recubrimientos por técnicas de 
evaporación física asistidos por plasmas es vital, no sólo para optimizar la erosión del 
blanco, sino también las propiedades de la película. El bombardeo iónico requerido sobre el 
recubrimiento es moderado, ya que lo que se desea promover es una mayor movilidad de las 
especies (iones o átomos) adsorbidas en la superficie y no erosionarlo. Actualmente, los 
sistemas de magnetrón desbalanceado son ampliamente utilizados y se ha demostrado 
claramente su capacidad de aumentar la densidad de iones o más bien la razón entre iones a 
átomos depositados sobre el substrato. Aunque las diferencias en diseño entre magnetrón 
xiii 
balanceado y desbalanceado han mostrado ser muy sutiles, las variaciones logradas en la 
densidad, dureza y resistencia de los recubrimientos es bastante significativa. Sin embargo, 
el mecanismo físico que promueve dicho aumento no es claro. Dado que muchos de los 
trabajos están enfocados en relacionar de forma aislada las propiedades de los 
recubrimientos en función de su microestructura, o de los parámetros básicos del proceso 
como la temperatura y polarización del sustrato, presión de trabajo y razón de flujos N2/Ar, 
pero no relacionan directamente la configuración del campo magnético con los parámetros 
del plasma y las propiedades de las películas. 
Ahora bien, las películas de NMT policristalinas tienen una gran diversidad de características 
microestructurales en términos de la orientación preferencial, tamaño de grano, defectos en 
la red, composición de la fase y morfología superficial. De estos tópicos, el estudio del 
desarrollo de la orientación preferencial ha sido de gran interés debido a su relación directa 
con las propiedades mecánicas, eléctricas y químicas de las películas. La orientación 
preferencial describe la anisotropía de los recubrimientos policristalinos y se origina por la 
anisotropía de ciertas propiedades tales como la energía de superficie, el modulo elástico o 
la reactividad . Esas propiedades se encuentran determinadas por los planos cristalográficos, 
que a la vez dependen del proceso de formación de la película. Dependiendo de la forma de 
síntesis, el recubrimiento puede cambiar considerablemente la orientación preferencial, la 
cual se puede reflejar en las propiedades mecánicas o en su apariencia superficial. Por 
ejemplo, la dureza en una película de TiN puede variar desde 1000 hasta 4000 Kg/mm2 y de 
acuerdo a algunos investigadores su color indica la calidad del recubrimient04.5. Dichos 
cambios, se pueden explicar si se lograr asociar el desarrollo de la orientación preferencial 
con el crecimiento de la película. En general, la orientación preferencial depende de la 
técnica de depósito y de los parámetros de optimización, incluido el sustrato utilizad06. 
Además, de la temperatura del sustrat07, la energía de los iones Ej , la densidad de corriente 
iónica J j , el flujo de nitrógeno, la razón de iones incidentes a átomos depositados J¡/J}.9, el 
parámetro de energía Ep
1o
, las tasas de depósit01\ espesor del recubrimient012 y la potencia 
de descarga 13. Una de las metas en este trabajo es lograr identificar los principales 
parámetros cinéticos y termodinámicos que desarrollan la orientación preferencial en NMT 
crecidos con sistema de magnetrón desbalanceado con imanes permanentes. 
Actualmente no se conocen estudios enfocados en el efecto del mayor bombardeo iónico 
sobre la microestructura de las películas utilizando el magnetrón desbalanceado con imanes 
permanentes. En general, se emplea una configuración fija de los imanes y se compara con 
xiv 
las propiedades de las películas depositadas en condiciones convencionales, tales como la 
temperatura del sustrato, la presión de descarga, el razón de flujos N2/Ar, etc. Además no se 
consideran otros cambios producidos en el plasma debido al desbalance de los imanes. Es 
importante considerar que la energía entregada a la película depende no sólo de la energía 
de los iones incidentes, sino también de su masa, distribución de su energía y de su flujo. 
En esta investigación, la configuración del campo magnético varió en función de la 
separación vertical del juego de imanes con respecto al blanco en el magnetrón. La 
distribución más desbalanceada se logra cuando se aumenta esta distancia. El campo 
magnético cambió considerablemente en el centro del blanco (> 700 G), sin embargo, en la 
posición del sustrato su cambio fue menor a 7 G. Las variaciones del campo magnético se 
cuantificaron muy bien con el coeficiente de desbalance, KG, el cual es proporcional a la 
variación del punto del campo cero (que equivale a la distancia donde Bz =cero, sobre el eje 
central del blanco). KG varió desde 0.75 hasta 1.3, en general, con la disminucióndel valor de 
KG se aumento el bombardeo iónico, es decir, se aumenta la energía y la densidad de los 
iones que arriban al sustrato. El bombardeo iónico fue representado por Ep que es producto 
de la razón de iones-átomos adheridos y la energía de los iones. En la producción de los 
NMT, el incremento del bombardeo iónico permitió aumentar sus propiedades mecánicas y 
reducir su resistencia a la corrosión. Los cambios más importantes en la microestructura se 
identificaron en la orientación preferencial. Por ejemplo, en la configuración KG = 1.3 se 
observó la orientación preferencial [200] en todas los recubrimientos. Pero cuando KG = 0.85, 
las películas de ZrN y TiN conservaron la orientación preferencial [200], la película de CrN 
presentó una orientación mixta y en las películas de TaN y NbN la orientación preferencial 
cambio completamente en la dirección [111]. La orientación estable [200] en las películas de 
ZrN y TiN es debido al incremento de la reactividad del N y el MT que se favorece 
principalmente por los valores más negativos en el calor de formación, mientras que la 
orientación [111] en las películas de TaN y NbN fue debido a valores altos de esfuerzos 
residuales que aumentan la energía de deformación. 
El presente trabajo se encuentra estructurado de la siguiente manera: 
En el capítulo 1, se presenta una revisión bibliográfica sintetizada con el fin de conocer las 
propiedades de los nitruros a depositar desde el punto de vista del material en bulto. 
