TRIBOLOGÍA EN ACEROS CON TRATAMIENTOS SUPERFICIALES TIPO DÚPLEX. UNA REVISIÓN

M.R. CRUZ* , M.H. STIA*, J. FEUGEAS**

^*Universidad Central de Venezuela.  Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería de Metalúrgica y Ciencia de los Materiales, Ciudad Universitaria, Los Chaguaramos. Apartado postal 49141, Caracas 1042-A, Venezuela. marlon.cruz.vivas@gmail.com, mstaia@reacciun.ve

^** Instituto de Física Rosario, Bv. 27 de Febrero 210 Bis. Rosario-Argentina

RESUMEN

El objetivo de este trabajo es ofrecer el estado de arte relacionado de diferentes estudios con enfoque tribológico en aceros de herramienta con tratamientos tipo dúplex basados en nitruración (gaseosa e iónica) + recubrimientos duros delgados obtenidos por técnicas asistidas por plasma. Los aceros de herramienta son aquellos utilizados para conformar y maquinar otros materiales, por lo tanto son diseñados para tener una durabilidad aceptable bajo condiciones severa de servicio, en donde las elevadas cargas de contacto, alta temperatura, fricción y ambiente erosivos generan fallas en las piezas por desgaste, fatiga térmica, erosión y corrosión. Los tratamientos tipo dúplex ofrecen excelentes posibilidades para mejorar la vida útil de los aceros para herramientas y aunque se conocen sus beneficios la gran variedad de herramientas existentes hace complejo establecer condiciones generales para obtener un mismo tratamiento tipo dúplex que mejore la vida útil de la herramienta bajo las diversas condiciones. Es por esta razón que el estudio de los tratamientos tipo dúplex requiere de un amplio entendimiento de su desempeño tribológico. Esta revisión enfoca su discusión en términos de la adhesión del tratamiento tipo dúplex y su desempeño tribológico.

Palabras Claves: Tribología, Aceros con tratamientos superficiales tipo duplex.

TRIBOLOGY ON STEELS WITH DUPLEX TREATMENTS. A REVIEW

ABSTRACT

The aim of this work is to establish the state of the art related to a tribological focus on tool steels with different duplex treatments based on nitriding (gaseous or ionic) + hard thin coatings by plasma assisted techniques. Tool steels are used to forge and machine other materials, and are thus designed to withstand extreme conditions, such as high contact loads, high temperatures and aggressive environments. Duplex treatments offer excellent possibilities to improve tool steel performance. Although their beneficial characteristics to improve service life are well known, at present several combinations (and several tool steel specifications) make it difficult to obtain a unique and universal duplex treatment. For this reason duplex treatments require a broad knowledge of tribological performance. This review is focused in terms related to adhesion and tribological performance of duplex treatments.

Key Words: Tribology, steels with duplex treatments.

Recibido: Febrero de 2003   Recibido en forma final revisado: Abril de 2004

1. INTRODUCCIÓN

La ingeniería de superficie es una tecnología que ha sido formalmente definida apenas hace poco más de 15 años (Bell et. al., 98), esta inquietud por establecer un concepto moderno de la ingeniería de superficie ha surgido principalmente por la creciente necesidad de racionalizar el consumo de energía y aprovechar al máximo el uso de materiales empleados en las diversas industrias dedicadas a la producción de un sin fin de piezas y herramientas. Por esta razón, y desde aquel entonces, la ingeniería de superficie ha cobrado una notable importancia.

Desde los últimos 15 años los principales avances de la ingeniería de superficie han estado enfocados en los siguientes aspectos:

● Optimización de procesos tradicionales (recubrimientos electroquímicos y autocatalíticos, termorrociado y tratamientos termoquímicos).

● Aplicación y comercialización de tecnologías asistidas por plasma.

● Estudio de tratamientos tipo dúplex.

En este sentido los tratamientos tipo dúplex son aquellos que implican la aplicación secuencial de dos (o más) tecnologías de ingeniería de superficie establecidas para producir una superficie “compuesta”, las cuales no pueden obtenerse por un proceso individual de ingeniería de superficie.  Básicamente los tratamientos tipo dúplex se clasifican en dos tipos: (a) Complementarios, en los cuales se complementan cada uno de los tratamientos superficiales  y (b) Suplementarios, en donde un tratamiento superficial refuerza al otro.

