ABSTRACT In this work, titanium doped tungsten disulfide thin films (WS2-Ti) were deposited on AISI 304 stainless-steel substrates using the magnetron co-sputtering DC technique. Films were produced with varying titanium-cathode power from 0 to 25 W. The titanium content of the WS2 structure was determined using energy dispersive spectroscopy (EDS), thereby obtaining a maximum of 10% for the sample grown at 25 W. X-ray diffraction (XRD) results indicated, for the pure sample, the presence of a hexagonal phase of high intensity on the (103) plane. However, with the addition of titanium, the WS2 crystallinity was reduced; nevertheless, when the titanium content was equal to 10%, nanocomposite formation was promoted. This effect was observed in TEM (transmission electron microscopy) images. Finally, the tribological behavior was determined using a ball on disk (BOD) test. With this method, friction coefficient curves were obtained with respect to the number of cycles, allowing the measurement of friction coefficient values of 0.1 for the pure sample and 0.15 for the sample grown at 5 W. Because of the low thickness of the samples, all of them failed during the first cycles.

Resumen Se simularon estructuras del SiN y TiN utilizando Teoría de Funcionales de Densidad (DFT), con el fin de estudiar la influencia de la inserción de átomos de Si en la estructura del TiN en posiciones intersticiales y sustitu- cionales de una red cristalina cúbica centrada en las caras (FCC). Los re- sultados mostraron que la estructura SiN-FCC es pseudo estable, mientras que la estructura tetragonal es estable, con comportamiento cerámico. La estructura del TiN-FCC es estable con un comportamiento cerámico simi- lar al del SiN-tetragonal. La inserción de 21 % de átomos de Si en posiciones intersticiales, el material mostró alta deformación inducida, alta polariza- ción y formación de enlaces Si-N, indicadores de una transición amorfa que podría producir un compuesto formado por granos o nanogranos de TiN embebidos en una matriz amorfa de Si-N. Mientras que al incluir 21 % de Si sustituyendo átomos de Titanio, se observó una distribución más es- table, que puede producir diferentes fases del compuesto estequiométrico Ti1-xSixNy.

Abstract Using Density Functional Theory (DFT) SiN and T iN structures were simulated, in order to study the influence of the silicon atoms insertion in the T iN lattice placed on interstitial and substitutional positions in a face centered cubic (FCC) crystalline lattice. Results showed that the SiN − FCC structure is pseudo-stable; meanwhile the tetragonal struc- ture is stable with ceramic behavior. The T iN − FCCstructure is stable with ceramic behavior similar to SiN − T etragonal. 21% silicon atoms insertion in interstitial positions showed high induced deformation, high polarization and Si− N bond formation, indication an amorphous transi- tion that could lead to the production of a material composed from T iN grains or nano-grains embedded in a Si − N amorphous matrix. When including 21% of silicon atoms, substituting titanium atoms, the distribu- tion showed higher stability that could lead to the formation of different phases of the stoichiometric Ti1 −x Si xNy compound.

Se analizaron las propiedades mecánicas y tribológicas de recubrimientos de CrN crecidos sobre sutratos de aceros AISI 203 y AISI 4140 usando la técnica de pulverización catódica con magnetrón. Los recubrimietos fueron crecidos a dos presiones de trabajo, 0.4 y 4.0 Pa. Las películas crecidas sobre acero AISI 304 a 0.4 Pa mostraron la dureza más alta debido a que ésta presenta gran tamaño de grano y baja rugosidad. Para los recubrimientos sinterizados a o.4 Pa, el daño superficial fue bajo durante la prueba tribológica. Se realizaron estudios de adherencia, obteniéndose Lc1 y Lc2 para los recubrimietos producidos con ambas presiones y en abos sustratos. Se observó una mejor adherencia en las películas crecidas a baja presión debido a su mayor espesor (~890 nm).

Mechanical and tribological properties of CrN coatings grown on steel substrates AISI 304 and AISI 4140 using the magnetron sputtering technique were analyzed. Coatings were grown at two pressures of work, 0.4 and 4.0 Pa. The films grown on AISI 304 at a pressure of work of 0.4 showed the highest hardness because they presented a larger grain size and lower roughness. For CrN synthesized at 0.4 Pa, the surface damage was lower during the tribological test. Adherence studies were also carried out, obtaining Lc1 and Lc2 for coatings produced at both pressures and on both substrates. Better adherence behavior was observed for films grown at a low pressure because these films were thicker (~890 nm).