En el capítulo 2, se discuten las bases teóricas: teoría y propiedades del plasma, técnicas de 
PVD, se describe el sistema de espurreo asistido con campos magnéticos variables, se dan 
xv 
generalidades sobre recubrimientos duros enfocados a su microestructura y se describe el 
funcionamiento de las técnicas utilizadas. 
En el capítulo 3, se describe el desarrollo experimental: equipos de espurreo, magnetrones 
desbalanceados utilizados, condiciones de depósito. Así como las condiciones bajo las 
cuales se realizaron las caracterizaciones de las películas: microdureza y nanodureza, 
resistencia a la microdesgaste y a la corrosión, difracción de rayos X, espectroscopia de 
fotoelectrones, microscopia electrónica de barrido SEM y microscopia de fuerza atómica 
AFM. 
En el capítulo 4 se presentan los resultados y la discusión de los experimentos realizados. Se 
presenta en forma detallada la influencia que tuvieron las diferentes configuraciones del 
campo magnético en las propiedades plasma y de las películas de NbN. De igual forma se 
comparan con las propiedades las películas de TaN, TiN, CrN y ZrN depositadas en las 
configuraciones del campo magnético mas extremas (KG = 1.3 Y 0.85). 
En el capítulo 5 se hace un resumen global de los resultados y se presentan las conclusiones 
más importantes obtenidas en este trabajo. 
Finalmente, el capitulo 6 incluye los anexos, los cuales contienen resultados 
complementarios que se lograron durante este trabajo. 
JUSTIFICACION y ORIGINALIDAD 
Las películas de ZrN, NbN, TaN y CrN sobre superficies metálicas han sido poco 
investigados. Además los nitruros metálicos tienen un alto impacto a nivel industrial, esto 
nos permitirá suministrar información importante para una aplicación ya existente. Se 
desconocen investigaciones donde estos recubrimientos estén depositados con el sistema de 
espurreo que pueda variar sistemáticamente el bombardeo iónico mediante el cambio de la 
configuración del campo magnético con imanes permanentes. De igual forma, no existe un 
trabajo de investigación que relacione el efecto de las propiedades del plasma con las 
propiedades de las películas. Proporcionar una respuesta científica a esta carencia de 
información, es la motivación de esta investigación. 
Los NMT son recubrimientos atractivos para investigar debido a su gran aplicación en aceros 
para elevar su calidad superficial y durabilidad. Esto se consigue con la combinación de alta 
tenacidad de los aceros y la elevada resistencia al desgaste y a la corrosión de los NMT. 
xvi 
Los colores vistosos y la alta resistencia a sustancias corrosivas de los NMT también se 
pueden usar de forma decorativa para reemplazar las chapas de oro depositadas 
electrol íticamente. 
La técnica de espurreo con campos magnéticos variables parece ser una excelente 
herramienta para mejorar la calidad de los NMT. Su implementación en la industria de 
superficies le daría una mayor competitividad, a un costo relativamente bajo. 
Una de las motivaciones de mayor peso de este estudio, es que en la actualidad la mayoría 
de los artículos publicados estudian sólo de manera parcial el efecto de la temperatura del 
sustrato, presión de trabajo, potencia de la descarga y la polarización del sustrato sobre las 
propiedades de las películas. No se observa, por ejemplo, los cambios en la densidad de 
corriente iónica debido a diferentes configuraciones de los magnetos, ni posibles variaciones 
en las especies del plasma que promueven el depósito. Es importante recordar que la 
energía "total" entregada a la película es la que modifica la microestructura y las propiedades 
del recubrimiento. Dicha energía "total" depende de la densidad de iones, su distribución de 
energía y la masa de estos. 
Además hay otras razones que justifican el desarrollo de este proyecto de investigación: 
~ Continuar con las investigaciones iniciadas en el 11M en el tema de los NMT. 
~ Impulsar el desarrollo científico e investigativo del país en éste campo. 
~ Ofrecer a la industria nacional del sector un soporte científico que permita la 
implementación del proceso PVD en el ámbito industrial. 
~ Aprovechar la capacidad humana, técnica y científica existente en la UNAM para el 
desarrollo del proyecto. 
~ La existencia en México de empresas que potencialmente pueden ser usuarias de 
esta técnica para el depósito de recubrimientos duros. 
OBJETIVOS 
El objetivo básico del presente trabajo es estudiar la relación entre las configuraciones del 
campo magnético de un sistema de espurreo con los parámetros del plasma y las 
propiedades de los recubrimientos tipo nitruros metálicos. Así como demostrar que se 
pueden mejorar las propiedades superficiales de dos aceros de usos comunes y 
económicos, como son el AISI-M2 y AISI-304. Para ello, se les depositaron películas de TiN, 
TaN, NbN, ZrN y CrN usando la técnica de espurreo reactivo asistido con campos 
magnéticos variables. Este sistema permitió variar el bombardeo iónico cambiando la 
xvii 
distancia vertical entre el magnetrón y el sustrato o el blanco, de tal manera que se puede 
modificar la microestructura de los recubrimientos obtenidos en forma sistemática. 
Los objetivos específicos de este trabajo son: 
• Estudiar las configuraciones del campo magnético (Intensidad y dirección del campo 
magnético) del magnetrón desde balanceado hasta desbalanceado. 
• Producir recubrimientos de ZrN, NbN, TaN, TiN y CrN con la técnica de espurreo en 
diferentes configuraciones del campo magnético. 
• Determinar la influencia de las configuraciones del campo magnético sobre los 
parámetros del plasma (Densidad del plasma, temperatura electrónica, potencial del 
plasma y densidad de corriente ionica). 
• Estudiar la influencia de la configuración del campo magnético sobre las propiedades de 
los recubrimientos producidos (composición, microestructura, resistencia al desgaste y a 
la corrosión). 
• Correlacionar las propiedades del plasma con las propiedades de los recubrimientos 
producidos. 
