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Tribología y Desgaste (2015)
Propiedades tribológicas del recubrimiento Colmonoy 88 termorrociado por HVOF.
A. A. González a, D. S. González b, H. J. Albarranb
a Escuela de Metalurgia y Ciencias de Materiales, Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela, Los Chaguaramos, Caracas,
Venezuela. b Departamento de Ciencia de los Materiales, Universidad Simón Bolívar, Sartenejas, Caracas, Venezuela
Resumen
La presente investigación se ha llevado a cabo con el fin de determinar las propiedades tribológicas de un recubrimiento de aleación
Colmonoy 88 termorrociado por HVOF sobre un sustrato de acero SAE 1045. Las características químicas y microestructurales se
determinaron por DRX y MEB-EDS, respectivamente, se usó un analizador de imágenes para determinar el espesor y porosidad del
recubrimiento; las propiedades tribológicas se evaluaron mediante un ensayo de desgaste deslizante en seco en configuración Bola
sobre disco bajo una carga de 15 N, a una velocidad de deslizamiento de 350 rpm, un radio de 6 mm y un recorrido de 1200 m, el
recubrimiento se ensayó frente a una contraparte estática de Zafiro, su caracterización se realizó por MEB-EDS y pérdida de masa.
Se encontró que el recubrimiento lo componen principalmente: Cr3Ni2, FeNi3, WC y Cr23C6, teniendo como elemento principal el
Ni; la porosidad y el espesor del recubrimiento en sección transversal estuvo alrededor de 2,4% y 536 μm, respectivamente, se
observó mayor porosidad en la superficie del recubrimiento respecto a la sección transversal; la evaluación de sus propiedades
tribológicas mostró que el coeficiente de fricción promedio se encontró alrededor de 0.6714, mientras que el volumen y la tasa de
desgaste fueron 1,0718 mm3 y 5,95.10-5 mm3/Nm, respectivamente. El mecanismo de desgaste del recubrimiento de la aleación
Colmonoy 88 fue abrasivo, mientras que el de la contraparte estática fue adhesivo con transferencia de material del recubrimiento
hacia la contraparte estática.
Palabras clave: Aleación Colmonoy 88, termorrociado, HVOF, porosidad, coeficiente de fricción.
1. 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 térmico 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).
Este último es uno de los procesos favoritos utilizados para
aplicaciones industriales (partes de máquinas, sellos y cuerpos
de bombas, válvulas petroquímicas, componentes aeronáuticos,
entre otros), ya que provee recubrimientos más resistentes,
densos y con baja porosidad que otros procesos de
termorrociado.
Las principales aleaciones usadas en el termorrociado son
aquellas a base de Ni, Co, WC-Co, entre otras. Los
recubrimientos de aleaciones a base de Ni se utilizan en
aplicaciones en las cuales es necesaria una buena resistencia al
desgaste, aquellos a base de WC-Co son usados en aplicaciones
de desgaste en servicio a altas temperaturas; pero, el incremento
de sus precios y su peligro para la salud humana al aplicarse en
componentes en la industria alimenticia, porque son
potencialmente cancerígenos y/o tóxicos, han provocado que su
uso disminuya y se desarrollen nuevas aleaciones que las
reemplacen en esa área.
Por lo tanto, para este trabajo se planteó como objeto de estudio,
evaluar el comportamiento frente al desgaste deslizante en seco
de un acero estructural SAE 1045 con un recubrimiento
Tribología y Desgaste (2015) termorrociado base Ni, conocido como Colmonoy 88. Esto con
la finalidad de correlacionar las características
microestructurales y las propiedades tribológicas de un
recubrimiento Colmonoy 88 depositado sobre un substrato de
acero estructural SAE 1045 mediante la técnica de
termorrociado, para así mejorar la vida en servicio de
componentes que se encuentran en constante movimiento
relativo frente a otros componentes y a su vez permite a las
empresas ahorrar costos en el mantenimiento de los equipos, ya
que el recubrimiento modifica las dimensiones del componente
para devolverle su geometría adecuada, luego de sufrir desgaste,
sin tener que reemplazarlo por uno nuevo.
