Congreso SAM/CONAMET 2007 San Nicols, 4 al 7 Septiembre de 2007

RECUBRIMIENTOS CERMICOS MIXTOS SOBRE ACERO COMERCIAL: Cr2O3 POR SPRAY TRMICO Y SiO2 - SiO2/TiO2 POR SOL-GEL

N. E. Quaranta* y G. Pelozo

Facultad Regional San Nicols Universidad Tecnolgica Nacional

Coln 332 (B2900LWH) San Nicols, Argentina.

Email: nquaranta@frsn.utn.edu.ar * Investigador Independiente CIC. RESUMEN En el presente trabajo dos mtodos diferentes de aplicacin, spray trmico y procesos sol-gel, se han utilizado para la obtencin de recubrimientos de xidos cermicos depositados en multicapa sobre matrices de acero comercial AISI 304 L. Una pistola para proyeccin trmica de polvos se emple para la aplicacin de Cr2O3 como el material en contacto directo con la base metlica. Una segunda capa de recubrimiento de SiO2 se obtuvo utilizando el mtodo sol-gel, a partir de una solucin de tetraetilortosilicato, etanol y cido actico en una relacin molar igual a 1:1:1. La formacin del xido se produce por reaccin de hidrlisis, utilizando la humedad ambiente como reactivo. En similares condiciones experimentales se obtuvieron otras muestras con el agregado de alcxido de Ti a la solucin empleada en la tcnica sol-gel, con el fin de obtener simultneamente SiO2 y TiO2. Las muestras fueron secadas y tratadas trmicamente a 700C durante 4 horas. Se observa muy buena adherencia de las capas de cromia al soporte metlico, con presencia de poros a nivel superficial. En las muestras recubiertas con slice y con slice/titania se determin una fuerte unin entre las capas de xidos. Las mejores propiedades mecnicas fueron obtenidas para los recubrimientos mixtos Cr2O3/SiO2-TiO2. Palabras clave: recubrimientos, cermicos, procesos sol-gel, spray trmico. 1. INTRODUCCIN

Los recubrimientos cermicos son muy usados debido a que poseen buenas propiedades trmicas y mecnicas, y son en general ms resistentes a la oxidacin, corrosin y desgaste que los metales o aleaciones metlicas, en ambientes de alta temperatura y atmsferas corrosivas. Los sistemas de compuestos cermicos utilizados como recubrimientos de aleaciones metlicas o de matrices cermicas podran cubrir la mayora de los problemas planteados en biotecnologa [1], y requerimientos tecnolgicos en general, dadas sus caractersticas, pero sin embargo se enfrentan en la mayora de los casos, con el problema fundamental de defectos en la adherencia revestimiento-sustrato. La adhesin del recubrimiento al sustrato es siempre uno de los puntos crticos del proceso. La presencia de grietas, poros, o zonas sin adherencia revela la necesidad de rediseo de alguna de las etapas involucradas en el proceso de produccin del mismo, ya que estos defectos influyen directamente en las propiedades del material, disminuyen la dureza superficial, aumentan la rugosidad de la superficie, etc. Una opcin para la obtencin de recubrimientos con buena adherencia metal-cermico es la utilizacin de pelculas compuestas de xidos, donde alguno de ellos sirva de anclaje del revestimiento cermico. Las fases involucradas deben mostrar un cierto grado de miscibilidad en estado slido, poseer afinidad qumica, y en el mejor de los casos, posibilidad de reaccin entre ellas para formar una estructura ms estable con mejores propiedades que las fases madres [2]. Los recubrimientos cermicos y vitrocermicos brindan una ventaja adicional de estabilidad qumica, estabilidad a altas temperaturas, y excelentes propiedades mecnicas [3]. A menudo estos sistemas son diseados selectivamente para los requerimientos del producto en servicio. Dentro de las caractersticas a tener en cuenta para el diseo del sistema sustrato-recubrimiento, tienen suma importancia el comportamiento trmico (dilatacin) de los materiales base y del recubrimiento, la distribucin de tamao y el tamao de las partculas, la textura superficial del sustrato, la generacin de