• Obtener una alta experiencia en el desarrollo experimental y caracterización de los temas 
concernientes a los recubrimientos duros. 
• Presentar los resultados logrados en congresos y publicarlos en revistas de prestigio 
nacional e internacional. 
1 J. Wesley Cox, Wear and Corrosion Resistant Hard Coatings for Non-Cutting Tool 
Applications, Ed. R. F. Bhushan, William Andrew Publishing/Noyes 2001. 
2 P.B. Barna, M.Adamik, Thin Solid Films, 317 (1998) 27. 
3 P.J. Kelly, R.O. Arnell, Vacuum, 56 (2000) 159. 
4 J. E. Sungren, Thin Solid Films, 128 (1985) 21. 
5 M. K. Hibbs, B.O. Jhohansson, J. E. Sundgreen, U. Helmerson, Thin Solid Films, 122 
(1984) 115 
6 L. Hultman, H.T.G. Hentzell,. J.E. Sundgren, B.O. Johansson, U. Helmersson, Thin Solid 
Films, 124 (1985) 170 
7 Lauretle Combadiere, Jean Machet, Surto Coat. Technol.88 (1996) 17 
8 Yuya Kajikawa, Suguru Noda, Hiroshi Komiyama, J. Vac.Sci. Technol. A 21 (6) (2003) 1943 
9 1. Petrov, P.B. Barna, L. Hultman, J.E. Greene, J. Vaco Sci. Technol. A 21 (2003) 117. 
xviii 
10 J. Musil, S. Kadlec, Vacuum, 40 (1990), 435 
11 R. Banerjee, R. Chandra, Payyub, Thin Solid Films 405 (2002) 64 
12 U.C. Oh, Jung Ho Je, J.Y. Lee, J. Mater. Res, 13 (1998) 1225 
13 H. Je, D. Y. Noh, H.K. Kim, K.S. Liang, J. Appl. Phys. 81 (1997) 6126 
xix 
CAPíTULO 1 
1 ANTECEDENTES 
En este capítulo se abordan brevemente los antecedentes históricos del desarrollo de 
los recubrimientos duros, se discuten las principales características de los nitruros metálicos 
de transición; sus propiedades microestructurales (textura) y mecánicas y sus aplicaciones. 
Asimismo, se presentan los fundamentos teóricos referentes a los plasmas, la técnica de 
espurreo con magnetrón desbalanceado y los conceptos básicos sobre las propiedades de 
los recubrimientos de los nitruros metálicos. 
1.1 REVISiÓN HISTÓRICA 
El desarrollo importante de los recubrimientos inició en el siglo XIX con el apogeo de la 
revolución industrial. Así, la técnica de electrodeposición aparece en 1840 con los depósitos 
de plata, oro y zinc, la cual posteriormente se amplió para incluir al platino, cobre, níquel, 
estaño y plomo. Aproximadamente en 1880 se definen las ideas básicas y se producen las 
primeras aplicaciones utilizando técnicas de deposición química de vapor térmico, conocido 
usualmente como CVO (Chemical Vapor Oeposition). En ella, el recubrimiento se produce a 
partir de las especies de una mezcla gaseosa, que reaccionan químicamente debido a la 
energía de activación que les proporciona la superficie caliente del sustrato. En la misma 
época se originaron las técnicas de deposición física en fase vapor, también conocidas como 
PVO (Physical Vapor Oeposition) con Nahrword en 18871, mediante la producción de 
películas delgadas metálicas por evaporación en vacío. Esta técnica tuvo muchas 
aplicaciones en el área de la óptica y uno de sus mejores aportes fue realizado en 1935 con 
el recubrimiento del espejo del telescopio del observatorio de Mount Wilson, de 2.5 m de 
diámetro 1. A finales del siglo XIX se presentan los fundamentos básicos para la producción 
de recubrimientos metálicos mediante el método de proyección por lIama2 , el cual se 
comercializa alrededor de -1910. Éste rápido impacto dio lugar al desarrollo de una técnica 
similar, conocida como proyección por plasma, dando inicio al uso de los plasmas en la 
producción de recubrimientos. También se desarrolla la nitruración gaseosa para endurecer 
aleaciones ferrosas. Posteriormente, durante el periodo de la posguerra mundial, se inicia la 
aplicación de los recubrimientos a escala industrial. En 1953, se aplica el proceso de CVO 
1 
para el depósito de recubrimientos duros, básicamente en los sistemas carbuiro de titanio, 
TiCx y nitruro de titanio, TiN/ Para 1957 se presentó el primer resultado práctico de esos 
recubrimientos sobre aceros3. De estos resultados, se concluyó que la fragilidad del 
recubrimiento podría ser reducida disminuyendo el espesor del recubrimiento, pero no se 
obtuvieron ventajas cuando se depositaba sobre aceros rápidos. En los años 1967-69, con el 
recubrimiento de TiCx sobre carburo cementado se permitió avanzar en el desarrollo del 
mecanizado de aceros y fundiciones3. Las monocapas de TiCx, fueron conocidas como la 
primera generación de recubrimientos de alta resistencia al desgaste. Posteriormente, surgen 
los recubrimientos de la segunda generación, tales como los compuestos estequiométricos 
de TiN y TiC o carburo-nitruro de titanio, Ti(C,N) y óxido de aluminio, A1 203• caracterizados por 
la mejora en la estequiometría y la ductilidad. La tercera generación de ellos se inicia entre 
1972-1974 Y se caracterizó por la producción de estructuras de multicapas gruesas del tipo 
TiC/Ti(C,N)/TiN3. De esta forma se logró una combinación de las propiedades de cada uno 
de los recubrimientos aumentando la aplicabilidad de los mismos. Por otro lado, con el 
desarrollo de los reactores de fusión nuclear a mediados del siglo XX, se da un gran avance 
en el conocimiento de la física del plasma, lo que permitiría su aplicación industrial. Así es 
como Mattox4 en 1966 introduce el proceso de "plateado iónico", basado en la introducción 
de un plasma al método clásico de evaporación. La incorporación de plasmas a los procesos 
de PVD, hace que las nuevas técnicas pasaran a llamarse Procesos de Deposición Física de 
Vapor Asistido por Plasmas o bien conocidos como PAPVD (Plasma Assisted Physical Vapor 
Deposition), y que se caracterizaron por dar resultados positivos en lo que respecta a la 
calidad y diversidad de los recubrimientos producidos, lo que indujo a un amplio crecimiento 
de la industria electrónica. Posteriormente, alrededor de 1970's los plasmas se incorporaron 
también a las técnicas CVD y a los procesos de modificación superficial por nitruración y 
carburización5. Por la misma época, se desarrolla la técnica de espurreo con magnetrón 
convencional (balanced magnetron, BM), la cual se basa en aumentar la densidad del 
plasma alrededor del blanco para incrementar la tasa de espurreo por medio del intercambio 
de momento entre los iones positivos del plasma y los átomos superficiales del blanco. El 
sistema BM permitió utilizar eficientemente la potencia de la descarga en el cátodo (>60%) 
para generar altas densidades de corriente del orden 50 mA/cm2 a voltajes de descarga 
relativamente bajos (-500-1000 V)5. Esta optimización del proceso permitió que a mediados 
de los años 70, el proceso de PVD más utilizado fuese el espurreo, en lugar de la 
evaporación que había dominado hasta el momento. El conocimiento logrado durante los 
2 
años anteriores sentó las bases para que a inicios de 1980, las técnicas de PVD fuesen 
aplicadas comercialmente en herramientas de corte para mejorar su resistencia al desgaste. 
