CARACTERIZACIÓN DEL RECUBRIMIENTO Cr-Ni-Fe-Si-B SOBRE

MEMORIAS DEL 14 CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 17 al 19 DE SEPTIEMBRE, 2008 PUEBLA, MÉXICO

ISBN 978-968-9773-03-8 Derechos Reservados © 2008, SOMIM 679

CARACTERIZACIÓN DEL RECUBRIMIENTO Cr-Ni-Fe-Si-B SOBRE ACERO DE BAJO CARBONO, GENERADO MEDIANTE EL PROCESO DE

PROYECCIÓN TÉRMICA AUTOMATIZADO.

Eduardo Garduño, Arturo Barba Pingarrón, Javier Cervantes Cabello, Israel Garduño García, Raúl Valdez N. Centro de Ingeniería de Superficies y Acabados (CENISA). Departamento de Materiales y Manufactura.

Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito Exterior, Ciudad Universitaria, Coyoacán, D.F. C.P. 04510, México

Tel. 56 –22-80-50, Fax 56-22-80-55

[email protected], [email protected]., [email protected]

Resumen: En este artículo se muestra el desarrollo experimental llevado a cabo para dotar de mejores propiedades superficiales a aceros de bajo contenido de carbono, especialmente en lo concerniente a la resistencia al desgaste de estos materiales, mediante la generación de un recubrimiento (Cr-Ni-Fe-Si-B) que ha sido depositado por medio de la técnica de proyección térmica. Se realizaron recubrimientos superficiales de rociado térmico mediante un equipo automatizado de proyección térmica por flama, montado sobre un brazo robot que permitió la variación de parámetros de proyección. Los recubrimientos obtenidos se han evaluado mediante ensayos de microdureza, y a través de técnicas de microscopia electrónica y microanálisis. Se completo la caracterización mediante ensayos de desgaste, variando cargas, velocidades y distancias recorridas, para obtener gráficas representativas, por medio de la razón de desgaste y de su pérdida de peso. Los recubrimientos obtenidos mejoraron la resistencia al desgaste sin afectar la microestructura del sustrato.

Abstract: This article contains a description of the experimental development to obtain better properties of low carbon steal, employing an automatic process of combustion thermal spray, which produces a coating made up of different elements. The thermal spray gun attached to a robot arm that provided the necessary movements to generate adequeate combustion thermal spray coating process. Coatings obtained of Cr-Ni-Fe-Si-B were characterized employing microhardness and wear tests and scanning electron microscopy and microanalysis techniques. These technologies not modify the microstructure and are a valuable alternative to improve wear resistance.

INTRODUCCIÓN.

La proyección térmica forma parte de las técnicas de deposición superficial integradas en lo que se denomina Ingeniería de Superficies y es una tecnología empleada para obtener recubrimientos de diferentes materiales, comúnmente constituidos de materiales metálicos, cerámicos o una combinación de ambos, sobre una gran variedad de sustratos, lo que permite conseguir una sustancial mejora en propiedades tales como resistencia al desgaste y a la corrosión de piezas y componentes.

El proceso consiste, en primer lugar, en fundir los materiales con los que se desea recubrir, empleando una gran variedad de fuentes de energía. Las más comunes son la combustión generada por mezclas de gases como oxígeno y acetileno, en el interior de una pistola convenientemente diseñada. El material fundido es proyectado hacia la superficie a recubrir usando para ello una corriente de aire (u otros gases) para conseguir que las partículas fundidas viajen y se impacten contra la superficie del sustrato para ir generando así el recubrimiento. [1].

Los recubrimientos obtenidos mediante este proceso convencional suelen ser porosos y discontinuos en su espesor, lo que resulta en un revestimiento de baja calidad.



Es por ello que con el apoyo de la automatización del proceso, se busca mejorar el control de los parámetros de operación, para obtener recubrimientos con menos porosidad y con espesores más uniformes que los conseguidos por métodos convencionales manuales.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

A continuación se menciona los elementos utilizados para la generación del recubrimiento superficial mediante un sistema de proyección térmica por flama que ha sido automatizado en la Facultad de Ingeniería de la UNAM.

