Procedimiento de obtención de una superficie dura a escala nanométrica.

Procedimiento de formación de un revestimiento de un grosor inferior o igual a 200 nm y de unadureza superior o igual a 20 GPa,

de un material de estructura nanocompuesta a base de titanio, de zirconio, deboro y de nitrógeno, sabre un soporte (6) caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

a) depósito par pulverización catódica can magnetr6n de una capa (7) de titanio, sabre al menos una superficiede un soporte (6) a una presión parcial de argón de 1 Pa,

b) depósito par pulverización catódica can magnetrón de una capa (8) de nitruro de titanio, sabre la capa (7)obtenida en la etapa a) mediante introducción de nitrógeno en el recinto de pulverización catódica (1) mientras semantiene una presi6n parcial de 1 Pa,

c) depósito de una capa (9) de un material compuesto nanoestructurado a base de titanio, de zirconio, de boro yde nitrógeno sabre la capa (8) obtenida en la etapa b) mediante pulverización catódica con magnetr6n en modode co-pulverización activa mediante aplicación de una potencia X sabre una diana 3 que es fuente de titanio y deuna potencia Y sabre una diana 2 que es fuente de ZrB2, estando la relación X/Y comprendida entre 3/5 y 5/3ambos inclusive, e inyecci6n simultanea de una mezcla gaseosa compuesta par argón y par nitrógeno,representando el nitr6geno al menos el 10 % en volumen, del volumen total de la mezcla gaseosa, mientras semantiene una presi6n parcial de 1 Pa y aplicando un voltaje de polarización de - 300 V, en el recinto depulverización catódica (1).

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E08290874.

Solicitante: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: BATIMENT D "LE PONANT" 25, RUE LEBLANC 75015 PARIS FRANCIA.

Inventor/es: DUCROS,CEDRIC, SANCHETTE,FREDERIC, Sanzone,Vincent.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B26B21/60 SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B26 HERRAMIENTAS MANUALES DE CORTE; CORTE; SEPARACION.B26B HERRAMIENTAS MANUALES DE CORTE, NO PREVISTAS EN OTRO LUGAR (para la recolección A01D; para la horticultura o la silvicultura A01G; para la carnicería o el tratamiento de la carne A22; para la fabricación o reparación de calzado A43D; pinzas de uñas o cortauñas A45D 29/02; utensilios de cocina A47J; para la cirugía A61B 17/00; para el trabajo del metal B23D; corte mediante chorros de fluidos abrasivos B24C 5/02; herramientas en forma de pinzas B25B 7/22; tenazas B25C 11/02; mangos para utensilios manuales, en general B25G; herramientas de corte del tipo de guillotina B26D; raspadores B43L 19/00; para materiales textiles D06H). › B26B 21/00 Afeitadoras de tipo abierto o de tipo cuchilla; Afeitadoras de seguridad u otros utensilios de afeitado tipo acepilladura; Dispositivos para el corte del cabello que implican el uso de una hoja de afeitar; Equipo a este efecto. › por el revestimiento.
  • B82Y30/00 B […] › B82 NANOTECNOLOGIA.B82Y USOS O APLICACIONES ESPECIFICOS DE NANOESTRUCTURAS; MEDIDA O ANALISIS DE NANOESTRUCTURAS; FABRICACION O TRATAMIENTO DE NANOESTRUCTURAS.Nano tecnología para materiales o ciencia superficial, p.ej. nano compuestos.
  • C23C14/02 SECCION C — QUIMICA; METALURGIA.C23 REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO DE MATERIALES CON MATERIALES METALICOS; TRATAMIENTO QUIMICO DE LA SUPERFICIE; TRATAMIENTO DE DIFUSION DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO POR EVAPORACION EN VACIO, POR PULVERIZACION CATODICA, POR IMPLANTACION DE IONES O POR DEPOSICION QUIMICA EN FASE VAPOR, EN GENERAL; MEDIOS PARA IMPEDIR LA CORROSION DE MATERIALES METALICOS, LAS INCRUSTACIONES, EN GENERAL.C23C REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO DE MATERIALES CON MATERIALES METALICOS; TRATAMIENTO DE MATERIALES METALICOS POR DIFUSION EN LA SUPERFICIE, POR CONVERSION QUIMICA O SUSTITUCION; REVESTIMIENTO POR EVAPORACION EN VACIO, POR PULVERIZACION CATODICA, POR IMPLANTACION DE IONES O POR DEPOSICION QUIMICA EN FASE VAPOR, EN GENERAL (aplicación de líquidos o de otros materiales fluidos sobre las superficies, en general B05; fabricación de productos revestidos de metal por extrusión B21C 23/22; revestimiento metálico por unión de objetos con capas preexistentes, ver las clases apropiadas, p. ej. B21D 39/00, B23K; mecanizado del metal por acción de una fuerte concentración de corriente eléctrica sobre un objeto por medio de un electrodo B23H; metalización del vidrio C03C; metalización de piedras artificiales, cerámicas o piedras naturales C04B 41/00; pinturas, barnices, lacas C09D; esmaltado o vidriado de metales C23D; medios para impedir la corrosión de materiales metálicos, las incrustaciones, en general C23F; tratamiento de superficies metálicas o revestimiento de metales mediante electrolisis o electroforesis C25D, C25F; crecimiento de monocristales C30B; mediante metalización de textiles D06M 11/83; decoración de textiles por metalización localizada D06Q 1/04; detalles de aparatos de sonda de barrido, en general G01Q; fabricación de dispositivos semiconductores H01L; fabricación de circuitos impresos H05K). › C23C 14/00 Revestimiento por evaporación en vacío, pulverización catódica o implantación de iones del material que constituye el revestimiento (tubos de descarga provistos de medios que permiten la introducción de objetos o de un material para ser expuestos a la descarga H01J 37/00). › Pretratamiento del material a revestir (C23C 14/04 tiene prioridad).
  • C23C14/06 C23C 14/00 […] › caracterizado por el material de revestimiento (C23C 14/04 tiene prioridad).
  • C23C14/16 C23C 14/00 […] › sobre sustratos metálicos, en boro o en silicio.