Principalmente se utilizaron recubrimientos de TiN con amplias aplicaciones en la industria 
metalmecánica, conociéndosele como un recubrimiento universal para aplicaciones de 
maquinado. Durante las décadas 80 y 90 se comercializaron nuevos recubrimientos, que 
incluyen principalmente el carburo de cromo (CrC), los ternarios TiCN, TiAIN, TiZrN y el 
cuasi-diamante (DLC), los cuales fueron utilizados en aplicaciones más complejas. 
En 1986, Window y Savvides6 publicaron un trabajo en el que demuestran que no es del todo 
necesario tener un campo magnético balanceado alrededor del blanco para hacer efectivo el 
proceso de espurreo y de hecho demostraron que para ciertas aplicaciones es más 
conveniente trabajar con campos magnéticos desblanceados. Incluso sugirieron diferentes 
diseños para desbalancear un magnetrón dando lugar a una variante de BM; espurreo con 
magnetrón desbalanceado (Unbalanced magnetron sputtering, UBM). En el caso específico 
de que el desbalance del campo magnético permitiera dirigir algunas líneas del campo 
magnético hacia el sustrato, se podían obtener densidades de corrientes iónicas mayores 
durante el crecimiento de la película. Esto favorece el crecimiento de estructuras más densas 
aún a bajas temperaturas, las cuales incrementan la vida útil del conjunto 
recubrimiento/sustrato al aumentar sus tasas de desgaste, su resistencia a la fatiga y a la 
corrosión. En trabajos recientes se ha mostrado que la ventaja de usar magnetrón 
desbalanceado reside en el aumento de la razón iones-átomosJ¡/Ja incidentes al sustrat0
7,8,9. 
Por ejemplo, Kelly y Arnell7 definieron un nuevo modelo de zonas (SZM) que incluye la razón 
J¡/Ja como uno de los parámetros que controla la microestructura de películas metálicas. 
Petrov y colaboradores8 desarrollaron un modelo cinético que explica las variaciones de la 
textura en películas de TiN en función del la razón J¡/Ja . Similarmente Mayrhofer et al.
9 
establecieron el efecto de la razon J¡/Ja sobre la m icroestructura, dureza, esfuerzos 
residuales y estabilidad térmica del CrN. Este conjunto de resultados son utilizados como 
referencia para demostrar la importancia del presente trabajo de tesis doctoral. 
La técnica UBM ha reemplazado en gran parte a las técnicas convencionales de PVD, CVD, 
modificación superficial (nitruración, carburización, inducción, etc), así como recubrimientos 
depositados electroquímicamente (Cr duro, Ag, Au, Ni, Cr, etc)7,8,9,10,11 . 
En éste nuevo siglo se han desarrollado gran cantidad de recubrimientos duros en forma de 
monocapas, nano-compositos y nano-multicapas, los cuales son rápidamente aplicados en la 
industria. Entre los materiales base utilizados para formar dichos sistemas se encuentran el 
3 
CrN, nitruro de niobio (NbN), nitruro de tántalo (TaN), nitruro de zirconio (ZrN), y los ternarios 
(Ti,Zr)N, (Ti,Hf)N (Ti,V)N, (Ti,Nb)N, (TiCrAI)N, entre otros. Además de presentar una alta 
resistencia al desgaste, también son excelentes candidatos para ser utilizados en ambientes 
severos de corrosión y fatiga. Finalmente, con el objetivo de mejorar la adherencia del 
recubrimiento al sustrato, surgieron los tratamientos "dúplex" que consisten en la aplicación 
secuencial de dos o más tratamientos a la superficie del sustrato. De esta manera se supera 
la adherencia y además la dureza del sistema sustrato/recubrimiento. El ejemplo clásico, es 
la nitruración por plasma seguida del depósito de un NMT por PVD. 
La figura 1.1 muestra un resumen del desarrollo histórico de las técnicas y los recubrimientos 
comentados previamente. 
1800 
1900 
2000 
TIEMPO 
laño] 
• Deposición electroquimica (Ag, Au, Zn ,.) (1840) 
• evo térmico (-1880) 
• PVD (1887) 
• Proyección por llama (-1910) 
• Deposición electroquímica (Ni-Cr) (1925) 
• Nituración Gaseosa (-1930) 
• Desarrollo de la fisíca del plasma(-1950) 
• Proyección por plasma (-1955) 
• Plasmas en microelectrónica (-1963) 
• Plasma PVD (Mattox, Plateado iónico, 1966) 
• Nituración por plasma, PVD reactivo (-1970) 
• Plasma evo (1974) 
• Espurreo con Magnetrón Desbalanceado, UBM (Window y 
Savvides, 1986) 
• Procesos combinados de modificación superficial: Procesos 
dúplex, nanocompositos, nanomulticapas, entre otros. 