2. Procedimiento Experimental.
El presente estudio se llevó a cabo utilizando una muestra de
acero SAE 1045, que fue termorrociado por High Velocity Oxi-
Fuel (HVOF) con un polvo de una aleación a base de níquel
conocida como Colmonoy 88 (dicha composición química
elemental se encuentra en la tabla 1).
Tabla 1: Composición química elemental de la aleación Colmonoy 88
B C Cr Fe Si W Ni 3.0 0.6 15.0 3.5 4.0 15.5 Bal.
El recubrimiento fue preparado en su sección transversal y en su
superficie a través de una preparación con papel abrasivo de SiC
#120, 240, 320, 400, 600, 800, 1200, y el pulido se realizó con
una pasta de alúmina de granulometría 5, 1 y 0,3 µm. En la
sección transversal se preparó el recubrimiento en compresión.
La caracterización microestructural de la sección transversal y
de la superficie se realizó por medio de Microscopía Electrónica
de Barrido (MEB) con un microscopio marca Jeol modelo JSM-
6390, acoplado con un microanalizador marca INCA Energy de
Espectroscopia por Dispersión en la Energía (EDS). La
determinación de la porosidad y el espesor promedio del
recubrimiento se obtuvo con un analizador de imágenes ImageJ.
Adicionalmente, el recubrimiento se caracterizó por Difracción
de Rayos X (DRX), con un difractómetro marca Bruker modelo
D8 Advance, utilizando un catado de cobre (Cu-Kα=0.154 nm)
con un barrido entre 25 ≤ 2θ ≤ 85, empleando un paso de
0.1°/min.
Las propiedades tribológicas de evaluaron mediante un ensayo
de desgaste deslizante en seco en configuración Bola sobre
disco, con un tribómetro marca Microtest modelo MT/30/NI
serie V1141 acoplado con una termocupla, bajo una carga de 15
N, a una velocidad de deslizamiento de 350 rpm, un radio de 6
mm y un recorrido de 1200 m, el recubrimiento se ensayó frente
a una contraparte estática de Zafiro de 6 mm, el recubrimiento
se ensayo en condición de pulido de 0,3 µm. Posterior al ensayo
se observó la morfología de la huella de desgaste sobre el
recubrimiento y la contraparte estática, por MEB-EDS. El
volumen y tasa de desgate del recubrimiento se determinó por
pérdida de masa, con una balanza analítica marca Sartorius
modelo CPA-124S.
3. Resultados
3.1 Difracción de rayos X del recubrimiento.
Por medio del análisis por DRX se obtuvo el difractograma (fig.
1) para el recubrimiento Colmonoy 88 termorociado por HVOF,
en el cual se señalan los elementos y compuestos presentes en el
recubrimiento estudiado.
Figura 1: Difractograma obtenido para el recubrimiento Colmonoy 88.
En este difractograma se puede observar que el elemento
principal presente es el Níquel (Ni) como era de esperarse,
debido a que el mismo es el elemento mayoritario presente en la
composición del recubrimiento, como se observa en la tabla 1 en
la sección 2.
Asimismo, se puede notar la presencia de compuestos derivados
del carbono y níquel. Los carburos presentes son principalmente
de tungsteno (WC) y cromo (Cr23C6). Los compuestos base
níquel son de hierro (FeNi3) y de cromo (Cr3Ni2).
Existe la posibilidad de encontrar algunos carburos y boruros
adicionales a los reportados, sin embargo, es posible que la
técnica no permita su determinación, esto aunado a que el
acabado superficial de la muestra introduce ruido a la lectura del
equipo, por lo que podrían confundirse los picos de dichos
compuestos con los del ruido obtenido [2, 3].
Tribología y Desgaste (2015) 3.2 Caracterización microestructural del recubrimiento en su
sección transversal (ST).