PDF original: ES-2388010_T3.pdf

 

Procedimiento de obtención de una superficie dura a escala nanométrica.

Fragmento de la descripción:

Procedimiento de obtenciOn de una superficie dura a escala nanometrica

La invenciOn se refiere a un procedimiento de formación de un revestimiento de un grosor inferior o igual a 200 nm y de una dureza superior o igual a 20 GPa.

La invenciOn tambien se refiere a los dispositivos que comprenden un revestimiento obtenido mediante este procedimiento.

Las capas finas ultra-duras se utilizan ampliamente en muchos campos para proteger a algunos conjuntos o piezas contra el desgaste por abrasión. Estas piezas puede ser micro-objetos (MEM) , pero tambien objetos de los que se desea conservar aspectos geornetricos como, por ejemplo, el radio de un fib o cortante de una cuchilla de afeitar.

Los revestimientos de tipo Metal-BN se utilizan ampliamente en el ambito mecanico para mejorar la dureza de superficie de los cornponentes mecanicos.

Los revestimientos de tipo Metal-BN utilizados mas habitualmente son TiBN, ZrBN y TiAIBN.

En particular, los revestimientos de estructura nanocompuesta se han estudiado mucho con el fin de obtener niveles de dureza muy elevados.

El procedimiento de pulverizaciOn catódica con magnetrón en modo de co-pulverizaciOn reactiva es bien conocido en el ambito de la fabricación de capas finas duras.

Este procedimiento permite obtener capas de composición extremadamente precisa con una rugosidad de superficie reducida. Estas capas tienen grosores superiores a 2 micr6metros, para alcanzar durezas de la capa de 30 GPa, pero no permite obtener capas duras que tengan un nivel de adherencia suficiente sobre el soporte, en particular para aplicaciones en las que las piezas revestidas estan fuertemente solicitadas termo-mecanicamente.

Tambien se conoce el procedimiento de evaporaciOn por arco catódico para la elaboraciOn de capas duras, pero, hasta ahora, no ha permitido obtener capas duras inferiores a 2 micr6metros.

