Mechanical and tribological properties enhancement of heat treated AISI 4340 steel by using a TiN/TiAlN multilayer coating system | Mejoramiento de las propiedades mecánicas y tribológicas del acero AISI 4340 tratado térmicamente, utilizando un recubrimiento de multicapas de TiN/TiAlN

RESUMEN: Multicapas de TiN/TiAlN (nitruro de titanio/nitruro de titanio aluminio) se depositaron por la técnica de la pulverización catódica d.c. reactiva utilizando blancos de titanio y de aluminio de 10 cm de diámetro, con una pureza de 99,9%, en una atmósfera de argón y nitrógeno (Ar/N), aplicando una temperatura de 300°C y una presión de 7x10-3 mbar al sustrato. Como sustratos se utilizaron silicio (100) y acero AISI 4340 tratado térmicamente con una dureza de 54 Rockwell C (HRC, aproximadamente 5,4 GPa). Recubrimientos de TiN/TiAlN con un contenido de Al de 70% y un espesor total de 4 µm se investigaron en función del número de multicapas y sus propiedades mecá- nicas y tribológicas se compararon con las de las muestras de acero sin recubrir. La estructura cristalina de las muestras recubiertas se analizó mediante difracción de rayos X, la morfología y topografía con microscopia electrónica de barrido (SEM) y microscopia de fuerza atómica (AFM). La dureza se determinó mediante nanoindentación, mientras que la resistencia al desgaste se caracterizó a través de mediciones de pin on disc. Para las 150 multicapas de TiN/TiAlN se obtuvo un incremento en la dureza y en el módulo de Young de 62% y 70% respectivamente, en relación a las 30 bicapas iniciales, y de 740% y 202% respectivamente, comparado con el acero AISI 4340 sin recubrir. Finalmente, el coeficiente de fricción se redujo de 0,55 a 0,20 y la rugosidad de 60 nm a 3,2 nm para las probetas de acero recubiertas con 150 bicapas de TiN/TiAlN, lo cual condujo a una mayor resistencia al desgaste del sistema de recubrimiento.

ABSTRACT: TiN/TiAlN (titanium nitride/titanium aluminum nitride) multilayer were deposited by d.c. reactive magnetron sputtering using titanium and aluminum targets with 10 cm in diameter and 99.9% purity in an argon/nitrogen (Ar/N) atmosphere, applying a substrate temperature of 300°C and a pressure of 7x10-3 mbar. Silicon (100) and heat treated AISI 4340 steel samples with a hardness of 54 Rockwell C (HRC, approximately 5.4 GPa) were utilized as substrate. TiN/TiAlN coatings with 70% aluminum and 4 µm total thickness were investigated as function of multilayer number and their mechanical and tribological properties compared to the uncoated steel samples. The crystalline structure of the coated samples was analyzed through X-ray diffractometry and its morphology and topography using scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). Hardness was determined by means of nanoindentation, while wear resistance was characterized through pin on disc measurements. A hardness and Young Modulus increment from 62% and 70% respectively, were obtained for 150 multilayer of TiN/TiAlN related to 30 bilayers and from 740% and 202% respectively, compared with the uncoated AISI 4340 steel samples. Finally the friction coefficient was reduced from 0.55 down to 0.20 and the roughness from 63 nm to 3.2 nm for the steel samples coated with 150 bilayers of TiN/TiAlN, what conduced to a greater wear resistance of the coating system.