Desempeño frente al desgaste deslizante de recubrimientos base Fe depositados mediante...

DESEMPEÑO FRENTE AL DESGASTE DESLIZANTE DE RECUBRIMIENTOS BASE Fe DEPOSITADOS MEDIANTE TERMORROCIADO

A. A. González1, Y. Y. Santana1, M. H. Staia1

1 Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de los Materiales, Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela, Caracas 1042-A, [email protected]

RESUMEN

En el presente trabajo se estudió el desempeño frente al desgaste deslizante de recubrimientos de una aleación base Fe depositados mediante termorrociado. Los recubrimientos de la aleación Metco 449P se depositaron empleando las técnicas de termorrociado por llama y plasma sobre un substrato de acero SAE 1045. Posteriormente, se trataron térmicamente a 600 °C por 30 min en un horno de atmosfera controlada. Con el fin de determinar la porosidad aparente, espesor de los recubrimientos, morfología y composición química de las fases presentes se llevo a cabo la caracterización de los recubrimientos mediante varias técnicas tales como MO, MEB-EDS y DRX. Asimismo, se obtuvieron los valores de dureza de los recubrimientos con y sin tratamiento térmico. El comportamiento tribológico se obtuvo mediante ensayos de desgaste deslizante en seco bajo una configuración bola sobre disco. Se utilizaron contrapartes estáticas de acero AISI 52100 y WC-6Co, una carga normal de 10 N y velocidad de deslizamiento de 0,11 m/s. Los resultados mostraron que el coeficiente de fricción promedio de los recubrimientos ensayados frente al acero 52100 varió entre 0,5 y 0,55, mientras que para los ensayados frente a WC-6Co presentó fluctuaciones durante el recorrido, haciendo que el mismo se incrementara progresivamente, siempre por debajo de 0,53. El mecanismo de desgaste de los recubrimientos frente al acero 52100 fue de tipo adhesivo, mientras frente al WC-6Co, los mecanismos de desgaste encontrados fueron una mezcla entre abrasión y adhesión. Se determinó que el tratamiento térmico provoca una disminución de la resistencia al desgaste deslizante frente al acero 52100 y WC-6Co, para los dos tipos de recubrimientos depositados.

Palabras claves: Desgaste deslizante, termorrociado, plasma, llama, tratamiento térmico, recubrimientos base Fe.

ABSTRACT

Keywords: Sliding wear, thermal spray, plasma, combustion, thermal treatment, Fe-based coatings.

This paper reports the results from the study of the sliding wear performance of thermal spray Fe base coatings. 449P Metco alloy was deposited by flame and plasma thermal spray techniques on a SAE 1045 steel substrate. The coatings were subsequently heat treated at 600 ° C for 30 min in

SECRETARÍA DE LAS JORNADAS. Coordinación de Investigación .Edif. Física Aplicada. Piso 2. Facultad de Ingeniería.Universidad Central de Venezuela. Ciudad Universitaria de Caracas. 1053Telf.: +58 212-605 1644 / 1645. Telfax: +58 212 - 6628927Correo electrónico: [email protected] http://www.ing.ucv.ve

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a controlled atmosphere furnace. In order to determine the apparent porosity, the coating thickness, its morphology and the chemical composition of the present phases, the characterization of the coatings was carried out employing various techniques such as MO, SEM-EDS and XRD. Also, the hardness values of the coatings with and without heat treatment were obtained. The tribological behavior was determined during sliding wear tests under dry ball-on-disk configuration. Static counterparts such as AISI 52100 steel and WC-6CO, a normal load of 10 N and sliding velocity of 0.11 m / s were used. The results showed that the average coefficient of friction of the coatings tested against 52100 steel varied between 0.5 and 0.55, while for the tests against WC-6CO fluctuations were observed during its duration, arriving progressively towards a value always below 0.53. The wear mechanism of the coatings against 52100 steel counterpart was adhesive, as compared to WC-6CO, for which the wear mechanism was found to be a mixture between abrasion and adhesion. It was determined that the heat treatment caused a decrease in the resistance to the sliding wear against both steel and 6CO WC-52100 for the two types of coatings produced.