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tensiones, la adherencia del recubrimiento, etc., que dependern bsicamente de la seleccin de los materiales, del mtodo de deposicin, y de los parmetros del proceso [4-5]. Dos tcnicas de deposicin son empleadas en este trabajo para la obtencin de recubrimientos cermicos compuestos, la tcnica de spray trmico y la tcnica sol-gel. La deposicin por spray trmico es un procedimiento que se utiliza en la actualidad para recubrir superficies con capas resistentes a agentes qumicos y solicitaciones termomecnicas, mediante el rociado de polvos a alta temperatura. En el momento del impacto con la superficie, las partculas se depositan primero como microlminas prcticamente lquidas, que solidifican mezclndose con el material de la misma superficie en forma aplanada al chocar a alta velocidad con una superficie fra, y luego se adhieren una sobre la otra, hasta formar una capa muy densa. Todos los recubrimientos por spray trmico contienen algo de porosidad, lo que puede resultar perjudicial en cuanto a la resistencia, dureza, corrosin y desgaste. Es importante establecer parmetros y seleccionar los materiales adecuados para reducir la porosidad a niveles que no perjudiquen la adhesin sustrato-recubrimiento. Esta tcnica encuentra un rea de aplicacin industrial muy amplia ya que es muy utilizada para la produccin de recubrimientos resistentes al desgaste, proteccin anti-corrosiva, barreras trmicas cermicas, recubrimientos biocompatibles, capas para aislamiento elctrico, blindaje electromagntico de componentes electrnicos, etc., y es posible su aplicacin en grandes superficies con calidad homognea en el recubrimiento obtenido. La deposicin por sol-gel es una tcnica empleada desde hace ya dcadas para la produccin de materiales de alta pureza y con caractersticas bien definidas, y constituye una herramienta muy verstil para la produccin de pelculas cermicas [6]. En ella, se parte de un precursor constituido por una solucin de una sal metlica o un compuesto rgano-metlico, que por un proceso de hidrlisis conduce a una suspensin coloidal de partculas de dimensiones del orden de los 1.000 nm, denominada sol, y posteriormente a la formacin de un gel semislido que da origen a una pelcula delgada o a polvos nanomtricos [7-8]. En el presente trabajo estos dos mtodos de aplicacin, spray trmico y procesos sol-gel, se han utilizado para la obtencin de recubrimientos de xidos cermicos depositados en multicapa sobre matrices de acero comercial AISI 304 L. Una pistola para proyeccin trmica de polvos se emple para la aplicacin de Cr2O3 como el material en contacto directo con la base metlica. Una segunda pelcula de recubrimiento de SiO2 se obtuvo utilizando el mtodo sol-gel, a partir de una solucin de tetraetilortosilicato, etanol y cido actico en una relacin molar igual a 1:1:1. La formacin del xido se produce por reaccin de hidrlisis, utilizando la humedad ambiente como reactivo. En similares condiciones experimentales se obtuvieron otras muestras con el agregado de alcxido de Ti a la solucin empleada en la tcnica sol-gel, con el fin de obtener simultneamente SiO2 y TiO2. Las muestras fueron secadas y tratadas trmicamente a 700C durante 4 horas. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Para este trabajo se utilizaron sustratos de acero comercial AISI 304 L, y se realizaron recubrimientos con cromia (Cr2O3) obtenida por el mtodo de spray trmico. Sobre este material base recubierto con cromia se realizaron depsitos superficiales de slice (SiO2) y de slice-titania (SiO2-TiO2), que tienen por objetivo reforzar la unin pelculasustrato metlico, y la unin interparticular de la fase Cr2O3, reduciendo la porosidad superficial del material, y aumentando la dureza y resistencia al desgaste del mismo. Las deposiciones de cromia por spray trmico se realizaron a una velocidad de aplicacin de 3 cm/s, a una distancia boquilla de pistola/sustrato de 30 cm, con una temperatura aproximada del material a nivel de boquilla de 3000C. Las pelculas se produjeron con cuatro pasadas. Para la produccin del refuerzo se utiliz el proceso sol-gel para depositar SiO2 partiendo de una solucin de tetraetilortosilicato (TEOS), etanol (EtOH) y cido actico (AcAc) en una relacin molar TEOS:EtOH:AcAc=1:1:1. En el proceso sol-gel la formacin del xido se produce por una reaccin de hidrlisis. En esta experiencia se deja reaccionar la mezcla sin agregado de agua, simplemente por accin de la humedad ambiente, con el fin de producir una reaccin lenta de sntesis. Esta solucin se mantuvo en agitacin continua durante aproximadamente 15 das a temperatura ambiente. Cuando la solucin adquiri una consistencia ms viscosa, debido a la etapa de formacin del gel, se deposit sobre la superficie del acero ya recubierto con cromia, y se dej a temperatura ambiente durante 24 horas, con lo que se obtiene una primer capa de xido. Luego, se depositaron dos capas ms en iguales condiciones. En este caso la solucin es inicialmente incolora y transparente, y la etapa de gelacin es claramente detectada por formacin de un gel blanquecino que opaca dicha solucin, como puede observarse en la Figura 1a. Sobre muestras de acero recubierto de similares caractersticas a las descriptas anteriormente se produjeron refuerzos mixtos de slice (SiO2) y titania (TiO2). Las soluciones utilizadas para los depsitos por sol-gel

