Evaluación de la resistencia al desgaste abrasivo y deslizante de recubrimientos de alúmina-13%titania termorrociados sellados.

1) Liscano, Sugehis 2) Gil, Linda 3) Subero, Raiza

Centro de studios de Corrosión y Nuevos Materiales, Dpto. Ingeniería Metalurgica UNEXPO, Puerto Ordaz. UNEXPO Vicerrectorado Puerto Ordaz

1)lissug@hotmail.com 2) llindagil@cantv.net 3) raisubero@yahoo.com

Resumen

Los recubrimientos de óxido de aluminio termorrociados por plasma (Al2O3) son principalmente usados como recubrimientos resistentes al desgaste en aplicaciones mecánicas. Estudios previos han mostrado que la resistencia a la abrasión y la resistencia a la corrosión de estos recubrimientos puede ser significativamente incrementada mediante la aplicación de tratamientos de sellado. Ha sido reportado que estas mejoras son debidas principalmente a las modificaciones microestructurales que tienen lugar durante el proceso de postratamiento. Consecuentemente, este estudio fue conducido para determinar la influencia de las características microestructurales sobre la resistencia al desgaste de estos recubrimientos cuando diferentes tratamientos de sellado fueron aplicados sobre especímenes de AISI 1020 recubiertos por termorrociado con alúmina + 13% titania. La resistencia al desgaste abrasivo de estos recubrimientos fue evaluada empleando los ensayos: “Rubber wheel abrasion test” y “Ball-on-disc test”. La microestructura del recubrimiento fue caracterizada y sus mecanismos de desgaste fueron analizados mediante Microscopía Electrónica de Barrido. Los valores de Porosidad y microdureza también son reportados. Se encontró que la resistencia al desgaste abrasivo de los recubrimientos sellados con fosfórico y los sellados con epoxi es significativamente mejor que la de los recubrimientos no sellados.

Palabras clave: Desgaste abrasivo/ Termorrociado/ Recubrimiento de alúmina-titania/ Desgaste deslizante

I. INTRODUCCIÓN

Los recubrimientos cerámicos termorrociados por plasma están compuestos de capas que se forman cuando gotas de material fundido se aplanan y solidifican sobre la superficie del sustrato [1]. Debido a su estructura lamelar, los recubrimientos tienen gran cantidad de poros. Los poros y la unión incompleta entre lamellas disminuyen la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosión de los recubrimientos. La densidad de los recubrimientos de termorrociados por plasma puede ser incrementada por la optimización de los parámetros de plasma y de los polvos de termorrociado o por el uso de post-tratamientos. Hay numerosos sellantes que pueden ser usados para recubrimientos termorrociados [2]. Para aplicaciones a bajas temperaturas es posible usar barnices y varios sellantes orgánicos, por ejemplo epoxis y fenólicos. Estos sellantes son efectivos solo a temperaturas de alrededor de 100 ºC. Sin embargo sellantes inorgánicos pueden ser utilizados también a temperaturas significativamente más altas. Otros estudios han mostrado que el fosfato de aluminio inorgánico y el ácido fosfórico son sellantes muy efectivos que también tienen un gran efecto sobre el incremento de la resistencia al desgaste abrasivo de los recubrimientos de óxidos [3]. El comportamiento tribológico de los recubrimientos está muy ligado a su microestructura [2-4]. En concordancia, en este estudio la estructura de los recubrimientos de Al2O3 + TiO2 termorrociados por plasma fueron modificados por medio de la aplicación de diferentes sellantes, con el estudio subsiguiente de la correlación entre la resistencia al desgaste y la microestructura.

II. DESARROLLO

1. Metodología:

Los recubrimientos fueron fabricados comercialmente en la empresa: TERMACOAT (San Félix) por termorrociado atmosférico por plasma usando un equipo APS 45, Flame Spray Technology. Los sellantes estudiados son productos comerciales usados en aplicaciones industriales y se clasifican dentro de sustancias orgánicas e inorgánicas. En la Tabla I se resumen algunas de sus características y del tratamiento de curado. La resistencia al desgaste de los recubrimientos sellados en condición de deposición fue estudiada por los métodos “Rubber wheel abrasion test” y “Ball-on-disc”. El equipo empleado para el ensayo de Rubber wheel abrasion es una versión modificada del equipo descrito en la norma ASTM G65-00 [4]. El ensayo Ballon- disc fue llevado a cabo en un Tribómetro CSEM Modelo Pin on Disc.

Tabla I. Sellantes empleados y sus características

2. Resultados: Los valores de microdureza promedio de cada condición son presentados en la Tabla II. Los resultados del ensayo de desgaste “Rubber Wheel Abrasion” de los recubrimientos sellados y como rociados son presentados en la Fig. 1 y las trazas del desgaste en la Fig 2. Las micrografías de las superficies de deslizamiento de los recubrimientos son mostradas en la Fig 3.

Tabla II. Microdureza promedio de los recubrimientos.

Fig. 1 Resultados del ensayo Rubber Wheel Abrasion de los recubrimientos cerámicos con y sin sellantes.

Fig. 2 Micrografías por Microscopía Electrónica de Barrido de las trazas del ensayo de desgaste abrasivo del Recubrimiento Al203-13%TiO2 a) Como rociado, b) Sellado con epoxi.