INTRODUCCIÓN

Actualmente existen componentes mecánicos que, en servicio, se encuentran sometidos a condiciones de fricción y desgaste, éstos son fenómenos superficiales de gran interés, ya que pueden producir grandes pérdidas y fallas catastróficas. El campo de la ingeniería de superficie ha venido desarrollando modificaciones superficiales que permiten alargar la vida de los componentes bajo estas condiciones. Una de las tantas modificaciones desarrolladas se obtiene mediante procesos que mejoran las propiedades de los componentes mecánicos usando las técnicas de termorrociado, que permiten depositar una capa de material o recubrimiento sobre un sustrato, para así obtener propiedades superficiales superiores a las presentadas por el material base del elemento mecánico. Los termorrociados por llama y plasma son los más comunes por ser procedimientos sencillos y se obtienen propiedades deseables en los recubrimientos. Las principales aleaciones usadas en el termorrociado son aquellas a base de Ni, Co, WC-Co, entre ellas también están las aleaciones base Fe, las cuales han sido menos investigadas que las anteriormente mencionadas. Por lo tanto, para este trabajo se planteó como objetivo estudiar el comportamiento frente al desgaste deslizante en seco de un acero estructural con un recubrimiento termorrociado base Fe. Esto con la finalidad de correlacionar las características microestructurales y las propiedades tribológicas de un recubrimiento base Fe depositado sobre un substrato de acero estructural mediante la técnica de termorrociado, para así mejorar la vida en servicio de componentes que se encuentran en constante movimiento relativo frente a otros componentes y a su vez permite a las empresas ahorrar costos en el mantenimiento de los equipos, ya que el recubrimiento modifica las dimensiones del componente para devolverle su geometría adecuada, luego de sufrir desgaste, sin tener que reemplazarlo por uno nuevo.

METODOLOGÍA

Como sustrato de utilizó acero SAE 1045 (%C 0,43-0,50; %Mn 0,60-0,90; % Pmax 0,040; %Smax 0,050) con una limpieza superficial previa y posterior granallado con partículas de Alúmina. Seguidamente se hizo la proyección del polvo de la aleación base Fe Metco 449P (%C




3; %Al 3; %Mo 3 y %B 0,1); los recubrimientos termorrociados por plasma se obtuvieron con un equipo de marca Metco, tipo 7MC Plasma Flame Spray Control Unit, una pistola Thermal Inc. SG-100 con inyección externa y un alimentador de polvos modelo Mark XV, usando los siguientes parámetros: 800 A, 36 V, una distancia de rociado de 17-18 cm y tasa de deposición de 48-52 g/min. Los recubrimientos termorrociados por llama se obtuvieron con un equipo de marca Mecto 5P configurado con una boquilla P7-G, con una tasa de deposición de 20 g por cada medio minuto y una distancia de rociado de 23 cm aproximadamente, usando como gases de proyección: oxígeno y acetileno con una relación de flujo 1/1 y presión 2/1, respectivamente. Posteriormente se realizó un tratamiento térmico, a las probetas recubiertas por termorrociado por plasma y llama, en atmosfera controlada con argón a 600 °C por 30 min, el enfriamiento fue dentro del horno. Para su caracterización, se realizaron cortes en la sección transversal y se prepararon metalográficamente tanto la superficie del recubrimiento, como la sección recubrimiento-sustrato. El estudio se realizó por Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) y análisis químico por dispersión en la energía de rayos X (EDS), Microscopía Óptica (MO). Se determinó la porosidad aparente de los recubrimientos mediante análisis de imágenes obtenidas por MO a 200x. Las fases y compuestos presentes en los recubrimientos se determinaron por Difracción de Rayos X (DRX) con un difractómetro marca Bruker modelo D8 ADVANCE, acoplado con un cátodo de cobre con una longitud de onda (λ) de 1,5406 μm, el ángulo de barrido, 2θ, fue desde 20° hasta 88°, con un intervalo de 0,1°. El perfil de dureza de los recubrimientos termorrociados por plasma y llama con y sin tratamiento térmico se realizó en la sección transversal con un equipo marca BUEHLER, donde se trabajó con un indentador Vickers de punta de diamante, la carga usada fue de 300 gf por 12 segundos. El estudio tribológico de los recubrimientos fue realizado mediante ensayos de desgaste deslizante en seco, según la norma ASTM G99-05, los ensayos se llevaron a cabo en un Tribómetro marca CSM, bajo la configuración de bola sobre disco, este tipo de ensayo es empleado para evaluar coeficientes de fricción y desgaste; los ensayos se realizaron en condiciones ambientales constantes, a una temperatura de 23 ± 1°C y una humedad relativa de 70 ± 2 %. Se aplicó una carga normal de 10 N, la velocidad de deslizamiento fue de 0,11 m/s, la distancia de deslizamiento fue de 1000 m, que es equivalente a 31831 vueltas para un radio de huella de desgaste de 5 mm, las contrapartes estáticas fueron bolas de acero 52100 y WC-6Co, de 6 mm de diámetro. Cada condición se ensayó por duplicado para garantizar su reproducibilidad. Las huellas de desgaste sobre los recubrimientos y las contrapartes estáticas se estudiaron por MEB-EDS.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Análisis por Difracción de Rayos X (DRX)Por medio de la técnica de DRX se obtuvieron los elementos y compuestos que conforman los recubrimientos termorrociados por llama y plasma sin y con tratamiento térmico. Entre ellos se encontró como elemento principal presente en todas las condiciones el Hierro (Fe), debido a que el mismo es el elemento mayoritario presente en la composición de la aleación; también carburos de Molibdeno como MoC y Mo2BC, los carburos de molibdeno pueden formarse a temperaturas entre 1200 y 1400 °C (1), se encuentran presentes debido a que los dos tipos de termorrociados alcanzan temperaturas superiores a las necesarias para su formación; otros compuestos presentes




