Este documento presenta los resultados del análisis de una película delgada de TiCN mediante difracción de rayos X (DRX) y espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier (FTIR). El análisis de DRX muestra que la película tiene una estructura cúbica de cara centrada, con un tamaño de grano promedio de 240 nm y esfuerzos residuales tensiles de 5.03 GPa. El análisis de FTIR confirma la presencia de enlaces C-N, C-O y N

1. UNIVERSIDAD DEL VALLE
ESCUELA DE INGENIERÍA DE MATERIALES
TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DE
MATERIALES
ANDRES ESCARRAGA - WILL PIEDRAHITA
BERNARDO SANCHEZ - MELISSA YAQUENO
CARACTERIZACIÓN DE
UNA PELÍCULA DELGADA
DE TiCN MEDIANTE
ANALISIS DRX Y FTIR

2. TiCN
Investigaciones reportan que el
TiCN es una solución sólida de
TiN (FCC) y TiC (FCC). Por lo
tanto, el TiCN tiene mejores
propiedades anti-desgaste y
mayor dureza que el TiN y TiC.
La inclusión de los átomos de C
en la red de TiN, aumenta
sustancialmente la dureza de la
película y reduce el coeficiente
de fricción.
Los tamaños más pequeños de grano del
TiCN producen una lubricación superficial
más suave y ligeramente mayor que el
TiN, y por lo tanto, el coeficiente de
fricción de TiCN es inferior a la de TiN.

3. TiCN
El Carbonitruro de Titanio (TiCN) tiene una alta
estabilidad química y propiedades mecánicas superiores,
como el bajo coeficiente de fricción, alta dureza (HV
2500-3000), alta tenacidad, alto punto de fusión (3.050
°C), alta conductividad eléctrica, y excelente resistencia
al desgaste.
El recubrimiento
TiCN puede reducir
significativamente la
fuerza de corte que
un recubrimiento de
TiN.

4. ANALISIS DE DRX DE TICN

5. Análisis de DRX Ti-C-N (1 1 1) está asociado a un
mecanismo de sustitución, donde
los átomos de C reemplazan
átomos de N, resultando Ti
ordenado y C-N desordenado
obteniendo una estructura FCC
tipo NaCl.
Esta es la orientación
preferencial, plano más
densamente compacto en la
película, favorece el crecimiento
columnar de las capas.
Para 2θ=50,85 y 55,09, picos
correspondiente al enlace C-C,
que está formada por moléculas
no reactivas del gas (CH4) en la
deposición de TiCN.
Carbono libremente enlazado
entre si mismo.Referencia datos teóricos: 00-042-1488

6.  Se observa un considerable ruido
experimental del 6,55% aportado por
el equipo de medición de difracción
de rayos X, donde puede haber un
dismatch es los colimadores.
Ruido experimental

7. Análisis de DRX
No se observa una
formación significante de
TiN debido a un adecuado
flujo de CH4, que
proporciona el C necesario
para formar Ti(C)N.
Si el aporte de C es superior
al requerido se forma TiC
(fase frágil)
Reacción ocurrida en la
deposición
Ti+CH4+N2→TiC+TiN+TiCN

8.  En los picos para los planos
111, 200, 220, 331 y 420 el
ángulo se ha reducido
(corrimiento hacia la
izquierda), es decir que el
parámetro de red aumentó
debido a un esfuerzo de tipo
tensil.
 El pico 400 es el complejo
conjugado o reflejo del 200,
por lo que se observa un
desplazamiento hacia la
derecha, lo que indica que se
han generado esfuerzos de
compresión.
ANÁLISIS DE RESULTADOS

9.  Entre los valores teóricos
de los planos 311 y 222
se observa un pico en
teta= 74.82°, el cual tiene
un corrimiento mayor a
+/-1° respecto a estos
planos, lo que lleva a
pensar que existe otra
fase en lugar en lugar de
una distorsión de la red.
ANÁLISIS DE RESULTADOS

10. Plano h2+k2+l2 2θ(°) d(Å) a(Å) d teórico a teórico ∆a
<111> 3 34,69 2,584 4,475 2,462 4,265 0,210
<200> 1 40,95 2,202 2,202 2,132 2,132 0,070
<220> 8 61,22 1,513 4,279 1,508 4,265 0,014
<400> 16 92,71 1,064 4,258 1,066 4,264 -0,007
<331> 19 102,41 0,988 4,308 0,978 4,265 0,043
<420> 20 107,27 0,957 4,278 0,954 4,265 0,013
Distancia interplanar
estructura tipo NaCl
COMPARACIÓN DATOS
EXPERIMENTALES Y TEÓRICOS
Longitud de ángulo incidente: Cukα (λ=1.5405 Å)
<111> presenta la mayor distorsión de la red

11. • K= Es un factor de forma adimensional, tiene un valor típico de aprox. 0,9, pero varía con la forma real del
cristalito.
• λ=Longitud de onda incidente, equipo de XRD. Cukα (λ=1.5405 Å)
• β= Ancho de la mitad de la intensidad ( FWHM ), después de restar la ampliación de la línea instrumental
• Θ= Es el ángulo de Bragg.
PLANO 2θ(°) FWHM
TAMAÑO
CRISTALITO (Å)
<111> 34,69 0,693 240,342
<200> 40,95 1,039 163,202
<220> 61,22 0,438 421,208
<400> 92,71 0,212 1087,759
<331> 102,41 0,204 1240,292
<420> 107,27 0,279 960,054
Ecuación de Scherrer
DETERMINACIÓN DE TAMAÑO CRISTALITOS

