desempeño frente al desgaste deslizante de recubrimientos base fe depositados mediante...

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

“DESEMPEÑO FRENTE AL DESGASTE DESLIZANTE DE

RECUBRIMIENTOS BASE Fe DEPOSITADOS MEDIANTE

TERMORROCIADO”

Presentado Ante la Ilustre Universidad Central de Venezuela

Para optar al Título de Ingeniera Metalúrgica

Por la Bra. Airam Adlé González Rondón

Caracas, Febrero 2014

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

“DESEMPEÑO FRENTE AL DESGASTE DESLIZANTE DE


TERMORROCIADO”

Tutora: Dra. Yucelys Santana

Presentado Ante la Ilustre Universidad Central de Venezuela

Para optar al Título de Ingeniera Metalúrgica

Por la Bra. Airam Adlé González Rondón

Caracas, Febrero 2014

iii

A mis Padres y mentores

A mi familia y amigos más cercanos

iv

Agradecimientos

Agradezco a mi Dios, Señor y Salvador por guiarme, guardarme y cumplir sus

promesas cada día en mi vida, a través de su cálido amor he llegado hasta aquí.

A mis padres, Carlos y Thais, quien son los seres maravillosos que usó Dios para

amarme, guiarme y enseñarme cada día cuan valioso es esforzarse y ser valiente.

A Nailuj, Johnny y Samuel por regalarme momentos de alegría cuando el estrés

abrumaba mis días.

A mi prof. y tutora Yucelys Santana, quien con sus conocimientos guió la realización

de este Trabajo Especial de Grado.

A la Universidad Central de Venezuela y la Escuela de Ingeniería Metalúrgica y

Ciencia de los Materiales por ser mi hogar durante mi formación como profesional, por

verme venciendo las sombras.

A los prof(s). La Barbera, Ochoa y Carrasquero por compartir sus conocimientos en

los momentos precisos.

A los prof(s). Gustavo Castro, Santiago Marrero y Williams Meléndez por ayudarme

a obtener los resultados para la tesis.

A la IBH y la PIBG por ser mi respaldo en oración siempre y estar pendientes de mi.

A mis tías Astrid y Yelitza Rondón, quienes estuvieron conmigo en los momentos

más importantes de la realización de este trabajo.

A la Sra. Alba y Sara, quienes me acobijaron en su hogar y me hicieron sentir como

una más de su familia.

A mis grandes amigos: Pablo, por brindarme su apoyo durante toda mi vida, Luis por

acompañarme y hacerme reír en los momentos de mayor tensión durante la tesis,

Gabriela, Iván y Angela por permanecer conmigo desde el inicio de esta gran aventura.

Y a todos mis demás amigos, quienes han influido en mi vida siempre.

A mis profesores, quienes con sus conocimientos han formado los mios durante la

carrera y me permitirán iniciar mi vida como profesional.

A todos mis más sinceros agradecimientos

Aquí hay que agregar los siguientes agradecimientosAl Consejo de Desarrollo Científico y Humanístico de la UCV por su apoyo financiero a través de la Ayuda Institucional No. AIB-08-8539-2012.Al Centro de Ciencia e Ingeniería de Nuevos Materiales y Corrosión (CENMACOR) por facilitar el uso de los equipos de ensayos de desgaste, preparación metalográfica y Microscopía óptica.Al Centro de Investigaciones Tecnológicas del Aluminio y sus Aleaciones (CITALA) por el apoyo suministrado en el uso de los equipos de preparación metalográfica.

v

González R. Airam A.

DESEMPEÑO FRENTE AL DESGASTE DESLIZANTE DE


TERMORROCIADO

Tutora: Dra. Yucelys Y. Santana. Trabajo Especial de Grado.

Caracas, UCV. Facultad de Ingeniería.

Escuela de Ingeniería Metalúrgica y

Ciencia de los Materiales. Año 2014, 140 Páginas.

Palabras claves: Desgaste deslizante, termorrociado, plasma, llama, tratamiento

térmico, recubrimientos base Fe.

El presente trabajo pretende estudiar el desempeño frente al desgaste deslizante de recubrimientos de una aleación base Fe depositados mediante termorrociado. Sobre probetas de acero SAE 1045 se realizó el termorrociado por llama y plasma de la aleación Metco 449P y luego se trataron térmicamente a 600 °C por 30 min en un horno de atmosfera controlada, la caracterización se hizo por Difracción de rayos X (DRX), Microscopía Óptica (MO), Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) y Microanálisis químico por dispersión en la energía de rayos X (EDS), se midió su dureza mediante microindentación Vickers con una carga de 300 gf por 12 s, las propiedades ante el desgaste deslizante en seco se evaluaron en una configuración bola sobre disco bajo una carga de 10 N, a una velocidad de deslizamiento de 0,11 m/s y 31831 ciclos, los recubrimientos se ensayaron frente a contrapartes estáticas de acero 52100 y WC-6Co de 6 mm de diámetro, su caracterización se realizó por MEB-EDS y pérdida de masa. El tratamiento térmico permitió la formación de carburos, boruros y compuestos intermetálicos de los elementos que componen la aleación, la dureza de los recubrimientos aumentó con el tratamiento térmico; pero no tuvo ningún efecto sobre la porosidad de los mismos, ya que se mantuvo en ~19,2% para los termorrociados por llama y ~4,4% para los termorrociados por plasma. El coeficiente de fricción promedio de los recubrimientos ensayados frente al acero 52100 estuvo 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, frente a WC-6Co los mecanismos de desgaste fueron: abrasión, adhesión y delaminación fatiga. 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.

vi

ÍNDICE

Dedicatoria iii

Agradecimiento iv

Resumen v

ÍNDICE DE TABLAS x

ÍNDICE DE FIGURAS xii

INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO I

MARCO TEÓRICO 3

1.1 Polvo de aleación Metco 449P 3

1.2 Proyección térmica 3

1.2.1 Termorrociado por Plasma 7

1.2.2 Termorrociado por Llama o combustión 8

1.3 Características de los recubrimientos termorrociados 10

1.3.1 Microestructura 10

1.3.1.1 Splat 11

1.3.1.2 Porosidad 12

1.3.1.3 Inclusiones de óxidos 13

1.3.2 Superficie o rugosidad superficial 14

1.4 Tratamiento térmico en los recubrimientos termorrociados 16

1.5 Caracterización de los recubrimientos termorrociados 17

1.5.1 Métodos de caracterización microestructural 17

1.5.1.1 Espectroscopía por dispersión en la energía de rayos X (EDS) 17

1.5.1.2 Difracción de Rayos X 18

1.5.1.3 Análisis microestructural 18

1.5.1.3.1 Microscopía Óptica 18

1.5.1.3.2 Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) 19

1.5.2 Microdureza 20

1.5.3 Propiedades tribológicas 22

Debes escribir CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO. .. Etc.

vii

1.5.3.1 Tribología 23

1.5.3.1.1 Fricción 23

1.5.3.1.2 Desgaste 24

1.5.3.1.2.1 Tribosistema 24

1.5.3.1.2.2 Mecanismos de desgaste 25

1.6 Dispositivo de ensayo de desgaste por deslizamiento 28

1.6.1 Parámetros del ensayo 29

1.6.2 Descripción de las bolas utilizadas en los ensayos 30

1.6.2.1 Bolas de acero 52100 endurecido 30

1.6.2.2 Bolas de carburo de tungsteno WC-6Co 31

CAPÍTULO II

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 40

2.1 Descripción del Procedimiento Experimental 42

2.1.1 Preparación del sustrato 42

2.1.2 Proyección térmica por Plasma 43

2.1.3 Proyección térmica por Llama 43

2.1.4 Tratamiento térmico 44

2.1.5 Preparación metalográfica 45

2.1.5.1 Corte y embutido 45

2.1.5.2 Desbaste y pulido 46

2.1.6 Observación por Microscopía Óptica (MO), Microscopía Electrónica de

Barrido (MEB) y Espectroscopía por dispersión en la energía de

rayos X (EDS) 47

2.1.6.1 Microscopia Óptica (MO) 47

2.1.6.1.1 Medición de la porosidad 47

2.1.6.1.2 Medición del espesor del recubrimiento 47

2.1.6.2 Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) y Espectroscopía por

dispersión en la energía de rayos X (EDS) 48

2.1.7 Difracción de Rayos X 49

2.1.8 Ensayos de desgaste deslizante 49

2.1.9 Medición del volumen y tasa de desgaste de los recubrimientos 50

viii

2.1.10 Ensayos de microdureza Vickers 51

CAPÍTULO III

RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 53

3.1 Caracterización microestructural 53

3.1.1 Análisis por Difracción de Rayos X (DRX) 53

3.1.2 Análisis por Microscopía Óptica (MO) 57

3.1.2.1 Recubrimientos termorrociados por llama 57

3.1.2.1.1 Morfología 57

3.1.2.1.2 Espesor promedio 58

3.1.2.1.3 Porosidad promedio 59

3.1.2.2 Recubrimientos termorrociados por plasma 60

3.1.2.2.1 Morfología 60

3.1.2.2.2 Espesor promedio 62

3.1.2.2.3 Porosidad promedio 64

3.1.3 Análisis por Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) 65

3.1.3.1 Superficie 65

3.1.3.2 Sección transversal 71

3.2 Propiedades mecánicas 79

3.2.1 Dureza Vickers 79

3.3 Caracterización tribológica 89

3.3.1 Ensayos de desgaste deslizante en seco de los recubrimientos

termorrociados por llama y plasma sin y con tratamiento térmico frente a

una contraparte de acero 52100 89


termorrociados por llama y plasma sin y con tratamiento térmico frente a

una contraparte de WC-6Co 107

3.3.3 Comparación del comportamiento tribológico de los recubrimientos

termorrociados por llama y plasma sin y con tratamiento térmico

ensayados frente a las contrapartes estáticas de acero 52100 y

WC-6Co 131

CAPÍTULO IV

ix

CONCLUSIONES 133

CAPÍTULO V

RECOMENDACIONES 135

CAPÍTULO VI

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 136

x

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.1 Composición química elemental de la aleación base Fe Metco 449p. 3

Tabla 1.2 Propiedades de los recubrimientos obtenidos por proyección térmica en

función al tipo de técnica y material de recubrimientos usado. 6

Tabla 1.3: Clasificación de los tipos de desgaste 26

Tabla 1.4: Características de las bolas de acero 52100 endurecidas 30

Tabla 1.5: Características de las bolas de WC-6Co 31

Tabla 2.1: Composición química elemental del acero estructural SAE 1045 42

Tabla 2.2: Parámetros del termorrociado por Plasma durante la deposición del

recubrimiento 43

Tabla 2.3: Parámetros de los gases durante la proyección térmica por Llama 44

Tabla 2.4: Proceso de embutición para una resina termoendurecible 46

Tabla 2.5: Condiciones de las muestras a ensayar y sus contrapartes

correspondientes 50

Tabla 3.1: Compuestos presentes en los recubrimientos 56

Tabla 3.2: Espesor promedio de RTLSTT 59

Tabla 3.3: Espesor promedio de RTLCTT 59

Tabla 3.4: Porcentaje de porosidad promedio de RTLSTT y RTLCTT 60

Tabla 3.5: Espesor promedio del recubrimiento, la capa de adherencia y del conjunto

para RTPSTT 63

Tabla 3.6: Espesor promedio del recubrimiento, la capa de adherencia y del conjunto

para RTPCTT 64

Tabla 3.7: Porcentaje de porosidad promedio de RTPSTT y RTPCTT 65

Tabla 3.8: Composición química de elementos por EDS de las fases presentes en el

RTLSTT 68


RTLCTT 68


RTPSTT 70

xi


RTPCTT 71

Tabla 3.12: Composición química de elementos por EDS de las fases presentes en la

capa de adherencia del RTLSTT 72


capa de adherencia del RTLCTT 73

Tabla 3.14: Composición química de elementos por EDS de las fases presentes en

recubrimiento del RTLSTT 75


recubrimiento del RTLCTT 75


capa de adherencia del RTPSTT 76


capa de adherencia del RTPCTT 77


recubrimiento del RTPSTT 78


recubrimiento del RTPCTT 79

Tabla 3.20: Coeficientes de fricción de los recubrimientos 91

Tabla 3.21: Masa perdida de los recubrimientos termorrociados por llama sin y con

tratamiento térmico luego de los ensayos de desgaste deslizante en seco 104

Tabla 3.22: Masa perdida de los recubrimientos termorrociados por plasma sin y con


Tabla 3.23: Coeficientes de fricción del RTLSTT 109

Tabla 3.24: Coeficientes de fricción del RTLCTT 110

Tabla 3.25: Coeficientes de fricción del RTPSTT 110

Tabla 3.26: Coeficientes de fricción del RTPCTT 110

Tabla 3.27: Masa perdida de los recubrimientos termorrociados por llama sin y con


Tabla 3.28: Masa perdida de los recubrimientos termorrociados por plasma sin y con


xii

ÍNDICE DE FIGURAS

Fig. 1.1 Principios de la formación del recubrimiento mediante proyección

térmica 5

Fig. 1.2 Clasificación de las técnicas de proyección térmica de acuerdo a la energía

térmica necesaria para la fusión del material de aporte 5

Fig. 1.3 Esquema del proceso de termorrociado por plasma 8

Fig. 1.4 Equipo de termorrociado por combustión de material en forma de polvo 9

Fig. 1.5 Esquema de la formación de un recubrimiento; sustrato, óxidos, poros y

partículas no fundidas 11

Fig. 1.6 Estructura laminar de un splat, típica de proyección térmica 11

Fig. 1.7: Defectos típicos en los recubrimientos termorrociados 13

Fig. 1.8: Aleación a base de Níquel termorrociada por plasma 14

Fig. 1.9: Indentaciones Vickers hechas a un acero inoxidable AISI/SAE 430 usando (de

izquierda a derecha) 500, 300, 100, 50 y 10 gr a 250X 22

Fig. 1.10: Representación esquemática de los elementos de un tribosistema 25

Fig. 1.11: Ruptura de las juntas dentro a) La cara interfacial, b) Material más blando A,

c) En el material más blando predominantemente A pero también en B, d) Ambos

materiales A y B en igual proporción 26

Fig. 1.12: Desgaste por abrasión 27

Fig. 1.13: Micromecanismos de desgaste por abrasión 27

Fig. 1.14: Formación de grietas y su propagación en fatiga superficial 28

Fig. 1.15: Desgaste por reacción triboquímica 28

Fig. 1.16: Esquema de un equipo con una configuración bola sobre disco 29

Fig. 1.17: Recubrimiento sin tratamiento térmico en su sección transversal, se observan

partículas semiesféricas (señaladas en amarillo) y una estructura

en forma de lamelas 32

Fig. 1.18: Morfología del recubrimiento sin tratamiento térmico en su sección

transversal a 400X 33

xiii

Fig. 1.19: Partículas de desgaste producto del ensayo de bola sobre disco del

recubrimiento termorrociado por HVOF Colferoloy-103. Se evidencian partículas

grandes con partículas muy pequeñas 34

Fig. 1.20: Huella de desgaste del recubrimiento compuesto por la mezcla de

Ni/grafito/TiC, zona A: capa de material adherido, zona B: superficie

del recubrimiento 36

Fig. 1.21: Curvas de propiedades tribológicas de las tres muestras bajo condición de

deslizamiento seco, derecha: coeficiente de fricción, izquierda:

profundidad desgastada 37

Fig. 1.22: Superficies de desgaste de acero 1045, capa de FeS y capa de 3Cr13/FeS

condiciones de deslizamiento en seco, de izquierda a derecha respectivamente 37

Fig. 2.1: Esquema del procedimiento experimental 41

Fig. 2.2: Etapas del tratamiento térmico en atmosfera controlada con argón 45

Fig. 2.3: Equipo para desgaste deslizante en seco 49

Fig. 2.4: Esquema donde se observa la disposición de las microindentaciones en la

sección transversal de las muestras 52

Fig. 3.1: Difractograma del RTLSTT 54

Fig. 3.2: Difractograma del RTLCTT 55

Fig. 3.3: Difractograma del RTPSTT 55

Fig. 3.4: Difractograma del RTPCTT 56

Fig. 3.5: Fotomicrografías por MO de la sección transversal del (a) RTLSTT y (b)

RTLCTT, a 200X 57

Fig. 3.6: Fotomicrografías por MO de la sección transversal del (a) RTLSTT y (b)

RTLCTT, a 400X 58

Fig. 3.7: Fotomicrografías por MO de la sección transversal del (a) RTLPSTT y (b)

RTPCTT, a 100X 61


RTPCTT, a 200X 62


RTPCTT, a 400X 62

xiv

Fig. 3.10: Fotomicrografía por MEB de la superficie de (a) RTLSTT y (b) RTLCTT, en

el modo de electrones secundarios a 100X 66




el modo de electrones retrodispersados a 800 y 500X, respectivamente, con su

respectivo EDS 67

Fig. 3.13: Fotomicrografía por MEB de la superficie de (a) RTPSTT y (b) RTPCTT, en


Fig. 3.14: Fotomicrografías por MEB de la superficie de (a) RTPSTT y (b) RTPCTT, en


Fig. 3.15: Fotomicrografías por MEB de la superficie de (a) RTPSTT y (b) RTPCTT, en

el modo de electrones retrodispersados a 800X, con sus respectivos EDS 70

Fig. 3.16: Fotomicrografías por MEB en modo de electrones retrodispersados de la

sección transversal de los termorrociados por llama, (a) RTLSTT a 200X y (b) RTLCTT

a 100X 71

Fig. 3.17: Fotomicrografías por MEB de la capa de adherencia de (a) RTLSTTy (b)

RTLCTT, en el modo de electrones retrodispersados a 300X, con sus

respectivos EDS 72

Fig. 3.18: Fotomicrografías por MEB del recubrimiento (a) RTLSTT y (b) RTLCTT, en


Fig. 3.19: Fotomicrografías por MEB del recubrimiento (a) RTLSTT y (b) RTLCTT, en


Fig. 3.20: Fotomicrografías por MEB de la capa de adherencia de (a) RTPSTT y (b)

RTPCTT, en el modo de electrones retrodispersados a 300X, con sus

respectivos EDS 76

Fig. 3.21: Fotomicrografías por MEB del recubrimiento de (a) RTPSTT y (b) RTPCTT,

en el modo de electrones retrodispersados a 1000X, con sus respectivos EDS 78

Fig. 3.22: Perfil de microdureza Vickers del RTLSTT 80

Fig. 3.23: Perfil de microdureza Vickers del RTLCTT 80

xv

Fig. 3.24: Fotomicrografias del sustrato de acero SAE 1045 a aproximadamente 150 μm

de la capa de adherencia, reactivo de ataque: Nital al 3%. (a) y (b) RTLSTT y RTLCTT

a 400X, respetivamente. (c) y (d) RTPSTT y RTPCTT a 1000X, respectivamente 81

Fig. 3.25: Perfil lineal de composición química de elementos de los RTLSTT (izquierda)

y RTLCTT (derecha). Azul celeste: Fe, Azul rey: Ni, Verde: Al y Morado 83

Fig. 3.26: Perfil de microdureza Vickers del RTPSTT 85

Fig. 3.27: Perfil de microdureza Vickers del RTLCTT 85

Fig. 3.28: Fotomicrografias del sustrato de acero SAE 1045 a aproximadamente 150 μm

de la capa de adherencia, reactivo de ataque: Nital al 3%. (a) y (b) RTLPSTT y RTPCTT

a 400X, respetivamente. (c) y (d) RTPSTT y RTPCTT a 1000X, respectivamente 86

Fig. 3.29: Perfil lineal de composición química de elementos de los RTPSTT (izquierda)

y RTPCTT (derecha). Azul celeste: Fe, Azul rey: Ni, Verde: Al y Morado: Mo 88

Fig. 3.30: Variación del coeficiente de fricción respecto a los ciclos del RTLSTT frente

a una contraparte estática de acero 52100 durante 31831 ciclos 90

Fig. 3.31: Variación del coeficiente de fricción respecto a los ciclos del RTLCTT frente


Fig. 3.32: Variación del coeficiente de fricción respecto a los ciclos del RTPSTT frente a

una contraparte estática de acero 52100 durante 318311 ciclos 91

Fig. 3.33: Variación del coeficiente de fricción respecto a los ciclos del RTPCTT frente


Fig. 3.34: Superficie del RTLSTT luego del ensayo de desgaste deslizante por 31831

ciclos frente a una contraparte estática de acero 52100. (a) Vista general de la huella a

100X. (b) Borde de la huella a 500X. (c) y (d) EDS en zonas de la huella. (e) Centro de

la huella a 500X. (f) Detalle de la huella a 2000X 93

Fig. 3.35: Superficie del RTLCTT luego del ensayo de desgaste deslizante por 31831



la huella a 500X. (f) Detalle de la huella a 2000X 94

Fig. 3.36: Superficie del RTPSTT luego del ensayo de desgaste deslizante por 31831


xvi

100X. (b) Borde de la huella a 500X. (c) y (d) EDS en zonas de la huella. (e) Detalle de

la huella a 2000X 95

Fig. 3.37: Superficie del RTPCTT luego del ensayo de desgaste deslizante por 31831



la huella a 500X. (f) Detalle de la huella a 2000 96

Fig. 3.38: Partículas de desgaste (debris) producto de los ensayos de desgaste deslizante

frente a una contraparte de acero 52100 a 100X, para: (a) RTLSTT, (b) RTLCTT, (c)

RTPSTT y (d) RTPCTT 97

Fig. 3.39: Partículas de desgaste grandes (debris) producto de los ensayos de desgaste

deslizante frente a una contraparte de acero 52100 a 500X, para: (a) RTLSTT, (b)

RTLCTT, (c) RTPSTT, (d) RTPCTT y (e) EDS 98

Fig. 3.40: Partículas de desgaste pequeñas (debris) producto de los ensayos de desgaste

deslizante frente a una contraparte de acero 52100 a 1000X, para: (a) RTLSTT, (b)

RTLCTT, (c) RTPSTT y (d) RTPCTT 99

Fig. 3.41: Huella sobre la superficie de las contrapartes estáticas de acero 52100 luego

del ensayo deslizante sobre: (a) RTLSTT, a 40X. (b) RTLCTT, a 50X. (c) RTPSTT, a

50X. (d) RTPCTT, a 50X. 101

Fig. 3.42: Detalle de las huellas de desgaste sobre las contrapartes estáticas de acero

52100 a 500X, ensayadas sobre: (a) RTLSTT. (b) RTLCTT. (c) RTPSTT.