en los recubrimientos son: Fe3C, FeO y FeFe2O4, los dos últimos se deben a la interacción del Fe con oxígeno durante el termorrociado, en los termorrociados por llama hay mayor presencia de óxidos debido a que el gas de transporte del polvo de la aleación es oxígeno [2], permitiendo así mayor formación de estos óxidos. Asimismo, se encontraron compuestos en menor proporción como: AlFe, B6Fe23, Al5Mo y Mo2BC. La presencia de algunos compuestos aumenta al realizar el tratamiento térmico, su aumento puede deberse a que la temperatura promovió la nucleación de nuevas partículas del compuesto y/o al crecimiento de los carburos del metal formados a partir de los procesos de termorrociado.

Caracterización Morfológica

Los recubrimientos presentan una morfología compuesta por lamelas, partículas semifundidas y no fundidas junto con porosidad (fig. 1). Las lamelas, en el caso de los recubrimientos termorrociados por llama, son más gruesas ya que la velocidad con que son proyectadas las partículas durante este proceso es menor que para el termorrociado por plasma, impactando así con menor energía, aunado a esto la interacción de las partículas con el gas de transporte provoca mayor cantidad de óxidos y porosidad; asimismo hay menor cantidad de partículas semifundidas y no fundidas en aquellos termorrociados por plasma debido a que con esta técnica se alcanzan temperaturas mucho más altas, provocando así que la mayoría de las partículas se fundan [2][3].

(a) (b)

(c) (d)SECRETARÍA DE LAS JORNADAS. Coordinación de Investigación .Edif. Física Aplicada. Piso 2. Facultad de Ingeniería.Universidad Central de Venezuela. Ciudad Universitaria de Caracas. 1053Telf.: +58 212-605 1644 / 1645. Telfax: +58 212 - 6628927Correo electrónico: [email protected] http://www.ing.ucv.ve

Porosidad Partícula semifundida



Fig. 1: Fotomicrografías por MO de la sección transversal de los recubrimientos termorrociados por llama sin y con tratamiento térmico, (a) y (b) respectivamente; y de los recubrimientos

termorrociados por plasma sin y con tratamiento térmico, (c) y (d) respectivamente, a 400X.

La porosidad aparente de los termorrociados por llama sin tratamiento térmico fue 18,7% y con tratamiento térmico de 19,7%, con desviaciones estándar de 2% y 3%, respectivamente; para el caso de los termorrociados por plasma fue 4,3% y 4,5%, y desviaciones estándar de 1,7% y 1,2%, sin y con tratamiento térmico, respectivamente; tomando en cuenta la desviación estándar de los valores se puede decir que no hay diferencia entre cada condición de termorrociado, lo que implica que el tratamiento térmico no tuvo ningún efecto en la densificación de la microestructura de los recubrimientos.

Caracterización MicroestructuralEn la figura 2 se muestran las fotomicrografías por MEB en electrones retrodispersados de los recubrimientos termorrociados por llama y plasma sin y con tratamiento térmico con su respectivo EDS. La fase blanca brillante es rica en Fe y Mo, lo que podría ser un compuesto de la combinación de los elementos (solución solida de Fe con MoC); la fase gris oscuro es rica en Fe y O, lo que implica que la forman óxidos de Fe como FeO y FeFe2O4; y por último, la fase gris claro es rica en Fe, Al, O y Mo, siendo formada por los compuestos: AlFe, FeO, MoC. También todas las fases pueden contener cantidades de carburo de Fe y de otros elementos, ya que por la técnica utilizada el C no se puede cuantificar.