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mantienen las relaciones molares TEOS:EtOH:AcAc = 1:1:1 y se agrega a la misma una relacin 1 molar de tetrabutxido de titanio (TBTi). Este reactivo fue manipulado en una cmara guante en atmsfera seca de N2 y disuelto en etanol antes de ser agregado a la solucin base, debido a que el mismo reacciona muy rpidamente con la humedad ambiente, cuando no se encuentra disuelto en alcohol. La tcnica sol-gel utilizada en esta oportunidad es la conocida como de hidrlisis simultnea inducida. sta tiene lugar generalmente en aquellos casos, en los que se utilizan dos alcxidos que, en las mismas condiciones experimentales tales como relaciones molares, cantidad de agua, pH del medio, etc., tienen tiempos muy distintos de formacin del gel y de produccin del xido correspondiente. Cuando se encuentran juntos en el mismo medio de reaccin, la formacin del gel y de los primeros ncleos de fase slida del alcxido que presenta velocidad de reaccin ms rpida, induce la gelacin del que presenta las reacciones ms lentas, conduciendo a la obtencin de la mezcla de xidos de forma simultnea. As, en esta experiencia la formacin del gel a partir de TBTi induce la gelacin de la solucin de TEOS. La solucin mezcla se mantiene en agitacin continua hasta que toma una consistencia de gel compuesto que resulta adecuada para su aplicacin. En este caso correspondi a un perodo de tiempo de una semana. La solucin se mantuvo transparente hasta el agregado de TBTi disuelto en etanol, que le imparte a la misma una coloracin amarillenta, que perdura an cuando el gel compuesto ya se ha formado (Figura 1b). (a) (b)

Figura 1: Geles sintetizados para la obtencin de los recubrimientos. (a) gel de SiO2 (b) gel compuesto SiO2/TiO2

Se aplicaron 2 capas de gel compuesto SiO2/TiO2, con un perodo de secado de 24 horas entre capas. Luego de realizados los recubrimientos simples y compuestos descriptos se trataron las muestras trmicamente segn un programa de tratamiento que consiste en un calentamiento a 5C/min. hasta 100C con una permanencia de 30 minutos y luego hasta 700C a igual velocidad y permaneciendo 4 horas a dicha temperatura. Finalmente un enfriamiento a una velocidad de 10C/min. Las muestras fueron caracterizadas por microscopa ptica, microdureza Vickers y determinacin de tenacidad superficial. Las observaciones pticas fueron realizadas con un equipo Zeiss-Axiotech, con cmara marca Donpisha 3CCD, y digitalizador de imgenes. Las determinaciones de microdureza Vickers se efectuaron con un equipo Shimadzu HMV-2000. Las medidas se realizaron con una carga de 200g durante 10 segundos en todos los casos. Los valores asignados son promedio de 8 determinaciones (dispersin: 2%). Para estudiar la tenacidad superficial, se utiliz el equipo de microdureza Vickers, variando las cargas impuestas a la superficie entre 100g y 2000g y manteniendo el tiempo en 10 segundos en todas las determinaciones. 3. RESULTADOS Y DISCUSIN

La Figura 2 muestra una fotografa de la probeta con recubrimiento compuesto de cromia y slice. Se observa que se han realizado recubrimientos por zonas con el fin de estudiar el efecto de refuerzo del depsito de slice; la pelcula de cromia cubre toda la probeta, y el recubrimiento de slice slo una parte de ella. Se observa adems que parte de la tercera capa de slice depositada no queda completamente adherida a los recubrimientos anteriores, desprendindose fcilmente. Las probetas fueron analizadas por microscopa ptica. El recubrimiento de Cr2O3 obtenido por spray trmico presenta un espesor homogneo de aproximadamente 100 micrones, con una buena adherencia al sustrato metlico.