(d) RTPCTT 102

Fig. 3.43: Volumen de desgaste de las contrapartes estáticas de acero 52100 frente a los

recubrimientos termorrociados 103

Fig. 3.44: Tasa de desgaste de las contrapartes estáticas de acero 52100 frente a los


Fig. 3.45: Masa perdida de los recubrimientos termorrociados por llama frente a

contrapartes estáticas de acero 52100 105

Fig. 3.46: Masa ganada de los recubrimientos termorrociados por plasma frente a

contrapartes estáticas de acero 52100 105

Fig. 3.47: Masa perdida de los recubrimientos termorrociados frente a contrapartes

estáticas de acero 52100 106

xvii

Fig. 3.48: Variación del coeficiente de fricción respecto a los ciclos del RTLSTT frente

a una contraparte estática de WC-6Co durante 31831 ciclos 108

Fig. 3.49: Variación del coeficiente de fricción respecto a los ciclos del RTLCTT frente

a una contraparte estática de WC-6Co durante 31831 ciclos 108

Fig. 3.50: Variación del coeficiente de fricción respecto a los ciclos del RTPSTT frente a

una contraparte estática de WC-6Co durante 31831 ciclos 109

Fig. 3.51: Variación del coeficiente de fricción respecto a los ciclos del RTPCTT frente

a una contraparte estática de WC-6Co durante 31831 ciclos. 109

Fig. 3.52: Superficie del RTLSTT luego del ensayo de desgaste deslizante por 31831

ciclos frente a una contraparte estática de WC-6Co. (a) y (b) Huella a 100X (ES) y (ER),

respectivamente. (c) y (d) Borde de la huella a 500X (ES) y (ER). (e) Centro de la huella

a 500X y (f) y (g) EDS en zonas de la huella. (h) Detalle de la huella a 2000X 112

Fig: 3.53: Mapas de análisis de elementos por área sobre el borde de la huella del

RTLSTT. (a) ER a 500X, (b) Fe, (c) W, (d) Al, (e) O y (f) Mo 113

Fig. 3.54: Superficie del RTLCTT luego del ensayo de desgaste deslizante por 31831

ciclos frente a una contraparte estática de WC-6Co. (a) y (b) Huella a 100X (ES) y (ER),

respectivamente. (c) y (d) Borde de la huella a 500X (ES) y (ER). (e) Centro de la huella

a 500X y (f) EDS en zonas de la huella. (g) y (h) Detalle de la huella a 2000X (ES) y

(ER) 115


RTLCTT. (a) ER a 500X, (b) Fe, (c) W, (d) Al, (e) O y (f) Mo 116

Fig. 3.56: Superficie del RTPSTT luego del ensayo de desgaste deslizante por 31831

ciclos frente a una contraparte estática de WC-6Co. (a) y (b) Huella a 100X, (ES) y

(ER), respetivamente. (c) y (d) Borde de la huella a 500X, (ES) y (ER). (e) Centro de la

huella a 500X y (f) y (g) EDS en zonas de la huella. (h) Detalle de la huella

a 2000X 118


RTPSTT. (a) ER a 500X, (b) Fe, (c) W, (d) Al, (e) O y (f) C 119

Fig. 3.58: Superficie del RTPCTT luego del ensayo de desgaste deslizante por 31831

ciclos frente a una contraparte estática de WC-6Co. (a) y (b) Huella a 100X, (ES) y

xviii

(ER), respectivamente. (c) y (d) Borde de la huella a 500X (ES) y (ER). (e) y (f) EDS en

zonas de la huella.(g) Centro de la huella a 500X. (h) Detalle de la huella

a 2000X 121


RTPCTT. (a) ER a 500X, (b) Fe, (c) W, (d) Al, (e) O y (f) C 122

Fig. 3.60: Huella sobre la superficie de las contrapartes estáticas de WC-6Co luego del

ensayo deslizante a 100X, sobre: (a) RTLSTT. (b) RTLCTT. (c) RTPSTT.

(d) RTPCTT 124

Fig. 3.61: Detalle de las huellas de desgaste sobre las contrapartes estáticas de WC-6Co

a 500X, ensayadas sobre: (a) RTLSTT. (b) RTLCTT. (c) RTPSTT. (d) RTPCTT 125

Fig. 3.62: Detalle del material adherido a la superficie de las huellas sobre las

contrapartes estáticas a 500X. (a) RTLSTT. (b) RTLCTT. (c) RTPSTT. (d) RTPCTT. (e)

EDS del material adherido. 126

Fig. 3.63: Volumen de desgaste de las contrapartes estáticas de WC-6Co frente a los


Fig. 3.64: Tasa de desgaste de las contrapartes estáticas de WC-6Co frente a los



contrapartes estáticas de WC-6Co. 129

Fig. 3.66: Masa perdida de los recubrimientos termorrociados por plasma frente a

contrapartes estáticas de WC-6Co 129


estáticas de WC-6Co 130


contrapartes estáticas de acero 52100 y WC-6Co. 131


contrapartes estáticas de acero 52100 y WC-6Co 132

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, con ellas se

deposita 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.

Entre las técnicas de rociado desarrolladas se encuentran: el termorrociado por

plasma, por llama o combustión, por arco eléctrico, por detonación y el rociado térmico

de alta velocidad por combustión de oxígeno (HVOF). Los termorrociados por llama y

plasma son los más comunes por ser procedimientos sencillos y se obtienen propiedades

deseables en los recubrimientos, así como lo mostraron Ernest y Faublack en su

investigación en 2012.

Las principales aleaciones usadas en el termorrociado son aquellas a base de Ni,

Co, WC-Co, entre otras, como la estudiada por Zambrano en 2011; pero, el incremento

de sus precios y su peligro para la salud humana, porque son potencialmente

cancerígenos y/o tóxicos, han provocado que su uso disminuya y se desarrollen nuevas

aleaciones que las reemplacen. Así se tiene que una de las soluciones son las aleaciones

base Fe, como las caracterizadas por Bolelli y colaborados en 2011, las cuales han sido

menos investigadas que las anteriormente mencionadas.

Por lo tanto, para este trabajo se ha planteó como objetivo general:

Estudiar el comportamiento frente al desgaste deslizante en seco de un acero

estructural con un recubrimiento termorrociado base Fe.

Para cumplir con este objetivo se establecieron como objetivos específicos los

siguientes:

Estas aleaciones no suponen un peligro para la salud. De dónde sacaste esto??

Esto únelo en un mismo párrafo, y borra los objetivos específicos que no van en la introducción.

2

• Depositar los recubrimientos base Fe mediante una técnica de termorrociado.

• Caracterizar las fases presentes en los recubrimientos termorrociados mediante

difracción de rayos X.

• Realizar el análisis morfológico del recubrimiento depositado tanto en la

superficie como en sección transversal, empleando Microscopía Electrónica de

Barrido (MEB) y microanálisis químico por dispersión en la energía de rayos X

(EDS).

• Determinar la dureza de los recubrimientos mediante microindentación Vickers.

• Realizar los ensayos de desgaste deslizante en seco de las muestras de acero

estructural previamente recubiertas utilizando la norma ASTM G-99.

• Evaluar la morfología de las huellas de desgaste para determinar los mecanismos

de desgaste presentes, empleando las técnicas de MEB y EDS.

• Determinar el volumen desgastado de los recubrimientos mediante la norma

ASTM G-99.

• Determinar la constante de desgaste a través de la ecuación de Archard.

El cumplimiento de los objetivos ha permitido 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.

Todo esto con el fin mejorar la vida en servicio de componentes que se encuentran en

constante movimiento relativo frente a otros componentes; 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 devolver la geometría adecuada del

componente, luego de sufrir desgaste, sin tener que reemplarzarlo por uno nuevo.

Con la finalidad de

Este párrafo únelo al anterior

3

CAPÍTULO I

MARCO TEÓRICO

1.1 Polvo de aleación Metco 449P

Es un polvo autofundente de alto carbono a base de hierro que contiene

molibdeno para la deposición de revestimientos de acero duro, entre sus aplicaciones

están los rodamientos y donde es necesario alta resistencia al desgaste. Puede ser usado

en muñones, camisas de cilindros, cigüeñales, sellos mecánicos, etc. Su dureza se

encuentra entre 35-42 RC y su densidad es de 7,2 g/cm3 (Thermal Spray Depot).

Las adiciones de carbono (C) y boro (B) en la aleación incrementan la dureza y

resistencia al desgaste de los recubrimientos base hierro, los altos contenidos de

molibdeno (Mo) mejoran las habilidades ante el desgaste deslizante y la resistencia a la

corrosión de los aceros inoxidables de la serie 300 (Sulzer Metco, 2006).

En la tabla 1.1 se encuentra la composición química de la aleación, el tamaño de

partícula del polvo está entre 45-125 μm. El proveedor recomienda la aleación para

sustratos a base de hierro, como muñones de cigüeñal. Los polvos de la aleación son

depositados por termorrociado, específicamente por termorrociado por plasma y por

combustión o también llamado “llama” (Sulzer Metco, 2006).

Tabla 1.1 Composición química elemental de la aleación base Fe Metco 449p.

1.2 Proyección térmica

La proyección térmica, también llamada termorrociado o “thermal spray”, es una

técnica de aplicación de recubrimiento que es considerada como una potencial

alternativa para proteger componentes de máquinas y dispositivos que están sometidos a

4

altas exigencias en ambientes de desgaste, corrosión y altas temperaturas. El uso de la

proyección para la aplicación de recubrimientos duros se debe principalmente a la

versatilidad de ésta técnica y a la disponibilidad de un buen número de materiales a

depositar, lo que permite aplicar recubrimientos de composición química variada, sobre

sustratos de diferentes tamaños y formas (González, 2008).

Entre los materiales que pueden ser proyectados como recubrimientos se

encuentran los “cermets”, materiales cerámicos, metálicos y algunos materiales

poliméricos, los cuales pueden estar en forma de polvos o alambres (González et al.,

2007).

La técnica se basa en el calentamiento del material (en forma de polvo o

alambre) hasta fundirlo o semifundirlo y luego propulsarlo a una alta velocidad hacia el

material a recubrir para asegurar una buena adherencia y apilamiento de las partículas,

hasta formar el recubrimiento cuyas propiedades dependen de la energía térmica y

cinética utilizada en el proceso, así como de la solidificación y/o sinterización de las

partículas proyectadas (González, 2008).

En el proceso de rociado el material del recubrimiento, alambre o polvo, se funde

por una fuente de calor de alta temperatura en una pistola rociadora y es acelerado por

un jet de llama o plasma, y posteriormente proyectado hacia el sustrato. Las partículas

fundidas o semifundidas inciden sobre el sustrato y forman el recubrimiento, cuando las

partículas golpean la pieza mecánicamente bloquean la superficie, se deforman y se

enfrían rápidamente (fig. 1.1). Es esencial para una buena adherencia a la superficie que

la misma sea limpiada por “sandblasting” y desengrasada antes del rociado. Varias

técnicas de rociado utilizan diferentes temperaturas y velocidades de proyección, los

cuales, junto con el aspecto económico necesitan ser llevados a consideración en algunas

aplicaciones (Struers).

5

Fig. 1.1: Principios de la formación del recubrimiento mediante proyección térmica.

Las técnicas principales de proyección térmica son: Termorrociado por Llama o

combustión, por Arco Eléctrico, por Detonación, rociado térmico de alta velocidad por

combustión de oxígeno (siglas en ingles: HVOF), por Plasma.

Estas técnicas pueden clasificarse de acuerdo a la energía térmica que se utiliza

para fundir el material de aporte (fig. 1.2)

Fig. 1.2: Clasificación de las técnicas de proyección térmica de acuerdo a la

energía térmica necesaria para la fusión del material de aporte.

Entre las ventajas más destacables de la proyección térmica se encuentran:

- Gran variedad de materiales que pueden ser proyectados.

- Puede recubrirse cualquier tipo de material, piezas de tamaños y formas muy

diferentes.

- Obtención de capas finas de recubrimiento.

- El sustrato no sufre modificaciones ni en su forma ni en sus propiedades

mecánicas, salvo un aumento de su dureza cerca a la superficie (aprox. 125 μm)

6

- Los procesos son flexibles en cuanto a su posición de operación y el medio en

el que se aplica. Estos procesos también son fácilmente reproducibles.

- Pueden recuperarse componentes desgastados (Piedra, 2007).

En la tabla 1.2 se muestran algunas de las propiedades de los recubrimientos que

puedes obtenerse en función de la técnica y el material del recubrimiento.

Tabla 1.2: Propiedades de los recubrimientos obtenidos por proyección térmica

en función al tipo de técnica y material de recubrimientos usado.

Tipo de

recubrimiento

Proyección Térmica Por combustión

(alambre) Por combustión

(polvo) HVOF Arco eléctrico

(alambre) Plasma

Temperatura de la fuente de calor (103)

Toda clase de

recubrimiento

3 3 2-3 N/A 12-16

Adherencia (MPa)

Metales ferrosos 14-28 14-21 48-62 28-41 22-34 Metales no ferrosos 7-34 7-34 48-62 14-28 14-28

Cerámicos - 14-32 - - 21-41

Carburos - 34-48 +83 - 55-69

Densidad (% equivalente de material sólido)

Metales ferrosos 85-90 85-90 95-98+ 85-95 90-95+ Metales no ferrosos 85-90 85-90 95-98+ 85-95 90-95+

Cerámicos - 80-95 - - 90-95+

Carburos - 85-90 95-98+ - 90-95+

Dureza

Metales ferrosos 84Rb-35Rc 80Rb-35Rc 90Rb-45Rc 80Rb-40Rc 80Rb-40Rc Metales no ferrosos 90Rb-40Rc 30Rb-25Rc 100Rb-55Rc 45Rb-35Rc 45Rb-55Rc

Cerámicos - 40Rb-65Rc - - 45Rb-65Rc

Carburos - 40Rb-55Rc 55Rb-72Rc - 50Rb-65Rc

En el presente estudio se estarán evaluando las técnicas de termorrociado por

Plasma y Llama (por combustión).

7

1.2.1 Termorrociado por Plasma

Es el más común de los métodos de rociado, y es aplicado tanto como rociado

por plasma con aire (APS) y rociado bajo condiciones de atmosfera controlada. Se forma

un arco eléctrico entre el cátodo (de cobre) y la boquilla de la pistola rociadora. Un alto

flujo de una mezcla de gases a lo largo del electrodo es ionizado por el arco y se forma

el plasma. Esta corriente de plasma es impulsada por la boquilla, donde el polvo del

material del recubrimiento es inyectado al jet de plasma, el calor y la velocidad del

plasma funden y aceleran rápidamente las partículas por lo que son proyectadas sobre el

sustrato y forman el recubrimiento (fig. 1.3) (Struers).

Los gases de trabajo usualmente son argón (Ar) o mezclas de Ar+H2, Ar+He y

Ar+N2 y una mezcla de N2+H2 , el flujo está entre 40 y 50 slpm pero en alguno equipos

puede alcanzar hasta 80 slpm. Algunos fabricantes proponen una combinación de tres

gases Ar+He+N2. El voltaje de la antorcha para equipos como la Sulzer Metco o la

SG100 de Praxair ST, se encuentra entre 30 y 70 V. La temperatura típica de la antorcha

está alrededor de 14000 K y la velocidad de trabajo alcanza los 800 m/s; el ángulo de

rociado usualmente es de 90° y el flujo de alimentación se encuentra entre 50 y

100g/min, la distancia de rociado está entre 60 y 130 mm, el rociado se realiza en una

atmosfera de aire (Pawlowski, 2008).

Los recubrimientos proyectados por plasma tienen una estructura más densa que

los recubrimientos rociados por llama, el contenido de óxidos presente está entre 0,1 y

1% y la porosidad encontrada está entre 1-10%, esta técnica permite tener una

adherencia muy alta entre el recubrimiento y el sustrato, los espesores de los

recubrimientos obtenidos oscilan entre 300 y 1500 μm (Struers).

8

Fig. 1.3: Esquema del proceso de termorrociado por plasma.

El rociado por plasma tiene la ventaja de proyectar materiales con altos puntos de

fusión como cerámicos y refractarios. Es un método versátil por la alta calidad de los

recubrimientos y es usado en un amplio rango de aplicaciones, incluyendo

recubrimientos en superficies a tracción, recubrimientos de barrera térmica en las

turbinas de cámaras de combustión, en recubrimientos de hidroxiapatita biocompatibles

para implantes, entre otros (Struers).

1.2.2 Termorrociado por Llama o combustión

La técnica de proyección térmica por combustión convencional fue el primer

proceso desarrollado (1910) y aún sigue siendo usado. Las antorchas modernas han

cambiado poco desde el año 1950, y esta técnica aprovecha la temperatura que se

alcanza por la combustión de una mezcla gaseosa para calentar el material, el cual, es

simultáneamente proyectado sobre el sustrato para formar el recubrimiento. La llama

utilizada para el calentamiento del material a depositar es producida por la mezcla de

oxígeno y gas combustible, generalmente acetileno, propano, propileno o

metilacetilenopropadieno (fig. 1.4), en proporciones que van desde 1/1 hasta 1,1/1, lo

cual genera atmósferas desde carburantes hasta oxidantes, y temperaturas de la llama

entre 3273 a 3623°C (Vargas et al. y Handbook of “Thermal Spray technology”, 2004).

9

Fig. 1.4: Equipo de termorrociado por combustión de material en forma de polvo.

El material del recubrimiento puede ser alambre o polvo, los cuales alimentan a

la llama de la mezcla de oxigeno con gas, una vez calentado el material del

recubrimiento es proyectado sobre el sustrato a una velocidad entre 80 y 100 m/s,

manteniendo una distancia de la boquilla al sustrato que varía entre 120 y 250 mm, con

un ángulo de 90°. Las partículas fundidas y atomizadas son inyectadas en una corriente

directa a través de la boquilla de la pistola rociadora. Debido a que la velocidad de las

partículas es relativamente baja están expuestas al oxigeno y por lo tanto el contenido de

óxidos es relativamente alto, la adhesión y la densidad son moderadas (Struers y

Handbook of “Thermal Spray technology”, 2004).

Los recubrimientos obtenidos mediante está técnica alcanzan espesores que

generalmente varían entre 100 y 2500 μm, y tienen porosidad entre 10 y 20% en

volumen y el esfuerzo de adhesión y cohesión que se puede obtener es relativamente

menor que el logrado por las otras técnicas de proyección térmica; sin embargo,

mediante una buena preparación del sustrato y una adecuada selección del material a

depositar en lo que se respecta a forma y granulometría permite obtener valores de

adherencia hasta 60 MPa (Pawlowski, 2008).

Los recubrimientos termorrociados por llama son usados como protección ante la

corrosión y/o desgaste de componentes y estructuras, para reparación de ejes desgatados

y para el recubrimiento de pequeñas piezas. (Struers y Handbook of “Thermal Spray

technology”, 2004)

10

1.3 Características de los recubrimientos termorrociados

1.3.1 Microestructura

La investigación de la microestructura es un paso intermedio y necesario entre el

procesamiento de los recubrimientos y el logro de buenas propiedades para una

determinada aplicación. La descripción completa de la microestructura de un

recubrimiento debería contener la siguiente información:

• Composición química a nivel macro y micro.

• Morfología de las partículas fundidas y su orientación.

• Defectos, tales como poros o segundas fases o inusualmente descripción

de micro defectos con el contenido y distribución de las fallas de

apilamiento o dislocaciones.

• La distribución de las características anteriores a diferentes profundidades

del recubrimiento (Pawlowski, 2008).

Las características microestructurales de un recubrimiento aplicado por

proyección térmica combinadas con otras características (como propiedades mecánicas,

tribológicas, etc.) determinan las propiedades del recubrimiento y éstas abarcan las

estructura de partículas laminares, partículas no fundidas o resolificadas, poros,

inclusiones de óxidos, fases, grietas e interfases de enlace (fig. 1.5). Así, estos

recubrimientos constan de una estructura densa y resistente, altamente anisotrópica,

consistente en la unión de partículas fundidas en forma laminar (splats) que se orientan

paralelamente a la superficie del sustrato, así como también espacios vacios o poros y

grietas interlaminares (Piedra, 2007).

11

Fig. 1.5: Esquema de la formación de un recubrimiento; sustrato, óxidos, poros y

partículas no fundidas.

1.3.1.1 Splat

Es un término dado a la estructura aplanada que se obtiene cuando las partículas

proyectadas golpean al sustrato (fig. 1.6). Muchas de estas láminas se traslapan y se

adhieren una con otras, solidificándose y formando el recubrimiento depositado por

proyección térmica que son creadas cuando las partículas son fundidas y aceleradas e

impactan en una superficie preparada. Las gotas fundidas que llegan son generalmente

esféricas y al impactar con la superficie del sustrato se extienden y llenan los intersticios

subyacentes. Si estos intersticios no son llenados quedan espacios entre las laminillas, lo

que se va a convertir en poros que van a hacer parte del recubrimiento. (Handbook of

“Thermal Spray technology”, 2004)

Fig. 1.6: Estructura laminar de un splat, típica de proyección térmica.

12

La forma de las laminillas en la microestructura en un recubrimiento es un

indicativo del grado de fusión logrado por las partículas. En el proceso de proyección

térmica, cuando la velocidad de las partículas aumenta y/o viscosidad disminuye

entonces el grado de esparcimiento de las laminillas se incrementa. Esto refleja

aparentemente, que un alto aplanamiento de las partículas formará un recubrimiento con

baja rugosidad superficial, mientras que un bajo aplanamiento de las partículas formará

un recubrimiento con alta rugosidad; la velocidad y temperatura de las partículas afecta

el grado de aplanamiento. El grado de aplanamiento y fusión de las partículas laminares

(splats) en los recubrimientos determina la cohesión, porosidad y subsecuentes

propiedades del mismo. (Handbook of “Thermal Spray technology”, 2004)

Otro efecto que tienen las partículas cuando impactan sobre el sustrato es que

durante su solidificación y posterior enfriamiento, la partícula experimenta múltiples

esfuerzos térmicos que afectan la adhesión entre ella y por ende la integridad estructural

del recubrimiento. Los esfuerzos pueden afectar las propiedades mecánicas, tribológicas,

a la corrosión y a la fatiga del recubrimiento. En la mayoría de los recubrimientos las

propiedades son las mismas en el plano longitudinal del mismo sin embargo en su plano

transversal no es así, por lo que su comportamiento es anisotrópico. (Handbook of

“Thermal Spray technology”, 2004)

1.3.1.2 Porosidad

La porosidad en la mayoría de los casos es considerada perjudicial por disminuir

las propiedades, sobre todo las propiedades mecánicas. En la microestructura de los

recubrimientos, las laminillas que no tienen totalidad de contacto entre ellas mismas,

forman regiones de no contacto (fig. 1.7). Los poros que forman las laminillas van a

influir como concentradores de esfuerzos y van a ocasionar en el recubrimiento que las

propiedades mecánicas disminuyan, y es por eso que es muy importante controlar o

poder disminuir el porcentaje de poros y aumentar el área real de contacto de los

laminillas para poder obtener buenas propiedades mecánicas (Lima et al., 2001).

13

Fig. 1.7: Defectos típicos en los recubrimientos termorrociados.

Con respecto a otras propiedades, la porosidad crea una pobre cohesión entre las

splats, lo que permite tasas de desgaste y de corrosión más altas. La pobre cohesión entre

las partículas o laminillas conduce a un prematuro agrietamiento, delaminación y

descascaramiento del recubrimiento. Una porosidad abierta puede interconectar el

recubrimiento con el sustrato, permitiendo que sustancias corrosivas ataquen no sólo al

recubrimiento si no también al sustrato. La porosidad también disminuye dureza y

contribuye a un pobre acabado superficial, así disminuirá la resistencia al desgaste de

recubrimientos sometidos a estas condiciones y generará fragmentos de este que

comenzaran a actuar como agentes abrasivos, incrementando así las tasas de desgaste.

Estudios han demostrado que el análisis de imagen es un método confiable de

caracterización de la porosidad en recubrimientos aplicados por proyección térmica

(Deshpande et al., 2004).

1.3.1.3 Inclusiones de óxidos

Las inclusiones de óxidos se producen en recubrimientos metálicos y

generalmente tienen aspecto de fases oscuras, alargados y se encuentran orientados

paralelamente a la interfaz del sustrato (fig. 1.8). Los óxidos son producidos por la

interacción entre la partícula/atmósfera y/o el calor de la superficie del recubrimiento

durante su aplicación. La interacción de las partículas calientes con su ambiente

circundante, generalmente aire, conduce a películas de óxido y/o películas de nitruros

14

(en el caso de los recubrimientos depositados por plasma) en la superficie de la partícula

(Handbook of “Thermal Spray technology”, 2004).

Fig. 1.8: Aleación a base de Níquel termorrociada por plasma.