En esta revisión diversos aceros nitrurados y posteriormente recubiertos por técnicas asistidas por plasma (tratamiento tipo dúplex complementario) han sido investigados en términos de sus características microestructurales, propiedades tribológicas y desempeño en condiciones de servicio comercialmente utilizados.

En la actualidad se han desarrollado numerosos tratamientos tipo dúplex complementarios para aceros, entre estos se encuentran los que involucran nitruración gaseosa o iónica seguidos de recubrimientos duros asistidos por plasma PVD o CVD.

Tanto los recubrimientos duros obtenidos por PAPVD como por PACVD pueden proveer una mejora dramática en las propiedades superficiales en términos de baja fricción y alta resistencia al desgaste y/o corrosión, pero el principal problema es la falla catastrófica prematura que suele ocurrir si el substrato se deforma plásticamente bajo altas cargas de contacto aplicadas (Dong, 1997; Bell, 1998). Por otro lado, superficies previamente nitruradas presentan alta capacidad de soporte de carga, lo cual ayuda de manera significativa en prevenir la deformación elástica y plástica del substrato.

Los primeros tratamientos combinados tipo dúplex complementarios fueron inventados por Berghaus en los años 1930 (Berghaus 1932, 1932a, 1937). Desde entonces muchos procesos tipo dúplex en dos etapas han sido diseñados. Cerca de los años 1980, Korhonen y Sirvio (Korhonen, 1982) mostraron que es posible desarrollar un proceso de nitruración iónica en un equipo estándar de PAPVD. Ya en el año 1983 un tratamiento tipo dúplex  basado en nitruración iónica de baja presión seguido de un recubrimiento de TiN fue producido secuencialmente en una planta de recubrimientos PAPVD (Korhonen, 1983).

Entre los primeros investigadores que emplearon tratamientos tipo dúplex con recubrimientos obtenidos por PACVD se encuentra Grun (Grün, 1995). Las características de los equipos PACVD relacionadas con la capacidad de “envolver” toda la geometría de la pieza a tratar y el uso de mezclas de gases en cuanto a presión de trabajo ha permitido que se utilicen desde un principio el mismo equipo tanto para nitruración iónica como para recubrir.

Las investigaciones presentadas en la literatura relacionadas con los tratamientos tipo dúplex complementarios se enfocan en tres aspectos: (1) Adhesión del sistema dúplex, (2) soporte de carga y (3) desgaste bajo diversas condiciones y niveles de simulación. Este enfoque se debe principalmente a que una buena adhesión entre la zona nitrurada y el recubrimiento duro permite aprovechar las ventajas del tratamiento tipo dúplex referidas a estabilidad química en la superficie, dureza superficial y, sobre todo, capacidad de soporte de carga.

2. CONSIDERACIONES BÁSICAS

En la actualidad existen numerosas combinaciones de tratamientos tipo dúplex en aceros, pero en la que más se han dedicado los estudios ha sido en los tratamientos dúplex complementarios, los cuales están compuestos por tratamientos termoquímicos de nitruración y recubrimientos duros delgados asistidos por plasma. A su vez, entre los tratamientos termoquímicos es notable el incremento del uso de técnicas asistidas por plasma, conocidas como nitruración por plasma o nitruración iónica.

El tratamiento termoquímico en los aceros es fundamental en los tratamientos tipo dúplex complementario, aunque se conocen bien los beneficios de la nitruración previa desde hace poco más de 10 años (Zlatanovié, 1991), el empleo de diversas combinaciones de nitruración previa (tanto gaseosa como iónica) hacen que este tipo de tratamiento tipo dúplex sea blanco de numerosas investigaciones desde el punto de vista tribológico, a pesar de que la nitruración iónica se conoce desde hace al menos 70 años.

A este abanico de posibilidades de nitruración previa se le suma el empleo de diversos recubrimientos duros delgados (obtenidos por técnicas PAPVD o PACVD), desde recubrimientos de primera generación como los de TiN mono-capa hasta los multicapas con combinaciones de TiAlN-TiN, pasando por los recubrimientos de ZrN, CrN, Ti(C,N).