Figura 1.1. Evolución del desarrollo de las técnicas de procesamiento superficial. 
4 
1.2 RECUBRIMIENTOS DUROS 
Mucho antes de que surgiera la expresión Ingeniería de Superficies, la industria ya utilizaba 
un gran número de técnicas clásicas para depositar recubrimientos: cromado, anodizado, 
dorado, etc. Estos recubrimientos electrometalúrgicos siguen siendo ampliamente usados, 
aunque actualmente su empleo es cuestionado (cromado) por motivos medioambientales. De 
modo que la demanda industrial ha impulsado la investigación en el área de ciencia de 
materiales, para desarrollar nuevas técnicas de depósito y mejores recubrimientos cuya 
finalidad es aumentar la durabilidad de los materiales sometidos a desgaste. La investigación 
sobre la reducción por desgaste que sufren las piezas industriales es un campo muy activo 
debido a su influencia directa en el costo final de producción. Los primeros resultados de 
dichas investigaciones promovieron materiales novedosos en bulto y el empleo de 
lubricantes durante los procesos más agresivos. 
Sin embargo, recientemente las investigaciones se han orientado hacia los tratamientos 
superficiales para mejorar el rendimiento global de los materiales de ingeniería. Dado que es 
en la superficie de los materiales donde se soportan las fuerzas de interacción con el medio 
y la degradación, se han desarrollo nuevos métodos de depósito de capas delgadas que 
permiten la producción de recubrimientos con características de alta dureza; las cuales 
modifican las propiedades tribológicas del conjunto recubrimiento/sustrato. Esto es lo que se 
conoce como tecnología de recubrimientos duros, los cuales tienen en común las 
siguientes características: 
o Capas finas de espesor controlado. 
o Composición variada de los recubrimientos, desde metales y aleaciones hasta 
cerámicos. 
o Optimización de las propiedades deseadas (adherencia, dureza, inercia química, 
parámetros ópticos, eléctricos o magnéticos). 
Los materiales considerados duros (con durezas mayores a 10 GPa) existen en diferentes 
composiciones y con diferentes enlaces químicos y estructuras cristalinas 12. Dentro de estos, 
cabe destacar los llamados "superduros", que son los que superan los 40 GPa, como por 
ejemplo el diamante o el nitruro de boro cúbico (c-BN). Los materiales duros se dividen en 
tres grupos (ver figura 1.2) dependiendo de su tipo de enlace químico: 
5 
1. Materiales duros metálicos: boruros, carburos y los nitruros (NMT, nitruros de metales 
de transición) de metales de transición. 
2. Materiales duros covalentes: boruros, carburos y nitruros de Al, Si Y B, también el 
diamante y c-BN. 
3. Materiales duros iónicos: óxidos de Al, Zr, Ti y Be. 
Materiales /, ~ 
duros -+,' 
metálicos 
Tenacidad 
Materiales 
duros 
Materiales 
duros 
iónicos 
.-----'--'--'-,/ Química 
t:~~~:o: 11------------1 ~:~~~~ 
Figura 1.2. Representación esquemática de la clasificación de los recubrimientos cerámicos. 
La tabla 1.1 resume las propiedades de algunos recubrimientos duros. 
El uso industrial de recubrimientos es muy extenso y durante los últimos años se han 
logrado avances importantes en la ciencia y tecnología en este campo; por ejemplo, el valor 
en el mercado de películas delgadas era de más de $150 mil millones de dólares en el año 
2000 y para el 2005 se estima en más de $220 mil millones de dólares. Estas tecnologías de . 
recubrimiento que llamaremos pvo, evo, etc., se han hecho indispensables en la mayor 
parte de sectores industriales: componentes electrónicos, superconductores, industria óptica, 
industria aeronáutica, herramientas ultra-duras, moldes de inyección de plástico, 
catalizadores, implantes e instrumental médico. Ahora bien, en la última década la 
investigación de los recubrimientos está enfocada en mejorar su calidad y entender los 
mecanismos de crecimiento. 
Hoy por hoy los recubrimientos por PVO son la solución preferida para la mayor parte de los 
problemas de desgaste, especialmente en cuchillas que sufren desgaste abrasivo severo. El 
proceso tiene la ventaja de poder aplicarse simultáneamente a conjuntos de piezas de 
manera qué es la única solución considerada para tratar grandes números de herramientas, 
6 
placas de corte, etc., tanto de aceros rápidos como de carburo de tungsteno. Más 
recientemente se ha extendido su uso a componentes de moldes de inyección de plástico y 
otros útiles que sufren desgaste o corrosión. La efectividad de los recubrimientos por PVD 
hay que estudiarla en cada caso, siendo su aplicación nada trivial pues requiere grandes 
dosis de experiencia para poder controlar la adherencia, homogeneidad y porosidad de las 
capas. 
Tabla 1.1. Resumen de las propiedades de algunos recubrimientos duros. 