Si hay demasiada concentración de óxidos conectados, estos pueden interferir

con la cohesión entre las laminillas conduciendo a la disminución de la fuerza cohesiva

de la capa. Estas inclusiones a menudo se consideran perjudiciales para el desempeño

que va a tener el recubrimiento metálico, sin embargo, en algunos usos se desean las

inclusiones de óxidos y/o nitruros porque pueden aumentar la resistencia al desgaste o

bajar la conductividad térmica del recubrimiento. (Handbook of “Thermal Spray

technology”, 2004)

1.3.2 Superficie o rugosidad superficial

Ninguna superficie es totalmente lisa, por lo tanto, la rugosidad superficial es una

propiedad muy importante a la hora de la caracterización de un recubrimiento.

Frecuentemente, la topografía de la superficie puede describirse por dos perfiles de

superficie dimensional; la altura del pico máximo al valle o el valor de la línea

promedio; estos son parámetros usados comúnmente para caracterizar la rugosidad de

una superficie. La rugosidad es la desviación de las ondas propias de la superficie,

causadas por la geometría de la herramienta de corte y su desgaste, las condiciones de

maquinado, la microestructura de la pieza de trabajo, vibraciones del sistema. La

15

rugosidad de la superficie cambia a medida que la superficie es sometida a procesos de

desgaste, pero puede estabilizarse (Metal Handbook: “Friction, Lubrication and Wear

Technology”, 1992 y Zum, 1987).

Diferentes métodos ópticos y mecánicas están disponibles para la medida de las

características geométricas a nivel macroscópico y microscópico de las superficies. En

perfilometría, un dispositivo en forma de una punta fina es ampliamente usado para

obtener los perfiles de rugosidad. La fina punta de diamante entra en contacto con la

superficie, la recorre y registra los movimientos verticales o las diferencias de alturas

realizadas. Finalmente, estas diferencias y movimientos son convertidos en señales

eléctricas que traducen y se obtiene un perfil graficado de la superficie. Este perfil

representa sólo una pasada lineal de la superficie tridimensional pero con muchas

lecturas, el contorno en 3D de la textura puede ser dibujado (Hinojosa y Reyes, 2001).

Los parámetros más usados para la caracterización de la rugosidad: Rugosidad

promedio (Ra), rugosidad rms (Rq o Rrms, root mean square), la altura de los picos y

valles (Rt) y la máxima altura del pico al valle (Rmax). El parámetro más usado es el Ra,

por ser el promedio aritmético de los valores absolutos de las alturas y(x) medidas a

partir de una línea central y está definida por la ecuación 1.1

𝑅𝑎 = 1𝐿 ∫ 𝑦(𝑥)𝑑𝑥𝑥=𝐿

𝑥=0 Ecuación 1.1

Donde L es la longitud del muestreo de medida

Respecto a los recubrimientos proyectados térmicamente, la rugosidad de su

superficie puede reflejar el grado de fusión y la fuerza con la que las partículas llegan al

sustrato, es decir, refleja el grado de compactación y aplanamiento de las partículas, lo

que permite un mejor contacto y anclaje entre ellas (a nivel microscópico)

incrementando la cohesión entre las capas y disminuyendo su porosidad (Lima et al,

2001).

16

1.4 Tratamiento térmico en los recubrimientos termorrociados

El tratamiento térmico en los recubrimientos termorrociados es realizado de las

siguientes maneras:

♦ Calentamiento electromagnético, el cual involucra los siguientes recursos

de energía (en función del incremento de frecuencia)

• Sinterización por descarga de plasma

• Microondas

• Laser

• Haz de electrones

♦ Tratamiento en horno.

♦ Tratamiento por combustión con llama.

El tratamiento en horno involucra el calentamiento realizado en diferentes

atmosferas de gas. Un horno de tratamiento calienta, de forma más o menos homogénea,

el recubrimiento y el sustrato. Si los materiales del sustrato y del recubrimiento tienen

diferentes coeficientes de expansión térmica, se producirán esfuerzos residuales durante

el ciclo de calentamiento. Estos esfuerzos no deben ser mayores que el esfuerzo para que

fracture el recubrimiento en materiales cerámicos y/o el esfuerzo de fluencia en los

metales y aleaciones. Por lo tanto, la temperatura máxima del tratamiento en horno para

las piezas recubiertas es limitada.

Una de las funciones del tratamiento térmico es promover mejoras en las

propiedades mecánicas de los recubrimientos, haciendo que se produzcan cambios de

fase o la formación de nuevas fases o compuestos como carburos. En algunos casos los

recubrimientos de Al2O3 están compuestos de una fase γ que se trans forma a una fase α

alrededor de 1270 K, esta transformación está asociada a cambios en la densidad (la fase

γ tiene una densidad menor que la fase α) por lo que el recubrimiento resultante tiene

grietas y es más poroso que al no estar tratado térmicamente. El tratamiento también

permite mejorar las propiedades eléctricas, como es el caso de los recubrimientos de

cobre cuando son tratados con hidrogeno para reducir su contenido de óxido y se mejora

la resistividad eléctrica. El tratamiento con gas nitrógeno y plasma, en atmósfera

17

carburizante, mejora la dureza de un sustrato de acero bajo un recubrimiento cerámico

(Pawlowski, 2008)

1.5 Caracterización de los recubrimientos termorrociados

La caracterización de los recubrimientos es importante en:

• La búsqueda y desarrollo de nuevos productos.

• Los procesos rutinarios de control de calidad.

La caracterización de nuevos recubrimientos se realiza profundamente usando

muchas técnicas, mientras que en procedimientos de control de calidad se realiza rápida

y superficialmente. Las investigaciones avanzadas incluyen Microscopía Electrónica de

Barrido (MEB), difracción de rayos X (DRX), Microscopía Electrónica de Transmisión

(MET) y otras técnicas. Las propiedades de los recubrimientos determinan su

comportamiento durante el servicio (Pawlowski, 2008).

1.5.1 Métodos de caracterización microestructural

Una descripción completa de un recubrimiento contiene la siguiente información:

• Composición química a escala macro y micro.

• Morfología de los granos y su orientación (textura)

• Defectos, como poros o segundas fases, o raramente microdefectos, como

dislocaciones

• Características a diferentes espesores del recubrimiento (Pawlowski, 2008).

1.5.1.1 Espectroscopía por dispersión en la energía de rayos X (EDS)

Permite hacer análisis químicos en secciones de área seleccionadas. Las

aplicaciones típicas del EDS incluyen (Pawlowski, 2008):

• El análisis de elementos por área en una aleación, como por ejemplo, la

distribución en 2D de Ni y Al en recubrimientos termorrociados por plasma.

18

• Análisis cualitativo de los componentes en crecimiento, por ejemplo, durante una

exposición a aire caliente a una temperatura de1200 K, de una aleación de

NiCrAlY.

1.5.1.2 Difracción de Rayos X

Es una técnica de rutina para realizar el análisis de fases en los polvos que serán

rociados y en los recubrimientos como tal. El principio de este método consiste en la

determinación del ángulo 2θ al cual corresponde la difracción monocromática de los

rayos X de una cierta longitud de onda λ de los planos cristalográficos a una distancia

dhkl uno del otro (ley Bragg). Los rayos X son generados por un tubo (cátodo) de Mo

(λ=0,071 nm) o de Cu (λ=0,154 nm). El método permite la identificación de las fases

con contenido mínimo en la muestra (alrededor de 5% en peso). Los picos se vuelven

más anchos a medida que los cristales son más pequeños (Pawlowski, 2008).

1.5.1.3 Análisis microestructural

La sección transversal del recubrimiento revela su interior. Las características

más grandes, como poros, grietas, lamelas, pueden ser observadas por Microscopía

Óptica (MO), MEB y por MET se pueden observar la morfología interna de los cristales

más pequeños (Pawlowski, 2008).

1.5.1.3.1 Microscopía Óptica (MO)

Provee de información básica acerca de la microestructura del recubrimiento y el

sustrato. Se pueden observar:

• Poros.

• Partículas no fundidas.

• Deformación (mecánica o térmica) del sustrato bajo el recubrimiento.

• Diferentes fases, como metálicas y cerámicas en un recubrimiento de cermet.

19

• Lamelas obtenidas de las partículas que fueron modificadas en el rociado por

reducción y oxidación.

• Inclusiones solidas resultantes de la contaminación de partículas de cobre o

tungsteno del termorrociado por plasma o del proceso previo al termorrociado

(en la interfase entre el recubrimiento y el sustrato).

Es necesaria una preparación metalográfica previa para realizar la observación

(Pawlowski, 2008).

1.5.1.3.2 Microscopía Electrónica de Barrido (MEB)

Se pueden observar áreas con longitudes entre 5 μm y 1 mm, la muestra ha

observar no puede ser mayor a 100x100 mm. Los primero electrones ionizan los átomos

cercanos a la superficie, los cuales resultan de la emisión de los electrones secundarios,

estos electrones permiten observar la morfología de la superficie. Los electrones

primarios son elásticamente dispersados dentro de la muestra y son llamados electrones

retrodispersados y se usan para hacer contraste entre elementos de diferente número

atómico.

Las muestras deben tener una superficie conductora, aquellos que no lo son,

usualmente, son recubiertos con una capa fina de carbono o de oro (Pawlowski, 2008).

Con los electrones secundarios se pueden observar:

• Lamelas individuales.

• La superficie de los recubrimientos.

• Fracturas en la sección transversal de recubrimiento, mostrando una

microestructura de granos finos, estructura fina o microestructura recristalizada.

• La superficie de fractura de los recubrimientos degradados por fatiga térmica o

desgaste.

20

1.5.2 Microdureza

La dureza se define como la habilidad que tiene un material a resistir una

deformación permanente cuando está en contacto con un indentador bajo una carga

aplicada.

El ensayo de dureza consiste en presionar un indentador de geometría y

propiedades mecánicas conocidas en función del material a ensayar. La dureza del

material es cuantificada utilizando una de varias escalas que directa o indirectamente

indican la presión de contacto involucrada en la deformación de la superficie de ensayo.

A medida que el indentador es presionado contra el material durante el ensayo, la dureza

es vista también como la capacidad de un material a resistir cargas compresivas (Ochoa,

2012).

Dependiendo de la forma de medirla, la dureza tiene significados, escalas y

unidades distintas; los ensayos de dureza en general, se clasifican en tres categorías

principales: indentación estática, rayado y rebote. El ensayo de indentación estática es el

método más usado y mejor establecido, algunos de los ensayos de dureza estática son

Vickers, Berkovich, Knoop, Brinell y Rockwell. En los ensayos Brinell, Vickers, Knoop

y Berkovich, el valor de la dureza es la carga soportada por unidad de área de la

indentación, expresada en kilogramos por milímetros cuadrados (kg/mm2); en los

ensayos Rockwell es la profundidad de la indentación a una carga prescrita, es

determinada y convertida a un número de dureza (sin unidades de medida), la cual es

inversamente proporcional a la profundidad (González, 2008 y Ochoa, 2012).

De la dureza del material también depende su aplicación en la industria, por

ejemplo:

• Una fractura en componentes mecánicos puede hacer considerar a un

material duro como frágil y menos confiable para aplicaciones bajo

cargas de impacto.

• Un tribologista puede considerar la alta dureza como deseable para

reducir la deformación plástica y el desgaste del material en aplicaciones

de rodamientos.

21

• Un metalurgista desearía tener materiales con menor dureza para los

procesos de laminación en frío de metales.

• Un ingeniero industrial prefiere tener materiales menos duro para un

mecanizado fácil y rápido, y así poder incrementar la producción (Ochoa,

2012).

La microindentación es un subgrupo de los ensayos de dureza, que es

particularmente sensible a las propiedades mecánicas cerca de la superficie indentada,

debido a que la fuerza aplicada sobre el material es muy baja (menor a 1 Kgf). Esta

característica hace de la microindentación sea una importante herramienta para

determinar las características superficiales de los materiales, especialmente, cuando

poseen tratamientos térmicos y recubrimientos (Metal Handbook: “Mechanical Testing

and Evaluation”, 1992).

La técnica de microindentación Vickers es más utilizada a nivel mundial que la

Knoop para determinar la dureza de los materiales. En este ensayo un indentador

piramidal de base cuadrada de diamante y con una geometría específica (fig. 1.9) es

forzado a penetrar en la superficie de la muestra a ensayar, luego que la carga se aplica

suavemente (sin impacto) se mantiene por 10 o 15 segundos, después que se quite la

carga se miden las dos diagonales de la huella, generalmente con un micrómetro filar,

para luego hacer un promedio. La dureza Vickers se calcula mediante la ecuación 1.2

(Callister, 2003).

𝐻𝑣 = 1,8544 𝑃𝑑2

Ecuación 1.2

Donde la carga (P) es en kgf y la diagonal promedio (d) está en milímetros.

22

Fig. 1.9: Indentaciones Vickers hechas a un acero inoxidable AISI/SAE 430 usando (de

izquierda a derecha) 500, 300, 100, 50 y 10 gr a 250X.

La técnica de microindentación Vickers ha comenzado a ser un paso necesario en

la investigación de las propiedades mecánicas de los recubrimientos depositados por

proyección térmica (González, 2008).

El espécimen para el ensayo debe estar en condición de pulido. Mayormente

indentaciones se realizan en la sección transversal de forma longitudinal, sin embargo,

también pueden realizarse en forma transversal en la misma sección transversal; los

valores puede ser diferentes dependiendo de la microestructura lamelar del

recubrimiento. Se debe tomar en cuenta que el espesor del recubrimiento debe ser diez

veces más grueso que la profundidad de la huella dejada por el indentador (Pawlowski,

2008).

Los resultados de las pruebas son a menudo usados como una primera

aproximación de la determinación de la resistencia al desgaste de un recubrimiento, la

cual es, para muchos, la propiedad mecánica más importante a conocer, dada la amplia

utilización de los recubrimientos proyectados térmicamente en aplicaciones

tecnológicas. Además, las medidas de microdureza también hacen posible una rápida

estimación de la calidad estructural de los recubrimientos, ya que los poros y otros

defectos estructurales generalmente disminuyen la dureza.

1.5.3 Propiedades tribológicas

Las propiedades tribológicas de los recubrimientos modernos son, en general,

muy importantes en sus aplicaciones y usualmente son muy diferentes de las

23

propiedades tribológicas de los materiales en volumen que forman las piezas recubiertas.

También son bastantes los procedimientos utilizados para la caracterización de las

propiedades tribológicas de los recubrimientos cuando se comparan con los

procedimientos de caracterización clásicos empleados en la ingeniería o en los

materiales convencionales (González, 2008).

1.5.3.1 Tribología

Es la ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación que tiene lugar

durante el contacto entre superficies solidas en movimiento. En especial, la tribología

centra su estudio en tres fenómenos (González, 2008):

• La fricción entre dos cuerpos.

• El desgaste como efecto natural del fenómeno de fricción.

• La lubricación como medio alternativo para evitar el desgaste.

1.5.3.1.1 Fricción

Es la resistencia al movimiento de un cuerpo sobre otro. Los cuerpos en cuestión

pueden ser un gas o un sólido (fricción aerodinámica) o un líquido y un sólido (fricción

líquida) o la fricción puede ser debida a procesos de disipación de energía interna en un

cuerpo (fricción interna).

La leyes que gobiernan la fricción de cuerpos sólidos son bastantes simples. Las

leyes pueden enunciarse en función a lo siguiente:

• La fricción estática puede ser mayor a la fricción cinética (o dinámica).

• Fricción es independiente de la velocidad de deslizamiento.

• La fuerza de fricción es proporcional a la carga aplicada.

• La fuerza de fricción es independiente del área de contacto.

La fricción es comúnmente representada por el coeficiente de fricción. El

coeficiente de fricción es la relación entre la fuerza de fricción (F) y la carga (N), de

acuerdo a la ecuación 1.3.

24

𝜇 = 𝐹𝑁

Ecuación 1.3

El coeficiente de fricción típicamente se encuentra alrededor de 0,03 para un

cojinete muy bien lubricado, de 0,5 a 0,7 para deslizamiento en seco y mayor a 5 para

superficies limpias en el vacío (Metal Handbook: “Friction, Lubrication and Wear

Technology”, (1992)

1.5.3.1.2 Desgaste

El desgaste es un proceso de daño superficial que se produce por el efecto del

contacto mecánico entre materiales, que involucra pérdida y/o daño del material debido

al movimiento de superficies.

Desgaste por deslizamiento es el que se produce cuando dos superficies sólidas

se deslizan una sobre la otra. En algunas aplicaciones de ingeniería y en muchas

investigaciones a escala de laboratorio las superficies deslizan sin un lubricante. El

desgaste resultante se denomina desgaste por deslizamiento en seco (Navas, 2007).

La solución a este problema depende de la identificación de la naturaleza del

problema. El sistema de análisis puede ser usado para identificar los parámetros del

sistema tribológico o tribosistema. Dependiendo de los parámetros del tribosistema,

pueden ocurrir diferentes tipos de mecanismos de desgate (Zum, 1987).

1.5.3.1.2.1 Tribosistema

La aplicación de un tribosistema puede ser muy útil en la descripción de un

proceso tribológico. El propósito de los sistemas tecnológicos es la transformación y/o

trasmisión de lo que entra a lo que sale, los cuales son muy usados tecnológicamente. La

relación entre entradas y salidas útiles puede considerarse como la función técnica de un

tribosistema. Salidas y entradas útiles pueden clasificarse en movimiento, trabajo

(mecánico, hidráulico, neumático, químico, eléctrico o térmico), materiales o masa, e

información.

25

Un tribosistema consiste de cuatro elementos (fig. 1.10):

1) Cuerpo sólido.

2) Contraparte.

3) Elemento interfacial.

4) Medio ambiente.

Fig. 1.10: Representación esquemática de los elementos de un tribosistema.

1.5.3.1.2.2 Mecanismos de desgaste

Los mecanismos de desgaste, las interacciones energéticas y materiales entre los

elementos de un tribosistema. El tipo de movimiento relativo entre los cuerpos en

contacto puede usarse para clasificar los diferentes procesos de desgaste (Zum, 1987).

En la tabla 1.3 se recoge una clasificación que atiende a diversos fundamentos como: el

tipo de movimiento, la geometría de contacto, el mecanismo de eliminación de material,

etc (Navas, 2007).

26

Tabla 1.3: Clasificación de los tipos de desgaste

Base de la

clasificación

Tipos de desgaste

General Adhesivo, abrasivo, corrosivo, fatiga

Movimiento Deslizamiento, impacto, reciproco

Geometría Bola sobre disco, bola sobre anillo, cilindro sobre cilindro

Mecanismo Delaminación, oxidación, adhesión, abrasión,

deformación plástica.

Carga aplicada Carga baja, carga elevada

Lubricación Lubricado, no lubricado

Material Metal, cerámico, polímero, compuesto

De acuerdo a la norma DIN 50320 hay cuatro mecanismos básicos o cualquier

combinación de ellos que están relacionados con los procesos de desgaste (Zum, 1987):

• Adhesión: Ocurre cuando dos superficies se deslizan una contra la otra. alta

presión localizada en contacto con las asperezas resulta en deformación plástica,

adhesión y por consiguiente la formación de juntas localizadas. Deslizamiento

relativo entre las superficies en contacto causa ruptura de las juntas y

frecuentemente transferencia de material de una superficie a la otra. (fig. 1.11)

Fig. 1.11: Ruptura de las juntas dentro a) La cara interfacial, b) Material más

blando A, c) En el material más blando predominantemente A pero también en B, d) Ambos materiales A y B en igual proporción.

• Abrasión: El desgaste abrasivo es el desplazamiento de material causado por la

presencia de partículas duras, esas partículas están incrustadas o embebidas en

uno o en ambos materiales en movimiento relativo, o por la presencia de

27

protuberancias duras en una o las dos superficies en movimiento relativo.

Generalmente, el desgaste por abrasión ocurre cuando un cuerpo duro se desliza

sobre una superficie blanda, que al aplicar un esfuerzo normal se graba en ésta

una serie de sucos característicos de este mecanismo de desgaste. Este tipo de

desgaste puede clasificarse como abrasión de dos cuerpos o de tres cuerpos. En

el de dos cuerpos, las partículas abrasivas se mueven libremente sobre la cara de

un material; en la abrasión de tres cuerpos, las partículas actúan como elementos

interfaciales entre el cuerpo sólido y la contraparte. El desgaste es de uno a dos

órdenes de magnitud más pequeño en la abrasión de tres cuerpos que en la de dos

cuerpos. El desgaste por abrasión conforme a la interacción de las partículas

duras con el material blando se subdivide en los siguientes micromecanismos:

Microarado (microploughing), microcorte, microfractura, fatiga acelerada por

repetidas deformaciones y microagrietamiento (fig. 1.13) (Zum, 1987 y

González, 2008).

Fig. 1.12: Desgaste por abrasión.

Fig. 1.13: Micromecanismos de desgaste por abrasión.

• Fatiga superficial: Desgaste producto de fatiga superficial puede ser

caracterizado por la formación de grietas y escamas en el material, causado por

28

repetida alternación de la carga de las superficies solidas. Contacto por rodadura,

deslizamiento o impacto de sólidos y/o líquidos pueden provocar esfuerzos

cíclicos superficiales. Fatiga localizada puede ocurrir a escala microscópica

debido al deslizamiento repetitivo de la asperezas sobre las superficies de los

sólidos en movimiento relativo (fig. 1.14).

Fig. 1.14: Formación de grietas y su propagación en fatiga superficial.

• Reacción triboquímica: Formación de productos de reacciones químicas como un

resultado de interacciones químicas entre los elementos del tribosistema o

cuando ocurre el deslizamiento de dos superficies en ambientes que atacan las

superficies. También es conocida como desgaste químico o corrosivo, aunque

algunos expertos en corrosión afirman que este campo no hace parte de la

tribología, ni del desgaste (fig. 1.15) (González, 2008).

Fig. 1.15: Desgaste por reacción triboquímica.

1.6 Dispositivo de ensayo de desgaste por deslizamiento

Son múltiples las geometrías de ensayo que se utilizan para el estudio del

desgaste por deslizamiento. Los laboratorios de investigación tratan de simular las

aplicaciones prácticas, de forma que puedan obtener datos de diseño útiles en cuanto a

29

tasas de desgaste y a coeficientes de fricción. Para ello, es muy importante el control y la

medida de todas las variables que puedan influenciar al desgaste. Un leve cambio en las

condiciones de deslizamiento puede dar lugar a cambios considerables en el mecanismo

de eliminación de material predominante y en la velocidad de desgaste asociada al

mismo. Entre las configuraciones de ensayo normalizadas internacionalmente, se

encuentran los ensayos pin on disc (Navas, 2007).

Para el ensayo de desgaste pin on disc son necesarios dos especímenes. Uno de

ellos es un “pin” o punzón con una punta redondeada, el cual es colocado de forma

perpendicular al otro espécimen, usualmente, un disco circular delgado. Una bola,

rígidamente sostenida normalmente se usa como pin. La maquina del ensayo causa que

tanto el disco o el pin revolucionen respecto al centro del disco. En cualquier caso, la

ruta de deslizamiento es un círculo sobre la superficie del disco. La superficie plana del

disco puede ser orientada horizontal o verticalmente, en la fig. 1.16 se muestra un

esquema de la configuración del equipo bola sobre disco (Norma ASTM G 99-05).

Fig. 1.16: Esquema de un equipo con una configuración bola sobre disco.

1.6.1 Parámetros del ensayo

• Carga: Los valores de la fuerza de contacto durante el deslizamiento son en

Newton.

• Velocidad: La velocidad relativa de deslizamiento entre las superficies de

contacto es en metros por segundos.

• Distancia: La distancia acumulada de deslizamiento está en metros.

30

• Temperatura: Es la temperatura de uno a los dos especímenes del lugar cerrado

donde se realiza el ensayo.