A continuación se muestran las fotomicrografías por MEB de la
ST del recubrimiento por HVOF de la aleación Colmonoy 88
sobre un acero 1045.
En la figura 2 se muestra una sección del recubrimiento donde
se puede apreciar en la parte inferior el acero como sustrato y
sobre el mismo la aleación Colmonoy 88 termorrociada, el
espesor promedio de recubrimiento es 536 μm (tabla 2), se puede
distinguir claramente en la intercara entre el sustrato y el
recubrimiento un perfil de anclaje irregular y la adaptación del
recubrimiento sobre el sustrato debido a la alta velocidad con
que impactan las partículas característico del HVOF, lo que
podría traducirse en una buena adherencia entre ambas
superficies.
El recubrimiento presenta una microestructura compuesta por
lamelas, poros y partículas no fundidas (figura 2b). La presencia
de partículas no fundidas es debido a que por HVOF las
partículas impactan a alta velocidad, sin embargo, la temperatura
que se alcanza no es lo suficientemente alta como para fundir
completamente el polvo y por lo tanto algunas partículas
permanecen con su forma inicial [2].
Adicionalmente, se observan poros encontrados principalmente
en el punto de intersección entre las lamelas de morfología
equiaxial [3], lo que podría indicar que hay una baja cohesión
entre las mismas, la porosidad promedio del recubrimiento es
2,4% en su ST (tabla 2).
Tabla 2: Porcentaje de porosidad de la ST y espesor promedio del
recubrimiento de la aleación Colmonoy 88 por HVOF.
Colmonoy 88 por HVOF
%Porosidad (100X) 2,4 ± 0,6
Espesor (μm) 536 ± 4
En la figura 3 se observan las fases principales que conforman
el recubrimiento, siendo la principal una fase gris claro (pto. 2)
mayoritaria compuesta por Ni y W; también hay partículas de
segunda fase ricos en W, Ni y Cr (pto. 1), algunos presentan una
forma rectangular, mientras que otros son de más pequeño
tamaño y forma equiaxial; ellos están embebidos en una matriz
gris ligeramente más oscura que la fase principal (pto. 3), por
EDS se encontró que la diferencia de la tonalidad de las dos fases
grises radica en la cantidad de W que presentan, siendo
aproximadamente 4% mayor en fase principal [2, 4].
3.2 Caracterización microestructural del recubrimiento en su
superficie.
La superficie del recubrimiento de la aleación Colmonoy 88 se
muestra en las figuras 4 y 5. La figura 5 muestra la gran cantidad
y tamaño de los poros encontrados en el recubrimiento, resultado
equivalente a lo encontrado por otros investigadores [2, 3], a su
vez la presencia de pequeñas partículas en los alrededores de los
poros sugiere que las mismas no alcanzaron la temperatura de
fusión y quedaron incrustadas entre sí, y la unión de ellas
permitió la formación de grandes poros (fig. 5a) [3].
Figura 2: Fotomícrografias por MEB en modo de electrones retrodispersados de la ST del recubrimiento de la aleación Colmonoy 88 sobre acero 1045.
A) 100X y B) 500X.
A B
Tribología y Desgaste (2015) Esto podría traducirse en que la fuerza de cohesión entre las
partículas en la superficie es más débil que en su sección
transversal, investigadores encontraron que ese recubrimiento
termorrociado por HVOF presenta mayor porosidad aparente en
la superficie que en la sección transversal [2].
En las fotomicrografías de la figura 5 se observa la forma
circular que toman las partículas al impactar unas sobre las otras,
también llamadas “splats”, esta morfología es característica de
los recubrimientos termorrociados [5].
Figura. 3: Fotomicrografía por MEB en modo de electrones retrodispersados de la ST del recubrimiento de la aleación Colmonoy 88 sobre acero 1045, con los
espectros (EDS) de los punto 1, 2 y 3.
3.3 Caracterización tribológica
La figura 6 se observa la curva de coeficiente de fricción (COF)
versus distancia para el recubrimiento ensayado frente a una
contraparte de Zafiro; al inicio de la curva el coeficiente aumenta
rápidamente para los primeros metros, esta etapa se denomina
limado de asperezas entre ambas superficies en movimiento
relativo.
