D. Martínez-Martínez, C. López-Cartes, J.C. Sánchez-López, A. Fernández

Grupo Materiales Nanoestructurados y Microestructura, Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla, (Centro Mixto CSIC-Universidad de Sevilla), Avda. Américo Vespucio 49, 41092-Sevilla, España.

dmartinez@icmse.csic.es

ABSTRACT: The development of coatings which combine high hardness and low values of friction and wear is an interesting research area due to the improvement of the performance of many pieces and tools used in industrial processes, such as casting, cutting, etc. In this work we present the results obtained from novel lubricant nanostructured systems formed by nanocrystals of a hard phase (nc-TiC) embedded in a low-friction amorphous matrix (a-C). Synthesis was performed by magnetron sputtering of Ti and C targets. Chemical and miscrostructural characterization were carried out by transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), atomic force microscopy (AFM), and electron energy loss spectroscopy (EELS). Tribological properties were studied at ambient environmental conditions by means of a pin-on-disk tribometer employing steel as counterpart at Hertzian pressures of ~1 GPa. Depending on synthesis conditions, friction (0,1 to 0,4) and hardness (7-27 GPa) values can be achieved at moderate wear rates (k~10^-7 mm³/Nm). The study of the relationship among microstructure, chemical composition and tribo-mechanical properties allows us the optimization of these nanostructured systems to improve the technological applications.

Keywords: Magnetron sputtering, nanocomposite, titanium carbide, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), electron energy-loss spectroscopy (EELS).

RESUMEN: El desarrollo de recubrimientos que combinen propiedades de alta dureza con bajos valores de fricción y desgaste constituye un área de investigación de notable interés por su impacto en la mejora del rendimiento de multitud de piezas y herramientas que se utilizan en operaciones industriales tales como corte, mecanizado, etc. En este trabajo se presentan los resultados conseguidos a partir de nuevos sistemas nanoestructurados lubricantes formados por nanocristales de una fase dura (nc-TiC) que se integran dentro de una masa de material amorfo de bajo coeficiente de fricción (a-C). La síntesis se ha realizado mediante la técnica de “magnetron sputtering” a partir de blancos de Ti y grafito. La caracterización microestructural y química de los recubrimientos se ha llevado a cabo por microscopía electrónica de transmisión (TEM), difracción de rayos X (XRD), espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), microscopía de fuerzas atómicas (AFM) y espectroscopía de pérdida de energía de electrones (EELS). Las propiedades tribológicas se han estudiado a temperatura y humedad ambientales utilizando un tribómetro pin-on-disk con acero como antagonista a presiones de contacto de ~1 GPa. Controlando las condiciones de síntesis se pueden conseguir rangos de fricción (0,1 a 0,4) y durezas (7-27 GPa) con razonables tasas de desgaste (k~10^-7 mm³/Nm). El estudio de la relación existente entre la microestructura, composición química y las propiedades medidas nos permitirá la optimización de tales sistemas nanoestructurados para su mejor aprovechamiento tecnológico.

Palabras clave: Magnetron sputtering, nanocomposite, carburo de titanio, espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), espectroscopía de pérdida de electrones (EELS).

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