Todos los trabajos publicados en relación a la ingeniería de superficie con técnicas por plasma  ponen de manifiesto que el papel del plasma en los tratamientos superficiales no esta completamente entendido (Michel et. al., 1995; Czerwiec et. al., 1998; Rie et. al., 1999; Kim et. al., 2002), esto no supone una limitación para su uso a escala industrial (O’Brien, 1994), ya que se conoce muy bien la alta actividad química de sus componentes (especies neutras e ionizadas en varios estados de excitación), siendo esta la base para la producción de especies activas durante un específico proceso de tratamiento superficial asistido por plasma.

Desde los años 1990 los tratamientos tipos dúplex complementarios sobre aceros de herramienta han sido objetos de numerosos estudios. En la Tabla 1 se resumen los resultados de diversas publicaciones en las cuales se han estudiado con enfoque tribológico distintos tratamientos dúplex complementarios en aceros. Estos resultados se dividen en tres grandes partes: algunas variables del proceso de nitruración,  tipos de recubrimientos duros delgados y ensayos tribológicos realizados al sistema dúplex.

Tabla 1.-  Resultados publicados relacionados con tratamientos superficiales tipo dúplex (nitruración + recubrimiento duro) en aceros

En lo que se refiere a la etapa de nitruración de tratamientos tipo dúplex en la Tabla 1 se presentan los resultados en términos de la mezcla de gases empleada, fuente de generadora del plasma (en los casos que se reportan y que sea de nitruración iónica), temperatura del proceso, tiempo de tratamiento, microestructura obtenida y sus respectivos espesores. Como puede observarse en la Tabla 1 no todos los autores reportan variables básicas empleadas en el proceso de nitruración, además, los niveles de análisis y consideración de las variables indicadas (los cuales no son todas las que tienen que tomarse en cuenta durante el proceso) tienen diversos enfoques y énfasis. Esta es una de las razones por la cual, hasta la fecha, no hay claros criterios a ser considerados para el análisis de aceros nitrurados como parte del estudio de sistemas dúplex.

Entre las principales dificultades que se presentan durante la aplicación de tratamientos tipos dúplex se encuentra la incompatibilidad de procesos entre la nitruración y la deposición del recubrimiento. Sin embargo una buena adhesión puede ser obtenida si los dos procesos son adecuadamente combinados y cuidadosamente controlados.  Un inadecuado  control del proceso puede favorecer la formación de una “capa negra”  debajo del recubrimiento por la descomposición termoquímica de la capa compuesta (nitruros de hierro). Esto afecta notablemente la capacidad de soporte de carga del sistema dúplex y la adhesión entre la zona nitrurada y el recubrimiento (Dingremont et. al., 1993; Sun et. al., 1991). Esta descomposición de nitruros de hierro se genera durante el proceso de deposición del recubrimiento duro, en este sentido Walkowicz y colaboradores (Walkowicz et. al., 1999a) han estudiado el efecto de “ion etching” el cual se genera durante la  primera etapa de aplicación del recubrimiento PAPVD, determinando que la descomposición de nitruros de hierro (ε-F_2-3N y g’-F₄N) depende en gran medida de variables como presión, voltaje vías y atmósfera empleada.

Tabla 2.- Nomenclatura usada en Tabla 1

3. ADHESIÓN DEL SISTEMA DÚPLEX

Como fue mencionado anteriormente, una de las propiedades que numerosos investigadores  han tomado en cuenta para comparar el desempeño tribológico del tratamiento tipo dúplex es la adhesión, ya que, si bien un acero nitrurado y posteriormente recubierto tiene un perfil de esfuerzos con discontinuidades minimizadas debido al “suavizado” cambio de las propiedades elásticas (Zlatanovié, 1991), la adhesión del recubrimiento duro sobre la superficie nitrurada es de vital importancia para la conservación de un sistema dúplex integro bajo las condiciones de carga y geometría de contacto requeridas.

Uno de los ensayos más comúnmente utilizados para estimar la adhesión de recubrimientos duros delgados es el ensayo de rayado, este tipo de ensayos no proporciona una información cuantitativa de la adhesión de los recubrimientos, pero  permite estimar los modos de falla generados en el sistema recubierto y las cargas a las cuales ocurren desprendimientos del recubrimiento (lo que esta asociado a la energía de adhesión), y así compararlo entre diferentes sistemas recubiertos con capas similares (principalmente en cuanto a espesor  y diferencia de propiedades mecánicas entre substrato y recubrimiento) y bajo las mismas condiciones de ensayo.