Figura 4: Fotomicrografía por MEB de la superficie del recubrimiento de la
aleación Colmonoy 88 sobre acero 1045 a 250X.
Figura 5: Fotomicrografía por MEB de la superficie del recubrimiento de la
aleación Colmonoy 88 sobre acero 1045. a) 500X. b) 1000X.
A
B
Tribología y Desgaste (2015) Posteriormente, hay fluctuaciones en la curva hasta alcanzar un
estado semiestacionario donde el coeficiente tiende a disminuir
o permanecer constante. Las fluctuaciones en las curvas se
deben a la generación de partículas de desgaste duras o “debris”
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 [6]. El coeficiente de fricción
siempre permaneció mayor a 0,6, lo que implica que la fuerza de
fricción entre las superficies es alta, luego de los 200 m de
recorrido el coeficiente de fricción se estabilizó, alcanzado un
valor promedio de 0,6714 (tabla 3), lo que coincide con el
deslizamiento en seco de superficies [7], valores similares de
coeficiente de fricción son reportados por otros investigadores:
aleación base Ni frente a Alúmina con COF 0,7-0,85 y frente a
WC-6Co con COF 0,8-0,9 [8].
En la figura 6 también se muestra la variación de la temperatura
durante el ensayo con la distancia, esta presenta un
comportamiento similar a la curva de COF, donde al inicio la
temperatura aumenta progresivamente hasta alcanzar un estado
semiestacionario, el aumento de la temperatura durante el
ensayo es característico de los procesos de fricción y desgaste de
las superficies en contacto.
Figura 6: Variación del coeficiente de fricción y de la temperatura con respecto
a la distancia para el recubrimiento de Colmonoy 88 termorociado por HVOF
frente a una contraparte estática de Zafiro.
En la tabla 3 se encuentran los valores de volumen y tasa de
desgaste para el recubrimiento bajo los parámetros establecidos
para el ensayo de desgaste deslizante en seco, la tasa de desgaste
está en el orden de 10-5 siendo similar a otras aleaciones base Ni
termorrociadas por HVOF estudiadas (4,2.10-5 mm3/Nm) [1], sin
embargo, es importante destacar que la carga utilizada en esa
investigación fue de 5 N, valor que es 3 veces menor que el
utilizado en la presente investigación, mientras que la distancia
de recorrido fue de 2500 m, siendo 2 veces mayor que en este
estudio para una misma velocidad en ambos casos, por lo que
habría que estudiar cuál de los parámetros tiene mayor influencia
sobre la tasa de desgaste.
Tabla 3: Propiedades tribológicas del recubrimiento de la aleación Colmonoy
88 termorrociado por HVOF
Parámetros tribológicos
µprom 0,6714
Volumen de desgaste (mm3) 1,0718
Tasa de desgaste (mm3/Nm) 5,95E-05
Asimismo, en las figuras 7-9 se muestra la huella de desgaste
sobre el recubrimiento luego del ensayo de desgaste deslizante
frente a la contraparte de Zafiro.
Se puede observar que la huella presenta surcos paralelos entre
si y en la dirección del recorrido de la contraparte, que se
observan mejor en la figura 8, además la huella presenta mayor
daño en los bordes que en el centro (figs. 7 y 9), se puede ver
que las partículas que componen el recubrimiento son totalmente
esféricas, lo que señala que la capa superficial del recubrimiento
se desgasto.
La forma como observan las partículas en esta zona corrobora
que no hubo fusión total del polvo durante el termorrociado y
que la fuerza de cohesión débil provocó que, al aplicar la carga
y hacer que la contraparte de alta dureza incida sobre el
recubrimiento, se desgastara la capa superior del mismo y
posteriormente las partículas expuestas se separaran.