Se depositaron películas a base de titanio (Ti/S, TiN/S, Ti/TiN/S, S: sustrato) por DC Magnetrón Sputtering, sobre acero 316L, evaluando las propiedades superficiales, mecánicas, adhesión interfacial y el comportamiento tribológico de los recubrimientos. La estructura cristalina del material fue analizada por medio de XRD, determinando estructura cristalina FCC. La dureza se incrementa con la aplicación de la capa de TiN (~17 GPa), pero altos esfuerzos intrínsecos y mayor fragilidad, hacen que posea menor adhesión (~12 N). Las capas metálicas, poseen comportamiento predominantemente plástico, con menores durezas (~7 GPa), pero mayor adhesión (~19N). Las pruebas de desgaste se realizaron por medio de Bola en Disco (BOD), usando como contrapartes bolas de Acero inoxidable 440 (SS440) y Alúmina (Al2O3) (6mm de diámetro), a condiciones de 1N de carga y 10cm/s velocidad. Se realizaron análisis morfológicos y químicos sobre la pista de desgaste y superficie de las contrapartes utilizando perfilometría y SEM/EDS. Mayores coeficientes de desgaste fueron observados en las capas de Ti, debido a baja resistencia a la deformación plástica y al incremento de la abrasión. Al incluir la capa de TiN, se incrementa la capacidad de carga, reduciendo la transferencia de material, y mejorando la resistencia al desgaste

Titanium based thin films (Ti/S, TiN/S, Ti/TiN/S, S: Substrate) were deposited using DC Magnetron sputtering on 316L stainless steel substrates. Superficial, mechanical properties, interface adhesion and tribological behavior of the obtained compounds were evaluated. Crystalline structure of the obtained TiN was observed by XRD, determining a FCC crystalline structure. Hardness increases with application of a TiN layer (~17 GPa), but intrinsic stress and higher fragility causes low adhesion (~12 N). Metallic coating possesses predominately plastic behavior with low hardness (~7 GPa), but higher adhesion (~19N). Wear test were performed by Ball on Disk (BOD), using 440 stainless steel (440SS) and alumina (Al2O3) counterpairs (6 mm diameter), 1N applied load and 10 cm/s speed. Morphological and chemical analyses were performed on the wear tracks and counterpair surface using profilometry and SEM/EDS. Highest wear coefficients were observed in the Ti coatings, due to low plastic deformation resistance and abrasion increasing. Including a TiN layer increases coating load capability, reducing material transferring and improving tribological behavior

El coeficiente de fricción y el coeficiente de desgaste, representan dos variables importantes para la elección de recubrimientos duros en aplicaciones críticas de ingeniería tales como corte y conformado de materiales. Para explicar de manera profunda estas variables, es necesario conocer los diferentes tipos de desgaste que ocurren en estas superficies recubiertas. Se han evaluado recubrimientos de nitruro de circonio (ZrN), nitruro de cromo (CrN) y nitruro de titanio aluminio (TiAlN), producidos por la técnica magnetrón sputtering reactivo, determinando las propiedades tribológicas, midiendo coeficientes de fricción (COF) y desgaste, y mostrando un análisis de los mecanismos de desgaste presentes para cada recubrimiento durante el contacto tribológico en sistemas cerámicos. Se observó que el voltaje de polarización incrementa las fallas por deformación plástica y la generación de un tercer cuerpo en la superficie del ZrN. El aumento del flujo de nitrógeno en la deposición de CrN, mejora el comportamiento tribológico al segregar la fase cúbica del material, optimizando sus propiedades superficiales. Al incrementar la temperatura de deposición del TiAlN se mejora su calidad superficial (reducción de rugosidad y densidad de poros), reduciendo la abrasión y aumentando la capacidad de carga del compuesto.