• Atmosfera: La atmosfera (aire del laboratorio, humedad relativa, argón, etc.) del

lugar donde se realiza el ensayo (Norma ASTM G 99-05).

1.6.2 Descripción de las bolas utilizadas en los ensayos

En el presente estudio se utilizaron como contrapartes estáticas bolas de 6 mm de

diámetros de dos materiales diferentes, bolas pulidas de acero 52100 endurecido y de

carburo de tungsteno WC-6Co.

1.6.2.1 Bolas de acero 52100 endurecido

Las bolas están fabricadas de acero al carbono con cromo de nombre comercial

100Cr6, las cuales están sometidas a un proceso de temple a fin de endurecerlas

superficialmente. Su microestructura es de martensita con pocos carburos y austenita.

Algunas de sus características se enuncian a continuación en la tabla 1.4 (Gómez, 2005)

Tabla 1.4: Características de las bolas de acero 52100 endurecidas

Composición C=0,98-1,1%; Mn=0,25-0,45%; Si=0,15-

0,35%; Cr=1,3-1,6%; Mo=0,1% max.;

Ni=0,25% max.; Cu=0,35% max.; P=0,025%

max.; S=0,025% max.

Densidad 8,63 g/cm3

Dureza 7 GPa

Módulo de elasticidad 250 GPa

Módulo de Poisson 0,33

31

1.6.2.2 Bolas de carburo de tungsteno WC-6Co

Comercialmente a estas bolas se les conoce como bolas de WC, sin embargo, son

un composite (CerMet) de una matriz de cobalto con partículas cristalinas micrométricas

de WC, por lo tanto son denominadas WC-6Co. Algunas de sus características se

muestran en la tabla 1.5 (Gómez, 2005).

Tabla 1.5: Características de las bolas de WC-6Co

Composición WC=94% y Co=6%

Densidad 15,72 g/cm3

Dureza 16 GPa

Módulo de elasticidad 572 GPa

Módulo de Poisson 0,3

Una vez conocidas las características de los procedimientos de termorrociado a

ser estudiados en este Trabajo Especial de Grado, así como los métodos para la

caracterización de los recubrimientos obtenidos, es de gran importancia hacer referencia

a algunos estudios previos que permitan conocer lo obtenido en condiciones similares a

las aplicadas en este trabajo.

Respecto a la aleación estudiada en esta investigación se encontró que los

investigadores Ernest y Faublack, en 2012, evaluaron el efecto del tratamiento térmico

en las propiedades mecánicas de recubrimientos de una aleación base Fe termorrociadas

por plasma. Luego de realizar el rociado del polvo de la aleación Metco 449P sobre un

sustrato de acero 1045 se realizó un tratamiento térmico en atmósfera controlada con

Argón a 600°C por 30 min, posteriormente se procedió a la caracterización de las

muestras por MO y MEB, sus propiedades mecánicas se evaluaron haciendo ensayos de

indentación Vickers, Knoop y esférica. Se determinó que el espesor del recubrimiento

oscila entre 300 y 600 μm; en la microestructura de la mayoría de los recubrimientos se

encontraron partículas no fundidas y una estructura en forma de lamelas, esta

combinación hace que el recubrimiento sea más poroso; la estructura en forma de

32

lamelas es paralela al sustrato lo que provoca anisotropía en las propiedades mecánicas

(fig. 1.17).

Fig. 1.17: Recubrimiento sin tratamiento térmico en su sección transversal, se observan partículas semiesféricas (señaladas en amarillo) y una estructura en forma de lamelas.

Por medio de un analizador de imágenes se midió el porcentaje de porosidad en

las muestras, obteniéndose un 18,7% y 11,8% de porosidad para las muestras sin y con

tratamiento térmico, respectivamente; por lo que se produjo una densificación de la

estructura luego del tratamiento térmico. Entre el recubrimiento y el sustrato hay una

capa de adherencia que está compuesta principalmente por Ni-Al, no se detectó

presencia de los elementos que constituyen el recubrimiento en el sustrato. Respecto a

las propiedades mecánicas se encontró que los recubrimientos con y sin tratamiento

térmico presentan las siguientes propiedades: dureza 4,2 y 5,5 GPa; módulo de

elasticidad 345 y 201 GPa; esfuerzo de fluencia 2370 y 1890 MPa, respectivamente. El

recubrimiento es susceptible a transformaciones microestructurales con el tratamiento

térmico; el aumento del comportamiento elástico del material se puede atribuir a la

disminución de la porosidad (Ernest y Faublack, 2012).

También, Suárez y Briceño, en 2012, estudiaron el efecto del tratamiento térmico

en ambiente controlado sobre el recubrimiento de aleación de hierro carbono con

aluminio y molibdeno depositado por flame spraying. El procedimiento experimental

utilizado en esta investigación corresponde al seguido por Ernest y Faublack en 2012,

con la diferencia que el tipo de termorrociado aplicado fue por combustión o llama. El

espesor promedio del recubrimiento de la aleación Metco 449P junto con la capa de

adherencia fue de aproximadamente 520 μm, donde la capa de adherencia tiene un

33

espesor de 170 μm y los 350 μm restantes corresponden al recubrimiento. La

microestructura de los recubrimientos presentó lamelas de forma alargada paralela a la

intercara substrato recubrimiento, también partículas no fundidas e inclusiones de óxido

por el proceso de termorrociado (fig. 1.18). La porosidad promedio del recubrimiento sin

tratamiento térmico fue de 24,88% y para el recubrimiento con tratamiento térmico de

20,91. Se encontró que las propiedades mecánicas de los recubrimientos sin y con

tratamiento térmico fueron las siguientes: una dureza de 390 y 188 HV, el módulo de

elasticidad de 141,03 y 87,27 GPa, y un esfuerzo de fluencia de 1594 y 1249 MPa,

respectivamente. El recubrimiento es susceptible a variaciones importantes en la

distribución de los elementos de los microconstituyentes con el tratamiento térmico, lo

cual representa un aporte en la estabilización química del mismo. Hay una mejora

importante en la densificación del recubrimiento, lo cual sugiere que el tratamiento

térmico es beneficioso también en términos de la calidad estructural; sin embargo,

genera una disminución significativa en las propiedades mecánicas del mismo (Suárez y

Briceño, 2012).

Fig. 1.18: Morfología del recubrimiento sin tratamiento térmico en su sección

transversal a 400X.

Respecto a ensayos de desgaste deslizante, Bolelli y colaboradores, en 2011,

estudiaron las propiedades micromecánicas y el comportamiento ante el desgaste

deslizante de recubrimientos de una aleación a base de Fe termorrociados por HVOF. Se

usaron dos polvos para termorrociado de aleaciones comerciales a base de Fe

(Colferoloy-102 y Colferoloy-103), los polvos se depositaron en placa de acero de bajo

carbono por HVOF. Se estudió la microestructura de las aleaciones Colf.-102 y 103 con

34

MEB –EDS, difracción de rayos X. Las propiedades micromecánicas de los

recubrimientos se determinaron por ensayos de microdureza Vickers a una carga de 300

gf, manteniendo la carga máxima por 15 s. Los ensayos de desgaste deslizante en seco se

hicieron en una tribómetro con una configuración de bola sobre disco, las bolas usadas

fueron de alúmina sinterizada y acero 100Cr6, para una carga normal de 5 N, una

velocidad de deslizamiento de 0,2 m/s, una distancia de deslizamiento de 2500 m y un

radio de giro de 7 mm. La tasa de desgaste de la muestra se evaluó midiendo el volumen

de desgaste utilizando un perfilómetro óptico confocal. De lo anterior se obtuvo que los

recubrimientos hechos por HVOF tienen una microestructura bastante densa con fases

secundarias, como fase principal γ-Fe. Los recubrimientos de Colferoloy presentaron un

coeficiente de fricción similar entre ellos, con valores de 0,72 y 0,70 sobre alúmina y

0,57 y 0,59 sobre acero 100Cr6, para el recubrimiento Colferoloy-102 y Colferoloy-103

respectivamente; encontrándose que el coeficiente de fricción es menor frente a la

contraparte estática de acero. En todos los casos se encontraron partículas de desgaste

“debris” que contienen cantidades significativas de oxígeno junto con algunas plaquetas

grandes como partículas (fig. 1.19). Estos recubrimientos presentan una combinación de

desgaste abrasivo, delaminación y tribo-oxidación (Bolelli et al., 2011)

Fig. 1.19: Partículas de desgaste producto del ensayo de bola sobre disco del

recubrimiento termorrociado por HVOF Colferoloy-103. Se evidencian partículas grandes con partículas muy pequeñas.

Por otra parte, CAI et al., en 2011, estudiaron las propiedades tribológicas de

recubrimientos de una aleación compuesta a base de Ni, modificados con partículas de

35

grafito y TiC sobre un acero 1045, por la técnica de termorrociado por plasma utilizando

tres tipos de polvos: a base de Ni; a base Ni con TiC (40%) y a base de Ni con grafito

(20%). Los ensayos tribológicos se llevaron a cabo en un tribómetro con una

configuración de bola sobre disco a temperatura ambiente en condiciones sin

lubricación, usando como contraparte estática una bola de acero GCr15 de 4 mm de

diámetro, con una velocidad de deslizamiento de 0,1 m/s y una carga normal de 10 N. La

pérdida de peso de los especímenes se midió con una balanza. La superficie de los

recubrimientos se analizó con microscopio óptico, la microestructura y la superficie

desgastada se observó por MEB, la composición química de elementos de las superficies

fue analizada mediante microanálisis químico por dispersión en la energía de rayos X

(EDS). A partir de los ensayos se encontró que los recubrimientos de la aleación

compuesta por la mezcla de Ni/grafito/TiC tienen una microestructura densa, en la cual,

los granos de la matriz a base de Ni son refinados por la incorporación y modificación

de las partículas de grafito y TiC, el grafito puede tener un efecto lubricante, reduciendo

así el coeficiente de fricción. El coeficiente de fricción de los recubrimientos a base de

Ni fue de 0,47, mientras que para los recubrimientos compuestos fue de 0,247, por lo

que se redujo en 47,45%. La pérdida de peso por desgaste del recubrimiento compuesto

fue de 0,9 mg, siendo este 59,1% menor que para aquellos a base de Ni. Se encontró que

en los recubrimientos a base de Ni hay una serie de líneas paralelas, verticales respecto a

la dirección de deslizamiento en algunas áreas, lo que sugiere que hubo deformación

plástica de corte en la superficie desgastada durante el proceso de fricción y desgaste. A

diferencia, la superficie desgastada del recubrimiento está cubierta por una capa delgada

que contiene principalmente óxido de hierro y grafito que se va desarrollando durante el

proceso de desgaste, la capa de transferencia es suave y con baja resistencia al corte (fig.

1.20). Con la formación de esta capa de transferencia se incrementa 2,44 veces la

resistencia al desgaste; sin embargo, grietas de fatiga pueden crecer en esta capa,

pudiendo causar delaminación de la capa. De todo lo anterior concluyeron que el

mecanismo principal de desgaste de los recubrimientos a base de Ni son desgaste

adhesivo y deformación multi-plástica debido que tuvo lugar severa deformación

plástica por corte en la superficie desgastada sobre la bola de acero GCr15, y el

36

mecanismo principal de desgaste del recubrimiento compuesto es la delaminación fatiga

de la capa de transferencia (CAI et al., 2011).

Fig. 1.20: Huella de desgaste del recubrimiento compuesto por la mezcla de

Ni/grafito/TiC, zona A: capa de material adherido, zona B: superficie del recubrimiento

Kang et al., en 2009, hicieron la caracterización de capas compuestas de

3Cr13/FeS sobre un sustrato de acero AISI 1045 y también determinaron sus

propiedades tribológicas. El ensayo de desgaste se hizo en una configuración bola sobre

disco bajo condiciones sin y con lubricación de aceite, la bola usada fue de acero 52100

con un diámetro de 6,35 mm y una dureza de HV 770; bajo condiciones en seco y con

lubricación se usó una carga de 5 N y 40 N, una velocidad de 0,2 m/s y un tiempo de 60

min y 2 h, respectivamente. La fuerza de fricción y profundidad de la huella se midieron

con un sensor de fuerza y desplazamiento. Los esfuerzos compresivos en la capa por

3Cr13 fueron de 164 MPa y en la capa compuesta por 3Cr13/FeS fueron de 209 MPa,

los esfuerzos residuales compresivos puede prevenir la propagación de grietas y

extender su vida útil. De los ensayos tribológicos en seco, mostrados en la figura 1.21

para las muestras de acero, acero/FeS y acero 3Cr13/FeS, se obtuvo que el coeficiente de

fricción para la capa de 3Cr13/FeS inicialmente fue de 0,026 y luego alcanzó un estado

estacionario en 0,124, siempre el coeficiente de fricción se mantuvo por debajo respecto

a las otras dos muestras; análogamente ocurre con la profundidad de la huella producto

del desgaste; de lo que se puede decir que la capa compuesta por 3Cr13/FeS reduce

excelentemente la fricción y tiene altas propiedades antidesgaste.

37

Fig. 1.21: Curvas de propiedades tribológicas de las tres muestras bajo condición de deslizamiento seco, derecha: coeficiente de fricción, izquierda: profundidad desgastada.

En la figura 1.22 se muestran las superficies de desgaste de acero 1045, capa de

FeS y capa de 3Cr13/FeS bajo condiciones de deslizamiento en seco, el desgaste fue más

severo en el acero, le sigue en la capa de FeS y menos severo en la capa compuesta.

Bajo condiciones de lubricación no hay huella aparente en la capa compuesta de

3Cr13/FeS, lo que indica que esta capa puede reducir continuamente la fricción y el

efecto del desgaste. De lo anterior se puede decir que los esfuerzos compresivos en la

capa compuesta de 3Cr13/FeS controlan la aparición de grietas en la superficie y

mejoran el desempeño del recubrimiento, y que además esta capa reduce grandemente la

fricción y aumenta la resistencia desgaste bajo condiciones sin y con lubricación en

aceite (Kang et al., 2009).

Fig. 1.22: Superficies de desgaste de acero 1045, capa de FeS y capa de 3Cr13/FeS

condiciones de deslizamiento en seco, de izquierda a derecha respectivamente.

Wang et al. en 2008 estudiaron la microestructura y las propiedades ante el

deslizamiento de recubrimientos compuestos con TiC/FeCrBSi hechos por la técnica de

revestimiento con láser. Como material para el recubrimiento se usó una aleación

autofundente de Fe (FeCrBSi), una aleación de ferrotitanio (Fe-Ti) y cristales de grafito

38

(99,5% de pureza), usando parámetros controlados se realizó la deposición de los

polvos. Los ensayos de desgaste se llevaron a cabo según una configuración de bloque

sobre anillo, el material del anillo fue de W18Cr4V, las contrapartes estáticas fueron las

muestras recubiertas, se usó una carga de 49 N, una velocidad y distancia deslizante de

0,84 m/s y 1008 m. El comportamiento frente al desgaste del recubrimiento compuesto

reveló que tiene gran resistencia al desgate abrasivo porque presentó la más baja pérdida

de masa debido a la alta dureza y alta estabilidad de la temperatura de las partículas de

TiC; el coeficiente de fricción del recubrimiento TiC/FeCrBSi fue de ~0,41 y del

recubrimiento FeCrBSi de ~0,47, los cuales son menores que el obtenido para el sustrato

de acero (~0,68) , esto puede ser atribuido a la alta dureza del recubrimiento compuesto,

resultando en una menor área de contacto, por lo tanto, menor número de uniones que

requieren menos energía para ser cortada durante el deslizamiento en comparación con

el acero 1045 . El recubrimiento reforzado con TiC puede mejorar la dureza y la

resistencia al desgaste sin el aumento del coeficiente de fricción. Los recubrimientos

reforzados por las partículas de TiC mostraron una mayor resistencia al desgaste y

menor coeficiente de fricción que la del sustrato y el recubrimiento de FeCrBSi (Wang

et al., 2008).

Por otra parte, Chen et al., en 2005, estudiaron el comportamiento ante el

desgaste por deslizamiento de recubrimientos a base de una aleación autofundente de Ni

revestidos con láser y co-depositados con metales duros de carburo de tungsteno y

cobalto convencionales y nanoestructurados, también fue adicionado CeO2. Los

recubrimientos fueron depositados sobre un sustrato de acero 1045 con un espesor entre

1,1-1,2 mm. Los ensayos de desgaste se realizaron bajo una configuración bloque sobre

anillo, el anillo fue de WC-20% Co con un diámetro de 47 mm y ancho de 10 mm, se

usó una distancia y una velocidad deslizante de 2000 m y 0,5 m/s respectivamente, y una

carga de 400 N. La observación y análisis de las superficies de los recubrimientos se

hizo por MEB con EDS. Aunque los recubrimientos de la aleación autofundente tienen

alta dureza, estos son menos duros que el anillo de WC-20% Co sobre el cual fueron

deslizados, por lo que presentan una pérdida de masa alrededor de 71 mg. Las

39

propiedades tribológicas fueron mejoradas con los reforzamientos aplicados (Chen et al.,

2005).

Zhang et al. en 2008 caracterizaron el efecto del Niobio (Nb) sobre la resistencia

al desgaste de una aleación base Hierro (Fe) producida por la técnica de revestimiento

con laser por plasma. Estudiaron tres condiciones: acero 1045, recubrimiento sin Nb y

recubrimiento con Nb. Los ensayos de desgaste deslizante en seco se realizaron en una

configuración de bola sobre disco, se usó una contraparte de Alúmina de 12 mm de

diámetro, la carga fue de 200 N y la velocidad de deslizamiento de 200 r/min por un

tiempo de 30 min. El acero tuvo desgaste adhesivo severo, la huella del recubrimiento

sin Nb tuvo zonas donde el material fue arrancado y la del recubrimiento con Nb fue

suave con líneas de deslizamiento. Las partículas de desgaste para cada condición

disminuían de tamaño de acuerdo a lo siguiente: acero 1045, recubrimiento sin Nb y

recubrimiento con Nb; las partículas de desgaste del acero tuvieron una distribución de

tamaño con una morfología irregular y aplanada. El coeficiente de fricción para el acero

1045 osciló alrededor de 0,7, para el recubrimiento sin Nb fue 0,48 y para el

recubrimiento con Nb 0,35 (Zhang et al., 2008).

40

CAPÍTULO II

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En este capítulo se señalan, a detalle, todos los ensayos, análisis y cálculos

realizados para obtener los resultados requeridos en esta investigación y así cumplir con

los objetivos planteados para el estudio.

A continuación se presenta un esquema de la secuencia seguida durante los

experimentos.

Elimina la rugosidad

41

Fig. 2.1: Esquema del procedimiento experimental.

Muestras de acero 1045

Limpieza con solvente universal

Precalentamiento a 110°C con Acetileno

Granallado

Prepapración metalográfica superficial y en la sección transversal

MO y MEB-EDS en la sección transversal, superficial, huella de desgaste en el recubrimiento y en la contraparte

estática; y las partículas de desgaste.

DRX de las muestras con y sin tratamiento térmico

Ensayos de microdureza Vickers en la sección transversal

Medición de la rugosidad

Ensayos de desgaste deslizante en seco, en configuración ball on disk

Perfilometria de contacto

Proyección térmica por

Plasma

Proyección térmica por

Llama

Muestras sin tratamiento

térmico

Muestras con tratamiento

térmico

Muestras sin tratamiento

térmico

Muestras con tratamiento

térmico

Tratamiento térmico en atmosfera

controlada

Ensayos de Dureza

Elimina la rugosidad

Haz tres cuadros aquí que diganVolumen de desgaste y constante de desgasteMecanismos de desgaste ( MEB, EDS)Conclusiones

42

2.1 Descripción del Procedimiento Experimental

2.1.1 Preparación del sustrato

El material del sustrato es acero estructural denominado acero SAE 1045. Este es

comúnmente utilizado en la fabricación de ejes, engranajes, cigüeñales y otros elementos

de máquinas debido a las buenas propiedades mecánicas que ofrece. La composición

química elemental del mismo se muestra en la tabla 2.1.

Tabla 2.1: Composición química elemental del acero estructural SAE 1045.

%C %Mn %P (max) %S (max) %Fe

0,43-0,50 0,60-0,90 0,040 0,050 Balance

Previo al rociado del polvo de la aleación Metco 449P se realizó una preparación

del sustrato, con el fin de garantizar la buena adherencia del recubrimiento sobre el

mismo. Fue necesario someter a las probetas (con un espesor 6 mm) a una serie de

procedimientos para eliminar impurezas y poner en condición óptima las propiedades

para la deposición del polvo.

1) Se realizó una limpieza al sustrato con un solvente universal (Thinner). Esto

con el fin de eliminar grasa o cualquier impureza presente en la superficie de

la probeta.

2) Se precalentaron las probetas hasta una temperatura de 110°C con una llama

de acetileno para eliminar toda humedad producto de la etapa de limpieza con

el solvente universal.

3) Posteriormente, se procedió a realizar el granallado de las probetas. Este

procedimiento permite obtener una superficie altamente rugosa, lo que

mejora la adherencia del recubrimiento sobre el sustrato. En el granallado se

utilizaron partículas de alúmina de 1-3 mm de diámetro, las mismas

Pasa esto para la primera página para que no quede tanto espacio

de elementos

Térmico o termorrociado

43

impactaron la superficie con la ayuda de un equipo con aire comprimido a 60

Psi.

2.1.2 Proyección térmica por Plasma

La proyección térmica se realizó 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. Los parámetros utilizados en el

termorrociado se muestran en la tabla 2.2.

Tabla 2.2: Parámetros del termorrociado por Plasma durante la deposición del recubrimiento.

Amperaje Voltaje Distancia de rociado Tasa de deposición

800 A 36 V 17-18 cm 48-52 g/min

A medida que se realizaba el rociado se controlaba el espesor aparente del

recubrimiento con un tornillo micrométrico. El rociado se realizó hasta alcanzar 800 μm

aproximadamente.

2.1.3 Proyección térmica por Llama

El rociado se realizó con un equipo de marca Mecto 5P configurado con una

boquilla P7-G, con una tasa de deposición de 20 gr por cada 30 segundos y una distancia

de rociado de 230 mm aproximadamente. Se usaron como gas comburente y de

combustión oxígeno y acetileno, respectivamente, los parámetros de los gases se

observan en la tabla 2.3.

44

Tabla 2.3: Parámetros de los gases durante la proyección térmica por Llama.

Gas Flujo (PCM) Presión (Psi)

Oxígeno 34 30

Acetileno 34 15

2.1.4 Tratamiento térmico

Posterior a la proyección térmica por Plasma y por Llama se tomaron la mitad de

las muestras y se sometieron a un tratamiento térmico en atmosfera contralada con

argón. Se realizó en un horno eléctrico Marca Cavehor modelo DTC 600 C, el cual

funciona con resistencias eléctricas y es capaz de mantener una atmósfera controlada de

diferentes gases. Se usó argón debido a que es un gas inerte que permite el

desplazamiento del aire, inhibiendo, en cierto grado, la oxidación de las probetas durante

el calentamiento. Este horno es programable para dar las tasas de aumento de

temperatura y mantenerlas por un tiempo dado por el operador.

El tratamiento térmico consistió en dos rampas de calentamiento, a una tasa de

200 °C/h. En la primera rampa se calentó el horno, de acuerdo a la tasa ya mencionada,

hasta alcanzar los 100 °C y manteniéndose a esa temperatura por 30 minutos, con el fin

de mantener el flujo de argón y desplazar completamente el aire remante dentro del

horno. En todo momento se garantizó que la presión de argón se mantuviera positiva

dentro del horno. La segunda rampa de temperatura también se realizó a la misma tasa

de calentamiento hasta alcanzar 600 °C, se mantuvieron por 30 minutos a esa

temperatura, para asegurar que todas las probetas estuvieran a la temperatura deseada en

toda su geometría. (fig. 2.2)

45

Fig. 2.2: Etapas del tratamiento térmico en atmosfera controlada con argón.