Materiales duros metálicos 
Fase p Tm Hv E () O"l 
(g/cm3) (oC) Kg/cm2 (KN/mm2) (ggcml (10-6/K) 
TiC 4.93 3067 2800 470 52 8.0-8.6 
TiN 5.40 2950 2100 590 25 9.4 
ZrC 6.63 3445 2560 400 42 7.0-7.4 
ZrN 7.32 2982 1600 510 21 7.2 
VC 5.41 2648 2900 430 59 7.3 
VN 6.11 2177 1560 460 85 9.2 
NbC 7.78 3613 1800 580 19 7.2 
NbN 8.43 2204 1400 480 58 10.1 
TaN 14.3 3093 1100 - 135 8 
CrN 6.12 1050 1100 400 640 2.3 
Materiales duros covalentes 
Fase p Tm Hv E () O"l 
(g/cm3) (oC) Kg/cm2 (KN/mm2) (~cm)(10-6/K) 
B4C 2.52 2450 3-4000 441 0.5X10° 4.5 
BN cúbico 3.48 2730 -5000 660 10'0 -
C(diamante 3.52 3800 -8000 910 10LU 1.0 
B 2.34 2100 2700 490 10lL 8.3 
SiC 3.22 2760 2600 480 10° 5.3 
Si3N4 3.19 1900 1720 210 10111 2.5 
AIN 3.26 2250 1230 350 1010 5.7 
Materiales duros iónicos 
Fase p Tm Hv E () O"l 
(g/cm3) (oC) Kg/cm2 (KN/mm2) (~cm) (10-6/K) 
Ab0 3 3.98 2047 2100 400 10LU 8.4 
Ti02 4.25 1894 - 13 101 t:> 0.8 
Zr02 5.76 2677 1200 190 101 t:> 11 
Hf02 10.2 2900 780 - - 6.5 
Th02 10.2 3300 950 240 101t:> 9.3 
BeO 3.03 2550 1500 390 10L ,j 9.0 
MgO 3.77 2827 750 320 10lL 13 
Donde p es la densidad, T m es la temperatura de fusión, Hv es la dureza, E es el módulo elástico, t5 es la 
resistividad eléctrica específica, 0"r es el coeficiente de expansión térmica 
7 
Los distintos coeficientes de dilatación de recubrimiento y sustrato, la reactividad de éste 
último y las distintas velocidades de nucleación y crecimiento de las capas en función de la 
naturaleza del substrato y los parámetros del proceso son sólo algunos de los aspectos a 
considerar. 
Concentrándonos en las aplicaciones para herramientas industriales, el nitruro de titanio es 
el de mayor aplicación de los recubrimientos por PVD. Este familiar recubrimiento dorado es 
empleado en herramientas, placas de corte, moldes de inyección, etc. En la mayor parte de 
los casos se trata de capas de 1-2 IJm obtenidas por métodos de evaporación, lo que 
normalmente implica la exposición de las superficies a temperaturas próximas a los 500 oC. 
El TiN supone cerca del 90% del mercado actual de recubrimientos duros, seguido por otros 
recubrimientos basados en el titanio como el carburo (TiC) o el carbonitruro (TiCN). Hay sin 
embargo muchos otros recubrimientos duros comerciales como es el caso del Nitruro de 
Cromo (CrN), ideal para problemas de desgaste-corrosión y que admite espesores de 
recubrimiento de hasta 20 IJm, también el carburo de tungsteno (WC) o la Alúmina (Ab03). 
Otra línea de recubrimientos es la de la lubricación sólida. El ejemplo típico es el Disulfuro de 
Molibdeno (MoS2) ideal para los problemas de fricción. Es cada vez más frecuente producir 
una primera capa ultra-dura y sobre ella una capa de MoS2, para reducir a la vez desgaste y 
fricción. Las líneas de desarrollo actuales se centran en obtener procesos más eficaces, a 
temperaturas más bajas y con mejor adherencia al substrato. Por otro lado se trabaja en el 
desarrollo de recubrimientos más complejos, como son los casos de TiAICN o TiAICN82. 
Finalmente hay que mencionar el creciente uso de multicapas a escala nanométrica con 
capas de composición variable en profundidad, la producción de nanocompositos y el 
desarrollo de los procesos dúplex. 
La gran mayoría de multicapas a escala nanométrica presentan mejores propiedades 
mecánicas, tales como la dureza y la tenacidad a la fractura, que el recubrimiento en forma 
de monocapa. Esto se debe principalmente a que las interfases impiden el desplazamiento 
de las dislocaciones que son las generadoras de la deformación plástica de los materiales 13. 
Asimismo, bloquean la propagación de microgrietas que son las responsables de la fractura 
de los cerámicos. Además, en las multicapas nanométricas se genera un proceso de re-
nucleación que permite disminuir el número de poros, y por ende se tiene una mejoría en la 
resistencia a la corrosión. 
8 
Por otro lado, las películas de nanocompositos han mostrado tener propiedades mecánicas 
mejores que los recubrimientos convencionales (TiN, ZrN, CrN, TiAIN, etc), e inclusive son 
mejores a las multicapas. Estas consisten de una distribución isotrópica de nanopartículas de 
carburos o nitruros de los metales de transición envuelta en una matriz de otro material duro 
y amorfo. La máxima dureza de estos compositos está entre 30 a 60 GPa, y se obtienen para 
un tamaño de nanopartículas de entre 6 a 15 nm con una capa de la fase amorfa de 
solamente unas cuantas capas atómicas. En granos cristalinos de este tamaño no es posible 
establecer redes de dislocaciones y por lo tanto la deformación del nanocomposito solamente 
puede ocurrir por medio del deslizamiento de los granos. Este proceso de deformación 
requiere mucho más energía que el movimiento de dislocaciones, lo cual implica que estos 
materiales son más duros 14. 
La adherencia de monocapas gruesas, nanocompositos y nano-multicapas en diferentes 
aplicaciones industriales se puede lograr mediante procesos dúplex en donde el pre-
tratamiento puede ser un tratamiento termoquímico como la nitrocarburación ferritica y 
austenítica o nitruraciones iónicas y gaseosas. 