12. Plano Intensidad
α TiCN/hkl
(%planos)
Intensidad
normalizada (Ihkl)
α*(L o d)
<111> 458,97 0,411 1 1,063
<200> 318,01 0,285 0,693 0,628
<220> 172,66 0,155 0,376 0,234
<400> 46,62 0,042 0,102 0,044
<331> 53,97 0,048 0,118 0,048
<420> 65,26 0,059 0,142 0,056
DISTANCIA PROMEDIO ENTRE ÁTOMOS DE Ti
Distancia promedio de átomos de Titanio en TICN es igual
a 2,0732 A

13. Medición de esfuerzos residuales

14. Medición de esfuerzos residuales
• Determinando mediante el método de incidencia
rasante a bajo ángulo.
• Angulo de incidencia a pequeño y constante, reduce
penetración del haz de rayos x a través del
recubrimiento.
• ψ = θ – α (ángulo de medida que forma la normal a
la superficie y la normal al plano difractante (hkl))
• Se supone un estado biaxial de esfuerzos donde
existe una relación entre parámetro de red y tensión:
Constantes elásticas para TiN
Los valores de a en cada plano se grafican en función de f(ψ), de la pendiente se obtiene σ
Método del (sen ψ)2

15. Medición de esfuerzos
residuales

16. En general se evidencia un
esfuerzo residual de carácter
tensil de σ = 5,03 GPa
Medición esfuerzos
residuales
Plano d(Å) a(Å) d0 (Å) a 0(Å) ∆ a(Å) ψ (°) 2S1(TPa-1)
𝟏
𝟐
*S2(TPa-1) f(ψ)
<111> 2,5837 4,4750 2,4623 4,2648 0,2102 12,3450 -1,0600 2,0600 -0,9658
<200> 2,2020 2,2020 2,1324 2,1324 0,0696 15,4750 -0,6800 1,5200 -0,5718
<220> 1,5127 4,2785 1,5078 4,2647 0,0138 25,6100 -0,9600 1,9200 -0,6013
<400> 1,0644 4,2577 1,0661 4,2644 -0,0067 41,3550 -0,6800 1,5200 -0,0164
y = -0,0503x + 0,9938
R² = 0,6613
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
-1,2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0a/a0
f(ψ)

17. ANALISIS DE FTIR DE TICN

18. Espectroscopia de radiación
Infrarroja.
Un espectro IR se obtiene al pasar radiación a través de una muestra y
determinar que fracción de esta radiación incidente ha sido absorbida.
La energía particular a la que aparece cada pico en un espectro guarda
relación con la frecuencia de vibración de una parte de la molécula.

19. Espectroscopia de radiación
Infrarroja.
Región del espectro electromagnético de IR se
encuentra entre 12800 – 10 cm-1.
Clasificación:
(NIR): 12800 – 4000 𝑐𝑚−1.
(MIR): 4000-400 𝑐𝑚−1.
(FIR) 400-1 𝑐𝑚−1.

20. FTIR de TiCN (Análisis Cualitativo)
Espectro infrarrojo en unidades de absorbancia para una pelicula de TiCN.

21. FTIR de TiCN
Los picos de 1380 cm-1 con
una menor intensidad y
1540 cm-1 a mayor
intensidad, según las cartas,
me indican la presencia de
compuestos nitro alifáticos .
Mostrando estiramiento
simétrico y asimétrico
respectivamente.

22. FTIR de TiCN
C-N
C-N
La región
comprendida entre
1020 y 1250 cm-1
indican la presencia de
modos vibraciones de
estiramiento en
enlaces C-N como lo
indica la literatura,
correspondiente a
aminas alifáticas.

23. FTIR de TiCN
En aproximadamente
985 cm-1 se encuentra
el modo vibracional de
estiramiento de un
enlace C-O. acorde con
las cartas. Tiemblen se
puede apreciar enlaces
N-H tipo rotacional a
897 cm-1.

24. FTIR de TiCN
En 612 cm-1 se
encuentra el pico de
máxima intensidad que
indica la molécula con
mayor absorción que
puede indicar la
molécula de C-Ti-N con
una vibración tipo
doblamiento.

25. Referencias
• The residual stress measurement of TiCN PVD films , Takago, Masahide Gotoh,
Toshihiko Sasaki, Yukio Hiro. Industrial Research Institute of Ishikawa , Japon.
• Determinación de tensiones residuales en recubrimientos de TiN sobre sustratos
de Cu. C. Carrasco, V. Vergara S., R. Benavente G, N. Mingolob y J.C.Ríos.
Universidad de Concepción, Concepción, Chile.
• Characterization of TiCN and TiCN/ZrN coatings for cutting tool application, Ping
Chuan Siow, , Jaharah A. Ghani. Ceramics International, Volume 39, Issue 2,
March 2013, Pages 1293–1298.
• Estudio de la hemocompatibilidad de películas de TiCNx producidas por arco
pulsado, Diana Shirley Galeano Osorio.
• http://orgchem.colorado.edu/Spectroscopy/specttutor/irchart.html
• http://es.wikipedia.org/wiki/Anexo:Tabla_de_correlaciones_en_espectrosco
pia_infrarroja
• http://www.upct.es/~minaeees/espectroscopia_infrarroja.pdf