Los estudios de adhesión realizados a sistemas con tratamientos superficiales tipo dúplex se pueden dividir de acuerdo al método de análisis empleado en: (1)  determinación de cargas criticas por inspección visual de zona ensayada a través de la determinación de fallas cohesivas y/o adhesivas (Zlatanovie, 1991; Haen et. al., 1993; Hock et. al., 1996; Skorié et. al., 1998; Podgornik et. al., 2001; Batista et. al., 2002) ; (2) determinación de cargas criticas con apoyo de la información dada por la emisión acústica durante el ensayo y verificación de profundidades de penetración empleando técnicas de perfilometría (Gredié et. al., 1992; Zlatanovié et. al., 1993;  Zlatanovié et. al., 1994; Walkowick et. al., 1999; Navinsek et. al., 2001a); (3) estimación de la densidad energía de energía de rayado empleando ensayos de rayado modificados (Buecken et. al., 1994; Hock et. al., 1995); (4)  caracterización de la adhesión del sistema con evaluaciones de patrones de fallas generados durante ensayos de dureza Rockwell C modificados (Ma, 2001).

En todos los estudios de adhesión presentados se destaca la mejora en la adhesión del recubrimiento duro cuando se aplica sobre una superficie previamente nitrurada, la cual se hace evidente (en el caso de ensayos de rayado) por la presencia de grietas tensiles (Gredie et. al., 1992; Haen et. al., 1993; Zlatanovie et. al. 1994; Batista et. al., 2002; Batista et. al., 2002a; Batista et. al., 2003); cuando la curvatura de las grietas está orientada hacia la dirección del movimiento relativo de la punta de diamante (grietas tensiles), es indicativo de que la adhesión del substrato al recubrimiento es mayor que la cohesión del recubrimiento (Burnett et. al., 1987) . En relación al efecto de la capa blanca (bifásica o monofásica) en la adhesión del recubrimiento, existen pocos estudios al respecto y estos pocos estudios difieren entre si con relación al papel desempeñado por la capa blanca en la adhesión. Algunos autores atribuyen que la pérdida de la adhesión esta asociada a la descomposición de los nitruros de hierro durante el proceso de recubrimiento aunado a la posible  formación de compuestos frágiles de Ti-Fe, por la presencia de iones de Ti durante el proceso de recubrimiento con TiN, Ti(C,N) y (Ti,Cr)N (Walkowicz et. al., 1999), otros autores atribuyen la pérdida de la adhesión a la prematura fractura frágil de la capa compuesta (Ma et. al., 2001). Estudios de adhesión realizados sobre aceros AISI 4140 con tratamientos tipo dúplex han indicado que una capa compuesta con cierta porosidad  detiene la propagación de grietas desde y hacia el substrato (Podgornik et. al., 2001).  La carencia de consistencia entre los numerosos resultados presentados puede estar relacionada a la variedad de procedimientos de nitruración y recubrimientos aplicados a diferentes superficies.

4. DESEMPEÑO TRIBOLÓGICO

Los ensayos tribológicos sobre superficies de acero con tratamientos tipo dúplex estudiados en la bibliografía consultada se pueden clasificar según su nivel de simulación en: (1) ensayo simple de materiales (Sirvio et. al., 1982; Korhonen et. al., 1983; Huang et. al., 1994; Podgornik et. al., 1999), (2) simulación de contacto (Bader et. al., 1998; Bjork et. al., 1999; Chekour et. al., 2003) y (3) pruebas en condiciones de servicio (Stappen et. al., 1993; Dingremont et. al., 1995a; Dingremont et. al., 1995; Yilbas et. al., 2000; Navinsek et. al., 2001; Kwietniewski et. al., 2004; Panjan et. al. 2004).

4.1.- ENSAYO SIMPLE DE MATERIALES

Los ensayos simples de materiales son aquellos en los cuales se establecen condiciones sencillas de ensayos con alta reproducibilidad pero con una baja posibilidad de utilización de estos resultados en condiciones reales de servicio. Esta baja posibilidad de utilización en condiciones reales de servicio no le resta importancia a este tipo de ensayos, ya que los mismos permiten manejar e interpretar una cantidad reducida de variables en el sistema tribológico, lo cual es sumamente valioso para la comparación de distintas condiciones de ingeniería de superficie y su posterior optimización como paso previo para pasar a otro nivel de ensayo tribológico y/o implementación en condiciones reales de servicio.