Como primera etapa, se utilizó un equipo de proyección térmica convencional tal como se muestra en la Figura 1 de la marca Sulzer Metco, así como un brazo robot de la marca Motoman modelo K6. Estos equipos y diferentes elementos mecánicos y electrónicos se integraron para formar el sistema automatizado Figura 2 .

Figura 1. Pistola rociadota modelo 5PII de marca SULZER METCO

Figura 2. Brazo mecánico con los elementos de automatización de la pistola de proyección térmica

Posteriormente, se realizaron pruebas de proyección con el equipo automatizado para la caracterización de la huella de proyección que permitiera obtener el recubrimiento más homogéneo posible Figura 3.

Gatillo

Palanca de apertura de gas Depositó de polvos

Salida de material para el rociado



Figura 3. Proyección Térmica para la obtención del patrón de rociado

HUELLAS DE PROYECCIÓN. Se tomaron diferentes huellas de proyección variando la distancia y la calibración de la válvula de control de flujo del polvo, con la finalidad de determinar el paso y la distancia más convenientes para el rociado térmico las cuales se muestran en la tabla 1.

Tabla 1 Huellas de Proyección para obtener el patrón de huella más homogéneo posible

Se compararon las diferentes huellas (tabla 1) y se seleccionó la correspondiente a una distancia de 25 cm y una calibración de la válvula de control de flujo de 17 [15], por tener una forma y espesor uniforme. Se tomaron medidas de esta huella determinando un paso de la pistola de 1 cm

BANCO DE PRUEBAS

Se realizaron pruebas con el equipo a velocidades de 100 y 150 cm/min y se hicieron estudios de rugosidad, morfología superficial, espesor de la capa y análisis químico mediante el siguiente procedimiento figura 3.

Parámetros de trabajo.

DISTANCIA DE PROYECCIÓN CALIBRACIÓN DE LA VÁLVULA DE CONTROL DE FLUJO.

20 cm 25 cm 30 cm

16

17

18



a. Material de trabajo: Solera de acero AISI 1018 de 5 cm de ancho por 8 cm de largo y espesor de

6.3 mm. b. Preparación de la pieza de trabajo: granallado de 15 minutos con óxido de aluminio malla 12,

obteniendo una rugosidad Ra = 11 µm . c. Polvo metálico: (Ni, Cr 10, B 2.5, Fe 2.5, Si 2.5, C 0.15)[16]. d. Presión de los gases: Acetileno 0.5 Bar, Oxígeno 2 Bar

e. Presión del aire: 2.5 Bar. f. Distancia de proyección: 25 cm. g. Tiempo de proyección: 3 min. h. Velocidad: 100 ó 150 cm/min. i. Recorrido vertical de la pistola: 1 cm por paso.

Se realizaron diferentes rociados en aceros de bajo contenido de carbono con los parámetros obtenidos en la calibración de la huella de rociado, obteniendo así el patrón de rociado y el recubrimiento lo más homogéneo posible, tal como se observa en la figura 4.

Figura 4 Recubrimiento obtenido en el proceso de rociado. Rugosidad.

Se realizó la prueba de deposición obteniendo valores de rugosidad de la capa Ra = 22.5 µm para una

velocidad de proyección de 100 cm/min, y una Ra = 17.2 µm para una velocidad de 150 cm/min. Por lo que se optó por esta última velocidad (150 cm/min). Por ello se optó por esta última velocidad 150 cm/min ya que la rugosidad y uniformidad de la capa era lo más homogénea y uniforme posible.

MORFOLOGÍA SUPERFICIAL.

En la prueba de rociado térmico a una velocidad de 150 cm/min se tomaron micrografías de la

superficie en un microscopio electrónico de barrido PHILIPS XL20, a distintos aumentos, donde se puede observar la proyección del recubrimiento metálico sobre el material de trabajo y la porosidad.