De este modo, para la formación de capas duras para aplicaciones en las que la pieza revestida esta fuertemente

solicitada termo-mecanicamente, actualmente se utiliza el procedimiento de evaporaciOn por arco catódico, ya que permite obtener niveles de adherencia de la capa dura sobre la pieza revestida muy elevados debido a la tasa de ionización muy elevada del vapor generado mediante la tecnica de evaporaciOn por arco catódico que es de aproximadamente el 90 % , mientras que esta tasa solamente es de un pequeno porcentaje, el 10 % en el mejor de los casos, para la pulverizaciOn catódica con magnetrón. Adernas, en el procedimiento de evaporaciOn por arco

catOdico, el bombardeo de la capa en curso de crecimiento es favorecido por esta elevada tasa de ionización aplicando un voltaje de polarizaciOn negativa a las piezas a revestir.

Sin embargo, el procedimiento de evaporaciOn por arco catOdico genera una rugosidad de superficie importante que no permite obtener capas duras que no modifiquen la geometria de las piezas revestidas para grosores inferiores a 2 45 micr6metros.

En particular, el aspecto rugosidad de superficie es importante, ya que para grosores totales de revestimiento del orden de 200 nm, una rugosidad de superficie del mismo orden resulta inaceptable para una aplicaciOn mecanica.

50 El documento JP 2005-212 025 A describe una herramienta que tiene una superficie revestida con una capa intermedia compuesta, por ejemplo, por TiZrBN con un grosor entre 0, 05 y 20 pm. La capa se deposita, por ejemplo, mediante pulverizaciOn catOdica.

La invenciOn pretende paliar los inconvenientes de los procedimientos de la tecnica anterior, proponiendo un

55 procedimiento de obtenciOn de capas duras de un material de estructura nanocompuesta, mediante el metodo de pulverizaciOn catOdica con magnetrOn, que permite obtener capas duras que tienen un grosor inferior o igual a 200 nm y una dureza superior o igual a 20 GPa, con una rugosidad de superficie reducida y un nivel de adherencia importante.

a) depósito par pulverizaciOn catOdica can magnetrón de una capa de titanio, sabre al menos una superficie de dicho soporte a una presión parcial de arg6n de 1 Pa,

b) depósito par pulverizaciOn catOdica can magnetron de una capa de nitruro de titanio, sabre la capa obtenida en la etapa a) , mediante introducción de nitrógeno en el recinto de pulverizaciOn catódica mientras se mantiene 10 una presión parcial de 1 Pa,

c) depósito de una capa de un material compuesto nanoestructurado a base de titanio, de Zr, de boro y de nitrógeno, sabre la capa obtenida en la etapa b) , mediante pulverizaciOn catódica can magnetrón en modo de copulverizaciOn activa mediante aplicaciOn de una potencia X sabre una diana fuente de titanio, y de una potencia

Ysabre una diana fuente de ZrB2, estando la relaciOn X/Y comprendida entre 3/5 y 5/3 ambos inclusive, e inyección simultanea de una mezcla gaseosa compuesta par arg6n y nitrógeno, representando el nitrógeno al menos el 10 % en volumen del volumen total de la mezcla gaseosa, mientras se mantiene una presión parcial de 1 Pa y aplicando un voltaje de polarizaciOn de — 300 V, en el recinto de pulverizaciOn catódica.

Preferentemente, en el procedimiento de la invenciOn, en la etapa c) , el porcentaje de nitrógeno introducido en el recinto de pulverizaciOn catódica can magnetrón es del 10 % en volumen can respecto al volumen total de la mezcla gaseosa introducida.

De nuevo preferentemente, en el procedimiento de la invenciOn, la relaciOn de las potencias X/Y aplicadas sabre las 25 dianas, en la etapa c) , es de 1.

La invenciOn tambien abarca los dispositivos que comprende un revestimiento obtenido mediante el procedimiento de la invenciOn y, mas particularmente, las cuchillas de afeitar. Debe observarse que, para las cuchillas de afeitar, solamente pueden revestirse los filos y no toda la cuchilla de afeitar.