Uno de los primeros estudios de desgaste realizados en sistemas tipo dúplex han sido los de abrasión de bajo esfuerzo (Sirvio et. al., 1982). El ensayo de abrasión de bajo esfuerzo más comúnmente utilizados ha sido el establecido en la norma ASTM G-55, este ensayo consiste en la colocación del material a ensayar sobre una rueda de goma en la cual cae arena abrasiva (por lo general arena de sílice) con dureza de alrededor de 1000 Hv. En este  estudio sobre un acero AISI D3 se hizo énfasis en el efecto de la rugosidad sobre el desempeño bajo condiciones de desgaste abrasivo, encontrándose que para los casos en el que la diferencia de dureza entre la partícula abrasiva y la superficie es grande, la abrasión depende en gran medida de la rugosidad superficial.  Para el caso del tratamiento tipo dúplex se encontró que los valores de desgaste relativo (con respecto al acero sin ningún tratamiento superficial) se encuentran por debajo de los aceros sólo nitrurados pero por encima de los aceros sólo recubiertos. Posteriormente Korhenen y colaboradores (Korhonen et. al., 1983) destacaron  que el comportamiento indicado anteriormente se debe a la posible formación de una capa blanca. En ese mismo estudio se determinó que la adherencia del recubrimiento de TiN en el sistema dúplex fue excelente, lo cual se lo atribuyeron a la obtención de una superficie nitrurada sin la frágil capa blanca.

Otro tipo de ensayos que pueden entrar en la clasificación de ensayo simple de materiales son los de pin-sobre-disco y los de platillo-sobre-disco. Para el caso de tratamientos tipo dúplex Huang y colaboradores (Huang et. al., 1994) evaluaron un acero AISI M2 bajo condiciones de desgaste deslizante en la configuración platillo-sobre-disco, en los mismos se determinó que variando la relación N₂/(N₂+H₂) en el proceso de nitruración la zona de difusión obtenida mejoraba la capacidad de soporte de carga con su incremento. Sin embargo, se mostró una reducción de la adhesión (estimada por observaciones de la superficie de fractura) entre el recubrimiento de TiN y la zona nitrurada por plasma a una relación de 50% de N₂/(N₂+H₂).

Como ha sido mencionado anteriormente la capacidad de soporte de carga es mejorada notablemente con la nitruración previa de los aceros, una evidencia clara de este efecto es indicada en el estudio realizado por Podgornil y colaboradores (Podgornik et. al., 1999), los cuales estudiaron un acero AISI 4140 con y sin tratamientos tipo dúplex bajo condiciones de desgaste deslizante en la configuración pin-sobre-disco (con la punta del pin aplanada). Estos ensayos realizados a cargas de hasta 60N demostraron que la presencia de una capa blanca monofásica ( g’-F₄N ) y densa, disminuye el desgaste del pin tratado superficialmente un 400% con respecto al pin sólo recubierto y hasta casi un 60% con respecto a la muestra con tratamiento tipo dúplex con sólo zona de difusión.

4.2.- SIMULACIÓN DE CONTACTO

Una de las clasificaciones más comúnmente empleadas para caracterizar un sistema tribológico es la relacionada con su geometría de contacto, basados en esta clasificación se diseñan ensayos tribológicos en los cuales la geometría ensayada permita un estado de esfuerzos similares a los que pueden presentarse en condiciones reales de servicio.

