Estudio de la Adhesión y Resistencia a la Corrosión de Recubrimientos por Deposición Física de Vapores Asistidos por Plasma sobre Acero AISI 4140 Previamente Nitrurado

LAURA S. VACA; SONIA P. BRÜHL; LUISINA SCARBOL; JUAN PABLO QUINTANA

Valdivia

Congreso; 19° Congreso Internacional de Metalurgia y Materiales CONAMET-SAM, Valdivia, Chile, 3 al 7 de noviembre de 2019; 2019

Universidad Austral de Chile

En este trabajo se estudia la adhesión y la resistencia a la corrosión de cuatro tipos de recubrimientos PAPVD (Plasma Assisted Physical Vapour Deposition) crecidos por arcos catódicos sobre acero AISI 4140 previamente nitrurado por plasma. Estos procesos combinados se conocen como tratamientos ?dúplex? y exhiben excelentes propiedades mecánicas, ya que proveen valores elevados de dureza y una gran capacidad de soporte de carga [1]. La dureza y tenacidad son mejoradas por el tratamiento de nitruración, aunque la resistencia a la corrosión suele verse afectada. Por otro lado, los recubrimientos duros mediante arcos catódicos tienen el objeto de mejorar las propiedades al desgaste y corrosión de componentes mecánicas [2,3].Las muestras de acero AISI 4140 fueron cortadas con 6 mm de espesor de una barra de 25 mm de diámetro, templadas, revenidas, lijadas hasta granulometría 1200 y pulidas. Posteriormente fueron nitruradas en un reactor industrial de la empresa IONAR S.A. durante 15 hs a 500°C. Por último, se crecieron los recubrimientos bicapas a 300°C de Ti/TiN, Ti/TiCN y Ti/TiAlN, éste último con y sin implantación de iones usando una fuente de 6 kV, en un equipo experimental del INFIP (UBA-CONICET).Se calcularon los espesores de los recubrimientos por diferencia de masas resultando todos de aproximadamente ≈2μm y también se observó en un corte un crecimiento de tipo columnar con un ancho de columna inferior a los 100nm. Para medir el espesor de la capa nitrurada por microscopía óptica, las probetas se cortaron transversalmente, se incluyeron en resina fenólica y se atacaron con Marble. El espesor promedio de la capa nitrurada resultó ser de 5±1 μm.El estudio de adhesión se realizó mediante Scratch Test con cargas constantes de 40N, 50N y 60N.La resistencia a la corrosión se estudió mediante ensayos de polarización anódica. Éstos se realizaron a temperatura ambiente y presión atmosférica en una celda de tres electrodos utilizando como electrolito cloruro de sodio al 3.5% p/p. Como referencia se utilizó un electrodo de calomel saturado (SCE) y como contraelectrodo, un alambre de platino. La velocidad de barrido de potencial en los ensayos fue de 1 mV/seg y el límite superior de densidad de corriente se estableció en 1800 μA/cm2. En la Figura 1 se muestran las curvas representativas para cada caso.Los recubrimientos presentaron un mejor comportamiento a la corrosión respecto de la muestra patrón (sólo nitrurada). Las curvas que presentan una amplia zona pasiva y con mayor pendiente son las de TiN y TiAlN+IMP. La diferencia de potencial (Erup-Ecorr) del TiN es menor que el del TiAlN; pero la zona pasiva del TiN se ubica en dos órdenes de magnitud menores de densidad de corriente a iguales potenciales aplicados. Por otro lado, el TiCN presentó una resistencia a la corrosión pobre ya que su pendiente es la menor de todas. A medida que aumenta el potencial la densidad de corriente aumenta lentamente y no presenta una zona pasiva definida.Al comparar los resultados de adhesión con los de corrosión se observa que en ambos casos el TiAlN+IMP mostró un buen comportamiento, seguido por el TiAlN y por último el TiCN. Se comprueba que la implantación mejora la calidad del film. El caso del TiN fue particular ya que presentó una mala adhesión, pero una buena resistencia a la corrosión. La falla en Scratch puede deberse a un tema estructural, a las tensiones residuales presentes en el TiN. Las tensiones residuales macroscópicas tienen su origen en el proceso de crecimiento del recubrimiento sobre el sustrato durante la deposición y están fuertemente asociadas al tipo de sustrato y las variables del proceso de deposición.Referencias:[1] Deng, Y., Tan, C., Wang, Y., Chen, L., Cai, P., Kuang, T. & Zhou, K., Lei, S., Zhou, K. (2017). Effects of tailored nitriding layers on comprehensive properties of duplex plasma-treated AlTiN coatings. Ceramics International, 43(12), 8721-8729.[2] T. Bell, H. Dong and Y. Sun, Realising the potential of Duplex Surface engineering, Tribology 31 (1998) 127-137.[3] Anders, A. (2009). Cathodic arcs: from fractal spots to energetic condensation (Vol. 50). Springer Science & Business Media.