Friction and wear coefficient represent two important variables for hard coating selection in critical engineering applications such as cutting and material forming. To explain fully these variables, is necessary to understand different types of wear mechanisms that occur in coated surfaces. Zirconium nitride (ZrN), chromium nitride (CrN) and titanium aluminum nitride (TiAlN) coatings produced by reactive magnetron sputtering technique were evaluated. The tribological properties- coefficient of friction (COF) and wear coefficient were investigated using a ball on disc tribometer and profilometry. Bias polarization voltage showed an increase in plastic deformation and third body generation failures in the ZrN surface. Nitrogen flux increasing in CrN deposition, improves tribological behavior due to cubic phase segregation, enhancing superficial properties. Increasing substrate temperature during deposition of TiAlN improves superficial properties (roughness and porous density decrease), increases abrasion wear resistance and load capability of the coating.

Se depositaron bicapas de Ti / TiN en sustratos de acero inoxidable AISI 316L y Dynasil (SiO2), mediante el uso de un sistema de magnetrón Sputtering reactivo DC. La intercapa de Ti se creció a diferentes espesores (0, 50, 100, y 200 nm) con el fin de estudiar su influencia en la morfología y en las propiedades mecánicas y tribológicas. La morfología de los recubrimientos se determinó usando un perfilómetro XP2, la adhesión se midió utilizando un equipo de micro scratch-test, las propiedades mecánicas se determinaron mediante un nanoindentador marca NANOVEAIBIS-Technology por el método de Oliver-Parr. La caracterización tribológica se llevó a cabo empleando un tribómetro CSEM y el coeficiente de desgaste se obtuvo por la ley Archard, relacionando el área de desgaste (medida por perfilometría). Los resultados muestran una disminución de la rugosidad con la adición de la intercapa. La máxima dureza y módulo de elasticidad obtenidas fueron de 22 y 310 GPa respectivamente para el sistema con intercapa de 100 nm; además, este sistema exhibió la más alta adhesión con una carga crítica de 28 N. El recubrimiento con una intercapa de 200 nm mostró una mejoría en el comportamiento tribológico debido a su gran capacidad de carga, menor deformación del sustrato y baja tasa de desgaste.

Ti/TiN bilayers were grown on AISI 316L stainless steel and Dynasil (SiO2) substrates, by using a reactive DC magnetron sputtering system. The Ti interlayer was grown at different thicknesses (0, 50, 100, and 200 nm) in order to study their influence on the morphological, mechanical, and tribological properties of the bilayers. The coatings' morphology was determined using an XP2 profilometer adhesion was measured using micro-scratch test equipment, mechanical properties were obtained by a NANOVEA IBIS-Technology nanoindenter with the Oliver-Parr method. Tribological characterization was carried out with a CSEM tribometer, and wear coefficient was obtained by the Archard law by relating the wear area (measured by profilometry). Results present a decrease in the roughness as the interlayer was added. A maximum hardness and elastic modulus of 22 and 310 GPa, respectively, were obtained. On the other hand, the system with an interlayer of 100 nm exhibited the highest adhesion with a critical load of 28 N. Moreover, the system with an interlayer of 200 nm showed an improvement in the tribological behavior due to its great load capability, lower substrate deflection, and low wear rate.

Se depositaron películas delgadas de bisulfuro de tungsteno (WS2) y nanocompuestos de bisulfuro de tungsteno dopados con Titanio (WS2-Ti) sobre sustratos de silicio, variando la temperatura del substrato y la potencia de los blancos por medio de magnetrón co-sputtering, con el fin de obtener diferentes concentraciones de Ti en el nanocompuesto. Los recubrimientos fueron analizados por medio de difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido de alta resolución (HRSEM/EDS) y microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM), para observar el cambio en la cristalinidad y la morfología de los recubrimientos, con respecto al porcentaje de Ti inducido y el cambio en la temperatura del substrato. En el proceso co-sputtering, la inclusión de Ti previene la cristalización del WS2 formando nanocristales amorfos dispersos (1-3 nm). Las pruebas de fricción realizadas por medio de pin en disco (POD), a bajas temperaturas, muestran que los recubrimientos depositados a temperatura ambiente y bajas concentraciones de Ti (entre 5 y 14 %at) poseen mejores tiempos de vida útil que los recubrimientos de WS2 puros, pero no se observaron cambios significativos en el coeficiente de fricción (COF). El mismo efecto se observa en las pruebas de fricción a alta temperatura (500°C) con cambios mayores en el COF. Para estudiar los mecanismos de lubricación sólida, se prepararon las muestras por medio de haz de iones focalizado (FIB) y se analizaron por medio de espectroscopia Raman determinando el comportamiento de la deformación en la superficie y la formación de productos triboquímicos en las huellas de desgaste. Observando la formación de WO3 en la superficie durante el desgaste (tribo-oxidación) y la transferencia del mismo a la contracara del par (generación de un tercer cuerpo). Dopar el material con Ti, produciendo un nanocompuesto, es un procedimiento que mejora las propiedades tribológicas del material en ambientes húmedos y altas temperaturas, reduciendo la oxidación y mejorando el tiempo de vida de las piezas. Esta forma de obtener mejores condiciones de trabajo ha sido poco estudiada en detalle y se presenta un mecanismo de reacción que permite explicar dicho fenómeno utilizando técnicas novedosas de análisis como FIB.