Se pueden observar en las figuras 5 y 6 las partículas de forma esférica que no fundieron quedando

adheridas al substrato. En la figura 5 se puede observar la porosidad (puntos negros) y la adherencia al substrato de la aleación de recubrimiento fundida.



Figura 5 Micrografía de la superficie a 100x MEB.SE

Figura 6 Micrografía de la superficie a 400x MEB.SE ESPESOR DE LA CAPA.

En el recubrimiento obtenido a una velocidad de 150 cm/min se hicieron medidas del espesor de la

capa en diferentes puntos. Como se puede observar en la figura 7, el espesor en un punto máximo de la capa es de 1.19 mm.

Figura 7 Espesor de 1.19 mm en un punto máximo de la capa

Se realizaron rociados térmicos con diferentes tiempos, con los mismos parámetros de la prueba anterior para una velocidad de 150 cm/min. Se midió el espesor de la capa, obteniendo los resultados de la tabla 2 y la gráfica correspondiente en la figura 8. Esto con el fin de obtener el parámetro donde ya no hay adherencia del recubrimiento y por lo tanto determinar el espesor máximo que se puede conseguir por esta técnica de proyección.



Espesor de la capa en mm

Tiempo de proyección en seg.

0 0 0.8 60 1.3 120 2.2 180

3.2 (Levantamiento de la capa)

280

Tabla 2 Prueba de rociado de espesor vs tiempo

Proyección Térmica

050

100150200250300

0 1 2 3 4

Espesor mm

Tie

mpo

s

Figura 8 Gráfica espesor-tiempo

ANÁLISIS QUÍMICO POR MEDIO DEL MICROSCOPIO ELECTRÓNICO.

La figura 9 nos muestra el análisis químico del recubrimiento obtenido mediante la proyección térmica del proceso automatizado, utilizando la técnica de microscopia electrónica de barrido, lo cual nos dio datos

contundentes sobre la combinación depositada presentando un alto contenido de níquel y

cromo Figura 9 Análisis químico del recubrimiento.

Posteriormente se realizaron diferentes probetas para llevar a cabo la caracterización del desgaste de las mismas. Para realizar las pruebas de desgaste se utilizó una máquina para estudios de tribología Cygnus II pin on disk Modelo 1985. Se eligieron probetas con tiempo de rociado de 1.5 minutos por tener las mejores condiciones de aspecto superficial y rango del espesor de 1.7 mm. Habiendo elegido las probetas se tuvo que asegurar la misma altura de espiga de las probetas con recubrimiento que se someterían a las pruebas de desgaste, para ello se carearon dichas probetas en un torno CNC; con ello se obtuvo un mismo plano de desgaste así como la mayor área posible de contacto de las probetas sobre el disco de desgaste, ya que a la máquina utilizada se le colocan tres probetas por ensayo.



Procedimiento del ensayo. 1) Se realizó la limpieza de las probetas “pin”, antes de empezar todos los ensayos. 2) Antes de colocar las probetas “pin” en el dispositivo de sujeción se marcaron y se pesaron en una balanza analítica con rango de 0.0001 de gramo y se registraron los datos. 3) Se aplicó la carga primero de 150 gr. Después de 300 y 600 gr. en diferentes eventos. 4) Se ajusto la máquina a 470 RPM con ayuda del tacómetro digital externo para los primeros eventos con 150. 300 y 600 gr. Después se ajustaría a 900 RPM para las mismas cargas. 5) Se evaluó la duración de los eventos por cada carga con un cronometro externo y con dichos datos se cálculo después la distancia recorrida. 6) Se pesaron y se registraron en la balanza analítica registrando nuevamente los datos. Este procedimiento se repitió desde el punto 4 al 9 en ocho ocasiones por cada una de las tres cargas (150,300 y 900 gr) y a su vez por cada velocidad (470 y 900 RPM). En total se hacían 48 eventos para las tres probetas “pin” con recubrimiento y también sin recubrimiento. Antes de someter el arreglo de probetas a los ensayos de desgaste se midieron espesores de dichas probetas, estas mediciones se efectuaron también después de los ensayos para verificar si existía un cambio significativo en su espesor, estos datos los muestra la tabla 3.