En todos los procesos que involucren movimiento relativo de dos o más materiales y/o piezas en contacto implica que se tiene un sistema tribológico. Uno de los tantos sistemas tribológicos presentes en la industria son los  de la extrusión de aluminio, en este sistema las condiciones tribológicas entre el material a ser extruído y la superficie de la matriz son caracterizadas por un contacto relativamente libre de oxígeno, no lubricado y a temperaturas de entre 550-620°C. En la actualidad el material más comúnmente utilizado como matriz en la extrusión de aluminio es el acero AISI H13 templado y revenido a durezas de entre 400 y 500 Hv seguido por un tratamiento termoquímico de nitruración. En la actualidad la necesidad de incrementar la producción y reducir los tiempos de paradas ha impulsado el desarrollo de tratamientos tipo dúplex y su estudio a través de ensayos de extrusión simulados (Björk et. al., 1999). Estos ensayos de extrusión simulados se han realizado en un equipo de desgaste en la configuración cilindro-sobre-bloque, en el cual el cilindro es de aluminio (simulando el material a ser extruído), el bloque de acero con su respectivo tratamiento (material de la matriz) y con variables como atmósfera, carga aplicada, ciclos de arranque y parada del ensayo, atmósfera y temperatura adecuadas a condiciones similares a las presentadas durante la extrusión en condiciones reales de servicio. Entre los principales resultados obtenidos se destaca que las más importantes propiedades de un recubrimiento PAPVD a ser tomadas en cuenta en una matriz de extrusión de aluminio son la estabilidad química y una alta adhesión al substrato, quedando la alta dureza del recubrimiento como la tercera en importancia. Otro resultado importante ha sido que la resistencia ante el desgaste de los distintos tratamientos tipo dúplex ha sido incrementada en alrededor de 10 veces con respecto al acero sólo nitrurado por técnicas convencionales de nitruración en baño de sales.

El maquinado de troncos de madera también ha sido simulado y los tratamientos tipo dúplex han formado parte de los estudios realizados para determinar su eficiencia bajo las condiciones de servicio requeridas en estos casos (Chekour et. al., 2003).  En este estudio se ha simulado el proceso de retiro de corteza de troncos de madera. Esta técnica consiste en la utilización de una cuchilla de corte tangencial al tronco, en la cual se mide el coeficiente de fricción generado. Los tratamientos tipo dúplex consistieron en la nitruración gaseosa de un acero 32CrMoV13 (0.3 %C, 3.25 %Cr, 0.44%Mo, 0.1V) y la aplicación de un recubrimiento de CrN. En este estudio se realizaron diferentes nitruraciones gaseosas variando el porcentaje de N₂ y en uno de los casos se utilizó una mezcla con CH₄. La adición de metano incrementó la dureza, el espesor y la adhesión de la zona compuesta. Aunque Chekour y colaboradores (Chekour et. al., 2003) establecen a través de referencias anteriores que los tratamientos tipo dúplex con recubrimientos de CrN incrementan la vida de servicio de las cuchillas hasta un 400%, dejan claro en su trabajo que es necesaria una mejor optimización de los tratamientos tipo dúplex con recubrimientos de CrN basada en las características propias del acero a ser tratado (dureza, tenacidad, composición, entre otras).

4.3.- PRUEBAS EN CONDICIONES DE SERVICIO

Las pruebas tribológicas en condiciones de servicio ofrecen una valiosa información para la aplicación directa en la industria de un sistema en el cual se hayan aplicados técnicas de ingeniería de superficie. Estas pruebas en condiciones de servicio para tratamiento tipo dúplex se desarrollan por la necesidad de incrementar la vida útil de las herramientas (corte, matricerias para fundición y forja), ya que los mecanismos de desgaste son muy agresivos debido principalmente a las siguientes razones (Dingremont et. al., 1995a):

(a) Las cargas especificas exceden los limites de deformación plástica de los aceros que pueden ser usados para una aplicación dada.

(b) Los requerimientos para ambientes corrosivos no pueden ser completamente cubiertos por los aceros y los materiales que si cumplen estos requerimientos no tienen las propiedades mecánicas requeridas.

(c) La abrasión de tres cuerpos con tamaños de partículas abrasivas de varios micrones (en muchos casos superior al espesor de los recubrimientos duros delgados).

(d) La resistencia a la fatiga de los aceros no es suficiente.

Las pruebas en condiciones de servicio presentadas en la literatura su pueden clasificar de acuerdo al tipo de herramienta a ser ensayada: (a) herramientas de corte (Stappen et. al., 1993; Yilbas et. al., 2000; Kwietnieswski et. al., 2003)  ; (b) herramientas para trabajo en caliente (Navinsek et. al., 2001; Panjan et. al., 2004; Smolik et. al., 2000) . Otra clasificación que puede hacerse de la bibliografía consultada al respecto es en función del alcance del estudio realizado: (a) ensayos en condiciones de servicio con soporte de ensayos tribológicos básicos para la caracterización del sistema (Stappen et. al., 1993; Yilbas et. al., 2000; Navinsek et. al., 2001); (b) sin soporte de ensayos tribológicos básicos (Navinsek et. al., 1995; Smolik et. al., 2000; Panjan et. al. 2004; Kwietnieswski et. al., 2003).