La invenciOn se entendera mejor y otras caracteristicas y ventajas de esta quedaran mas claras can la lectura de la siguiente descripción explicativa y que se ha realizado en referencia a las figuras, en las que:

- la figura 1 representa esquernaticamente un dispositivo de pulverizaciOn catOdica can magnetrón en modo 35 deco-pulverizaciOn activa,

- la figura 2 representa esquernaticamente un carte de una pieza de la que una superficie esta revestida can el revestimiento de la invenciOn,

lafigura 3 representa la influencia de la relaciOn de potencia X/Y sabre la composición en porcentaje atómico y la dureza de la Ultima capa del revestimiento de la invenciOn,

la figura 4 representa la evoluciOn de la dureza de la Ultima capa de revestimiento de la invenciOn en función de la relaciOn caudal de nitrógeno / caudal total de la mezcla gaseosa introducido en el recinto de

45 pulverizaciOn catódica can magnetrón, y

la figura 5 es una fotografia obtenida can microscopio electrOnico de transmisión de alta resoluciOn de la estructura nanocompuesta de la Ultima capa del revestimiento obtenida mediante el procedimiento de la invenciOn. En esta fotografia, 1 cm representa 5 nanómetros de la capa mostrada.

50 La invenciOn consiste en depositar sabre un soporte metalico, plastico o ceramico, que tiene al menos una superficie can un pulido espejo, un revestimiento nanoestructurado de tipo nanocompuesto a base de Ti, Zr, B y N que tiene durezas superiores a 20 GPa para grosores de revestimiento inferiores o iguales a 200 nm.

55 El grosor convencionalmente depositado en la tecnica anterior es del orden de 2 a 3 micr6metros para dichos revestimientos, o sea 10 veces mas que en la invenciOn, para obtener niveles de dureza del orden de 30 GPa.

El procedimiento de la invenciOn es un procedimiento de pulverizaciOn catódica con magnetrón en modo de copulverizaciOn reactive en el que, edemas de la arquitectura particular del revestimiento, la relaciOn de potencia aplicada sabre las fuentes, par un lado de Ti y par otro lado de ZrB2, este controlada, siendo introducido el nitrógeno en forma de gas mezclado can arg6n tambien a una relaciOn particular.

El dispositivo de pulverizaciOn catódica can magnetrón en modo de co-pulverizaciOn reactive se representa esquernaticamente... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento de formaciOn de un revestimiento de un grosor inferior o igual a 200 nm y de una

dureza superior o igual a 20 GPa, de un material de estructura nanocompuesta a base de titanio, de zirconio, de 5 boro y de nitrógeno, sabre un soporte (6) caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

a) depósito par pulverizaciOn catódica can magnetrón de una capa (7) de titanio, sabre al menos una superficie de un soporte (6) a una presión parcial de arg6n de 1 Pa,

b) depósito par pulverizaciOn catódica can magnetrón de una capa (8) de nitruro de titanio, sabre la capa (7) obtenida en la etapa a) mediante introducciOn de nitrógeno en el recinto de pulverizaciOn catódica (1) mientras se mantiene una presión parcial de 1 Pa,

c) depósito de una capa (9) de un material compuesto nanoestructurado a base de titanio, de zirconio, de boro y

denitrógeno sabre la capa (8) obtenida en la etapa b) mediante pulverizaciOn catódica con magnetrón en modo de co-pulverizaciOn activa mediante aplicaciOn de una potencia X sabre una diana 3 que es fuente de titanio y de una potencia Y sabre una diana 2 que es fuente de ZrB2, estando la relaciOn X/Y comprendida entre 3/5 y 5/3 ambos inclusive, e inyección simultanea de una mezcla gaseosa compuesta par arg6n y par nitrógeno, representando el nitrógeno al menos el 10 % en volumen, del volumen total de la mezcla gaseosa, mientras se

mantiene una presión parcial de 1 Pa y aplicando un voltaje de polarizaciOn de — 300 V, en el recinto de pulverizaciOn catódica (1) .

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicaciOn 1, caracterizado porque en la etapa c) , el nitrógeno

representa el 10 % en volumen del volumen total de la mezcla gaseosa. 25

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicaciOn 1 6 2, caracterizado porque en la etapa c) , la relaciOn X/Y = 1.

4. Dispositivo que comprende un revestimiento obtenido mediante el procedimiento de acuerdo con una 30 cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

5. Dispositivo de acuerdo can la reivindicaciOn 4, caracterizado porque es una cuchilla de afeitar.


 

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