PROBETAS RECUBIERTAS "CAREADAS"

PROBETA SUPERFICIE DEL

RECUBRIMIENTO

ESPESOR DEL

RECUBRIMIENTO ANTES DE

ENSAYOS (mm)

ESPESOR DEL

RECUBRIMIENTO DESPUES DE

ENSAYOS (mm)

1 MUY BUENO 0.30 0.15

2 MUY BUENO 0.30 0.20

3 MUY BUENO 0.30 0.20

Tabla 3 Condiciones de espesores en arreglo de probetas sometidas a desgaste.

Al tener probetas con las mejores condiciones de proyección y misma altura de espiga, se reunieron los parámetros necesarios para obtener resultados confiables en los ensayos de desgaste. Los resultados en pérdida de peso y razón de desgaste corresponden a las tres probetas en el arreglo de las pruebas. El tener 3 probetas con las mismas condiciones de prueba o ensayo es de gran utilidad para tener un rango de resultados confiable, es decir para una prueba con las mismas condiciones de velocidad y carga tendremos tres resultados que no necesariamente serán los mismos; así se ubica tanto el valor menor, como el valor mayor para cada prueba.



En la tablas 4 y 5 se presentan rangos de resultados máximos de pérdida de peso a las distancias recorridas para ambos materiales con recubrimiento, así como el del material base sin recubrir AISI 1018.

AISI 1018

So=230,341 (cm) So=220,539 (cm) So=441,079 (cm)

470 rpm 900 rpm 900 rpm

Carga (gr)

Pérdida de peso máximo (gr)

150 0.0040 - 0.0126 0.0037 -0.0130 0.0099 - 0.0220

300 0.0258 - 0.0808 0.0030 - 0.0119 0.0076 - 0.0259

600 0.0408 -0.0948 0.0084 - 0.0103 0.0120 - 0.0300

Tabla 4 Pérdida de peso máximo para probetas sin recubrir.

PROBETAS RECUBIERTAS

So=230,341 (cm) So=220,539 (cm) So=441, 079 (cm)

470 rpm 900 rpm 900 rpm

Carga (gr)

Pérdida de peso máximo (gr)

150 0.0008 - 0.0012 0.0007 - 0.0011 0.0015 - 0.0025

300 0.0004 - 0.0010 0.0004 - 0.0046 0.0012 - 0.0057

600 0.0008 - 0.0012 0.0003 - 0.0005 0.0006 - 0.0026

Tabla 5 Pérdida de peso máximo para probetas con recubrimiento. Los resultados de pérdida de peso de las probetas sin recubrimiento muestran que con carga de 600 gr. y 470 RPM se presentan valores máximos de perdida de peso a los 230,341 cm. Si comparamos a una distancia recorrida cercana (220,539 cm) y carga aplicada (600 gr.), pero a 900 RPM resulta que está por debajo de los valores máximos obtenidos a 470 RPM, por lo menos 9 veces menos. Esto se nota con mayor detalle en la gráfica de la figura 12 con las condiciones de prueba en donde se manifestaron las máximas de pérdidas de peso comparándolas con la gráfica de la figura 13 en donde cambia únicamente la velocidad a 900 RPM.

Figura 12 En la gráfica se observa la tendencia positiva de las tres probetas, el rango máximo es de 0.0408 gr. Para la probeta 3 mientras la probeta 2 es de 0.0948 gr. A los 230,341 (cm) recorridos.