El enfriamiento se realizó dentro del horno con las resistencias eléctricas

apagadas, y manteniendo el flujo de argón, en un tiempo aproximado de 16 horas, hasta

alcanzar la temperatura ambiente.

2.1.5 Preparación metalográfica

Para los procedimientos de caracterización es necesaria una superficie con un

acabado adecuado, por lo tanto, las muestras termorrociadas por plasma y por llama sin

y con tratamiento térmico fueron sometidas a una preparación metalográfica.

2.1.5.1 Corte y embutido

El corte se realizó en una cortadora de marca BUEHLER modelo SamplMet con

un disco abrasivo de SiC, también se utilizó una cortadora de disco de diamante para los

cortes más precisos. En todo momento se cortaron las muestras, garantizando que el

disco ejerciera un esfuerzo compresivo sobre el recubrimiento, para no debilitar la

adherencia entre el recubrimiento y el sustrato. Las muestras para la caracterización

microestructural y evaluación de sus propiedades mecánicas se cortaron en pequeñas

Verifica este modelo

46

probetas, exponiendo su sección transversal. Mientras que las muestras para los ensayos

de desgaste deslizante se cortaron de tal forma que la superficie recubierta tuvieran una

sección de 1,5x1,5 cm. Se cortaron cuatro (4) probetas para caracterización

microestructural y microdureza, y dieciséis (16) probetas para la caracterización

tribológica.

El embutido se realizó en las muestras cortaras para la caracterización de su

sección transversal debido a su pequeño tamaño y la dificultad que esto conlleva al

realizar los siguientes pasos de la preparación metalográfica. El mismo se realizó en una

embutidora marca BUEHLER modelo SimpliMet con una resina termoendurecible,

siguiendo el procedimiento mostrado en la tabla 2.4.

Tabla 2.4: Proceso de embutición para una resina termoendurecible.

Parámetro Calentamiento Enfriamiento

Presión (Psi) 100 4200

Tiempo (min) 20 20

2.1.5.2 Desbaste y pulido

Para el desbaste y pulido de las muestras se utilizó una maquina BUEHLER

MetaServ 2000. El desbaste de las muestras en sección transversal se realizó con disco

de diamante #120, 220 y 1200 girando a 300 rpm. El pulido se hizo con suspensiones de

alúmina de 1; 0,3 y 0,05 μm a una velocidad de 200 rpm; en todo momento el giro del

disco fue en sentido entrante al recubrimiento, así como se mencionó en la sección 2.4.1.

En el caso de las muestras para los ensayos tribológicos, se realizó el desbaste en la

superficie recubierta. El mismo se hizo con discos de papel abrasivo de carburo de

silicio (SiC) #120, 320, 400, 600, 1200 y 2000 girando a 300 rpm, el pulido se realizó de

igual forma con suspensiones de alúmina de 1 y 0,3 μm a una velocidad de 200 rpm. En

el caso de estas muestras, el desbaste se realizó de forma convencional, al realizar el

desbaste las líneas dejadas por el desbaste anterior se eliminan girando la muestra 90° y

desbastando hasta eliminar las líneas perpendiculares.

cortadas

47

Luego de cada etapa de pulido, las muestras fueron lavadas en ultrasonido con

propanol en un limpiador ultrasónico marca LECO, modelo UC-50.

2.1.6 Observación por Microscopía Óptica (MO), Microscopía Electrónica

de Barrido (MEB) y Espectroscopía por dispersión en la energía de rayos X (EDS)

La caracterización microestructural del recubrimiento y la evaluación de las

propiedades tribológicas del mismo y de la contraparte estática se hizo mediante MO y

MEB.

2.1.6.1 Microscopia Óptica (MO)

Por Microscopia Óptica se observó la sección transversal de los recubrimientos

utilizando un Microscopio óptico de marca Olympus, donde se tomaron, a diferentes

aumentos, diez (10) campos de cada aumento. También se tomaron varias imágenes de

las huellas dejadas tras los ensayos de microindentación Vickers.

2.1.6.1.1 Medición de la porosidad

La porosidad de los recubrimientos se midió por medio de un procesador de

imágenes llamado Imagen J. Con el mismo se hizo un conteo de puntos filtrando

colores, dividiéndolos en sus tonos más claros y oscuros para obtener una imagen

binaria (blanco y negro) donde las zonas más oscuras representan a los poros en la

imagen. La medición se hizo en diez (10) imágenes de la sección transversal de cada

muestra, y tomando el promedio de los valores se obtuvo la porosidad del recubrimiento.

2.1.6.1.2 Medición del espesor del recubrimiento

Utilizando el procesador de imágenes usado para calcular la porosidad, se midió

el espesor de los recubrimientos, se realizaron cinco (5) mediciones por cada muestra y

tomando el promedio de los valores se obtuvo el espesor del recubrimiento.

limpiadas

Determinación

48

2.1.6.2 Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) y Espectroscopía por

dispersión en la energía de rayos X (EDS)

Con un Microscopio Electrónico de Barrido marca PHILIPS modelo XL 30, se

caracterizaron los recubrimientos en su sección transversal y en su superficie, haciendo

uso del EDS para analizar químicamente alguna partícula relevante.

También se observó la huella dejada sobre el recubrimiento y la contraparte

estática tras los ensayos de desgaste deslizante, tomando en cuenta las partículas

relevantes sobre el recubrimiento y sobre la bola para hacer análisis químico por EDS.

El estudio de las huellas fue realizado en la modalidad de Electrones Secundarios

(ES) para obtener el análisis topográfico de la superficie y de Electrones

Retrodispersados (ER) para obtener el análisis de composición aproximado de la misma.

Por medio de esta técnica se tomaron las medidas del diámetro de las huellas

para calcular el volumen de desgaste sobre las bolas, por medio de la ecuación 2.1

(Norma ASTM G99-05).

𝑉𝐷 = 𝜋𝐷𝐻4

64𝑅 Ecuación 2.1

Donde:

VD: Volumen de desgaste (mm3)

DH: Diámetro de la huella de desgaste en la contraparte estática (mm)

R: Radio de la contraparte estática (mm)

Con el valor de volumen de desgaste calculado se procedió a determinar la

constante de desgaste k o tasa de desgaste, usando la ecuación 2.2.

𝑘 = 𝑉𝑆 𝑃

Ecuación 2.2

Donde:

k: Constante de desgaste

V: Volumen de desgaste (mm3)

S: Carga normal aplicada (N)

P: Distancia de deslizamiento (m)

posterior a

49

Así mismo, se observaron las partículas de desgaste (debris), producto de los

ensayos, para hacer su caracterización.

2.1.7 Difracción de Rayos X

Para este análisis fue necesario cortar muestras de aproximadamente 1x 0,5 x 0,5

cm. El análisis se realizó en las muestras recubiertas por termorrociado por plasma y

llama con y sin tratamiento térmico. Se usó 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°. Los

datos se procesaron con la ayuda de una base de datos, PCPDWIN.

2.1.8 Ensayos de desgaste deslizante

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 CSEM, bajo la configuración de bola sobre disco (fig.

2.3). Este tipo de ensayos es empleado para evaluar coeficientes de fricción y desgaste.

Fig. 2.3: Equipo para desgaste deslizante en seco.

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

Creo que es PCPDFWIN verificarlo con el programa

CSM

50

normal de 10 N, la velocidad de deslizamiento fue de 0,11 m/s, la distancia de

deslizamientos fue de 1000 m, que es equivalente a 31831 vueltas para un radio de

huella de desgaste de 5 mm. Los ensayos se realizaron de acuerdo a lo mostrado en tabla

2.5. Las contrapartes estáticas fueron bolas de dos materiales: acero 52100 y WC-6Co,

de 6 mm de diámetro. Cada condición se ensayó por duplicado para garantizar su

reproducibilidad.

Tabla 2.5: Condiciones de las muestras a ensayar y sus contrapartes correspondientes.

Condición Contraparte estática

Termorrociado por plasma sin tratamiento térmico Acero 52100

Termorrociado por plasma sin tratamiento térmico WC-6Co

Termorrociado por plasma con tratamiento térmico Acero 52100

Termorrociado por plasma con tratamiento térmico WC-6Co

Termorrociado por llama sin tratamiento térmico Acero 52100

Termorrociado por llama sin tratamiento térmico WC-6Co

Termorrociado por llama con tratamiento térmico Acero 52100

Termorrociado por llama con tratamiento térmico WC-6Co

Por medio de estos ensayos se obtuvieron los valores de coeficiente de fricción

respecto a los ciclos, lo que permitió obtener los coeficientes de fricción promedio para

cada condición.

2.1.9 Medición del volumen y tasa de desgaste de los recubrimientos

El volumen de desgaste de las muestras ensayadas se determinó mediante pérdida

de peso con una balanza de marca Denver Instrument APX-200, la cual tiene una

desviación de 0,1 mg. Antes de después de cada ensayo se pesó cada muestra para

registrar la variación de su masa producto del proceso de desgaste. A partir de las

ecuaciones de la norma ASTM G99-05 se calculó el volumen de desgaste y la tasa de

Aquí deberías colocar la nomenclatura que estas utilizando para más adelante, ej. RTLSTT

Determinación

y

51

desgaste. El volumen de degaste del recubrimiento se calculó de acuerdo a la ecuación

2.3.

𝑉𝐷 = 𝑚𝑝

𝜌 Ecuación 2.3

Donde:

VD: Volumen de Desgaste (mm3)

mp= Masa perdida del recubrimiento (g)

ρ= Densidad del recubrimiento (g/mm3)

Con el valor de volumen de desgaste calculado se procedió a determinar la

constante de desgaste k, usando la ecuación 2.2.

2.1.10 Ensayos de microdureza Vickers

Las microindentaciones se realizaron en la sección transversal de las muestras. El

ensayo se hizo en un equipo marca BUEHLER, donde se trabajó con un indentador de

punta de diamante, la carga usada durante la indentación fue de 300 gf por un tiempo de

12 segundos. Se realizó un barrido de dureza desde la parte superior del recubrimiento

descendiendo hacia el sustrato. Dependiendo del espesor del recubrimiento se hicieron

una o dos filas de indentaciones, con tres diagonales de separación entre fila y fila, y tres

diagonales a un lado. Se hizo una fila de indentaciones en la capa de adherencia y dos

filas en el sustrato, la separación entre fila y fila, y entre cada indentación fue de dos

diagonales. En la figura 2.4 se muestra un esquema del barrido de dureza realizado.

Dureza

52

Fig. 2.4: Esquema donde se observa la disposición de las microindentaciones en la

sección transversal de las muestras.

A partir de las diagonales de las indentaciones realizadas se procedió a obtener el

valor de la diagonal promedio y así calcular la dureza, la misma se calculó a partir de la

ecuación 1.2 en la sección 1.5.2 del capítulo I.

53

CAPÍTULO III

RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

3.1 Caracterización microestructural

3.1.1 Análisis por Difracción de Rayos X (DRX)

Por medio del análisis por DRX se obtuvieron los difractogramas que señalan los

elementos y compuestos presentes en las diferentes condiciones de los recubrimientos

estudiados (fig. 3.1-3.4).

En ellos se puede observar que el elemento principal presente en todas las

condiciones de los recubrimientos es el Hierro (Fe) como era de esperarse, debido a que

el mismo es el elemento mayoritario presente en la composición de la aleación Metco

449P, como se observa en la tabla 1.1 del capítulo I.

Asimismo, se puede notar la presencia de carburos con molibdeno (MoC y

Mo2BC) en los recubrimientos termorrociados por llama y plasma sin y con tratamiento

térmico. Los carburos de molibdeno pueden formarse a temperaturas entre 1200 y 1400

°C (Améstica et al., 2010). Es por ello que se encuentran presentes en las cuatro (4)

condiciones del recubrimiento, debido a que los dos tipos de termorrociados alcanzan

temperaturas superiores a las necesarias para su formación; excepto el Mo2BC en el

recubrimiento termorrociado por plasma con tratamiento térmico. Su presencia permite

mejorar la resistencia a la deformación, la dureza y mantenerla a altas temperaturas.

La presencia de algunos compuestos aumenta al realizar el tratamiento térmico,

esto se nota ya que los picos de los mismos son más intensos en los difractogramas para

estas condiciones, 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.

En los difractogramas también se observan los picos de carburo de hierro (Fe3C).

Este compuesto es duro y frágil, de baja resistencia a la tracción pero de alta resistencia

54

compresiva (Avner, 1988). Por lo tanto, su presencia podría mejorar las propiedades

mecánicas y tribológicas de los recubrimientos.

Se puede notar, mayormente en los recubrimientos termorrociados por llama, la

presencia de óxidos de hierro como: FeO y FeFe2O4, debido a que durante el rociado por

esta técnica las partículas pueden interaccionar con el oxígeno del gas de transporte y,

por lo tanto, oxidarse. Algunos otros compuestos identificados son: AlFe, B6Fe23.

En la tabla 3.1 se muestran lo compuestos presentes en los recubrimientos y los

que posiblemente también están pero en menor proporción. Es importante destacar que

compuestos como Al5Mo y Mo2BC podrían estar presentes en los recubrimientos sin

tratamiento térmico, sin embargo, su presencia aumenta luego del tratamiento, lo que se

observa por el aumento de la intensidad de los picos más pequeños.

Fig. 3.1: Difractograma del RTLSTT.

55

Fig. 3.2: Difractograma del RTLCTT.

Fig. 3.3: Difractograma del RTPSTT.

56

Fig. 3.4: Difractograma del RTPCTT.

Tabla 3.1: Compuestos presentes en los recubrimientos.

Compuestos identificados

Código de identificación según la

base de datos PCPDWIN

Fe 85-1410 AlFe 33-0020 Fe3C 85-1317 FeO 03-0968

FeFe2O4 19-0629 Posibles compuestos

MoC 45-1015 Al5Mo 25-1132 Mo2BC 18-0250 B6Fe23 47-1332

57

3.1.2 Análisis por Microscopía Óptica (MO)

3.1.2.1 Recubrimientos termorrociados por llama

3.1.2.1.1 Morfología

A continuación se muestran las fotomicrografías por MO de la sección

transversal de los recubrimientos termorrociados por llama sin y con tratamiento térmico

(RTLSTT y RTLCTT), respectivamente. En la figura 3.5 se puede observar el sustrato

del acero SAE 1045 y el recubrimiento de la aleación Metco 449P.

(a) (b)

Fig. 3.5: Fotomicrografías por MO de la sección transversal del (a) RTLSTT y (b) RTLCTT, a 200X.

Los recubrimientos están compuestos por partículas semifundidas en forma

esferoidal distribuidas en la superficie; también se observa la presencia de “splats” o

partículas alargadas en forma de lamelas, las mismas conforman dos fases: una fase gris

claro mayoritaria, y otra gris oscuro en menor proporción, la diferencia entre sus

tonalidades puede deberse a su composición química. El recubrimiento también tiene

ciertas secciones negras, las mismas son porosidad proveniente del proceso de

termorrociado, la porosidad se observa presente, mayormente, en la fase gris claro (fig.

3.6).

Recubrimiento

Sustrato

Intercapa

Recubrimiento

Intercapa

Sustrato

Partícula de alúmina

58

(a) (b)

Fig. 3.6: Fotomicrografías por MO de la sección transversal del (a) RTLSTT y (b) RTLCTT, a 400X.

Entre el sustrato y el recubrimiento se observa una intercapa que posee una fase

gris oscuro y lamelas de mayor grosor que las presentes en el recubrimiento de la

aleación Metco 449P, lo que implica que antes de realizar el rociado de la aleación se

aplicó una capa de otro material, la misma funciona como una capa de adherencia entre

el sustrato y el recubrimiento. (fig. 3.5)

En la figura 3.5 (a) se observa que entre la capa de adherencia y el sustrato hay

una partícula de forma irregular, la misma podría ser un orificio en el cual anteriormente

se encontraba una partícula y fue arrancada por el proceso de corte; ésta es producto de

granallado realizado para la preparación previa el sustrato, podría ser una partícula de

alúmina incrustada.

Mediante observación por MO no se aprecia un cambio significativo entre ambas

condiciones producto del tratamiento térmico.

3.1.2.1.2 Espesor promedio

Por medio del programa Imagen J se realizó la medición del espesor de los

recubrimientos termorrociados por llama, en la medición se incluyó la capa de

adherencia debido a la dificultad de diferenciar la intercara entre el recubrimiento y la

capa de adherencia. Obteniéndose que para el caso del recubrimiento sin tratamiento

térmico el espesor promedio se observa en la tabla 3.2 y para el recubrimiento con

tratamiento térmico en la tabla 3.3. Se nota que el espesor para cada muestra es bastante

Partículas semifundidas Fase gris oscura

Fase gris oscura Porosidad

Fase gris claro

Fase gris claro

59

diferente, lo que implica que el proceso de termorrociado no se hizo homogéneamente

en todas las probetas. Por lo tanto, se podría decir que el espesor de los recubrimientos

termorrociados por llama está entre 225 y 550 μm.

Tabla 3.2: Espesor promedio de RTLSTT

RTLSTT

Medición Espesor

(μm) 1 253,918 2 221,56 3 287,435 4 239,569 5 271,856

Espesor promedio (μm) 254,868 Desviación 25,950

Tabla 3.3: Espesor promedio de RTLCTT.

RTLCTT

Medición Espesor

(μm) 1 506,6680 2 465,3510 3 480,0020 4 538,7720 5 565,3330

Espesor promedio (μm) 511,225 Desviación 41,190

3.1.2.1.3 Porosidad promedio

También se determinó el porcentaje de porosidad de los RTLSTT y RTLCTT, los

resultados de la medición se muestran en la tabla 3.4. La porosidad promedio obtenida

para el RTLSTT es de 18,7% y para el RTLCTT es de 19,7%, estos valores son muy

cercanos entre sí; tomando en cuenta la desviación estándar se puede observar que los

valores se solapan, por lo que no se podría decir que la porosidad es mayor en uno de los

60

recubrimientos. Este resultado permite indicar que el tratamiento térmico no tiene efecto

aparente en la porosidad del recubrimiento. Los porcentajes de porosidad están dentro

del intervalo esperado para los recubrimientos obtenidos por termorrociado por llama,

estando este intervalo entre 10 y 20% (Pawlowski, 2008).

Tabla 3.4: Porcentaje de porosidad promedio de RTLSTT y RTLCTT.

Medición % Porosidad

RTLSTT RTLCTT 1 18,2 23,5 2 19,5 20,7 3 16,8 24,4 4 22,9 19,7 5 16,8 23 6 17,6 17,4 7 15,2 19,4 8 19,5 16,2 9 18,5 15,9 10 22,4 16,4

Porosidad promedio 18,7 19,7 Desviación 2,4 3,2

3.1.2.2 Recubrimientos termorrociados por plasma

3.1.2.2.1 Morfología

Seguidamente se muestran las fotomicrografías por MO de la sección transversal

de los recubrimientos termorrociados por plasma sin y con tratamiento térmico

(RTPSTT y RTPCTT), respectivamente. En la figura 3.7 se observa el sustrato de acero

SAE 1045 y el recubrimiento de la aleación Metco 449P.

61

(a) (b)

Fig. 3.7: Fotomicrografías por MO de la sección transversal del (a) RTLPSTT y (b) RTPCTT, a 100X.

En el caso de los RTPSTT y RTPCTT se puede notar que, al igual que los

recubrimientos anteriores, están formados por una capa de adherencia y el recubrimiento

de la aleación ferrosa. Se puede diferenciar más fácilmente la aleación que conforma el

recubrimiento y el material de la capa.

El recubrimiento de la aleación ferrosa está formado por lamelas más delgadas

que las presentes en los recubrimientos termorrociados por llama, que también tienen

una fase gris claro mayoritaria, y otra gris oscuro en menor proporción. Es importante

notar, en la figura 3.9, que en la fase gris oscuro se encuentra concentrada mayor

cantidad de porosidad y de partículas semifundidas con forma redondeada, debido a que

esta fase se encuentra en el límite entre lamela y lamela (splat y splat). En las figuras 3.8

(a) y 3.9 (a) se nota que hay partículas bastantes grandes semiredondeadas, se podría

decir que son partículas no fundidas provenientes del polvo de la aleación Metco 449P,

ya que el mismo estaba formado por partículas de tamaño entre 45 y 120 μm. La capa de

adherencia tiene una fase gris oscuro con lamelas más gruesas que las presentes en el

recubrimiento en su parte superior.

Recubrimiento

Intercapa

Sustrato

Intercapa

Sustrato

Recubrimiento

Partículas de alúmina

62

(a) (b)


(a) (b)


En estos recubrimientos también se observa que hay partículas provenientes del

proceso de granallado. No se aprecia una diferencia significativa en la microestructura

de las condiciones debido al tratamiento térmico realizado.

3.1.2.2.2 Espesor promedio

Nuevamente por medio del programa Imagen J se calculó el espesor promedio

del recubrimiento, en este caso se midió el espesor del recubrimiento de la aleación

Metco 449P, de la capa de adherencia y el espesor del conjunto para ambas condiciones.

En las tablas 3.5 y 3.6 se tienen los espesores medidos y su valor promedio para los

recubrimientos sin y con tratamiento térmico, respectivamente. De las tablas se nota que

Fase gris oscura

Partícula no fundida

Fase gris oscura de la intercapa

Porosidad

Fase gris claro Partícula semifundida

63

el espesor promedio del recubrimiento, de la capa de adherencia y del conjunto es mayor

en la muestra tratada térmicamente, la diferencia aproximada entre los recubrimientos es

de 50 μm, respecto a la capa de adherencia está alrededor de 90 μm, y por último, el

conjunto recubrimiento-capa de adherencia tiene una diferencia de 150 μm

aproximadamente. El espesor de las recubrimientos termorrociados por plasma se

encuentra entre 420 y 570 μm.

Que la diferencia entre los espesores de los recubrimientos termorrociados por

llama y plasma sea tan notoria, siendo en el caso de los termorrociados por llama de 250

μm aproximadamente entre el no tratado y el tratado térmicamente, implica que en el

proceso de termorrociado por plasma se puede controlar mejor la distribución del

recubrimiento sobre el sustrato, permitiendo que éste sea más homogéneo sobre la

superficie.

Tabla 3.5: Espesor promedio del recubrimiento, la capa de adherencia y del conjunto para RTPSTT.

Espesor de RTPSTT (μm)

Medición Recubrimiento Capa de

Adherencia Conjunto 1 358,339 164,583 558,337 2 414,583 131,267 562,500 3 429,172 147,931 533,337 4 395,855 218,750 577,083 5 427,083 208,333 616,670

Valor promedio 405,006 174,173 569,585 Desviación 29,260 37,999 30,675

64

Tabla 3.6: Espesor promedio del recubrimiento, la capa de adherencia y del conjunto para RTPCTT.

Espesor de RTPCTT (μm)

Medición Recubrimiento Capa de

Adherencia Conjunto 1 370,676 72,012 432,002 2 333,333 81,333 405,336 3 372,002 78,667 417,333 4 336,000 84,011 417,342 5 346,667 113,341 441,335

Valor promedio 351,736 85,873 422,670 Desviación 18,584 15,989 14,078

3.1.2.2.3 Porosidad promedio

El porcentaje de porosidad promedio de los RTPSTT y RTPCTT se muestra en la

tabla 3.7. La porosidad promedio obtenida para el RTPSTT es de 4,3% y para el

RTPCTT es de 4,5%, tomando en cuenta la desviación estándar se podría decir que estos

valores prácticamente son iguales, no hay diferencia de porosidad entre los

recubrimientos no tratados térmicamente y aquellos que si fueron tratados. Al igual que

en los recubrimientos termorrociados por llama, el tratamiento térmico no tiene efecto

significativo sobre la porosidad de los recubrimientos termorrociados por plasma. Los

porcentajes de porosidad están dentro del intervalo esperado para los recubrimientos

obtenidos por termorrociado por plasma, estando este intervalo entre 1 y 10% (Struers).