(a) (b) (c) (d)

Fig. 2: Fotomicrografías por MEB de la superficie de los recubrimientos termorrociados por llama sin y con tratamiento térmico, (a) y (b) 500X, respectivamente; y de los recubrimientos


1

2

3

1

2

3



termorrociados por plasma sin y con tratamiento térmico, (c) y (d) respectivamente, a 800X, en el modo de electrones retrodispersados con su respectivo EDS.

Propiedades MecánicasDe los ensayos de dureza Vickers a una carga de 300 gf se obtuvo que el recubrimiento termorrociado por llama tuvo una dureza de 2,77 GPa sin tratamiento térmico y con tratamiento térmico de 3,66 GPa, respecto al recubrimiento termorrociado por plasma sin tratamiento térmico de aproximadamente 3,23 GPa, y con el tratamiento asciende a 4,40 GPa, lo que implica que el tratamiento térmico permitió un aumento considerable de la dureza, esto puede deberse a la formación de compuestos endurecedores como carburos o boruros con el tratamiento térmico, como se observó en el análisis por DRX.

Propiedades Tribológicas a) Recubrimientos termorrociados por llama y plasma sin y con tratamiento térmico

frente a una contraparte de acero 52100.A partir de los ensayos de desgaste deslizante en seco sobre acero se obtuvo que todos los recubrimientos tuvieron un coeficiente de fricción promedio entre 0,50 y 0,55, teniendo la curva de coeficiente de fricción vs. Ciclos, en todos los casos, un comportamiento similar entre sí, como se muestra en la figura 3 (a), por ejemplo, para el caso del recubrimiento termorrociado por plasma sin tratamiento térmico (RTPSTT), la curva presenta un estado estacionario luego del limado de asperezas durante los primeros ciclos, esto se debe a la formación de partículas de desgaste que produjeron una capa suave que estabiliza el coeficiente de fricción. Asimismo, la huella de desgaste sobre los recubrimientos también tuvo características similares para todos los casos (fig. 3(b)), la misma tenía una capa de material adherido sobre el recubrimiento, evidencia de la transferencia de material entre las superficies en contacto, por microanálisis químico por EDS se encontró que esta capa tiene Cr, Si y O, los cuales son elementos que componen al acero 52100 y que junto con el oxígeno pueden formar óxidos, estos actúan como un lubricante sólido que disminuyen el coeficiente de fricción [4], este material también puede ser parte de partículas del recubrimiento desprendidas. El mecanismo de desgaste asociado a este comportamiento es de tipo adhesivo con transferencia de material entre el recubrimiento y la contraparte.




(a) (b)

Fig. 3: Características tribológicas luego del ensayo de desgaste deslizante sobre acero 52100 del recubrimiento termorrociado por plasma sin tratamiento térmico. (a) Curva de coeficiente de

fricción vs. Ciclos. (b) Morfología de la huella de desgaste con sus respectivos EDS.

b) Recubrimientos termorrociados por llama y plasma sin y con tratamiento térmico frente a una contraparte de WC-6Co

La curva de Coeficiente de fricción vs. Ciclos (Fig. 4) para este par tribológico presentó para todos los casos que el coeficiente de fricción incrementa progresiva y constantemente luego de la etapa del limado de las asperezas, este comportamiento está asociado a un proceso donde se produce desgaste de las superficies en movimiento relativo. Las fluctuaciones en las curvas se deben a la generación de partículas de desgaste duras que entran en rodadura, un comportamiento así puede ser asociado a una superficie dura que se desliza sobre otra más blanda formando una serie de surcos y desprendiendo material en forma de partículas sueltas. La curva del recubrimiento termorrociado por plasma con tratamiento térmico (RTPCTT) es la que presenta fluctuaciones más bruscas entre todos aquellos ensayados frente a WC-6Co (fig. 4 (a)), alcanzando valores del coeficiente de fricción alrededor de 0,65 en una de sus fluctuaciones. Al final del recorrido a los 31831 ciclos el coeficiente de fricción de los recubrimientos se encuentra alrededor de 0,50 y 0,53. Aquellos con tratamiento térmico tienen un coeficiente de fricción ligeramente menor que los asociados a ellos sin tratamiento térmico. De igual forma, el caso más severo de desgaste fue encontrado en el RTPCTT (fig. 4 (b)), corroborando lo que se muestra en la curva de la figura 4 (a), se encontraron surcos sobre el recubrimiento donde se encuentra la huella de desgaste y a su vez sobre éste una capa delgada de material adherido, algunos elementos que componen la capa son: Fe, W y O, lo que indica que la misma está formada por óxido de Fe y W, es decir, partículas de desgaste provenientes del par tribológico; también hay presencia de grietas en algunas zonas de la capa, lo que implica que la misma se fracturó durante el desplazamiento de la contraparte, asimismo, sobre la capa hay líneas paralelas muy pequeñas,