AISI 1018470 rpm 600 gr

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0 150,000 300,000 450,000

DISTANCIA RECORRIDA (cm)

PER

DID

A D

E P

ESO

(gr

) Tp1 (gr)

Tp2 (gr)

Tp3 (gr)



Figura 13 En la gráfica se observa el comportamiento de las tres probetas, el rango máximo es de 0.0120 gr. para la probeta 3 mientras la probeta 1 es de 0.0300 gr. a los 441,079 cm. recorridos. Cabe destacar que, ni con el doble de distancia recorrida se alcanzan los valores máximos que en las condiciones de 470 RPM, están por lo menos 3 veces por debajo.

Los resultados de pérdida de peso de las probetas con recubrimiento, muestran que con una carga de 300 (gr.) y 900 RPM se presentan valores máximos de perdida de peso a los 220,539 (cm), si comparamos a una distancia RPM resulta, que esta por debajo de los valores máximos recorrida cercana (230,341 (cm)) y carga aplicada (300 (gr.)), pero a 470 obtenidos a 900 RPM, por lo menos 4 veces menor. Lo anterior se puede observar con más detalle en las siguientes gráficas:

Metco 12C 900 rpm 300 gr

00.0010.0020.0030.0040.0050.006

0 200,000 400,000 600,000


PE

RD

IDA

DE

P

ES

O (

gr) Tp1 (gr)

Tp2 (gr)

Tp3 (gr)

Figura 14 En la gráfica se observa que la probeta 1 destaca en la pérdida de peso mientras que las otras ganan peso, de esta forma se tiene que a los 220,539 cm recorridos, el rango de pérdida de peso es de 0.0004 a 0.0046 gr. para el doble de distancia recorrida (441,079 cm.) tenemos que su pérdida de peso es de 0.0012 a 0.0057 cm. Estos datos son los máximos de todas las condiciones de experimentación.

Metco 12C470 rpm 300 gr

00.0010.0020.0030.0040.0050.006

0 100,000

200,000

300,000

400,000

500,000


PE

RD

IDA

DE

P

ES

O (

gr) Tp1 (gr)

Tp2 (gr)

Tp3 (gr)

A diferencia de las probetas sin recubrir en donde se obtuvieron las máximas perdidas de peso a menores revoluciones y mayor carga, las probetas con recubrimiento manifestaron las máximas de pérdida de peso a mayores revoluciones y carga media (300 gr.). Para la razón de desgaste observaremos las gráficas para las mismas condiciones donde se presentaron los máximos valores de perdida de peso. Las gráficas de la figura 15 y 16 muestran el comportamiento de razón de desgaste para las probetas AISI 1018, en las mismas condiciones que en la pérdida de peso ya mostradas.

AISI 1018900 rpm 600 gr

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0 150,000 300,000 450,000


PER

DID

A D

E P

ESO

(gr

)

Tp1 (gr)

Tp2 (gr)

Tp3 (gr)



AISI 1018470 rpm 600 gr

0.0E+00

1.0E-07

2.0E-07

3.0E-07

4.0E-07

5.0E-07

0 100,000 200,000 300,000 400,000 500,000

D I S TAN CI A R EC OR RI D A ( c m)

q 1 (gr/cm)

q 2 (gr/cm)

q 3 (gr/cm)

Figura 15 En la gráfica se puede apreciar la tendencia positiva de razón de desgaste de las tres probetas en donde la máxima, es de 1.8x10-07 a 4.1x10-07 gr. a los 230341 cm. recorridos.

AISI 1018900 rpm 600 gr

0.0E+00

1.0E-07

2.0E-07

3.0E-07

4.0E-07

5.0E-07

0 100,000

200,000

300,000

400,000

500,000


RA

ZON

DE

D

ES

GA

STE

(g

r/cm

) q 1 (gr/cm)

q 2 (gr/cm)

q 3 (gr/cm)

Figura 16 En la gráfica se puede apreciar la tendencia negativa de razón de desgaste de las tres probetas en donde la máxima, es de 5.0 x10-08 a 6.9 x10-08 gr. a los 55135 cm. recorridos. Las gráficas de la figura 17 y 18 muestran el comportamiento de razón de desgaste para las probetas recubiertas, en las mismas condiciones que en la pérdida de peso ya mostradas.