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Figura 2: Depsito de SiO2 sobre muestra de acero recubierta por spray trmico con Cr2O3. En la Figura 3 se observa el aspecto superficial, a dos aumentos distintos, de la muestra de acero recubierta por cromia durante el proceso de refuerzo con SiO2. Se aprecia el ntimo contacto logrado entre el gel de slice y el xido base. El hecho de colocar el refuerzo en etapa de gelacin asegura una buena penetracin del material en los poros superficiales del recubrimiento de cromia, conduciendo posteriormente durante el proceso de tratamiento trmico a una buena adhesin entre ambos xidos.

Figura 3: Vista superficial de la probeta con recubrimientos de Cr2O3/SiO2

La Figura 4 muestra las superficies de las probetas de acero con el recubrimiento base de cromia, y las superficies reforzadas con SiO2 y SiO2/TiO2. El aspecto de la capa es mucho ms homogneo en el refuerzo mixto que en el de SiO2 sola, y presenta una estructura granular bien definida, como puede observarse a mayores aumentos (Figura 5). Esta estructura se desarrolla en la etapa de formacin del xido mixto, y permanece luego del tratamiento trmico, aunque se produce una reduccin de los tamaos de grano.

Figura 4: Microfotografas pticas de las superficies de las muestras recubiertas. Aumento x100. Un corte transversal de la probeta de acero recubierta con cromia y reforzada por sol-gel se presenta en la Figura 6, donde puede determinarse que el espesor del recubrimiento compuesto es homogneo, pero no es posible observar una interfase definida entre la capa de cromia depositada por spray trmico y las de SiO2 y SiO2/TiO2 depositadas por sol-gel. Esto conduce a pensar que durante el proceso de formacin de los xidos por el proceso sol-gel se produce efectivamente el llenado de poros superficiales de la capa de cromia, y una pelcula superficial muy fina de SiO2 y SiO2/TiO2. El espesor promedio de la capa compuesta resulta de 110 micrones, un valor algo superior al espesor determinado para el recubrimiento de Cr2O3.

Cr2O3 Cr2O3 + SiO2

Cr2O3 + SiO2 Cr2O3

Cr2O3 + SiO2 Cr2O3

x50 x100

Cr2O3 Cr2O3 + SiO2 Cr2O3 + SiO2/TiO2

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Figura 5: Microfotografas pticas de las superficies de las muestras recubiertas con Cr2O3 + SiO2/TiO2. (a) sin tratamiento trmico (b) con tratamiento trmico

Figura 6: Corte transversal de la probeta acero/Cr2O3 + SiO2/TiO2

Las superficies del acero protegidas con los recubrimientos, no presentan modificaciones en la estructura del material metlico base, por accin del proceso de coccin en todos los casos. En cambio, las superficies no recubiertas de las probetas, luego del tratamiento trmico presentan alteraciones de la estructura superficial con caractersticas de corrosin granular hasta un espesor de 150-200 micrones (Figura 7).

Figura 7: Superficie de acero sin proteger luego del tratamiento trmico. La microdureza Vickers de las muestras fue analizada con una carga de 200g aplicada durante 10 segundos. Los resultados se muestran en la tabla inserta en la Figura 8. Puede observarse un incremento importante, aproximadamente un 60 %, en la dureza superficial del material, con el depsito de cromia producido por spray trmico. Los refuerzos posteriores por deposiciones sol-gel aumentan an ms esta propiedad superficial. Es importante tener en cuenta que en los materiales recubiertos, los valores de microdureza determinados corresponden al material compuesto resultante sustrato/recubrimiento, y no a la dureza de la fase que compone el recubrimiento [9]. A cargas entre 100g y 500g aproximadamente los materiales cermicos densos presentan una dureza Vickers prcticamente constante [10]. Con cargas inferiores a 100g las improntas son muy pequeas y el error de medida puede resultar importante. Con cargas superiores a 500g puede comenzar a pesar el factor de tenacidad superficial, principalmente en sistemas sustrato-recubrimiento, y en stos adems juega un rol importante tambin la adhesin entre la base y la pelcula. La unin interfacial suele ser uno de los puntos crticos del material, ya que las fuerzas involucradas en esta regin de contacto, no son tan eficientes como las propias de cada material individualmente. Es por ello, que luego de superada la zona plstica, cuando se realiza una impronta en este tipo de materiales, es de esperar

(a) (b)

x500 x100

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que ocurran grietas laterales a travs de la interfase, que pueden llevar inclusive al desprendimiento de la pelcula. Este modelo en el cual la energa almacenada en la zona plstica acta como una fuerza lateral para la formacin de grietas ha sido propuesto por Chiang y colaboradores [11].

