Modificación superficial del Ni-Ec para mejoras de sus propiedades de resistencia a la corrosión y al desgaste

Resumen

Los procesos de micro-estampación de materiales blandos están adquiriendo una gran relevancia tecnológica para el diseño y la producción de superficies con patrones 3D, a escala micro, para lentes ópticas, dispositivos de microfluídica, tubos micro-formados o tecnologías de impresión. Uno de los retos más importantes a los que se enfrentan estos procesos es lograr la adecuada transferencia de patrones en el material de trabajo a gran escala, dado que para la fabricación de los moldes se requieren materiales con una elevada dureza y tenacidad. En este contexto, el níquel depositado electroquímicamente, Ni-EC, en combinación con técnicas fotolitográficas, es un material empleado frecuentemente en la fabricación de los moldes para este tipo de aplicaciones. En general, el Ni cumple con los requisitos necesarios de dureza y resistencia; sin embargo, no presenta buenas propiedades de resistencia al desgaste, lo que afecta al rendimiento de los moldes cuando se trabaja en producción en masa. Con el fin de superar estas desventajas, se propone la implantación iónica como una alternativa para mejorar la dureza superficial y la resistencia al desgaste de las superficies de Ni-EC. El objetivo principal del trabajo es la mejora de la resistencia a la corrosión y al desgaste en medios agresivos del Ni-EC, sin alterar las dimensiones iniciales de la muestra y preservando la estabilidad química. Esto es importante porque los procesos de micro-grabado implican el uso de líquidos, como las tintas en los procesos de impresión, que pueden ser agresivos. Para ello, se ha evaluado el efecto de la co-implantación secuencial de Cr+ y N+ comparándose con los obtenidos de los tratamientos de implantación realizados con uno sólo ion. Además, se ha realizado la caracterización de las muestras para entender los cambios en la composición química y en la microestructura en función de la dosis y de la energía de implantación, así como su influencia en las propiedades de desgaste y corrosión. Para la caracterización completa de las diferentes condiciones de implantación se han estudiado: los perfiles de implantación mediante técnicas de análisis de superficie; el comportamiento frente a la corrosión en medios neutros, ácidos y alcalinos, con el fin de establecer los parámetros termodinámicos y cinéticos de la corrosión para identificar las condiciones de implantación que mejoran la resistencia a la corrosión; y, la dureza y la resistencia al desgaste de las muestras implantadas. La determinación de la tasa de desgaste en las muestras implantadas para cada una de las dosis y energías de implantación empleadas, permitirá definir las condiciones óptimas de tratamiento que promueven mejoras en la resistencia al desgaste en seco y, en medios ácidos, en la resistencia a la tribocorrosión. Tras el estudio realizado se concluye que el Ni-EC co-implantado con iones de Cr+/N+ permite combinar óptimas propiedades de dureza, resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste y a la tribocorrosión. La dureza y la resistencia al desgaste es similar a la de las muestras implantadas con dosis equivalente de N+, pero sin reducir la resistencia a la corrosión como sucede en el Ni-EC implantado con N+. El comportamiento frente a la corrosión de las muestras implantadas con nitrógeno revela la presencia de nitruros de níquel, Ni3N y Ni4N, que dan lugar a un detrimento en la estabilidad química de la superficie del Ni-EC pero que en cambio favorecen el endurecimiento superficial y mejoran la resistencia al desgaste del Ni-EC. La mejora de la resistencia a la corrosión es análoga al Ni-EC implantado con Cr+ bajo las mismas condiciones como resultado de la formación de óxidos de cromo, Cr2O3 y Cr(OH)3, que refuerzan la capa pasiva del Ni-EC, aunque no se observan efectos significativos en la mejora de las propiedades de resistencia al desgaste del Ni-EC.