Metco 12C 470 rpm 300 gr

0.0E+005.0E-091.0E-081.5E-082.0E-082.5E-08

0 100,000

200,000

300,000

400,000

500,000


RA

ZON

DE

D

ES

GA

STE

(g

r/cm

)

q 1 (gr/cm)

q 2 (gr/cm)

q 3 (gr/cm)

Figura 17 En la gráfica se puede apreciar la tendencia de razón de desgaste de las tres probetas en donde la máxima, es de 3.5 x10-09 a 5.2 x10-09 gr. a los 28,792 cm. recorridos es decir en el primer intervalo de tiempo o lectura.

Metco 12C900 rpm 300 gr

0.0E+005.0E-091.0E-081.5E-082.0E-082.5E-08

0 200,000

400,000

600,000


RA

ZO

N D

E

DE

SG

AS

TE

(g

r/cm

) q 1 (gr/cm)

q 2 (gr/cm)

q 3 (gr/cm)



Figura 18 En la gráfica se puede apreciar la tendencia negativa de razón de desgaste de las tres probetas en donde la máxima, es de 9.1 x10-09 a 1.1 x10-08 gr. a los 55,135 cm. recorridos en el primer intervalo de tiempo o lectura. Se obtuvieron imágenes de las probetas sometidas a desgaste en un macroscopio de marca Wild Photo macrosk modelo M400 con un rango de resolución de (6.3 – 32) X. para poder justificar el tipo de desgaste manifestado en los ensayos como se observa en la figura 19.

Figura 19 Probeta 3 sin recubrir con desgaste, número de aumentos 32X, en la imagen se observan claramente los surcos característicos del desgaste de tipo abrasivo, con diferentes planos de desgaste.

También se tomaron micrografías en un microscopio electrónico de barrido de la probeta sin desgaste y después de la prueba de desgaste como se puede observar en las figuras 20 y 21.

Figura 20 La imagen corresponde a una micrografía superficial tomada por medio de microscopía electrónica utilizando detector de electrones secundarios (SE) a 20 kV, número de aumentos 50X.



Figura 21 Probeta 3 con recubrimiento tiempo de rociado =1.5 min. Careada y sometida a desgaste, número de aumentos 50X, utilizando detector de electrones secundarios (SE) En la imagen se observan las huellas del desgaste abrasivo.

CONCLUSIONES.

De acuerdo al desarrollo del trabajo planteado se tienen las siguientes conclusiones:

Gracias a la automatización del proceso de proyección térmica se pudieron controlar significativamente los parámetros de rociado obteniéndose mejores condiciones de homogeneidad de los recubrimientos y mejor control de espesor comparados con el proceso convencional

El recubrimiento más estable se obtuvo con un tiempo de 1.5 minutos, con un espesor de 1.3 mm, utilizando el proceso automatizado Ya que en este tiempo se presentan las mejores características de homogeneidad y espesor uniforme del recubrimiento

El recubrimiento redujo el desgaste del material base (AISI 1018) en por lo menos 70 veces en condiciones máximas experimentales (470 rpm a 600 gr.), Conviene destacar que para los parámetros establecidos de experimentación, las condiciones críticas de desgaste del recubrimiento en estudio son a mayor velocidad y la carga media (900 RPM y 300 gr.).

Los mecanismos de desgaste que dan lugar a los distintos tipos de desgaste, se presentan de manera conjunta y no aislada. Aunque es difícil reconocer el tipo de desgaste, se puede concluir por el tipo de huellas dejadas en las probetas y la pérdida o aumento de masa durante el deslizamiento es de tipo abrasivo. AGRADECIMIENTOS: A la DGAPA por su apoyo mediante los proyectos PAPIIT IN102606 “Diseño y fabricación de una sierra y taladro para intervenciones quirúrgicas de rodilla y cadera” y PAPIME PE103207 “ “Diseño e Integración de un Sistema de Manufactura Flexible Modula con topología malla Conexa”

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