Ernest y Faublack en 2012 discuten que se produjo una densificación de la

estructura luego del tratamiento térmico, sin embargo, de acuerdo a la obtenido en esta

investigación se puede decir que no hubo tal densificación, ya que no hay una diferencia

notable en la porosidad.

Como se nota en las tablas 3.4 y 3.7, hay una gran diferencia en la porosidad de

los recubrimientos obtenidos por termorrociado por llama y por plasma, como era de

esperarse de acuerdo a la literatura. Por lo tanto se espera que las propiedades mecánicas

de aquellos termorrociados por plasma sean superiores a los termorrociados por llama.

65

Tabla 3.7: Porcentaje de porosidad promedio de RTPSTT y RTPCTT.

Medición % Porosidad

RTPSTT RTPCTT 1 2,4 4,9 2 2,3 3,5 3 5,3 3,2 4 3 6,5 5 6,4 5,9 6 6,1 2,4 7 6,2 5 8 5 4,2 9 3,6 4,1 10 2,4 4,9

Porosidad promedio 4,3 4,5 Desviación 1,7 1,2

3.1.3 Análisis por Microscopía Electrónica de Barrido (MEB)

3.1.3.1 Superficie

En la figura 3.10 se observan las superficies preparadas metalográficamente de

los RTLSTT (a) y RTLCTT (b), en éstas se observa que las superficies son muy

irregulares, con alta porosidad. Hay gran cantidad de partículas esféricas en ambas

superficies (fig. 3.11), estas son partículas no fundidas. Se puede notar que la alta

porosidad de la superficie se debe a la falta de cohesión entre las partículas.

66

(a) (b)

Fig. 3.10: Fotomicrografía por MEB de la superficie de (a) RTLSTT y (b) RTLCTT, en el modo de electrones secundarios a 100X.

(a) (b)

Fig. 3.11: Fotomicrografía por MEB de la superficie de (a) RTLSTT y (b) RTLCTT, en el modo de electrones secundarios a 500X.

En las fotomicrografías tomadas en el modo de electrones retrodispersados (ER)

por MEB se pueden observar las diferentes fases que componen los recubrimientos

termorrociados por llama con y sin tratamiento térmico (fig. 3.12). Se puede ver

claramente cuatro (4) fases diferentes: una gris claro (asignada con 1 en la tabla 3.8 y

3.9), otra gris oscuro (asignada con 3 en la tabla 3.8), otra negra (asignada con 2 y 3 en

la tabla 3.8 y 3.9, respectivamente) y por último una fase blanca (asignada con 2 en la

tabla 3.9). De allí se nota que las fases gris claro y la negra son ricas en Fe, Al y O, con

un poco de Mo, por lo que pueden ser una combinación de óxidos de Fe y Al, con una

solución sólida de Fe, la diferencia en sus colores radica en la proporción de los

elementos presentes, algunos de los compuestos podrían ser: AlFe, FeO, MoC, como se

observo por DRX. La fase de color gris oscuro, para el caso del RTLSTT, es rica en Fe y

Porosidad

Partículas no fundidas

Poros

Poros

67

O, con ciertas cantidades de Al y Mo (FeFe2O4 y Al5Mo); mientras que para el RTLCTT

es rica en Fe y Mo. Por último, la fase blanca es rica en Fe y Mo, lo que podría ser un

compuesto de la combinación de los elementos (solución solida de Fe con MoC). Es

importante destacar que por esta técnica no se cuantificó el carbono presente, por lo que

los compuestos mencionados anteriormente también están combinados con este

elemento, así como se observó por DRX, donde se encontró la presencia de carburos de

Fe y Mo.

(a) (b)

Fig. 3.12: Fotomicrografía por MEB de la superficie de (a) RTLSTT y (b)

RTLCTT, en el modo de electrones retrodispersados a 800 y 500X, respectivamente, con su respectivo EDS.

2

3

1

2

1

3

1

3

2

68

Tabla 3.8: Composición química de elementos por EDS de las fases presentes en el RTLSTT.

RTLSTT(%)

Punto O Al Mo Mn Fe W 1 31,10 28,85 1,39 2,15 31,87 4,64 2 26,52 9,13 2,33 62,02 3 41,46 53,66 4,88


RTLCTT. RTLCTT(%)

Punto O Al Mo Fe 1 2,17 97,83 2 40,58 59,42 3 41,49 44,53 13,98

Se observa, en la figura 3.13, la superficie de los RTPSTT (a) y RTPCTT (b). Al

igual que en los recubrimientos anteriores se nota una superficie irregular con porosidad.

Sin embargo, la porosidad es menor que en los recubrimientos termorrociados por llama,

como era de esperarse. Hay menor cantidad de partículas no fundidas respecto a los

recubrimientos termorrociados por llama, eso se debe a las altas temperaturas que se

alcanzan en el termorrociado por plasma que permiten que mayor cantidad de polvo se

funda; a su vez la cohesión entre las mismas es más fuerte, lo que reduce

considerablemente la porosidad. (fig. 3.14)

69

(a) (b)

Fig. 3.13: Fotomicrografía por MEB de la superficie de (a) RTPSTT y (b) RTPCTT, en el modo de electrones secundarios a 100X.

(a) (b)

Fig. 3.14: Fotomicrografías por MEB de la superficie de (a) RTPSTT y (b) RTPCTT, en el modo de electrones secundarios a 500X.

En la figura 3.15 se observan las superficies de los RTPSTT (a) y RTPCTT (b)

en el modo de electrones retrodispersados. En las tablas 3.10 y 3.11 se tienen la

composición química de elementos de las diferentes fases que componen los

recubrimientos. Al igual que en los recubrimientos termorrociados por llama se observan

tres (3) principales: una gris claro (1), otra blanca (2) y por último una fase gris oscuro

(3). Estas fases están compuestas principalmente por óxidos de hierro y aluminio, así

como carburos de hierro y molibdeno.

Porosidad

Partículas no fundidas

70

(a) (b)

Fig. 3.15: Fotomicrografías por MEB de la superficie de (a) RTPSTT y (b)

RTPCTT, en el modo de electrones retrodispersados a 800X, con sus respectivos EDS.

Tabla 3.10: Composición química de elementos por EDS de las fases presentes en el RTPSTT.

RTPSTT (%)

Punto O Al Mo Fe 1 7,71 51,05 41,24 2 13,60 0,77 75,05 10,58 3 21,11 1,41 0,99 76,49

1

2

3

71

Tabla 3.11: Composición química de elementos por EDS de las fases presentes en el RTPCTT.

RTPCTT (%)

Punto O Mo Fe 1 100 2 18,35 81,65 3 21,74 1,72 76,54

3.1.3.2 Sección transversal

Como se mencionó anteriormente, la sección transversal de los recubrimientos

termorrociados por llama está compuesta por una capa de adherencia sobre el sustrato, y

a su vez sobre ésta el recubrimiento de la aleación base hierro, como se muestra en la

figura 3.16.

En la figura 3.17 se muestra el detalle de la capa de adherencia, donde se señalan

algunas fases que la componen, sus elementos principales son Ni, Al y Mo. Por MO se

detalló que esta capa presenta una fase gris oscura, que por MEB en la modalidad de

electrones retrodispersados se observa de color negro, sus elementos principales son Al

y O, lo que implica que es un óxido de aluminio. También hay otras dos fases: una gris

claro y otra gris oscuro; la gris claro es rica en Ni y Mo, mientras que la oscura es rica en

Ni.

(a) (b)

Fig. 3.16: Fotomicrografías por MEB en modo de electrones retrodispersados de la sección transversal de los termorrociados por llama, (a) RTLSTT a 200X y (b)

RTLCTT a 100X.

72

(b) (b)

Fig. 3.17: Fotomicrografías por MEB de la capa de adherencia de (a) RTLSTT y

(b) RTLCTT, en el modo de electrones retrodispersados a 300X, con sus respectivos EDS.

Tabla 3.12: Composición química de elementos por EDS de las fases presentes en la capa de adherencia del RTLSTT.

Capa de adherencia (%)

Punto O Al Mo Ni 1 29,33 39,73 30,94 2 3,34 12,81 83,85 3 2,71 1,90 95,39

1 2 3

3

1

3

2

73

Tabla 3.13: Composición química de elementos por EDS de las fases presentes en la capa de adherencia del RTLCTT.


Punto O Al Mo Ni Fe 1 36,11 52,59 9,76 1,55 2 2,53 15,94 78,97 2,56 3 2,71 1,90 95,39

Como se observó en la sección transversal de los recubrimientos termorrociados

por llama, el recubrimiento está compuesto por diferentes fases. Las fases que se

detallan a continuación son las mismas que se observan en la superficie: una fase gris

claro rica en Fe (asignada con el 1 y 2 en la fig. 3.18 (a) y (b), respetivamente), una gris

oscuro rica en Fe y O (asignada con el 2 y 3 en la fig. 3.18 (a) y (b), respetivamente), y

una blanca rica en Fe y Mo (asignada con el 4 y 1 en la fig. 3.18 (a) y (b),

respetivamente). Con esta información se afirma que la diferencia en las tonalidades de

las fases descritas en la sección 3.1.2.1.1 se debe a las diferencias en su composición

química. Los compuestos que forman estas fases son los identificados por DRX.

74

(a) (b)

Fig. 3.18: Fotomicrografías por MEB del recubrimiento (a) RTLSTT y (b)

RTLCTT, en el modo de electrones retrodispersados a 800X, con sus respectivos EDS.

1

2

3

4

75

Tabla 3.14: Composición química de elementos por EDS de las fases presentes en recubrimiento del RTLSTT.

Recubrimiento (%)

Punto O Al Mo Fe 1 1,57 98,43 2 24,43 6,45 2,24 66,87 3 18,18 1,13 80,69 4 7,71 51,05 41,24


recubrimiento del RTLCTT. Recubrimiento

(%) Punto O Al Mo Fe

1 8,52 74,22 17,26 2 1,84 98,16 3 18,64 81,36

4 25,58 18,63 1,88 53,90

De igual forma, los recubrimientos termorrociados por plasma también cuentan

con la capa de adherencia (fig. 3.19), como se observó en la sección 3.1.2.2.1. Los

elementos que la componen son Ni, Al y Mo, como se había mencionado para el caso

anterior (fig. 3.20).

Fig. 3.19: Fotomicrografías por MEB del recubrimiento (a) RTLSTT y (b)

RTLCTT, en el modo de electrones retrodispersados a 800X, con sus respectivos EDS.

76

(a) (b)

Fig. 3.20: Fotomicrografías por MEB de la capa de adherencia de (a) RTPSTT y

(b) RTPCTT, en el modo de electrones retrodispersados a 300X, con sus respectivos EDS.


capa de adherencia del RTPSTT. Capa de adherencia

(%) Punto O Al Mo Ni Fe

1 2,44 96,97 0,59 2 16,13 83,87 3 42,28 57,72

1

2

3

77

Tabla 3.17: Composición química de elementos por EDS de las fases presentes en la capa de adherencia del RTPCTT.


Punto O Al Mo Ni Fe 1 3,37 95,75 0,88 2 26,15 35,81 38,03 3 2,90 13,48 83,62

En la figura 3.21 se observan los recubrimientos termorrociados por plasma sin y

con tratamiento térmico, en las tablas 3.18 y 3.19 se tiene la composición química de

elementos de las fases que los componen. Se nota que las fases presentes son análogas a

las encontradas en los RTLSTT y RTLCTT, sin embargo, el oxígeno presente en las

fases está en menor proporción, lo que es de esperarse debido a que la interacción de las

partículas con el medio ambiente, durante el termorrociado por plasma, es menor,

provocando menor cantidad de óxidos en el recubrimiento.

78

(a) (b)

Fig. 3.21: Fotomicrografías por MEB del recubrimiento de (a) RTPSTT y (b)

RTPCTT, en el modo de electrones retrodispersados a 1000X, con sus respectivos EDS.

Tabla 3.18: Composición química de elementos por EDS de las fases presentes en el recubrimiento del RTPSTT.

Recubrimiento (%)

Punto O Al Mo Fe 1 100 2 95,86 4,14 3 19,14 80,86

1

2

3

79

Tabla 3.19: Composición química de elementos por EDS de las fases presentes en el recubrimiento del RTPCTT.

Recubrimiento (%)

Punto O Al Mo Fe 1 100 2 23,39 6,86 69,75 3 10,38 73,93 15,68

3.2 Propiedades mecánicas

3.2.1 Dureza Vickers

En las figuras 3.22 y 3.23 se muestran los perfiles de dureza, a una carga de 300

gf, de los RTLSTT y RTLCTT, respectivamente. Ambas curvas tiene un

comportamiento parecido, la dureza en el recubrimiento es mayor que en la capa de

adherencia y a su vez la dureza de la capa de adherencia es menor que la del sustrato. La

dureza a 140 μm de la capa de adherencia (sobre el recubrimiento) es 277 Kg/mm2 (2,77

GPa) (RTLSTT) y 366 Kg/mm2 (3,66 GPa) (RTLCTT), lo que implica que el

tratamiento térmico permitió un aumento considerable de la dureza, aun cuando las

desviaciones son bastante grandes se puede notar la diferencia entre las durezas de

ambas condiciones, esto puede deberse a la formación de compuestos endurecedores

como carburos o boruros con el tratamiento térmico, como se vio en el análisis por

DRX. Respecto a la capa de adherencia, su dureza antes del tratamiento térmico es de

193 Kg/mm2 (1,93 GPa) y posteriormente desciende a 158 Kg/mm2 (1,58 GPa), sin

embargo, no se puede afirmar que hubo tal disminución ya que las desviaciones de

ambos valores permiten que se solapen. Por último, el sustrato que se encuentra cercano

a la capa de adherencia (a 100 y 200 μm) sin tratamiento térmico tiene una dureza

alrededor de 215 Kg/mm2 (2,15 GPa) y con tratamiento térmico es de 245 Kg/mm2 (2,45

GPa), lo que implica que ocurrió un endurecimiento producto del tratamiento térmico.

80

Fig. 3.22: Perfil de microdureza Vickers del RTLSTT.

Fig. 3.23: Perfil de microdureza Vickers del RTLCTT.

Con el fin de conocer la razón del incremento de la dureza del sustrato cercano al

recubrimiento se atacó la superficie preparada metalográficamente de acero SAE 1045 y

se observó en las zonas cercanas a donde se realizaron las indentaciones. En la figura

3.24 se observa la superficie del sustrato de los recubrimientos termorrociados por llama

sin y con tratamiento térmico. La microestructura está formada por granos de ferrita

proeutectoide (zona gris) con granos de perlita (zona negra) característicos de una acero

de medio carbono en condición de normalizado o recocido (Avner, 1988). Al observar

150,00 170,00 190,00 210,00 230,00 250,00 270,00 290,00 310,00 330,00

0 100 200 300 400 500

Dur

eza

(HV)

Distancia desde la parte superior del recubrimiento (μm)

Perfil de dureza del RTLSTT

RTLSTT

R E C U B R I M I E N T O

C A P A

DE

A D H E R E N C I A

S U S T R A T O

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

0 200 400 600 800

Dur

eza

(HV)


Perfil de dureza del RTLCTT

RTLCTT

C A P A

DE

A D H E R E N C I A

S U S T R A T O


sección transversal

las muestras recubiertas


las muestras recubiertas con termorrociado

81

las fotomicrografías se puede ver la gran similitud aparente del tamaño de grano entre

las condiciones sin y con tratamiento térmico, por lo que no se podría atribuir el

aumento de la dureza del sustrato a una variación del tamaño de grano por el tratamiento

térmico.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 3.24: Fotomicrografías del sustrato de acero SAE 1045 a aproximadamente 150 μm de la capa de adherencia, reactivo de ataque: Nital al 3%. (a) y (b) RTLSTT y RTLCTT

a 400X, respetivamente. (c) y (d) RTPSTT y RTPCTT a 1000X, respectivamente.

En la figura 3.25 se muestra microanálisis químico lineal realizado sobre los

recubrimientos termorrociados por llama antes y después del tratamiento térmico. En

ella se puede observar la variación del contenido de cada elemento presente a lo largo

del recubrimiento, la capa de adherencia y el sustrato. Para el RTLSTT el sustrato se

encuentra hasta aproximadamente 150 μm respecto al eje cero, la capa de adherencia

está entre 150 y 250 μm, y el recubrimiento representa el resto de la distancia.

Asimismo, para el RTLCTT el sustrato se encuentra hasta aproximadamente 300 μm

respecto al eje cero, la cada de adherencia está entre 300 y 400 μm, y el recubrimiento

representa el resto de la distancia. El Fe, como elemento mayoritario de la aleación base

el

Por EDX

capa

82

del recubrimiento y del sustrato, se puede ver claramente como no está presente en la

aleación que forma la capa adherencia, como se había visto en los microanálisis

químicos por EDS en las secciones anteriores, el Ni como elemento mayoritario de esta

capa se encuentra únicamente en esa zona antes y después del tratamiento térmico. Se

observa que el contenido de Mo en el sustrato en ambas condiciones es muy similar, al

igual que el contenido de Al. Debido a que con esta técnica no se puede determinar la

presencia y cantidad de elementos que se encuentran en muy bajas proporciones no se

podría atribuir el aumento de la dureza del sustrato luego del tratamiento térmico a la

difusión que algún elemento endurecedor. Es decir, mediante las técnicas observación

por MO y por microanálisis químico lineal no se puede explicar el aumento de la dureza

observada mediante microindentación Vickers.

de

de elementos po EDX

83

Fig. 3.25: Perfil lineal de composición química de elementos de los RTLSTT

(izquierda) y RTLCTT (derecha). Azul celeste: Fe, Azul rey: Ni, Verde: Al y Morado: Mo.

Estos dos últimos los puedes dejar y las dos primeras mimeografías con los perfiles montados el resto eliminalos.Cual es el azul rey? Y el morado? Mejor haz una leyenda con los colores o lo colocas arribas de la línea.

84

De igual forma, los perfiles de dureza de los RTLSTT y RTLCTT se muestran en

las figuras 3.26 y 3.27. Los perfiles de los recubrimientos termorrociados por plasma

siguen el mismo comportamiento que los termorrociados por llama. En los

recubrimientos termorrociados por plasma se realizaron dos (2) indentaciones a

diferentes distancias de la capa de adherencia debido a que estos son de mayor espesor

que los termorrociados por llama. Se puede ver que la dureza se mantiene

aproximadamente igual en la zona del recubrimiento; aunque en el caso del RTPSTT la

dureza aumenta mientras más cerca se esté de la capa de adherencia, no se puede

considerar que sea mayor la dureza ya que, debido a la desviación, los valores

prácticamente se solapan; de igual forma ocurre en el RTPCTT, sólo que este caso la

dureza disminuye levente mientras más cerca se esté de la capa de adherencia. Una vez

dicho lo anterior, se puede decir que el valor promedio de la dureza del RTPSTT es de

aproximadamente 323 Kg/mm2 (3,23 GPa), y con el tratamiento asciende a 440 Kg/mm2

(4,40 GPa), al igual que en el caso de los recubrimientos termorrociados por llama el

aumento de la dureza puede atribuirse a la formación carburos o boruros durante el

tratamiento térmico. Respecto a la capa de adherencia se aprecia que la dureza es

levemente mayor entre RTPCTT y RTPSTT, esto puede deberse al proceso de

termorrociado entre cada muestra y no como tal al tratamiento térmico, ya que la dureza

no cambia en igual proporción como en los casos anteriores. Nuevamente se observa que

el sustrato tiene un aumento en la dureza luego del tratamiento térmico, la dureza

asciende de 197 Kg/mm2 (1,97 GPa) a 244 Kg/mm2 (2,44 GPa).

Es importante destacar la diferencia en la dureza de los recubrimientos

termorrociados por llama y plasma, dando que en todo momento la dureza de los

segundos es mayor, lo que se atribuye a las condiciones de deposición que caracterizan

al termorrociado por plasma.

85

Fig. 3.26: Perfil de microdureza Vickers del RTPSTT.

Fig. 3.27: Perfil de microdureza Vickers del RTLCTT.

En la figura 3.28 se observa la superficie del sustrato de los recubrimientos

termorrociados por plasma sin y con tratamiento térmico. La microestructura está

formada por granos de ferrita proeutectoide (zona gris) con granos de perlita (zona

negra) característicos de una acero de medio carbono en condición de normalizado o

recocido (Avner, 1988), al igual que los encontrados que el sustrato de los

recubrimientos termorrociados por llama. Como en el caso de los recubrimientos

0,00 50,00

100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00

0 200 400 600 800 1000

Dur

eza

(HV)


Perfil de dureza del RTPSTT

RTPSTT


C A P A

DE

A D H E R E N C I A

S U S T R A T O

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

0 200 400 600 800

Dur

eza

(HV)


Perfil de dureza de RTPCTT

RTPCTT

R E C U B R I M I E N T o

S U S T R A T O

C A P A

DE

A D H E R E N C I A

para


Las muestras recubiertas

86

anteriores las fotomicrografías revelan la gran similitud aparente del tamaño de grano

entre las condiciones sin y con tratamiento térmico, por lo que, nuevamente, no se podría

atribuir el aumento de la dureza del sustrato a una variación del tamaño de grano por el

tratamiento térmico.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 3.28: Fotomicrografías del sustrato de acero SAE 1045 a aproximadamente 150 μm de la capa de adherencia, reactivo de ataque: Nital al 3%. (a) y (b) RTLPSTT y RTPCTT

a 400X, respetivamente. (c) y (d) RTPSTT y RTPCTT a 1000X, respectivamente.

En la figura 3.29 se muestra microanálisis químico lineal realizado sobre los

recubrimientos termorrociados por plasma antes y después del tratamiento térmico. Para

el RTPSTT el recubrimiento se encuentra hasta aproximadamente 250 μm respecto al

eje cero, la capa de adherencia está entre 250 y 350 μm, y el sustrato representa el resto

de la distancia. Asimismo, para el RTPCTT el recubrimiento se encuentra hasta

aproximadamente 200 μm respecto al eje cero, la capa de adherencia está entre 200 y

350 μm, y el sustrato representa el resto de la distancia. La distribución de los elementos

es simular a los recubrimientos termorrociados por llama, donde el Fe se encuentra

Aquí haz las mismas correcciones que te hice para el recubrimiento anterior

87

predominantemente en el sustrato y en el recubrimiento, y el Ni únicamente en la capa

de adherencia. Se observa que el contenido de Mo en el sustrato en ambas condiciones

es muy similar, al igual que el contenido de Al. A partir de estos resultados no se podría

explicar el por qué ocurrió un aumento de aproximadamente 50 Kg/mm2 entre la

condición sin tratamiento térmico y con tratamiento térmico, al igual que ocurre en los

recubrimientos termorrociados por llama.

88

Fig. 3.29: Perfil lineal de composición química de elementos de los RTPSTT

(izquierda) y RTPCTT (derecha). Azul celeste: Fe, Azul rey: Ni, Verde: Al y Morado: Mo.

89

3.3 Caracterización tribológica


termorrociados por llama y plasma sin y con tratamiento térmico frente a una

contraparte de acero 52100.