4.3.1.- PRUEBAS EN CONDICIONES DE SERVICIO PARA HERRAMIENTAS DE CORTE

Entre los trabajos realizados para tratamientos tipo dúplex se consigue el de Stappen y colaboradores (Stappen et. al., 1993), en el cual se estudia un acero AISI 1040 en condiciones de fresado mecánico y un acero de herramienta AISI M2 en cuchillas para cortes de tubos de acero. Entre los principales resultados obtenidos están los relacionados a la cantidad de piezas que pudieron ser producidas sin reemplazo. En el caso de las aplicaciones de fresado mecánico la vida de la herramienta se mejoró en un 100% con respecto a la herramienta sólo recubierta con TiN y en un casi 300% con respecto a la herramienta sin ningún tratamiento superficial. En cuanto a las cuchillas el tratamiento tipo dúplex mejoró la resistencia a la formación de viruta en la pieza debido a un incremento en la adhesión del recubrimiento de TiN.

Un acero AISI M7 con tratamientos tipo dúplex ha sido estudiado en una broca de doble hélice (Yilbas et. al., 200). En este estudio sólo se realizaron análisis en función de las observaciones hechas en las caras de corte de las brocas, lo cual determinó la mejora en el desempeño de la herramienta de corte en la reducción de la adhesión (debido al recubrimiento cerámico de TiN) y la mejora de la adhesión debida a la presencia de una superficie nitrurada previa.

Los aceros tipo AISI M2 son muy utilizados como herramientas de corte, por lo tanto el estudio de tratamientos tipo dúplex en estos acero también han cobrado notable importancia. Una de las aplicaciones de estos aceros es para las herramientas para torneado, en donde Kwietniewski y colaboradores (Kwietnieswski et. al., 2003) han estudiado estos aceros con tratamientos tipo dúplex. El estudio de este acero tratado se basó en la aplicación de un criterio establecido por la norma ISO 3685, en la cual se establece como vida útil de la herramienta cuando se alcanza un desgaste promedio de 0.3mm en la cara de corte. En la nitruración por plasma se tiene un efecto conocido como efecto de borde (Alves et. al., 2001), este efecto se da en geometrías con ángulos pronunciados y se caracteriza por un incremento en la densidad de corriente del plasma en esa zona. Este incremento de densidad de corriente en los bordes de la herramienta de acero AISI M2 hace que para unas condiciones dadas de nitruración se tenga una mayor profundidad de zona de difusión en los bordes y el crecimiento de precipitados (del tipo M₆C) en los bordes de grano pro-austeníticos. En estas condiciones de nitruración (500ºC, 90 min) los ensayos de desgaste no dieron notables diferencias con respecto a las piezas sólo recubiertas, en cambio empleando una nitruración más “brillante” (400ºC, 30 min) las piezas con tratamiento tipo dúplex presentaron un muy buen desempeño a medida que se incrementaba el tiempo de corte con respecto a las herramientas sólo recubiertas, por lo cual queda en evidencia la importancia de la geometría de la pieza a tratar para ajustar las variables del proceso.

4.3.2.- PRUEBAS EN CONDICIONES DE SERVICIO EN  PIEZAS DE HERRAMIENTAS PARA TRABAJO EN CALIENTE

Por más de 10 años la industria del conformado metálico ha mostrado un notable interés en la mejora de las herramientas para procesos de trabajo en caliente (matricería de fundición, extrusión en caliente, forja en caliente, entre otros). Estas tecnologías se caracterizan por temperaturas de trabajo por encima de los 600°C, grandes cargas superficiales y tribo-sistemas específicos (dependiendo del tipo de proceso). En este sentido Navinsek y colaboradores (Navinsek et. al., 2001) basados en resultados de unos pocos trabajos referenciados en la literatura sobre tratamientos tipo dúplex se encargaron de estudiar el desempeño en condiciones reales de servicio de varios sistemas recubiertos: (a) CrN, nitruración iónica + CrN, nitruración iónica + TiAlN en matrices de inyección de aluminio; (b) CrN  en extrusión en caliente de aluminio; (c) FUTURA (recubrimiento comercial PAPVD de TiAlN) y nitruración iónica +  FUTURA en forja en caliente para piezas de acero. Para el caso de las matrices para inyección de aluminio se consiguió con tratamientos tipo dúplex un incremento en la producción entre  200-300% y una reducción en el costo de inyección de 15-40% (asociado a la disminución en los tiempos de parada para mantenimiento o reemplazo de las matrices). La forja en caliente se realizó en dos pasos con una máquina de 1650 toneladas, en estas condiciones se consiguieron mejoras tanto en el primer como en el segundo paso, principalmente para el caso del segundo golpe, ya que en el primer golpe las condiciones de desgaste son muy agresivas y se requeriría incrementar la profundidad de la zona de difusión y el espesor del recubrimiento FUTURA.