1.2.1 Nitruros metálicos de transición 
El nitrógeno forma compuestos con muchos otros elementos, pero por convención el 
término nitruro es sólo aplicado a compuestos que el nitrógeno forma con elementos de 
electronegatividad menor o igual. Los nitruros pueden ser clasificados en 5 grandes 
categorías basadas sobre sus características de enlace, ver tabla 1.2. Estas categorías o 
grupos se clasifican en 15 : 
A. Nitruros intersticiales (Tiene enlaces metálicos, covalentes y iónicos) 
B. Nitruros covalentes 
c. Nitruros intermedios 
D. Nitruros iónicos (salt-like) 
E. Nitruros volátiles 
9 
Tabla 1.2. Clasificación de la formación de nitruros 
o B E 
Li Be Isl C N O F 
Na Mg A C Al Si pi S CI 
~ 
K Ca Se Ti V Cr Mn Fe Co Nil Cu Zn Ga Ge As Se Br 
Rb Sr Y Zr Nb Mo Te Ag Cd In Sn Sb Te I 
Ca Ba La Hf Ta W Re Au Hg R Pb Bi Po At 
~ 
Fr Ra Ae o 
Esta investigación se centra en el estudio de algunos nitruros de la categoría A 
mostrados en letras resaltadas en la tabla 1.2. Estos nitruros se caracterizan por tener la 
mayor diferencia de electro negatividad con el nitrógeno (TiN: 1.5, ZrN:1.6, NbN:1.4, TaN:1.5 
y CrN: 1.38) y la mayor diferencia entre sus radios atómicos. Estos materiales se conocen 
como nitruros metálicos de transición (NMT); tienen una combinación de enlaces metálicos, 
covalentes e iónicos, que permite que tengan buena conductividad eléctrica y térmica. 
Los NMT se caracterizan por que cristalizan en estructuras intersticiales, es decir, redes 
densamente empaquetados de átomos metálicos pesados (metales de transición) con los 
átomos no-metálicos (nitrógeno) situados en las posiciones intersticiales, ver figura 1.3. 
Metal de 
transición 
Nitrógeno • 
Figura 1.3. Estructura FCC de los nitruros metálicos de transición 
10 
Una de sus características es que siguen la regla de Hagg 16, la cual sugiere que cuando se 
cumple la siguiente relación: 
rx/rM < 0.59 
donde rx es el radio atómico del elemento no-metálico y rM el radio del elemento metálico se 
obtiene una estructura de solución sólida intersticial. 
Para los elementos no metálicos, se tienen los siguientes radios covalentes: rc=0.077 nm, rN= 
0.075 nm, rs= 0.082 nm y rS¡= 0.111 nm. Donde puede observarse que los boruros y los 
siliciuros no presentan estructuras con solución sólida intersticial debido a su alto valor del 
diámetro atómico. En este caso, es más probable que los átomos de B y Si entren a la 
estructura sustituyendo a los átomos del metal, en lugar de ocupar sitios intersticiales, 
aunque esto no tiene una consecuencia directa en sus propiedades de dureza. Las 
estructuras cristalinas de compuestos formados siguiendo la regla de Hagg, son similares a 
la de sus metales puros. Los recubrimientos duros de los grupos IVB y VB frecuentemente 
muestran estructuras hexagonales y cúbicas, pero cuando se incrementa el número del 
grupo se han encontrado estructuras más complejas. 
Los nitruros metálicos de transición poseen un contenido considerable de enlaces metálicos 
aunque el nitrógeno se enlaza a los metales de forma covalente En una estructura 
densamente compacta hay dos sitios intersticiales; los sitios tetraédricos y octaédricos. El 
nitrógeno ocupa únicamente los sitios octaédricos debido que los sitios tetraédricos son 
demasiado pequeños para acomodar al nitrógeno.Al formarse el nitruro, la estructura cristalina del metal de transición (MT) cambia de una 
estructura BCC a una geometría compacta FCC, con los átomos de nitrógeno acomodados 
en los sitios octaédricos. Este cambio de estructura genera un aumento de la distancia intra-
atómica MT-MT, cuyo incremento es más pronunciado en los nitruros del grupo V con 
respecto a los del grupo IV, ver tabla 1.3. El aumento de la distancia intra-atómica MT-MT 
influye en la densidad del nitruro; los nitruros del grupo IV tienen mayor densidad que el MT 
que lo constituye, sin embargo, este resultado es opuesto en los nitruros del grupo V, ver 
ejemplo en la tabla 1.3. 
11 
Tabla 1.3. Resumen de algunas propiedades del TiN, ZrN, NbN, TaN y CrN 
TiN ZrN NbN TaN CrN 
Razón radio atómico N/MT 0.504 0.463 0.508 0.508 0.584 
Cambio del espaciamiento +2.795 +0.845 +0.824 +5.83 ---
atómico MT-MT al pasar del 
metal al NMT (%) 
Cambio de la densidad entre +18.7 +12.4 -1.6 -4.2 ---
MT Y el NMT (%) 
Calor de formación, Kcal/mol -83 -87 -58 -60 -28.2 
Resistencia a la oxidación, oC 450 550 800 800 700 
Color Dorado Dorado Gris Gris Gris 
Temperatura de transición 5.6 9 15 17 No es 
superconductora, K superconductor 
Peso molecular 64.95 105.2 106.1 194.95 66 
Los nitruros intersticiales del grupo IV y V tienen características refractarias, con puntos de 
fusión sobre los 1800 oC. Mientras que las propiedades refractarias de los nitruros del grupo 
VI, como CrN, MoN y WN, se reducen; tienen bajos puntos de fusión y se disocian 
rápidamente a N2 y el MT a temperaturas cercanas a los 1000 oC. 
Los NMT han sido aplicados industrialmente debido a tener una excelente respuesta cuando 
se depositan sobre superficies metálicas. Los nitruros metálicos de los grupos IVB al VIB son 
los más aplicados debido a que presentan las siguientes propiedades3,6,17,18: 
• Bajos coeficientes de fricción. 
• Buenos acabados superficiales. 
• Elevada dureza superficial, buena adhesión y resistencia a la abrasión. 
• Aumento de la resistencia a la corrosión. 
• Son químicamente estables e inertes. 
• Los nitruros del grupo IVB de la tabla periódica como el TiN y el ZrN permiten dar una 
tonalidad color oro. 
La figura 1.4 presenta un resumen ilustrativo de las principales áreas de aplicación de 
algunas películas de NMT. 