En las figuras de la 3.30 a la 3.33 se observan las curvas de variación del

coeficiente de fricción respecto al número de ciclos para cada condición de los

recubrimientos, para una contraparte estática de acero 52100. En la tabla 3.20 se tiene el

coeficiente de fricción para el punto de inflexión y el coeficiente de fricción promedio

asociado a cada curva. Se puede notar que para cada condición existe un incremento del

coeficiente de fricción para los primeros ciclos del ensayo hasta alcanzar un estado

semiestacionario donde el coeficiente de fricción tiende a disminuir, este

comportamiento está asociado al limado de asperezas entre las dos superficies en

movimiento relativo, es importante destacar que este comportamiento ocurre más

rápidamente para los recubrimientos con tratamiento térmico.

De la tabla se nota que el coeficiente de fricción para el punto de inflexión es

menor para los recubrimientos sin tratamiento térmico. El comportamiento estacionario

se observa mayormente en el RTPSTT, donde el coeficiente de fricción alcanza un valor

promedio más rápidamente respecto a los demás, siendo éste de 0,5052, el cual, también

es el menor coeficiente entre las cuatro (4) condiciones.

Se puede observar que las curvas se presentan sin mayores fluctuaciones, curvas

con este comportamiento están asociadas a un proceso donde no ocurre desgaste de una

de las superficies. Esto puede deberse a la formación de “debris” o partículas de desgaste

durante los primeros ciclos que posteriormente se adhirieron a la superficie del

recubrimiento debido a la baja velocidad del ensayo, formando así una capa suave que

estabiliza el coeficiente de fricción. El coeficiente de fricción promedio, para todas las

condiciones, se encuentra entre 0,50 y 0,55.

90

Fig. 3.30: Variación del coeficiente de fricción respecto a los ciclos del RTLSTT

frente a una contraparte estática de acero 52100 durante 31831 ciclos.

Fig. 3.31: Variación del coeficiente de fricción respecto a los ciclos del RTLCTT frente a una contraparte estática de acero 52100 durante 31831 ciclos.

0,1 0,15

0,2 0,25

0,3 0,35

0,4 0,45

0,5 0,55

0,6

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Coef

icie

nte

de fr

icci

ón (μ

)

Número de ciclos

Variación del coeficiente de fricción para RTLSTT

Acero

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Coef

icie

nte

de fr

icci

ón (μ

)

Número de ciclos

Variación del coeficiente de fricción para RTLCTT

Acero

91

Fig. 3.32: Variación del coeficiente de fricción respecto a los ciclos del RTPSTT frente a una contraparte estática de acero 52100 durante 318311 ciclos.

Fig. 3.33: Variación del coeficiente de fricción respecto a los ciclos del RTPCTT frente a una contraparte estática de acero 52100 durante 318311 ciclos.

Tabla 3.20: Coeficientes de fricción de los recubrimientos.

Coeficiente de fricción (μ)

RTLSTT RTLCTT RTPSTT RTPCTT

En el punto de inflexión

0,4590 0,4953 0,4657 0,4729

μ promedio 0,5383 0,5448 0,5052 0,5298

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Coef

icie

nte

de fr

icci

ón (μ

)

Número de ciclos

Variación del coeficiente de fricción para RTPSTT

Acero

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Coef

icie

nte

de fr

icci

ón (μ

)

Número de ciclos

Variación del coeficiente de fricción para RTPCTT

Acero

92

De las figuras 3.34 a la 3.37 se observan las superficies de las huellas dejadas por

la contraparte de acero 52100 luego de 31831 ciclos. Se puede notar que hay una capa de

material adherido sobre algunas zonas de la huella de los recubrimientos, por lo que se

evidencia que hubo transferencia de material entre las superficies en contacto. Por el

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, como lo reportó CAI et al. en 2011.

Como se dijo anteriormente, se formó una capa suave del material que se

desprendió de la contraparte, que permitió que la misma se desplazara sobre una

superficie que estabilizó el coeficiente de fricción.

Parte de este material quedó como polvo acumulado alrededor de la huella, al

hacer el estudio del mismo se encontró que son partículas planas con forma irregular con

una distribución de tamaño, compuestas por Cr, Si, Cu y O, entre otros elementos, lo que

corrobora que son parte del acero 52100 que compone la contraparte estática (figs. 3.38-

3.40), esto también ha sido reportado por Bolelli y colaboradores en 2011. Lo que

implica que este material proviene de la contraparte estática, sin embargo, también

podría contener parte del material desprendido del recubrimiento.

En la figura 3.39 se muestran las partículas más grandes encontradas, observando

a detalle la superficie de las mismas se notan surcos producto del contacto con partículas

más duras, que provocaron el arado de la superficie. Las partículas pequeñas tienen las

mismas características, pero con un tamaño menor a 20 μm (fig. 3.40).

En las zonas de la huella donde no hay material adherido (figs. 3.34 (b) -3.38 (b))

se observa que no hay signos de surcos sino huecos un poco más agrandados en

comparación con la superficie del recubrimiento por el desprendimiento de las partículas

de desgaste del material del recubrimiento, por lo que el mecanismo de desgaste de los

recubrimientos frente a una contraparte de acero 52100 es de tipo adhesivo con

transferencia de material de la contraparte estática hacia el recubrimiento.

93

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Fig. 3.34: Superficie del RTLSTT luego del ensayo de desgaste deslizante por 31831 ciclos frente a una contraparte estática de acero 52100. (a) Vista general de la huella a 100X. (b) Borde de la huella a 500X. (c) y (d) EDS en zonas de la huella. (e)

Centro de la huella a 500X. (f) Detalle de la huella a 2000X.

94

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Fig. 3.35: Superficie del RTLCTT luego del ensayo de desgaste deslizante por 31831 ciclos frente a una contraparte estática de acero 52100. (a) Vista general de la huella a 100X. (b) Borde de la huella a 500X. (c) y (d) EDS en zonas de la huella. (e)


95

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Fig. 3.36: Superficie del RTPSTT luego del ensayo de desgaste deslizante por 31831 ciclos frente a una contraparte estática de acero 52100. (a) Vista general de la huella a 100X. (b) Borde de la huella a 500X. (c) y (d) EDS en zonas de la huella. (e)

Detalle de la huella a 2000X.

96

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Fig. 3.37: Superficie del RTPCTT luego del ensayo de desgaste deslizante por 31831 ciclos frente a una contraparte estática de acero 52100. (a) Vista general de la huella a 100X. (b) Borde de la huella a 200X. (c) y (d) EDS en zonas de la huella. (e)


97

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 3.38: Partículas de desgaste (debris) producto de los ensayos de desgaste deslizante frente a una contraparte de acero 52100 a 100X, para: (a) RTLSTT, (b) RTLCTT, (c)

RTPSTT y (d) RTPCTT.

98

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Fig. 3.39: Partículas de desgaste grandes (debris) producto de los ensayos de desgaste deslizante frente a una contraparte de acero 52100 a 500X, para: (a) RTLSTT, (b)

RTLCTT, (c) RTPSTT, (d) RTPCTT y (e) EDS.

99

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 3.40: Partículas de desgaste pequeñas (debris) producto de los ensayos de desgaste deslizante frente a una contraparte de acero 52100 a 1000X, para: (a) RTLSTT, (b)

RTLCTT, (c) RTPSTT y (d) RTPCTT.

En la figura 3.41 se muestran las huellas de desgaste sobre las contrapartes

estáticas de acero 52100 ensayadas para cada condición de los recubrimientos

termorrociados. Se puede notar que son huellas de geometría plana, lo que señala que

hubo desgaste en las mismas, tal y como ha sido reportado por Zambrano en 2011,

además el aumento de las imágenes junto con la micromarca correspondiente permite

observar el gran tamaño de las huellas, teniendo, en todos los casos, un diámetro mayor

a un (1) milímetro. La huellas presentan una superficie limpia sin acumulación de

material, lo que corresponde con lo dicho anteriormente donde la trasferencia de

material se produjo desde la contraparte estática hacia el recubrimiento.

A mayor aumento se observan líneas paralelas sobre la superficie de las

contrapartes estáticas, consistentes con un mecanismo de desgaste para las contrapartes

de tipo abrasivo. Las partículas duras presentes en los recubrimientos actuaron de tal

forma que provocaron el arado de la superficie generando surcos (fig. 3.42).

100

Se puede observar que los surcos en las contrapartes ensayadas sobre los

recubrimientos termorrociados por plasma son más delgados que los presentes en las

ensayadas sobre los recubrimientos termorrociados por llama, lo que implica que las

partículas que provocaron el desgaste de las contrapartes ensayadas frente a los

recubrimientos termorrociados por plasma son de menor tamaño y aparentemente

generaron surcos más profundos, lo que conlleva a decir que las partículas son más

duras. Esto corresponde con la dureza reportada, ya que la dureza de los recubrimientos

termorrociados por plasma es mayor respecto a los termorrociados por llama (fig. 3.42

(c) y (d)).

Hasta ahora no se evidencia ningún efecto significativo del tratamiento térmico

sobre lo obtenido de los ensayos de desgaste deslizante, ya que en todos los casos la

morfológica de la huella sobre el recubrimiento, sobre la contraparte estática de acero, la

morfología y tamaño de las partículas de desgaste, y el mecanismo de desgaste es igual

en todos los casos.

101

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 3.41: Huella sobre la superficie de las contrapartes estáticas de acero 52100 luego del ensayo deslizante sobre: (a) RTLSTT, a 40X. (b) RTLCTT, a 50X. (c) RTPSTT, a

50X. (d) RTPCTT, a 50X.

102

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 3.42: Detalle de las huellas de desgaste sobre las contrapartes estáticas de acero 52100 a 500X, ensayadas sobre: (a) RTLSTT. (b) RTLCTT. (c) RTPSTT. (d)

RTPCTT.

El volumen de desgaste de las contrapartes estáticas de acero 52100 frente a los

recubrimientos termorrociados se muestra en la figura 3.43. Se puede notar que hubo

mayor desgaste en la contraparte ensayada frente al RTLSTT, teniendo un volumen de

desgaste de 0,1 mm3; los RTLCTT y RTPSTT causaron una pérdida de volumen similar,

siendo el primero de 0,055 mm3 y el segundo de 0,054 mm3; y por último el RTPCTT

causó una pérdida de volumen de 0,067 mm3. De estos resultados se puede decir que el

recubrimiento termorrociado que más daño causó sobre la contraparte de acero es el

RTLSTT. Entre los recubrimientos termorrociados por llama el que más daño causó es

el RTLSTT, y entre los termorrociados por plasma es el RTPCTT.

Respecto a la tasa de desgaste (fig. 3.44) se encontró el mismo comportamiento

que en el volumen de desgaste, siendo la tasa de desgaste en el orden de 10-6 y 10-5

mm3/N.m.

103

Fig. 3.43: Volumen de desgaste de las contrapartes estáticas de acero 52100

frente a los recubrimientos termorrociados.

Fig. 3.44: Tasa de desgaste de las contrapartes estáticas de acero 52100 frente a

los recubrimientos termorrociados.

En las tablas 3.45 y 3.46 se muestran los resultados de pérdida de masa de los

recubrimientos termorrociados por llama y plasma, respectivamente, frente a

contrapartes estáticas de acero 52100. Como se mencionó en la sección 2.1.8 del

capítulo II, los ensayos, para cada condición, se realizaron por duplicado; en las tablas

3.21 y 3.22 se puede observar que los valores de masa perdida obtenidos son bastante

0,00E+00

2,00E-02

4,00E-02

6,00E-02

8,00E-02

1,00E-01

1,20E-01

Acero

Vol.

Des

gast

e(m

m3 )

Volumen de desgaste de la contraparte

RTLSTT

RTLCTT

RTPSTT

RTPCTT

0,00E+00

2,00E-06

4,00E-06

6,00E-06

8,00E-06

1,00E-05

1,20E-05

Acero

Tasa

de

desg

aste

(mm

3 /N

m)

Tasa de desgaste de la contraparte

RTLSTT

RTLCTT

RTPSTT

RTPCTT

104

diferentes entre sí para una misma condición, lo que implica que hay una desviación

muy alta; por lo tanto, no se puede describir cuantitativamente lo que ocurre en los

recubrimientos tras el ensayo de desgaste deslizante en seco. Sin embargo, se puede

describir cualitativamente lo que ocurre, como se muestra en las figuras 3.45-3.47; la

tendencia señala que el RTLSTT tiene menor masa perdida respecto al RTLCTT, lo que

implica que el RTLSTT presenta mayor resistencia al desgaste deslizante frente a una

contraparte de acero 52100 (fig. 3.45); asimismo, el RTPSTT tiene mayor resistencia al

desgaste frente a una contraparte de acero 52100 debido a que presentó mayor ganancia

de masa respecto al RTPCTT, esta ganancia masa podría deberse a la formación de una

capa de material sobre el recubrimiento que proviene de la contraparte y se adhirió a la

superficie; en el caso de aquellos recubrimientos que tuvieron pérdida de masa la capa

que se formó podría ser una mezcla del material desprendido de la contraparte y del

recubrimiento, todo esto de acuerdo a lo señalado en la morfología de la huella de

desgaste para tos recubrimientos frente una contraparte de acero 52100. En la figura 3.47

se muestra la masa perdida de todos los recubrimientos frente a una contraparte de acero

52100, señalando nuevamente que los recubrimientos con mejor comportamiento al

desgaste deslizante frente a una contraparte de acero 52100 son el RTLSTT y RTPSTT,

lo que evidencia que el tratamiento térmico no es de beneficio en el comportamiento

frente al desgaste de los recubrimientos de la aleación Metco 449P, esto puede deberse a

que la formación de algunos compuestos no contribuyen a la resistencia al desgaste de

los mismos.

Tabla 3.21: Masa perdida de los recubrimientos termorrociados por llama sin y con tratamiento térmico luego de los ensayos de desgaste deslizante en seco.

Recubrimiento Contraparte Masa inicial

(g) Masa final

(g) Masa

perdida (g) Promedio

(g)

RTLSTT Acero1 21,0043 21,0011 0,0032

0,00175 Acero2 21,527 21,5267 0,0003

RTLCTT Acero 1 23,3542 23,3535 0,0007

0,00305 Acero 2 26,2731 26,2677 0,0054

los

105

Tabla 3.22: Masa perdida de los recubrimientos termorrociados por plasma sin y con tratamiento térmico luego de los ensayos de desgaste deslizante en seco.

Recubrimiento Contraparte Masa

inicial (g) Masa final

(g) Masa

perdida (g) Promedio

(g)

RTPSTT Acero 1 25,2123 25,2142 -0,0019

-0,0011 Acero 2 20,5668 20,5671 -0,0003

RTPCTT Acero 1 21,6411 21,6411 0

-0,00015 Acero 2 22,8221 22,8224 -0,0003


contrapartes estáticas de acero 52100.

Fig. 3.46: Masa ganada de los recubrimientos termorrociados por plasma frente a

contrapartes estáticas de acero 52100.

0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

0,0025

0,003

0,0035

Mas

a pe

rdid

a (g

)

RTLSTT RTLCTT

Recubrimientos termorrociados por llama

Acero

0

0,0002

0,0004

0,0006

0,0008

0,001

0,0012

Mas

a ga

nada

(g)

RPSTT RTPCTT

Recubrimientos termorrociados por plasma

Acero

Aquí creo que es mejor colocar masa ganada y colocar la masa positiva

106


estáticas de acero 52100.

-0,0015

-0,0005

0,0005

0,0015

0,0025

0,0035

Mas

a pe

rdid

a (g

)

RTLSTT RTLCTT RTPSTT RTPCTT

Masa perdida de los recubrimientos termorrociados

Acero

Traza la línea horizontal en el cero

107


termorrociados por llama y plasma sin y con tratamiento térmico frente a una

contraparte de WC-6Co.

De la figura 3.48-3.51 se observan las curvas de variación del coeficiente de

fricción respecto al número de ciclos para cada condición de los recubrimientos, para

una contraparte estática de WC-6Co. En las tablas 3.23-3.26 se muestran los coeficientes

de fricción para diferentes ciclos recorridos durante el ensayo asociados a cada curva. Es

notorio que en cada curva mostrada hay un incremento del coeficiente de fricción para

los primeros ciclos recorridos; en cada caso ese incremento fue diferente, para el caso de

RTLSTT el incremento fue paulatino hasta llegar a un punto de inflexión alrededor de

los 1500 y 200 ciclos recorridos, alcanzando el coeficiente de fricción un valor de

0,3563 y estabilizándose por algunos ciclos a ese valor. Para el RTLCTT ese incremento

se produjo en dos etapas, siendo de la siguiente forma: hasta los 28 ciclos el coeficiente

se incrementó hasta alcanzar un valor de 0,4018, para luego descender rápidamente e

incrementarse nuevamente hasta 0,3798, entre los 1500 y 2040 ciclos el coeficiente se

estabilizó a 0,3351. En el RTPSTT el coeficiente ascendió rápidamente a 0,7102 para

luego descender y estabilizarse por algunos ciclos a 0,3350, y en el RTPCTT el mismo

alcanzó 0,3806 más lentamente. Este comportamiento está asociado a limado de las

asperezas de las superficies en contacto, el incremento brusco del coeficiente de fricción

puede estar asociado a partículas duras en rodadura sobre las dos superficies que

incrementan la fricción.

Como se evidencia en todos los casos el coeficiente de fricción se 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

RTPCTT es la que presenta fluctuaciones más bruscas, alcanzando valores del

coeficiente de fricción alrededor de 0,65 en una de sus fluctuaciones.

108

Al final del recorrido a los 31831 ciclos el coeficiente de fricción se encuentra

alrededor de 0,50 y 0,53. Este valor es menor para los recubrimientos termorrociados

por llama. Los recubrimientos con tratamiento térmico tienen un coeficiente de fricción

ligeramente menor que los asociados a ellos sin tratamiento térmico.

Fig. 3.48: Variación del coeficiente de fricción respecto a los ciclos del RTLSTT

frente a una contraparte estática de WC-6Co durante 31831 ciclos.

Fig. 3.49: Variación del coeficiente de fricción respecto a los ciclos del RTLCTT


0,1 0,15

0,2 0,25

0,3 0,35

0,4 0,45

0,5 0,55

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Coef

icie

nte

de fr

icci

ón

Número de ciclos

Variación del coeficiente de fricción para RTLSTT

WC-6Co

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Coef

icie

nte

de fr

icci

ón

Número de ciclos

Variación del coeficiente de fricción para RTLCTT

WC-6Co

109

Fig. 3.50: Variación del coeficiente de fricción respecto a los ciclos del RTPSTT


Fig. 3.51: Variación del coeficiente de fricción respecto a los ciclos del RTPCTT


Tabla 3.23: Coeficientes de fricción del RTLSTT.

Ciclos recorridos

μ

1500 a 2000 0,3563 31831 0,5024

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Coef

icie

nte

de fr

icci

ón

Número de ciclos

Variación del coeficiente de fricción para RTPSTT

WC-6Co

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Coef

icie

nte

de fr

icci

ón

Número de ciclos

Variación del coeficiente de fricción para RTPCTT

WC-6Co

110

Tabla 3.24: Coeficientes de fricción del RTLCTT.

Ciclos recorridos

μ

28 0,4018 1490 0,3798

1500 a 2040 0,3351 31831 0,5001

Tabla 3.25: Coeficientes de fricción del RTPSTT.

Ciclos recorridos

μ

173 0,7102 400 a 600 0,3350

31831 0,5329

Tabla 3.26: Coeficientes de fricción del RTPCTT.

Ciclos recorridos

μ

543 0,3806 13060 a 13250 0,5067

24560 0,6509 31831 0,5306

En la figura 3.52 se observa la superficie de la huella sobre el RTLSTT ensayado

frente a una contraparte estática de WC-6Co. En la superficie se nota deformación

plástica del recubrimiento y sobre éste líneas paralelas producto del arado de partículas

(debris) más duras, también se nota una capa muy delgada de material adherido en

algunas zonas de la huella, por la modalidad de electrones retrodispersados (ER) se

puede apreciar que la capa de material es tan delgada que no se distingue entre la

superficie del recubrimiento y la huella, de allí también se puede inferir que la misma no

es muy profunda; mediante un microanálisis químico por EDS se detectó la presencia de

W, el cual proviene de la contraparte, lo cual sugiere que esta capa tiene parte del

material desprendido de la contraparte y del recubrimiento, ya que también se evidencia

la presencia de Fe, Al y Mo, los cuales son elementos que componen la aleación del

recubrimiento. En las figuras 3.52 (e) y (h), se pueden observar mejor los surcos sobre el

recubrimiento.

111

A partir de un análisis de elementos por área se obtuvieron los mapas que

describen la distribución de algunos elementos sobre la superficie de la huella (fig.

3.53). El Fe, como elemento base del recubrimiento está distribuido homogéneamente,

sin embargo, en las zonas donde aparentemente no hay Fe se encuentran fases ricas en

Al, asimismo, el Mo también está distribuido homogéneamente en toda el área. El W se

encuentra mayormente en la zona donde está la huella, como se mostró en los

microanálisis químicos por EDS anteriores.

Por todo lo anterior se podría decir que el mecanismo de desgaste, presente en el

RTLSTT ensayado frente a una contraparte estática de WC-6Co, es de tipo abrasivo.

112

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

(g) (h)

Fig. 3.52: Superficie del RTLSTT luego del ensayo de desgaste deslizante por 31831 ciclos frente a una contraparte estática de WC-6Co. (a) y (b) Huella a 100X (ES) y (ER), respectivamente. (c) y (d) Borde de la huella a 500X (ES) y (ER). (e) Centro de la huella a 500X y (f) y (g) EDS en zonas de la huella. (h) Detalle de la huella a 2000X.

113

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Fig: 3.53: Mapas de análisis de elementos por área sobre el borde de la huella del RTLSTT. (a) ER a 500X, (b) Fe, (c) W, (d) Al, (e) O y (f) Mo.

114

La superficie de la huella sobre el RTLCTT se observa en la figura 3.54. Se

pueden apreciar líneas paralelas en dirección del deslizamiento (fig. 3.54 (d) y (e)),

sobre la huella hay una capa de material adherido, la cual tiene surcos sobre ella, este

material es rico en los elementos que componen la aleación del recubrimiento y también

W, el cual proviene de la contraparte. La misma puede estar formada por partículas del

recubrimiento junto con partículas de la contraparte que se desprendieron durante el

ensayo y se adhirieron a la superficie del recubrimiento. Como en el caso anterior, en la

figura 3.54 (b), tomada por ER, la capa no se aprecia en la imagen, por lo que se podría

decir que ésta es muy delgada; se puede notar ligeramente la huella, lo que indica que el

daño producido sobre este recubrimiento es mayor en el RTLSTT. En la figura 3.54 (g)

y (h) se puede observar que la capa de material adherido presenta grietas en algunas

zonas, lo que indica que la misma es frágil, se podría decir que durante el ensayo las

cargas cíclicas del recorrido de la contraparte estática promovieron la formación de

grietas.

En el análisis de elementos por área (fig. 3.55) se observa que el W está

concentrado en algunas zonas del borde de la huella, que junto con el Fe y el O podrían

estar formando la capa de material adherido.

Este comportamiento está asociado a un mecanismo de desgaste de tipo abrasivo

combinado con delaminación-fatiga.

Inicialmente y luego con la formación de partículas de desgaste provenientes del recubrimiento y de la contraparte de WC se adhiere un capa fina en los bordes de las huellas característico de un mecanismo de desgaste de tipo adhesivo.

Oxidado

115

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

(g) (h)

Fig. 3.54: Superficie del RTLCTT luego del ensayo de desgaste deslizante por 31831 ciclos frente a una contraparte estática de WC-6Co. (a) y (b) Huella a 100X (ES)

y (ER), respectivamente. (c) y (d) Borde de la huella a 500X (ES) y (ER). (e) Centro de la huella a 500X y (f) EDS en zonas de la huella. (g) y (h) Detalle de la

huella a 2000X (ES) y (ER).