Tungsten disulphide (WS2) and titanium doped tungsten disulphide (Ti-WS2) nanocomposites were deposited on silicon substrates, varying substrate temperature and target power, using magnetron co-sputtering in order to obtain different Ti contents in the nanocomposite. The films were analyzed using X-ray difraction (XRD), high resolution scanning electron micrscopy (HRSEM/EDS) and high resolution transmision electron microscopy (HRTEM) to observe the crystallinity and morphology behavior respect the induced Ti percentage and the substrate temperature variation. The inclusion of Ti on the co-sputtering process prevents the WS2crystallization forming dispersed amorphous nanocrystals (1-3 nm). The friction tests performed in a Pin on Disk (POD) at low temperatures, shows that the room temperature and low Ti concentrations films (between 5 and 14%at) possesses higher life times that pure WS2films but no significant changes in friction coefficients (COF) were observed. The same effect is determined in high temperature POD tests (500°C) with higher changes in COF. To study solid lubricant mechanisms, samples prepared by focus ion bean (FIB), were analyzed by Raman spectroscopy, determining surface deformation and tribo-chemical compounds formation in the wear track. The formation of WO3 in the surface during wear (tribo-oxidation) and transfer to the counterface (third body generation) was observed. Ti doping, producing a nanocomposite, is a procedure that improves tribological properties of the material in humid and high temperature environments. Obtaining these improvements by means of element doping has been poorly studied in detail and a reaction mechanism is presented allowing the phenomena explanation using advanced novel analysis techniques like FIB.

Depositaram-se recobrimentos finos de bisulfuro de tungstênio (WS2) e nanocompósitos de bisulfuro de tungstênio dopados com Titânio (WS2-Ti) sobre substratos de silício, variando a temperatura do substrato e a potência dos alvos, mediante magnetron co-sputtering, com o intuito de obter diferentes concentrações de Ti no nanocompósito. Os recobrimentos foram analisados mediante difração de raios X (XRD), microscopia eletrônica de varredura de alta resolução (HRSEM/EDS) e microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM), para observar a mudança na cristalinidade e a morfologia dos recobrimentos, com relação á porcentagem de Ti adicionado e á mudança na temperatura do substrato. No processo co-sputtering a adição de Ti evita a cristalização do WS2 formando nanocristais amorfos dispersos (1-3 nm). Os ensaios de atrito realizados mediante pino sobre disco (POD) a baixas temperaturas, mostram que os recobrimentos depositados a temperatura ambiente e os baixos teores de Ti (entre 5 e 14%), apresentam melhores tempos de vida útil do que os recobrimentos de WS2puro, mas não foram observadas mudanças significativas no coeficiente de atrito (COF). O mesmo efeito observa-se nos ensaios de atrito a alta temperatura (500°C) com mudanças maiores no COF. Para estudar os mecanismos de lubrificação sólida, prepararam-se as amostras mediante feixe de íons focalizados (FIB) e analizaram-se mediante espectroscopia Raman, determinando o comportamento da deformação na superfície e a formação de produtos triboquímicos nas marcas de desgaste. Observando a formação de WO3 na superfície durante o desgaste (tribo-oxidação) e a transferência do mesmo á contraface do par (geração dum terceiro corpo). Dopar o material com Ti, produzindo assim um nanocompósito, é um procedimento que melhora as propriedades tribológicas do material em ambientes úmidos e altas temperaturas, reduzindo a oxidação e melhorando o tempo de vida das peças, esta maneira de obter melhores condições de trabalho tem sido pouco estudada em detalhe e apresenta-se um mecanismo de reação que permite estudar esse fenômeno, utilizando novas técnicas de análise como FIB.