Comportamiento al desgaste por rodadura de un acero inoxidable AISI 440C recubierto con Ti/TiN mediante PBII&D

M.P. GONZÁLEZ; A.D. MANDRI; R.C. DOMMARCO; D.A. COLOMBO

Mar del Plata

Congreso; 20º Congreso Internacional de Metalurgia y Materiales SAM-CONAMET 2022; 2022

El enlatado es un método ampliamente utilizado para contener productos líquidos y/o sólidos. Un aspecto muy relevante es la realización del cierre o unión del cuerpo del envase con su tapa. Se trata de un proceso de conformado de metal que se obtiene curvando el borde de la tapa alrededor de una pestaña que posee el cuerpo del envase. Su objetivo es obtener una junta totalmente estanca para evitar el derrame y/o la alteración del producto.Los componentes que realizan la operación de conformado del metal se denominan moletas o rulinas. Durante la operación de cierre, las moletas ruedan sobre el contorno a sellar bajo la acción de una fuerza externa. El contacto rodante produce la aplicación de cargas variables en el tiempo sobre las moletas y, por lo tanto, desgaste por fatiga. Además, el curvado del borde de la tapa en la zona de trabajo de las moletas puede producir desgaste por deslizamiento o por abrasión.Tradicionalmente, las moletas se fabrican empleando aceros inoxidables especiales, para el envasado de productos alimenticios, o aceros para herramientas, para el envasado de productos no alimenticios. Ambos materiales se utilizan en estado templado y revenido. Este último se realiza a baja temperatura (≈ 200 ºC) para que las moletas conserven una alta dureza y resistencia al desgaste. Por otro lado, es sabido que el comportamiento de piezas sometidas a desgaste depende fuertemente de las características de su superficie, principalmente dureza y tensiones residuales, ambas mejorables mediante tratamientos superficiales [1, 2]. Sin embargo, cualquier tratamiento que implique la exposición de las moletas a una temperatura mayor a la de revenido puede producir cambios microestructurales con la consecuente degradación de sus propiedades mecánicas [3].La aplicación de recubrimientos duros mediante deposición por arco catódico es un medio efectivo para mejorar las propiedades de superficie de piezas tratadas térmicamente. En general, para lograr una buena adherencia del recubrimiento se mantiene la pieza a recubrir (sustrato) a temperaturas del orden de 400 ºC. Sin embargo, el uso de un proceso combinado de deposición por arco e implantación iónica (PBII&D) permite trabajar a temperatura ambiente sin sacrificar adherencia [4].El proceso PBII&D se logra polarizando negativamente el sustrato con una tensión pulsada de decenas de kV. Durante el ciclo de polarización, cuando la alta tensión no es aplicada, las especies de relativamente baja energía se adhieren a la superficie dando lugar a la formación de un recubrimiento, mientras que al aplicar la tensión negativa los iones son implantados. La implantación forma una interfaz donde sustrato y recubrimiento se entremezclan, dando lugar a una mejor adherencia.El presente trabajo contempla el estudio de las propiedades de superficie y el comportamiento a la fatiga de contacto por rodadura (FCR) de un acero inoxidable AISI 440C recubierto con una película bicapa de Ti/TiN mediante PBII&D, para evaluar su aplicabilidad a la producción de moletas de cierre de latas.Como material de partida se utilizaron barras macizas cilíndricas. Las barras se fraccionaron y se mecanizaron por torneado para obtener probetas de 60 mm de diámetro y 8 mm de espesor, con agujero central roscado. Las probetas fueron sometidas a un tratamiento térmico de temple y revenido. El ciclo térmico de temple consistió en un calentamiento a una temperatura de 1000 oC durante 180 min y posterior enfriamiento en aceite. El revenido consistió en un calentamiento a 200 oC durante 60 min con un posterior enfriamiento al aire. Se obtuvo una microestructura formada por martensita y carburos dispersos, con una dureza cercana a los 60 HRC.Los recubrimientos se aplicaron a temperatura ambiente en un equipo experimental de descarga de arco continuo. La corriente de descarga se fijó en 100 A. Los sustratos fueron polarizados con pulsos de alta tensión (-6 kV, 200 Hz, 50 μs ancho de pulso). Para depositar Ti puro, se realizó una descarga en vacío (sin inyectar gas reactivo) a una presión de 1x10-5 mbar. Para depositar TiN se inyectó un flujo de nitrógeno de aproximadamente 20 sccm para mantener una presión de 4x10-4 mbar. Los tiempos de deposición se ajustaron para obtener espesores de 0,3 y 0,7 μm para las capas de Ti y TiN, respectivamente. La caracterización de los recubrimientos incluyó la determinación del espesor de película mediante abrasión esférica (calotest), de las fases presentes mediante difracción de rayos X, de dureza superficial mediante ensayos de indentación instrumentada, de la rugosidad superficial mediante perfilometría de contacto y de la adhesión mediante indentación Rockwell-C (VDI 3891).Los ensayos de FCR se efectuaron en una máquina tipo rodamiento plano. Se utilizó una presión hertziana máxima de 3,7 GPa. El análisis de los datos de vida a la FCR se realizó utilizando la distribución de probabilidad Weibull de dos parámetros. Se determinaron los intervalos de confianza del 90% para cada conjunto de probetas a partir de funciones pivotantes mediante simulación de Monte Carlo. El camino de rodadura de las muestras ensayadas fue examinado mediante microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido y espectroscopía de rayos X por dispersión de energía.Los resultados indicaron que el recubrimiento de TiN creció con una estructura cúbica tipo NaCl. La aplicación del recubrimiento produjo aumentos de la dureza y rugosidad superficial de las probetas. La adherencia del recubrimiento a los sustratos de AISI 440C resultó de muy buena calidad, de acuerdo con la técnica de indentación Rockwell-C. Los ensayos de FCR sobre las probetas sin recubrir generaron spalls de fatiga típicos, mientras que en las probetas recubiertas produjeron la delaminación parcial del recubrimiento sin generar spalls en los sustratos. Tomando como criterio de falla la delaminación parcial del recubrimiento en las probetas recubiertas, su vida a la FCR resultó superior a la de las probetas sin recubrir.