12 
7 
Figura 1.4. Resumen de las mas comunes aplicaciones de los NMT 
A continuación se presenta un resumen de las propiedades y aplicaciones actuales o 
potenciales del conjunto de recubrimientos estudiados en este trabajo. 
1.2. 1. 1 Nitruro de Titanio, TiN 
Las películas de TiN han sido ampliamente investigadas desde 1970. Esto se debe a su alta 
dureza, resistencia al desgaste, bajo coeficiente de fricción, adherencia en aceros y por 
tener un color dorado oro. El TiN tiene una combinación de enlaces covalentes, iónico y 
metálico que le permiten tener las propiedades de los cerámicos (dureza) y las propiedades 
de las aleaciones metálicas (ductilidad y relativamente buena conducción eléctrica)15.19. Es 
usado como barrera de difusión y combinado con su color dorado lo hace atractivo en 
aplicaciones decorativas. 
Además, en la industria metalmecánica se usa para elevar la vida útil de cuchillas de corte 
con diferentes tipos de geometría. El TiN es el recubrimiento más estudiado dentro de los 
13 
nitruros metálicos y de su desarrollo se han originado otras películas como el (TI,AI)N, y 
(Ti,AI,V)N, entre otros. Del TiN se han obtenido durezas sobre los 4000 HV, sin embargo 
dependiendo de la forma de síntesis este recubrimiento puede cambiar considerablemente 
sus propiedades microestructurales, las cuales se reflejan en su apariencia superficial y en 
las propiedades mecánicas. Por ejemplo, su dureza puede aumentar desde 1000 hasta 4000 
Kg/mm2, cuando se varía el contenido de nitrógen02o.21.22.23. Para este recubrimiento su color 
es utilizado como un indicador de la "calidad", aunque esto puede llevar a una mala 
caracterización del material, ya que la calidad depende de la aplicación especifica que se le 
quiera dar al recubrimiento. El TiN también es usado para formar multicapas que están 
compuestas por películas de Ti/TiN con espesores nanométricos y diferentes periodos. Estos 
arreglos permiten disminuir los esfuerzos residuales, aumentan la adhesión, la tenacidad del 
conjunto y disminuyen el tamaño de grano y la porosidad. 
El TiN tiene un alto punto de fusión alrededor de 3000 oC, sin embargo muchas veces se ve 
limitada su aplicabilidad debido que tiende a oxidarse en aire cuando la temperatura de 
supera los 500°C. Esta es la principal razón por la que desde hace dos décadas se han 
introducido al comercio nuevos recubrimientos, muchos de ellos como compuestos ternarios 
de Ti, tales como TiCN (Carbonituro de titanio),multicapas gruesas como TiCN/TiN, TiAIN,Cr-
AI-N (Ti,Zr)N, (Ti,Hf)N (Ti,v)N Y (Ti,Nb)N12 que ampliaron el mercado de los recubrimientos 
duros. 
Por ejemplo, el TiAIN tiene estructura muy similar al TiN, pero cuando el aluminio sustituye al 
titanio se aumenta su dureza. Estas películas tienen una temperatura de oxidación superior a 
800 oC, lo cual mejora su resistencia a la corrosión a temperaturas elevadas y sus 
propiedades de barrera térmica con respecto al TiN. De modo que el TiAIN se utiliza como 
protección en herramientas de corte cuando las temperaturas de corte son muy altas. En 
condiciones suficientemente agresivas, se produce el suficiente calor para producir el óxido 
de aluminio, el cual es un excelente material para ser aplicado al maquinar materiales a altas 
velocidades de corte. La capa de alúmina formada tiene la propiedad de mantener su dureza 
aún a altas temperaturas, lo que hace al recubrimiento un excelente material para maquinar 
materiales abrasivos. Sin embargo, el uso del TiAIN está limitado a aplicaciones para 
maquinar materiales a velocidades medias o bajas3, ya que su funcionamiento depende de la 
formación del óxido de aluminio. 
Otro recubrimiento interesante es el Ti(C,N) (carbonitruro de titanio) que ha sido ampliamente 
aplicado en la industria. La ventaja de este recubrimiento es que tiene alta dureza y bajo 
14 
coeficiente de fricción, obteniéndose así una mayor resistencia al desgaste abrasivo 
comparado con el TiN. Por ejemplo, en un ensayo de desgaste de abrasión típico (contra 
óxido de silicio), se logro una mejora de hasta ocho veces en comparación al TiN. La mayor 
dureza del Ti(C,N) y sus propiedades como barrera térmica lo hacen un buen recubrimiento 
para el campo de las herramientas de corte en operaciones de corte interrumpido, en el cual 
la herramienta esta sometida a altas cargas de impacto y choques térmicos3. Los 
recubrimientos de TiCN también pueden ser aplicados para maquinar materiales tratados 
térmicamente o materiales endurecidos, en aleaciones a base de níquel, aceros para 
herramientas y diferentes materiales abrasivos. 
1.2.1.2 Nitruro de Tántalo, TaN 
Las películas de TaNx producidas con técnicas PVD pueden presentar la fase FCC (TaN) o 
HCP (Ta2N), según las condiciones del depósito. El TaNx tiene gran utilidad en aplicaciones 
en la industria electrónica como barrera de difusión. La dureza del TaN en bloque es 
únicamente de 1000 Kg/mm2, sin embargo, en películas delgadas se pueden lograr durezas 
mayores; hay reportes con durezas superiores a los 4000 Kg/mm2, es decir, se ubica entre 
los recubrimientos ultraduros24,25,26,27,28,29,3o. Este hecho, le permite ser un candidato 
excelente para desarrollar componentes resistentes al desgaste. Este recubrimiento también 
es aplicado como recubrimiento decorativo para joyería debido que puede obtenerse con un 
color plateado metálico brillante. Ahora bien, los recubrimientos duros de TaN muestran una 
resistencia a la corrosión similar a la del tántalo puro, el cual brinda una buena protección 
cuando es aplicado como una película delgada en ácido sulfurico a altas temperaturas