Figura 8: Microdureza Vickers y tenacidad del sustrato y muestras recubiertas.

Para estudiar las caractersticas de tenacidad superficial de estos materiales compuestos, se realiz el anlisis del comportamiento de las muestras frente a diferentes cargas aplicadas (100g2000g) en un perodo de tiempo de 10s. En la Figura 8 se muestran los resultados obtenidos. La microdureza Vickers de la base metlica present valores similares en el rango de cargas utilizado. A partir de una carga de 500g, se nota una disminucin importante de la dureza superficial en las probetas con recubrimiento de cromia y cromia/slice, lo que se interpreta como el comienzo de la prdida de tenacidad superficial. En las muestras con recubrimiento compuesto cromia/slice-titania, se observa una tenacidad prcticamente constante hasta cargas de 1000g. Cuando cargas de 2000g son aplicadas, todas las muestras presentan valores que se acercan al determinado para el sustrato, lo que conduce a pensar en la prdida de adhesin de la pelcula. Las improntas obtenidas poseen diagonales bien definidas, pero muestran grietas en la estructura superficial. 4. CONCLUSIONES

Se han producido recubrimientos cermicos sobre acero comercial por dos mtodos de deposicin diferentes. En contacto con el sustrato se ha depositado Cr2O3 por spray trmico, y luego SiO2 y SiO2/TiO2 por procesos sol-gel como material de refuerzo. Se han logrado muy buenas adherencias en todos los casos, resultando la combinacin cromia/slice-titania la que presenta las mejores caractersticas en cuanto a homogeneidad superficial, microdureza y tenacidad. REFERENCIAS

[1] W. Mosebah, Zahntech Mag. Ed. Flohr, 5 (2001) pp. 278. [2] S. Carvalho and L. Rebouta, Thin Solid Films, 391 (2001) pp. 398. [3] A. Majumdar and S. Jana, Bull. Mater. Sci., 24 [1] (2001) pp. 69-77. [4] J. Musil, P. Karvankova and J. Kasl, Surf. Coat. Technol., 139, (2001) pp. 101. [5] A.Voevodin, J. ONeill and J. Zabinski, Surf. Coat. Technol., 36, pp. 116 (1999). [6] K. Stern, Metalurgical and Ceramic Protective Coatings, Chapman and Hall, London, (1996). [7] H. Hawthone, A. Neville, T. Troczynski, X. Hu, M. Thammachart, Y. Xie, J. Fu and Yang, Surface and

Coatings Technology 176, (2004) pp. 243. [8] G. Bezzi, G. Celotti, E. Landi, T. La Torretta, I. Sopyan and A. Tampieri, Materials Chemistry and

Physics 78 (2003) pp. 816. [9] J. Tuck, A. Korsunsky, D. Bhat and S. Bull, Surf. Coat. Technol., 139 (2001) pp63-74- [10] I. J. McColm, Ceramic Hardness, Plenum Publishing Corporation Ed. (1990), Chapter 2, pp-33.. [11] S. Chiang, D. Marshall and A. Evans, Mater. Sci. Res. 14 (Surf.Interfaces Ceram. Ceram Met. Syst.),

(1981) pp. 603. En referencia [11], pp.205-208. AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la CIC por el apoyo econmico recibido para la realizacin de este trabajo.

Microdureza Vickers a 200g-10s

Probeta Hv[Kgf/mm2]

Acero 540

Acero/Cr2O3 863

Acero/Cr2O3/SiO2 873

Acero/Cr2O3/SiO2+TiO2 934

400

500

600

700

800

900

1000

100 200 300 400 500 1000 2000

Carga [g]H

v [K

gf/m

m2]

acero+cromia acero+cromia/Si-T iacero acero+cromia/Si

//

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