Evaluación del coeficiente de fricción y las propiedades mecánicas de los recubrimientos 140MXC-530AS Y 140MXC-560AS sobre acero AISI-SAE 4340 utilizando la técnica de proyección térmica

Abstract

En este trabajo se produjeron recubrimientos mediante la técnica de proyección térmica por arco, se depositaron tres materiales diferentes: acero de bajo carbono (530 AS), acero inoxidable (560 AS) y una aleación a base de FeCrNbW (140 MXC). Con el fin de mejorar la adhesión, mediante la misma técnica se aplicó al sustrato una aleación de NiAl (500 AS) cuya aplicación está recomendada para mejorar esta propiedad. Se caracterizaron las fases cristalinas del recubrimiento mediante difracción de rayos X (DRX) y la microestructura fue caracterizada con microscopia electrónica de barrido (MEB), microscopia láser confocal (MLC) y microscopia óptica (MO). La resistencia al desgaste fue evaluada mediante las técnicas de bola sobre disco y bola sobre plano. Se hicieron mediciones de nano-dureza y por último la adhesión del recubrimiento se evaluó mediante la prueba de rayado. Para el depósito de los recubrimientos se utilizó el equipo EUTRONIC ARC SPRAY 4, y se utilizaron los siguientes parámetros de aplicación: corriente 140 A, voltaje 50 V, presión primaria 413 kPa y presión secundaria 413 kPa (la presión primaria impulsa las gotas de material hacia el sustrato y la presión secundaria direcciona la proyección hacia el blanco), la pistola fue controlada a una distancia de aplicación de 15 cm, la velocidad de desplazamiento fue de 20 capas/minuto. En las micrografías obtenidas mediante microscopia electrónica de barrido se observa que el recubrimiento está compuesto por lamelles acomodados unos sobre otros, los cuales están acompañados de óxidos, poros y partículas sin fundir. También se aprecia la aparición de grietas en la superficie las cuales posiblemente se podrían originar por esfuerzos residuales durante el enfriamiento. Los espesores obtenidos con esta técnica no fueron uniformes, estos oscilaron alrededor de 450 a 650 μm. Los análisis hechos mediante espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS) revelan que no existió difusión atómica relevante de algunos elementos, lo cual se da como consecuencia de la baja temperatura a la que se hace la aplicación (debido a que los sustratos no fueron calentados previamente) y al rápido enfriamiento y solidificación del material fundido. En los resultados obtenidos mediante difracción de rayos X, se observó que el material 140MXC tiene un único pico de gran ensanchamiento en la posición 44,67° el cual posiblemente corresponde al plano (1 1 0) para el Fe, Cr y/o Fe-Cr, cuyas fases cristalinas corresponden a cubica centrada en el cuerpo, estas posiciones coinciden con las cartas 00-006-0696, 00-006-0694 y 00-034-0396 de la base de datos X-Pert (según JCPDS) , el FWHM para este pico fue de 1,89°. Para los materiales 530 AS y 560 AS el patrón de difracción es característico para la composición química de cada uno de estos materiales. Los volúmenes de desgaste calculados permitieron determinar que los mejores comportamientos frente al desgaste se presenta en las películas en las que se encuentra depositado el materia 140 MXC, lo cual se correlaciona con la dureza del material, ya que en estos se encontraron los valores más altos en las pruebas de nano-dureza. Con los ensayos de desgaste se determinaron los coeficientes de fricción, en donde se estableció que para el recubrimiento 530 y sus bicapas dicho valor oscilaba en un rango de 0,22-0,27 y para el recubrimiento 560 y sus bicapas oscilaba en un rango de 0,22-0,25, esta pequeña variación se da posiblemente porque el material 560AS tiene una mayor nano dureza (11GPa) que el material 530AS (10GPa). Por último las micrografías obtenidas por microscopia óptica mostraron que después de realizada la prueba de rayado no existe desprendimiento entre el recubrimiento y el sustrato y que las fallas presentadas corresponden a fallas de tipo cohesivo, lo que ocurre siempre en la última capa.

Abstract. Coatings in this work were produced by arc thermal spray technique, three different materials were deposited: low carbon steel (530 AS), stainless steel (560 AS) and FeCrNbW base alloy (140 MXC). In order to improve adhesion, using the same technique was applied to the substrate alloy of NiAl (500AS) whose application is recommended for improving this property. The crystalline phases coating were characterized by X-ray diffraction (XRD) and the microstructure was characterized by scanning electron microscopy (SEM), confocal laser microscopy (CLM) and optical microscopy. The wear resistance was evaluated using techniques Ball on Disk and Ball on Flat. Nano-hardness measurements were made and finally coating adhesion was evaluated by scratch test. For depositing coatings equipment used EUTRONIC ARC SPRAY 4 and the following parameters were used: current 140 A, voltage 50 V, primary pressure 413 kPa and secondary pressure 413 kPa (primary pressure drives drops towards the substrate and secondary pressure focuses projecting toward the substrate), gun was controlled at a distance of 15 cm application, the moving speed was 20 layers / minute. In the micrographs obtained by scanning electron microscopy shows that the coating is composed lamelles accommodated on each other, which are accompanied oxide, pores and unmelted particles. Also cracking is seen on the surface which could possibly lead to residual stresses during cooling. Thickness obtained with this technique were not uniform, these ranged around 450-650 mμ. The analyzes made by spectroscopy energy dispersive X-ray (EDS) revealed that there was no relevant atomic diffusion of elements, which is a consequence of the low temperature at which the application is made (because the substrates were not preheated) and rapid cooling and solidification of the melt. In the results obtained by X-ray diffraction, it was observed that the material 140MXC has a single peak in the high position widening 44.67 ° which possibly corresponds to the plane (1 1 0) for Fe, Cr y/o Fe-Cr, which crystalline phases correspond to body-centered cubic, these positions coincide with letters 00-006-0696, 00-006-0694 y 00-034-0396 database of X-Pert (JCPDS), the FWHM this peak was 1,89°. For materials 530 AS and 560 AS diffraction pattern is characteristic for the chemical composition of each of these. Wear volumes calculated allow to determine that the best performances against wear occur in the movies where the material is deposited 140 MXC, which correlates with the hardness of the material, since in these the highest values were found in the nano-hardness testing. With wear tests friction coefficients were determined, where it was established that for the coating 530 and bilayers this value varied in the range from 0.22 to 0.27 and for coating 560 and bilayers this value varied in the range from 0.22-0.25, possibly this small variation occurs because the 560AS material has a higher hardness (11GPa) the materials 530AS (10GPa). Finally the micrographs obtained by optical microscopy showed that after scratch testing performed no detachment between the coatings and the substrate and failures presented correspond to cohesive failure type, which always occurs on the last layer.