Estudio del comportamiento tribológico de ADI recubierta por PVD

J.P. QUINTANA; C.H. TEALDI; A.B. MÁRQUEZ; D.A. COLOMBO

Mar del Plata

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

La fundición esferoidal austemperada (ADI) es una variante de las fundiciones de hierro con grafito esferoidal (FE), la cual se obtiene mediante el tratamiento térmico de austemperado. Esta ha abierto caminos para la aplicación de las FE en nuevos y promisorios mercados, como en la producción de piezas de muy alta resistencia, debido a sus ventajosas características respecto a los aceros aleados, fundidos o forjados, como son su menor costo y peso, mayor flexibilidad en el diseño de piezas, buen comportamiento a la fatiga, y comparables resistencias a la tracción y al desgaste [1].La microestructura de ADI está formada por una mezcla fina de ferrita acicular y austenita metaestable, de alto carbono. La austenita, queda retenida a temperatura ambiente debido a que el crecimiento de la ferrita bainítica incrementa el contenido de carbono de la austenita adyacente, disminuyendo su temperatura de inicio de la transformación martensítica (Ms) por debajo de la temperatura ambiente. La austenita retenida puede disminuir su energía, transformándose en una mezcla de ferrita y carburos, si se le da suficiente temperatura y tiempo, deteriorándose de este modo las propiedades mecánicas del material [2]. Por otra parte, es ampliamente sabido que el comportamiento de piezas sometidas a desgaste depende fuertemente de las características de la superficie, principalmente dureza, rugosidad, coeficiente de fricción y tensiones residuales, todas mejorables mediante tratamientos superficiales. Los tratamientos superficiales se refieren tanto a la modificación de las capas superficiales de un material, alterando su microestructura o composición química, como a la aplicación de un recubrimiento, generalmente de un material diferente al del material base (sustrato).Los tratamientos de modificación superficial convencionales (cementado, nitrurado, carbonitrurado, temple superficial, etc.) y la aplicación de recubrimientos por deposición química en fase vapor (CVD) son algunos de los tratamientos superficiales más comúnmente utilizados. Estos tratamientos se realizan a temperaturas por encima de los 500ºC y no son aplicables a piezas de ADI, debido a que a esos niveles de temperaturas se activan los mecanismos de descomposición de la austenita descriptos anteriormente incluso para cortos tiempos de exposición. Por otro lado, los tratamientos termoquímicos asistidos por plasma permiten trabajar a temperaturas menores (350 a 560ºC). Para este rango de temperaturas, las velocidades de difusión son muy bajas. Por lo tanto, se requieren tiempos de exposición elevados (mayores a las 10 horas) para obtener espesores de capa similares a los procesos convencionales, situación que también puede ocasionar la degradación de la estructura de ADI.Un medio efectivo para mejorar las propiedades de superficie de piezas tratadas térmicamente consiste en la aplicación de recubrimientos duros en capas muy delgadas por deposición física en fase vapor (PVD). La baja temperatura del proceso PVD (250 a 500ºC aproximadamente) y los relativamente cortos tiempos de exposición, respecto a otros tratamientos superficiales, propicia su empleo sobre piezas de ADI sin deteriorar su microestructura [3].Los antecedentes bibliográficos referidos a la aplicación de recubrimientos duros por PVD sobre ADI son muy escasos y más aún los relacionados con el comportamiento tribológico de ADI recubierta. Existe un único estudio del año 2011 donde se analiza la resistencia a la erosión y a la abrasión de ADI de alta ductilidad (temperatura de austemperado de 360ºC). En el mismo se encontró que sólo la realización de un niquelado electroquímico previo a la aplicación del recubrimiento PVD proporciona un mejor comportamiento frente al desgaste por erosión y una reducción del coeficiente de fricción respecto al ADI sin recubrir [4].En este trabajo se resumen los resultados obtenidos por el grupo de trabajo respecto al estudio del comportamiento tribológico de ADI tratada superficialmente mediante la aplicación de recubrimientos duros por PVD. Se evaluó la influencia de las características de los recubrimientos (material, espesor de película, estructura monocapa o bicapa) y del proceso de deposición (equipos industriales y experimentales, técnica de deposición). Las técnicas PVD utilizadas fueron deposición convencional por arco catódico (CAD) usando flujo de nitrógeno constante o variable y deposición convencional por arco combinada con implantación iónica (PBII&D) usando flujo de nitrógeno constante.El comportamiento tribológico se evaluó mediante la realización de ensayos de fatiga de contacto por rodadura (FCR) y de desgaste por deslizamiento. Los ensayos de FCR se efectuaron en una máquina tipo rodamiento plano, utilizando un rodamiento de empuje axial como contramuestra. Se utilizó una presión hertziana máxima (p0) de 1400 MPa. El análisis de los datos de vida a la FCR se realizó utilizando la distribución de probabilidad Weibull. Los ensayos de desgaste por deslizamiento se realizaron sin lubricación, utilizando un tribómetro pin-on-disc (ASTM G99) y bolillas de acero para rodamientos como pin o contramuestra. Se determinó el coeficiente de fricción utilizando una carga normal de 50 g y la tasa de desgaste utilizando una carga normal de 1000 g. Los resultados obtenidos hasta el momento indican que la resistencia a la FCR de recubrimientos monocapa se incrementa con la disminución del espesor de película, que la incorporación de una capa de adhesión intermedia no modifica sensiblemente el comportamiento de los recubrimientos, que los depositados en equipos industriales poseen un mejor comportamiento respecto a los depositados en equipos experimentales y que los depositados mediante PBII&D poseen mayor resistencia que los depositados mediante CAD. Respecto al desgaste por deslizamiento no se observaron tendencias marcadas al analizar las distintas variables, sin embargo las tasas de desgaste de las muestras recubiertas siempre resultaron menores o iguales a las de ADI sin recubrir.