50 μm



las cuales son perpendiculares a la dirección de deslizamiento, lo que sugiere que ocurrió deformación plástica de corte durante el proceso de desgaste. El material de la capa sufrió deformación plástica y las microgrietas se generaron a lo largo de la línea de deslizamiento y luego se extendieron a la superficie inferior, lo que se traduce en la descamación de la capa [4]. Por lo tanto, los mecanismos de desgaste presentes en los recubrimientos frente a una contraparte estática de WC-6Co son: abrasión y adhesión con transferencia de material entre el recubrimiento y la contraparte.

(a) (b)Fig. 4: Características tribológicas luego del ensayo de desgaste deslizante sobre WC-6Co del recubrimiento termorrociado por plasma con tratamiento térmico. (a) Curva de coeficiente de

fricción vs. Ciclos. (b) Morfología de la huella de desgaste con sus respectivos EDS.

Los recubrimientos termorrociados por plasma presentaron desgaste más severo respecto a aquellos que fueron termorrociados por llama; a su vez tienen mejor comportamiento frente al desgaste aquellos recubrimientos sin tratamiento térmico, esto puede deberse a que se formaron algunos compuestos que aparentemente disminuyen la resistencia al desgaste.

CONCLUSIONES

El tratamiento térmico sobre los recubrimientos termorrociados produjo la formación de compuestos como: AlFe, B6Fe23, Al5Mo y Mo2BC. Así como también aumentó la cantidad de carburos de Fe y Mo, y de fases de AlFe y Al5Mo.La porosidad aparente de los recubrimientos termorrociados por llama sin y con tratamiento térmico fue 18,7% y 19,7%, respectivamente; para los recubrimientos termorrociados por plasma sin y con tratamiento térmico fue 4,3% y 4,5%, respectivamente, tomando en cuenta la desviación, estos valores indican que el tratamiento térmico no tuvo ningún efecto en la densificación de la estructura de los recubrimientos.


10 μm

Dirección de deslizamiento

Grietas

Líneas paralelas



La dureza del recubrimiento de la aleación base Fe aumentó luego del tratamiento térmico. Para los termorrociados por llama aumentó de 2,77 GPa a 3,66 GPa; mientras que para los termorrociados por plasma aumentó de 3,23 GPa a 4,40 GPa. Esto podría ser debido a la formación de carburos y boruros por el tratamiento térmico.El coeficiente de fricción promedio de los recubrimientos termorrociados frente a una contraparte estática de acero 52100 varió entre 0,50 y 0,55. Para los recubrimientos ensayados frente a WC-6Co el coeficiente de fricción presentó fluctuaciones a medida de transcurrían los ciclos, el mismo al final de los ensayos se mantuvo por debajo de 0,53. El mecanismo de desgaste de los recubrimientos frente a una contraparte estática de acero 52100 fue de tipo adhesivo con transferencia de material de la contraparte estática hacia el recubrimiento.La morfología de las huellas de los recubrimientos ensayados frente a WC-6Co, mostró un comportamiento asociado a un mecanismo de desgaste de tipo abrasivo y adhesivo con transferencia de material entre el recubrimiento y la contraparte.El tratamiento térmico provocó una disminución de la resistencia al desgaste deslizante frente al acero 52100 y WC-6Co en los recubrimientos termorrociados por llama y plasma.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el financiamiento recibido a través del Proyecto CDC-UCV AIB-08-8539-2012

REFERENCIAS

[1] Améstica, L., Quijada, R. y Villaseca, D. (2010) “Molibdeno: Propiedades, aplicaciones y mercado”. Chile. p: 8.

[2] Struers. “Metallographic preparation of thermal spray coatings” (Artículo en línea). Disponible en:http://www.struers.com/resources/elements/12/101816/Application%20Notes%20spray%20coatings%20English.pdf

[3] Pawlowski, L.(2008) “The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings” 2da edición, editorial John Wiley & Sons Ltd. USA. pp.: 69-79, 149-150, 291-341.

[4] Cai, B; Tan, Y.; Tu, Y.; Wang, X. y Tan, H. (2011) “Tribological properties of Ni-base alloy composite coating modified by both graphite and TiC particles”. Vol. 21. pp.; 2426-2432.




http://www.struers.com/resources/elements/12/101816/Application%20Notes%20spray%20coatings%20English.pdf

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