Figura 7: Vista general de la huella sobre la superficie del recubrimiento de la
aleación Colmonoy 88 termorrociado por HVOF, luego del ensayo de desgate
deslizante frente a una contraparte estática de zafiro.
Tribología y Desgaste (2015)
Figura 8: Centro de la huella la superficie del recubrimiento de la aleación
Colmonoy 88 termorrociado por HVOF, luego del ensayo de desgate deslizante
frente a una contraparte estática de zafiro.
Figura 9: Borde de la huella sobre la superficie del recubrimiento de la aleación
Colmonoy 88 termorrociado por HVOF, luego del ensayo de desgate deslizante
frente a una contraparte estática de zafiro.
Las partículas de desgaste generadas se presentan en las figuras
10 y 11, las mismas son semiesféricas y de tamaño heterogéneo,
siendo en su mayoría inferior a los 5 μm, el EDS muestra
contenidos de oxígeno, señalando que durante el ensayo las
partículas pudieron oxidarse y entrar en rodadura, se
endurecieron por deformación y provocaron el arado de la
superficie junto con las asperezas de la contraparte. Por lo cual,
el mecanismo de desgaste del recubrimiento de la aleación
Colmonoy 88 es de tipo abrasivo [1, 6 y 8]. La caracterización
de la contraparte de Zafiro mostró una huella difusa sin forma
geométrica definida (figs. 12 y 13), podría ser que las regiones
claras observadas se tratan de la presencia de partículas de
desgaste o “debris” acumuladas en su superficie, el material
adherido presenta contenidos de Ni, Fe, Cr, W y O (fig. 14), lo
que implica que es el mismo material que el que compone las
partículas de desgaste; ello sugiere que el mecanismo de
desgaste de la contraparte es de tipo adhesivo con transferencia
de material desde el recubrimiento hacia la contraparte [8].
Figura 10: Particulas de desgaste (Debris) producto de los ensayos de desgaste
deslizante del recubrimiento de la aleación Colmonoy 88 termorrociado por
HVOF, frente a una contraparte estática de zafiro a 5000X.
Figura 11: Superior: Partículas de desgaste (Debris) producto de los ensayos de
desgaste deslizante del recubrimiento de la aleación Colmonoy 88
termorrociado por HVOF, frente a una contraparte estática de zafiro a 20000X.
Inferior: EDS de las partículas de desgaste (Debris).
Tribología y Desgaste (2015)
Figura 12: Huella sobre la superficie de la contraparte estática de Zafiro luego
del ensayo deslizante tomada por MEB..
Figura 13: Huella sobre la superficie de la contraparte estática de Zafiro luego
del ensayo deslizante tomada por MEB en modo de electrones
retrodispersados.
4. Conclusiones
- Por DRX se encontró que los elementos y compuestos
presentes en el recubrimiento de aleación Colmonoy 88
termorrociado por HVOF fueron: Ni, Cr3Ni2, FeNi3, Cr23C6 y
WC.
- El espesor del recubrimiento de Colmonoy 88 termorrociado
por HVOF se encontró alrededor de 536 μm. La porosidad
aparente estuvo alrededor de 2,4% en la sección transversal del
recubrimiento. Por MEB se observó mayor porosidad en la
superficie del recubrimiento respecto a la sección transversal.
- El coeficiente de fricción promedio fue aproximadamente
0,6714; el volumen y la tasa de desgaste fueron 1,0718 mm3 y
5,95.10-5 mm3/Nm, respectivamente.
Figura 14: Superior: Material sobre la superficie de la huella en la contraparte
estática de zafiro. Inferior: EDS del material en la superficie de la huella.
- La morfología de las huellas, sobre el recubrimiento Colmonoy
88 termorrociado por HVOF frente a una contraparte estática de
Zafiro, mostró un comportamiento asociado a un mecanismo de
desgaste abrasivo.
- El mecanismo de desgaste de la contraparte de Zafiro frente al
recubrimiento Colmonoy 88 es adhesivo con transferencia de
material desde el recubrimiento hacia la contraparte estática.
5. Referencias Bibliográficas
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