116

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Fig: 3.55: Mapas de análisis de elementos por área sobre el borde de la huella del RTLCTT. (a) ER a 500X, (b) Fe, (c) W, (d) Al, (e) O y (f) Mo.

Huella

Recubrimiento

117

En la figura 3.56 se muestra la huella sobre el RTPSTT, ésta presenta una capa

de material adherido, la cual contiene los mismos elementos presentes en la capa sobre

el RTLCTT del caso anterior, sus características son similares. La huella observada

mediante ER se puede apreciar claramente, por lo que el daño sobre este recubrimiento

es mayor que en los recubrimientos termorrociados por llama, que se aprecie claramente

la huella también indica que la capa que se formó es más gruesa, esto es debido a que

mayor cantidad de partículas de desgaste se acumularon y adhirieron a la superficie

durante el recorrido. Las zonas brillantes en las fotomicrografías de la figura 3.56 (b) y

(d) indican la presencia de elementos como W y Mo, sin embargo, se podría asegurar

que el elemento mayoritario allí es el W, como se indica en el análisis químico por EDS

(fig. 3.56 (g)) y en el análisis de elementos por área (fig. 3.57 (c)); la alta concentración

de W allí indica que la capa que se formó presenta mayor cantidad del elemento en

comparación con la capa en el RLSTT y RTLCTT. La presencia de grietas en la capa es

muy notoria, indicando que la misma es frágil y que los esfuerzos de corte generados por

las cargas cíclicas durante el recorrido de la contraparte permitieron la formación de

microgrietas, se observa la presencia de surcos producto del arado de la superficie (fig.

3.56 (d)).

El desgaste sobre el RTPSTT ensayado frente a WC-6Co se inició por

mecanismo abrasivo que formó partículas de desgate que se adhirieron a la superficie del

recubrimiento y las cargas cíclicas promovieron la formación de microgrietas, por lo que

los mecanismos de desgaste son: abrasión con adhesión, con transferencia de material

entre el recubrimiento y la contraparte, y delaminación-fatiga.

RTLSTT

118

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

(g) (h)

Fig. 3.56: Superficie del RTPSTT luego del ensayo de desgaste deslizante por 31831 ciclos frente a una contraparte estática de WC-6Co. (a) y (b) Huella a 100X, (ES) y (ER), respetivamente. (c) y (d) Borde de la huella a 500X, (ES) y (ER). (e) Centro de la huella a 500X y (f) y (g) EDS en zonas de la huella. (h) Detalle de la huella a 2000X.

119

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Fig: 3.57: Mapas de análisis de elementos por área sobre el borde de la huella del RTPSTT. (a) ER a 500X, (b) Fe, (c) W, (d) Al, (e) O y (f) C.

120

Por último, la superficie de la huella sobre el RTPCTT se muestra en la figura

3.58. Se evidencia una capa de material sobre la superficie del recubrimiento, sobre ella

se tienen surcos bien marcados en la dirección del deslizamiento (fig. 3.58 (g) y (h)). Se

puede diferenciar más claramente entre la superficie de la huella y el recubrimiento en la

fotomicrografía tomada en ER, lo que indica la presencia de mayor cantidad de material

adherido que en los casos anteriores. Se observa que durante el deslizamiento algunas

zonas sobre la capa se fracturaron, quedando nueva superficie del recubrimiento

expuesta. Esta capa es de mayor tamaño y se observa una mayor cantidad de grietas

respecto a los casos anteriores (fig. 3.58 (a) y (f)), debajo de la capa de evidencian

signos de arado de la superficie. Sobre la capa hay líneas paralelas, las cual 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 multiplástica 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, como lo indicaron CAI y colaboradores en su investigación en

2011.

La alta concentración de Fe, W y O en la zona de la huella indican que la capa

está formada por óxido de Fe y W, es decir, partículas de desgaste provenientes del par

tribológico (fig. 3.59 (b), (c) y (e)).

Este estudio indica que los mecanismos de desgaste presentes en el RTPCTT

frente a una contraparte estática de WC-6Co son: abrasión, adhesión y delaminación-

fatiga, al igual que en el RTPSTT, pero para e RTPSTT el daño es más pronunciado.

se

Que es deformación multiplástica?

Deberías llevar este texto a páginas anteriores para que no quede tanto espacio aquí

121

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

(g) (h)

Fig. 3.58: Superficie del RTPCTT luego del ensayo de desgaste deslizante por 31831 ciclos frente a una contraparte estática de WC-6Co. (a) y (b) Huella a 100X, (ES) y (ER), respectivamente. (c) y (d) Borde de la huella a 500X (ES) y (ER). (e) y (f) EDS en zonas de la huella.(g) Centro de la huella a 500X. (h) Detalle de la huella a 2000X.

122

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Fig: 3.59: Mapas de análisis de elementos por área sobre el borde de la huella del RTPCTT. (a) ER a 500X, (b) Fe, (c) W, (d) Al, (e) O y (f) C.

123

En la figura 3.60 se muestran las huellas de desgaste sobre las contrapartes

estáticas de WC-6Co ensayadas para cada condición de los recubrimientos

termorrociados. Se puede notar que son huellas de geometría plana, lo que señala que

hubo desgaste en las mismas, como lo señaló Zambrano en 2011, todas tienen un

diámetro mayor a 500 μm. En su superficie se observa la acumulación y adherencia de

material, el cual se observa a detalle en la figura 3.62, donde el microanálisis químico

por EDS evidencia la presencia de Fe y O, lo cuales son elementos que componen la

aleación de los recubrimientos, y también W, el cual es uno de los elementos principales

que componen el material de la contraparte; la presencia de estos elementos en el

material adherido muestra que la capa adherida sobre los recubrimientos y sobre la

contraparte es el mismo, lo que implica que durante el proceso de desgaste de ambas

superficies sufrieron daño y se desprendieron partículas de desgaste que se mezclaron y

formaron un material que era compatible con ambas superficies y, por lo tanto, se

adhirió tanto al recubrimiento como a la contraparte. Se puede observar que en las

contrapartes estáticas ensayadas frente a RTLSTT y RTPSTT el material adherido se

encuentra distribuido en algunas zonas del centro de la huella, mientras en los RTLCTT

y RTPCTT el material está acumulado a un lado del borde de la huella justo en la

dirección del deslizamiento, lo que implica que el movimiento se realizó desde la zona

donde está adherido el material hacia la zona donde no hay, siguiendo el sentido de los

surcos.

Otro detalle es la presencia muy notoria de surcos o líneas paralelas en tres (3) de

las cuatro (4) contrapartes, como lo son las ensayadas frente a: RTLCTT, RTPSTT y

RTPCTT (fig. 3.61); en la contraparte ensayada frente al RTLSTT no se observa tan

notorio, ya que su superficie es lisa con algunos surcos que ligeramente se notan (fig.

3.61 (a)). La superficie donde se notan surcos más profundos y anchos es la ensayada

frente al RTLCTT. La presencia de los surcos implica que las contrapartes ensayadas

frente a los RTLCTT, RTPSTT y RTPCTT sufrieron arado de su superficie por las

partículas duras presentes en los recubrimientos o aquellas que formaron la capa

mencionada anteriormente; lo que sugiere, para la contraparte ensayada frente al

RTPSTT, un mecanismo de desgaste de tipo abrasivo y adhesivo, mientras que para las

ensayadas frente a los RTLCTT y RTPCTT el mecanismo dominante es de tipo

124

abrasivo. Para el caso de la contraparte ensayada frente al RTLSTT se sugiere que el

mecanismo que domina su desgaste es de tipo adhesivo con transferencia de material

entre las superficies en contacto.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 3.60: Huella sobre la superficie de las contrapartes estáticas de WC-6Co luego del ensayo deslizante a 100X, sobre: (a) RTLSTT. (b) RTLCTT. (c) RTPSTT. (d)

RTPCTT.

Para esta bola aunque no se observen los surcos de modo acentuado el mecanismo predominante sigue siendo el abrasivo al igual que las otras, debido a que la huella es plana, lo que significa que se desgastó. Un mecanismo predominantemente adhesivo para la bola con transferencia de material del recubrimiento hacia la bola no genera una huella plana medible, si no sólo material adherido.

125

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 3.61: Detalle de las huellas de desgaste sobre las contrapartes estáticas de WC-6Co a 500X, ensayadas sobre: (a) RTLSTT. (b) RTLCTT. (c) RTPSTT. (d)

RTPCTT.

126

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Fig. 3.62: Detalle del material adherido a la superficie de las huellas sobre las contrapartes estáticas a 500X. (a) RTLSTT. (b) RTLCTT. (c) RTPSTT. (d) RTPCTT. (e)

EDS del material adherido.

El volumen de desgaste de las contrapartes estáticas de WC-6Co frente a los

recubrimientos termorrociados se muestra en la figura 3.63. De allí se pude ver que el

mayor desgaste producido sobre las contrapartes fue por los recubrimientos

termorrociados por plasma, siendo de 1,37.10-3 mm3 para la ensayada frente al

recubrimiento sin tratamiento térmico y de 1,10.10-3 mm3 frente al recubrimiento con

tratamiento térmico. Entre los recubrimientos que tienen tratamiento térmico, el que

1,37x10-3

Cambia los puntos por las x

127

causó más desgaste sobre la contraparte es aquel termorrociado por plasma, produciendo

una pérdida de volumen de 1,10.10-3 mm3 frente a 7,03.10-4 mm3 para el termorrociado

por llama.

Se observa un comportamiento análogo para la tasa de desgaste de las

contrapartes estáticas (fig. 3.64). La tasa de desgaste varía entre 7.10-8 y 1,4.10-7

mm3/N.m.

Fig. 3.63: Volumen de desgaste de las contrapartes estáticas de WC-6Co frente a

los recubrimientos termorrociados.

Fig. 3.64: Tasa de desgaste de las contrapartes estáticas de WC-6Co frente a los

recubrimientos termorrociados.

0,00E+00

2,00E-04

4,00E-04

6,00E-04

8,00E-04

1,00E-03

1,20E-03

1,40E-03

1,60E-03

WC-6Co

Vol.

Des

gast

e (m

m3 )

Volumen de desgaste de la contraparte

RTLSTT

RTLCTT

RTPSTT

RTPCTT

0,00E+00

2,00E-08

4,00E-08

6,00E-08

8,00E-08

1,00E-07

1,20E-07

1,40E-07

1,60E-07

WC-6Co

Tasa

de

desg

aste

[(m

m3 /

(Nm

)]

Tasa de desgaste de la contraparte

RTLSTT

RTLCTT

RTPSTT

RTPCTT

128

En las tablas 3.27 y 3.28 se muestran los resultados de pérdida de masa de los

recubrimientos termorrociados por llama y plasma, respectivamente, frente a

contrapartes estáticas de WC-6Co. Se puede observar que los valores de masa perdida

obtenidos son bastante diferentes entre sí para una misma condición, señalando que hay

una desviación muy alta; por lo tanto, no se puede describir cuantitativamente lo que

ocurre en los recubrimientos tras el ensayo de desgaste deslizante en seco. Sin embargo,

se puede describir cualitativamente lo que ocurre, como se muestra en las figuras 3.65-

3.67; la tendencia señala que el RTSTT tiene menor masa perdida respecto al RTLCTT,

lo que implica que el RTLSTT presenta mayor resistencia al desgaste deslizante frente a

una contraparte de acero WC-6Co (fig. 3.65); asimismo, el RTPSTT tiene mayor

resistencia al desgaste frente a una contraparte de WC-6Co debido a que presentó menor

pérdida de masa respecto al RTPCTT. En la figura 3.66 se muestra la masa perdida de

todos los recubrimientos frente a contrapartes de WC-6Co, señalando que la masa

perdida del RTPCTT es tan grande respetos a las demás recubrimientos, que debe

graficado en otra escala para poder observar la tendencia general; los recubrimientos con

mejor comportamiento al desgaste deslizante frente a una contraparte de WC-6Co son el

RTLSTT y RTPSTT, lo que evidencia que el tratamiento térmico no es de beneficio en

el comportamiento frente al desgaste de los recubrimientos de la aleación Metco 449P.

Tabla 3.27: Masa perdida de los recubrimientos termorrociados por llama sin y

con tratamiento térmico luego de los ensayos de desgaste deslizante en seco.


(g) Masa final

(g) Masa perdida

(g) Promedio

(g)

RTLSTT WC-6Co 1 22,5048 22,5038 0,001

0,00065 WC-6Co 2 21,0068 21,0065 0,0003

RTLCTT WC-6Co 1 26,2677 26,267 0,0007

0,00075 WC-6Co 2 23,355 23,3542 0,0008

Cual es este?

respecto

los

se

graficar

129

Tabla 3.28: Masa perdida de los recubrimientos termorrociados por plasma sin y con tratamiento térmico luego de los ensayos de desgaste deslizante en seco.


(g) Masa final

(g) Masa perdida

(g) Promedio

(g)

RTPSTT WC-6Co 1 22,433 22,4328 0,0002

0,00335 WC-6Co 2 19,3747 19,3682 0,0065

RTPCTT WC-6Co 1 22,433 22,2365 0,1965

0,1005 WC-6Co 2 22,4353 22,4308 0,0045

Fig. 3.65: Masa perdida de los recubrimientos termorrociados por llama frente a contrapartes estáticas de WC-6Co.

Fig. 3.66: Masa perdida de los recubrimientos termorrociados por plasma frente a contrapartes estáticas de WC-6Co.

0,00059 0,00061 0,00063 0,00065 0,00067 0,00069 0,00071 0,00073 0,00075

Mas

a pe

rdid

a (g

)

RTLSTT RTLCTT


WC-6Co

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

Mas

a pe

rdid

a (g

)

RTPSTT RTPCTT

Recubrimientos termorrociados por plasma

WC-6Co

Trabaja siempre con 4 decimales

130

Fig. 3.67: Masa perdida de los recubrimientos termorrociados frente a

contrapartes estáticas de WC-6Co.

131

3.3.3 Comparación del comportamiento tribológico de los recubrimientos

termorrociados por llama y plasma sin y con tratamiento térmico ensayados frente

a las contrapartes estáticas de acero 52100 y WC-6Co

En las figuras 3.68 y 3.69 se observa el comportamiento cualitativo de los

recubrimientos frente contrapartes estáticas de acero 52100 y WC-6Co, es una

comportamiento cualitativo debido que los valores de masa perdida presentan una alta

desviación y por lo tanto estas gráficas sólo pueden describir la tendencia de lo que

ocurre en los recubrimientos.

Se puede observar que el desgaste más severo, para los recubrimientos

termorrociados por llama, está asociado a la contraparte de acero 52100 (fig. 3.68).

Mientras que para los recubrimientos termorrociados por plasma el desgaste más severo

es frente a WC-6Co (fig. 3.69).

El mejor comportamiento frente al desgaste deslizante está asociado a los

recubrimientos termorrociados por llama y plasma sin tratamiento térmico, aunque la

dureza de los recubrimientos aumentó luego del tratamiento térmico se formaron

algunos compuestos que aparentemente disminuyen la resistencia al desgaste,

disminuyendo así su desempeño frente al desgaste deslizante frente a contrapartes de

acero 52100 y WC-6Co.


contrapartes estáticas de acero 52100 y WC-6Co.

0

0,001

0,002

0,003

0,004

Mas

a pe

rdid

a (g

)

RTLSTT RTLCTT


Acero

WC-6Co

Debes colocar la desviación en las tablas

,

132


contrapartes estáticas de acero 52100 y WC-6Co.

133

CAPÍTULO IV

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 AlFe y Al5Mo.

• El espesor de los recubrimientos termorrociados por llama varía entre 225 y

550 μm. Mientras que para los recubrimientos termorrociados por plasma

varía entre 420 y 570 μm.

• 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. La desviación estándar entre los valores fue lo

suficientemente alta como para no haber diferencia entre cada condición por

el tratamiento térmico, indicando que el tratamiento térmico no afecto la

porosidad de los recubrimientos.

• La dureza del recubrimiento de la aleación base Fe aumentó luego del

tratamiento térmico. Para los termorrociados por llama aumentó de 277

Kg/mm2 (2,77 GPa) a 366 Kg/mm2 (3,66 GPa); mientras que para los

termorrociados por plasma aumentó de 323 Kg/mm2 (3,23 GPa) a 440

Kg/mm2 (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 varía entre 0,50 y 0,55.

• Para los recubrimientos ensayados frente a una contraparte estática de 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.

Fases de

afectó

134

• 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.

• El mecanismo de desgaste presente en el recubrimiento termorrociado por

llama sin tratamiento térmico ensayado frente a una contraparte estática de

WC-6Co fue de tipo abrasivo.

• La morfología de la huella sobre el recubrimiento termorrociado por llama

con tratamiento térmico frente a WC-6Co mostró un comportamiento

asociado a un mecanismo de desgaste de tipo abrasivo combinado con

delaminación-fatiga.

• Los mecanismos de desgaste presentes en los recubrimientos termorrociados

por plasma sin y con tratamiento térmico fueron: abrasión, adhesión, con

transferencia de material entre el recubrimiento y la contraparte, y

delaminación-fatiga.

• El desgaste más severo fue frente al acero 52100 para los recubrimientos

termorrociados por llama. Mientras que para los recubrimientos

termorrociados por plasma fue frente a WC-6Co.

• El tratamiento térmico provocó una disminución de la resistencia al desgaste

deslizante frente a acero 52100 y WC-6Co en los recubrimientos

termorrociados por llama y plasma.

se presentó

al

135

CAPÍTULO V

RECOMENDACIONES

• Utilizar técnicas con menor grado de error que permitan estudiar el efecto del

termorrociado y del tratamiento térmico sobre el sustrato de las muestras

recubiertas.

• Usar la técnica de perfilometría para observar el relieve de las huellas y obtener

los valores de volumen y tasa de desgaste de los recubrimientos para cada

condición.

• Evaluar el comportamiento frente al desgaste deslizante bajo condiciones de

mayor carga y contrapartes de Alúmina, con la finalidad de obtener mayor

información de los recubrimientos en aplicaciones tribológicas.

Utilizar la técnica de análisis químico de elementos por dispersión en la longitud de onda de rayos X (EPMA) para verificar si los elementos del recubrimiento difundieron hacia el substrato y produjeron el endurecimiento.

Óptica

la morfología

de desgaste

136

CAPÍTULO VI

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Améstica, L., Quijada, R. y Villaseca, D. (2010) “Molibdeno: Propiedades, aplicaciones

y mercado”. Chile.

Avner, S. (1988) “Introducción a la Metalurgia Física”. Capítulo 7. 2da edición,

editorial McGraw-Hill. USA. pp: 237-243.

Bolelli, G.; Bonferroni, B.; Laurila, J.; Lusvarghi, L.; Milanti, A.; Niemi, K. y Vuoristo,

P. (2011). “Micromechanical properties and sliding wear behaviour of HVOF-sprayed

Fe-based alloy coatings” Wear. Revista Elsevier. Vol. 276-277. Italia. pp.; 29-47.

Briceño, A y Suárez, F. (2012) “Efecto del tratamiento térmico en ambiente controlado

sobre el recubrimiento de aleación de hierro carbono con aluminio y molibdeno

depositado por flame spraying”. Trabajo Especial de Grado. Universidad Central de

Venezuela. Venezuela.

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”. Revista Elsevier.

Vol. 21. China. pp.; 2426-2432.

Callister, W. (2003) “Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales”. Reverte.

España.

Deshpande, S.; Kulkarni, A.; Sampath, S. y Herman, H. (2004) “Aplication of image

analysis for characterization of porosity in thermal spray coatings and correlation with

small angle neutron scattering”. Surface and Coatings Technology 187.

Faltan páginas si es un libro falta la Edición editorial etc. Si es una revista falta el nombre Número y Volumen

Este no es el nombre de la revista, las revistas son por ejemplo Wear, Surface and Coatings Technology ...

Falta número si lo tiene y páginas

137

Ernest, J. y Faublack, A. (2012) “Efecto del tratamiento térmico en las propiedades

mecánicas de depósitos sintetizados por la proyección térmica con plasma de aleaciones

metálicas utilizados en reconstrucción de componentes mecánicos”. Trabajo Especial de

Grado. Universidad Central de Venezuela. Venezuela.

Gómez, M. (2005) “Caracterización de las propiedades tribológicas los recubrimientos

duros” Tesis Doctoral. Universidad de Barcelona. España.

González, A. (2008) “Estudio de la influencia de las propiedades físicas y mecánicas en

el comportamiento tribológico de recubrimientos duros para herramientas de corte y

procesamiento de polietileno”. Trabajo de grado de maestría. Universidad de Antioquia.

Medellín, Colombia. pp.: 3-7, 10-20, 35-44.

González, R.; García, M.A.; Peñuelas, I.; Cadenas, M.; Fernández, M.; Hernández, A.;

Felgueroso, D. (2007) “Microstructural study of NiCrBSi coatings obtained by different

processes” Wear. Vol. 263. pp. 619-624.

Handbook of “Thermal Spray technology”. (2004) ASM International. USA.

Hinojosa, M. y Reyes, M. (2001) “La rugosidad de las superficies”. Topometrías,

Ingenierías. Vol. IV. No. 11.

Kang, J.; Wang, C.; Wang, H.; Xu, B.; Lui, J. y Li, G. (2008) “Characterization and

tribological properties of composite 3Cr13/FeS layer” Surface & Coatings Technology.

Revista Elsevier. Vol. 203. China. pp.; 1927-1932.

Lima, R. S.; Kucuk, A. y Berndt, C.C.. (2001) “Evaluation of microhardness and

modulus of thermally sprayed nanostructured zirconia coatings”. Surface and Coatings

Technology, Vol. 135, pp.: 166-172.

Especial

pp.

138

Metal Handbook: “Friction, Lubrication and Wear Technology”. (1992) Vol. 18. ASM

International.

Metal Handbook: “Mechanical Testing and Evaluation”. (1992) Vol. 8. ASM

International.

Navas, M.C. (2007) “Recubrimientos de NiCrSi resistentes a la corrosión y al desgaste”

Tesis Doctoral. Universidad de Granada. Granada.

Norma ASTM G 99-05. “Standard Test Method for Wear Testing with a Pin on Disk

Apparatus”.

Ochoa, E. (2012). “Tema VI: Ensayo de fractura”. Universidad Central de Venezuela,

Venezuela.

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.

Piedra, E. (2007) “Estudio y desarrollo de recubrimientos proyectados térmicamente-

aplicación como elementos protectores”. Informe de avance de tesis doctoral.

Universidad de Oviedo.

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

Sulzer Metco (2006) “Thermal Spray Materials Guide” p: AP-16

Thermal Spray Depot. “Powder” (Página Web en línea). Disponible en:

http://www.thermalspraydepot.com/Powder.html

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

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

http://www.thermalspraydepot.com/Powder.html�

Pp.

pp

Esto no está publicado no lo puedes colocar, referencia el libro Dieter por ejemplo

Esto esta publicado en una página de la Universidad de Oviedo? Coloca la dirección URL si no, no lo puedes referenciar

139

Vargas, Fabio y Latorre, Guillermo. Materiales de Ingeniería. Capitulo 6. ECOPETROL.

Zambrano, D. (2011) “Estudio del comportamiento tribológico de un recubrimiento a

base de ni depositado mediante la técnica de rociado térmico de HVOF sobre un acero

SAE 1045”. Trabajo Especial de Grado. Universidad Central de Venezuela. Venezuela

Zum, K. (1987) “Microstructure and wear of materials” Elzevier. Holanda.

Igual con esto donde está publicado?

Cual es el nombre de esta revista? Falta número, volumen y páginas