Un estudio más especifico fue el realizado por Panjan y colaboradores (Panjan et. al. 2004), en el mismo se emplearon machos para matrices de fundición (acero AISI H11) con tratamientos tipo dúplex (nitruración iónica + recubrimiento duro PAPVD de CrN) para la elaboración de piezas de volantes de conducción para vehículos.  Después de 2700, 4150 y 7490 inyecciones los machos de matricería con tratamientos tipo dúplex fueron evaluados, encontrándose diferentes mecanismos de fallas, entre los que se encuentra una fuerte erosión la cual no podría ser mejorada (según los autores) con un incremento de la zona de difusión y el segundo mecanismo fue la oxidación del CrN. El óxido de CrN es frágil y por lo tanto tubo que ser removido. El tercer mecanismo es la fractura en el recubrimiento debida a los de esfuerzos térmicos asociadas a las diferencias del coeficiente de expansión térmica entre el CrN y el acero generados por los violentos cambios de temperatura durante el proceso.

Otro estudio detallado en herramientas para forja en caliente de piezas automotrices fue realizado por Smolik y colaboradores (Smolik et. al., 2000). En este estudio se realizaron diferentes tratamientos tipo dúplex (nitruración gaseosa + TiN, nitruración gaseosa + CrN, nitruración gaseosa + (Ti,Cr)N, nitruración gaseosa + Ti(C,N)) sobre las herramientas para forja. Cabe destacar que se usaron las mismas condiciones de nitruración gaseosa, encontrándose una zona de difusión y capa blanca monofásica γ’. En cuanto al desempeño en condiciones de servicio las piezas con recubrimiento de CrN mostraron una mayor vida útil (aproximadamente un incremento del 100% con respecto a las muestras sólo nitruradas y nitruradas + TiN) y de un 70-85% con respecto a las muestras nitruradas + (Ti,Cr)N y nitruradas + Ti(C,N).

5. CONCLUSIONES

De las publicaciones encontradas con relación al desempeño tribológico de tratamientos tipo dúplex en aceros se pueden establecer las siguientes conclusiones:

● Las características microestructurales en los aceros nitrurados por plasma van a depender de las variables propias del proceso (voltaje, corriente, tipo de descarga, densidad de corriente, mezcla de gases, tiempo, entre otras), de la geometría de las piezas a nitrurar y de la composición química de los aceros (principalmente carbono, cromo, molibdeno, vanadio, tungsteno, aluminio).

● La adhesión del recubrimiento sobre el acero nitrurado es critica para un optimo desempeño tribológico. Esta puede verse afectada por la descomposición de la capa blanca ( y posterior formación de una “capa negra”) durante el proceso de deposición del recubrimiento duro.

● Existen diversas opiniones sobre el efecto de la capa blanca en el sistema dúplex. Por lo general se busca una nitruración iónica “brillante” para obtener sólo zona de difusión y en los casos en los que se tiene capa blanca se busca que sea no-porosa y monofásica.

● La nitruración previa ofrece soporte de carga al sistema recubierto, pero la profundidad de nitruración requerida va a depender de las condiciones de servicio a las cuales va a ser sometida la pieza de trabajo.

● El recubrimiento duro ofrece alta dureza superficial y/o buena resistencia a la corrosión y oxidación. Los recubrimientos duros delgados cerámicos disminuyen la adhesión del material a ser procesado sobre la pieza cerámica.

● La gran variedad de herramientas y el incremento en la producción y mejora de la calidad hacen necesario un mayor estudio sobre las condiciones óptimas de ingeniería de superficie en tratamientos tipo dúplex como una opción viable para el incremento de la vida útil y disminución de costos de producción.

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