Fig. 3 Micrografías por Microscopía Electrónica de Barrido de las trazas del ensayo deslizante del Recubrimiento Al203- 13%TiO2 a) Como rociado, B) Sellado con epoxi , C) Sellado con ácido fosfórico

3. Análisis de los Resultados

El tratamiento de sellado incrementó la dureza de los recubrimientos de alúmina para las condiciones selladas con epoxi y fosfórico, pero prácticamente no tuvo efecto en la condición sellados con fenólico. Como puede observarse de la Fig. 1, los sellantes epoxi y ácido fosfórico disminuyeron el desgaste, siendo este último el que mostró un efecto más acentuado. En contraste, los recubrimientos sellados con fenólico mostraron un mayor desgaste que los recubrimientos como rociados. Un comportamiento similar fue reportado previamente en la literatura [5]. Los resultados obtenidos muestran una correlación directa con el comportamiento de la microdureza mencionado previamente, lo cual corrobora que un método efectivo de endurecimiento también incrementa la resistencia al desgaste en medio abrasivo seco [5].

Las trazas de desgaste abrasivo de los recubrimientos como rociados y los sellados con fenólico fueron muy rugosos y apreciables a simple vista (Fig. 2a), lo cual indica que el material fue removido en grandes piezas con el tamaño de una lamela [6]. Aunque el sellante fenólico penetró algunos micrones en el espesor del recubrimiento, es posible que sufriera una alta contracción en el curado, lo cual podría crear campos de esfuerzos tensiles causando un desprendimiento de partícula más grande y más fácil [7]. El comportamiento de los recubrimientos sellados con epoxi y ácido fosfórico fue diferente, se desgastaron ligeramente (Fig. 2b). El sellante epóxico denotó una mejor penetración y adhesión a las paredes de los poros abiertos y es posible que el sellante fosfórico reaccionara durante el tratamiento de curado con el recubrimiento [6]; en ambos casos resultó una mejor adhesión entre lamelas. Las trazas de desgaste fueron menos características y más lisas. Por lo tanto las partículas removidas fueron muy finas.

Las superficies de deslizamiento de los recubrimientos mostraron dos mecanismos diferentes de desgaste (Fig. 3). El primero, es evidenciado en las condiciones como rociada y sellada con fenólico (Fig. 3a), donde finas grietas son observadas debajo de zonas deformadas plásticamente y adyacentes a áreas rugosas, que representan áreas donde parte de la superficie del recubrimiento ha sido deformada, fracturada y removida desde las muestras. En la condición sellada con ácido fosfórico (Fig. 3c) pequeños desgarramientos (tearings) pueden ser observados corriendo paralelos a la dirección de deslizamiento, lo cual indica que ha ocurrido una basta deformación plástica del recubrimiento. El Segundo mecanismo, presente en el recubrimiento sellado con epóxico, es asociado a condiciones de esfuerzos residuales tensiles y es revelado por una red de grietas gruesas dentro de la huella de desgaste, lo cual probablemente es debido a una mayor resistencia al desprendimiento de partículas del recubrimiento [7]. Esto último es apreciado en la Fig. 3b.

III. CONCLUSIONES

1. El tratamiento de sellado incrementó la microdureza de los recubrimientos como rociados (848 HV), obteniéndose el mayor endurecimiento para la condición sellada con fosfórico (1379 HV), luego la sellada con epoxi (1021HV) y por último la sellada con fenólico (953 HV).

2. El tratamiento de sellado también incrementó la resistencia al desgaste abrasivo de los recubrimientos mediante la disminución de la porosidad abierta y el desarrollo de una mejor unión entre lamelas.

3. En este caso los recubrimientos sellados con epoxi y ácido fosfórico fueron encontrados como los más resistentes al desgaste en medio abrasivo.

4. En las superficies de deslizamiento, obtenidas después del ensayo de ball-on-disc, los daños observados son dominados por los mecanismos de deformación plástica y agrietamiento superficial, y están asociados a los niveles de esfuerzos residuales.

5. En este ensayo se encontró que los recubrimientos sellados con epoxi ofrecen la mayor resistencia al desgaste deslizante, al desarrollar un severo mecanismo de agrietamiento sin desprendimiento de partículas, verificable en el mantenimiento de sus valores de rugosidad inicial durante el ensayo de desgaste deslizante.

IV. REFERENCIAS

1. Herman H. and Sampath S., in: K. H. Stern (Ed.), Metallurgical and Ceramic Protective Coatings, London, Chapman & Hall, 1996, 263 pp.        [ Links ]

2. Niemi K, Sorsa P., Vuoristo P., and Mäntylä T., Thermally Sprayed Alumina Coatings with Strongly Improved Wear and Corrosion Resistance, Massachusetts, Proc. 7th Int. Thermal Spraying Conf., 1994, 533 pp.        [ Links ]

3. Abdel-Samad A.A., et al, A Comparative Study on Thermally Sprayed Alumina Basad Ceramic Coatings, J. Mat. Sci., 35 (2000) 3127.        [ Links ]

4. Knuutila J., et al, Wet Abrasion and Slurry Erosion Resistance of Sealed Oxide Coatings, Paris, Proc. 15th Int. Thermal Spraying Conf., 1998, 145 pp.        [ Links ]

5. Knuuttila J., Sorsa P., Mäntylä T., “Sealing of Thermal Spray Coatings by Impregnation” Journal of Thermal Spray Technology 8(2), 1999, 249-257 pp.        [ Links ]

6. Leivo E. M., et al, “ Wear and Corrosion Properties of Plasma Sprayed Al2O3 and Cr2O3 Coatings Sealed by Aluminum Phosphates”, Journal of Thermal Spray Technology 6, 1997, p. 205.        [ Links ]

7. Bull S.J., Kingswell R., and Scott K.T., “The Sliding Wear of Plasma Sprayed Alumina”, Surf. and Coat. Tech., 82 (1996) 218.        [ Links ]