Caracterización tribológiga de películas de ZrN depositadas mediante técnica PVD.
Se ha depositado un recubrimiento de ZrN sobre un substrato de acero al carbono el cual fue esmerilado y acabado con lija de carburo de silicio grado 600, antes de la deposición. El recubrimiento fue producido mediante Deposición Iónica asistida por Bombardeo y Gas Reactivo en Magnetrón Desbalancead...
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2012
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| description | Se ha depositado un recubrimiento de ZrN sobre un substrato de acero al carbono el cual fue esmerilado y acabado con lija de carburo de silicio grado 600, antes de la deposición. El recubrimiento fue producido mediante Deposición Iónica asistida por Bombardeo y Gas Reactivo en Magnetrón Desbalanceado de Campo Cerrado, que es una de las más innovadoras técnicas del proceso de Deposición Física en Fase Vapor (PVD). El recubrimiento obtenido fue caracterizado en su condición original de fabricación, a temperatura ambiente (T.A.) y luego de ser expuesto a 400 oC y 700 oC. A éstas temperaturas se hicieron evaluaciones del comportamiento de la fricción y del desgaste mediante pruebas llevadas a cabo con pares tribológicos arreglados en la modalidad bola sobre disco, empleando una bola de Zafiro sintético (Al2O3) como contraparte estática en dos tipos de pares tribológicos (Zafiro/Recubrimiento y Zafiro/Substrato). Estas pruebas se realizaron sin lubricación en un tribómetro de alta temperatura (HIGH TEMPERATURE TRIBÓMETER), en atmósfera de aire y bajo carga de 2 N. Para la caracterización se realizó análisis morfológico y microestructural de un lote de muestras con distintas condiciones de tratamiento (original, luego de expuestas a 400o y a 700 oC). En éstas condiciones también se realizaron evaluaciones de dureza, adhesión y de otras característica básicas del sistema o compósito recubrimiento-substrato. En el estudio se realizó el ensayo convencional de microdureza Vickers y Knoop (HV y HK ) empleando cargas de 50, 100 y 200 gr., aplicadas durante 15 s. La resistencia de la adhesión fue evaluada mediante la determinación de la carga crítica (Lc), necesaria para producir un agrietamiento primario en el surco de una huella de 5 mm de largo, producida bajo una carga normal que se incrementó desde 5 hasta 53 N, utilizando un equipo para la prueba de rayado (REVETEST CSEM). El espesor (h) del recubrimiento, fue determinado mediante la técnica de la calota esférica utilizando un equipo que produce un cráter esférico en una probeta plana (CALOTEST CSEM) y la rugosidad superficial (Ra), así como las dimensiones de las huellas de desgaste fueron evaluadas utilizando un perfilómetro (PROFYLER - ZYGO) mediante técnicas de perfilometría por interferometría óptica. Las técnicas de microscopía óptica (MO) y electrónica de barrido (MEB), combinadas con otras técnicas especiales (EDAX y XRD) permitieron la caracterización morfológica,microestructural y química del sistema recubrimiento – substrato. Los resultados obtenidos de las diferentes pruebas y evaluaciones indicaron que el ZrN depositado sobre el substrato de acero al carbono, tiene buen comportamiento como material antidesgaste a temperatura ambiente cuando interactúa en contacto deslizante frente al Zafiro. Sin embargo, el incremento de la temperatura de prueba afectó considerablemente el comportamiento de la fricción y el desgaste. Con la exposición del sistema a 400 oC, se observaron mejoras en la adhesión del recubrimiento, mientras que la dureza disminuyó levemente. A 700 oC, ocurrieron cambios importantes en la microestructura, expansión y oxidación del sistema, especialmente en pequeñas zonas defectuosas del recubrimiento identificadas como microdefectos (microdroplets) y poros que dejaron al descubierto microzonas del substrato; estos defectos habían sido previamente detectados mediante (MEB) durante la evaluación superficial del recubrimiento. En éste caso, el recubrimiento falló mediante múltiples grietas y delaminaciones originadas alrededor de las zonas defectuosas en las que se observó una oxidación severa luego de la exposición a 700 oC. Con los cambios ocurridos, se obtuvieron modificaciones de los mecanismos de falla y de los parámetros que definen el comportamiento tribológico en la prueba de desgaste, entre ellos: el coeficiente de fricción promedio (μp) y las constantes de desgaste de disco (Kd) y bola (Kb), en los pares utilizados. Los resultados obtenidos de tales parámetros indicaron que tanto a 400o como a 700 oC, ocurre un deterioro del potencial antidesgaste observado para el ZrN a temperatura ambiente. En virtud de los resultados y de las observaciones realizadas en ésta investigación, se pudo concluir que el mejor desempeño tribológico del ZrN depositado sobre el substrato de acero al carbono, se consigue en la condición original de fabricación y a temperatura ambiente, ya que en esta condición, se obtuvieron los mayores valores de microdureza (HV y HK), moderada carga crítica (Lc) y los menores valores del coeficiente de fricción promedio (μp) y de las constantes de desgaste (Kb y Kd). |
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A éstas temperaturas se hicieron evaluaciones del comportamiento de la fricción y del desgaste mediante pruebas llevadas a cabo con pares tribológicos arreglados en la modalidad bola sobre disco, empleando una bola de Zafiro sintético (Al2O3) como contraparte estática en dos tipos de pares tribológicos (Zafiro/Recubrimiento y Zafiro/Substrato). Estas pruebas se realizaron sin lubricación en un tribómetro de alta temperatura (HIGH TEMPERATURE TRIBÓMETER), en atmósfera de aire y bajo carga de 2 N. Para la caracterización se realizó análisis morfológico y microestructural de un lote de muestras con distintas condiciones de tratamiento (original, luego de expuestas a 400o y a 700 oC). En éstas condiciones también se realizaron evaluaciones de dureza, adhesión y de otras característica básicas del sistema o compósito recubrimiento-substrato. En el estudio se realizó el ensayo convencional de microdureza Vickers y Knoop (HV y HK ) empleando cargas de 50, 100 y 200 gr., aplicadas durante 15 s. La resistencia de la adhesión fue evaluada mediante la determinación de la carga crítica (Lc), necesaria para producir un agrietamiento primario en el surco de una huella de 5 mm de largo, producida bajo una carga normal que se incrementó desde 5 hasta 53 N, utilizando un equipo para la prueba de rayado (REVETEST CSEM). El espesor (h) del recubrimiento, fue determinado mediante la técnica de la calota esférica utilizando un equipo que produce un cráter esférico en una probeta plana (CALOTEST CSEM) y la rugosidad superficial (Ra), así como las dimensiones de las huellas de desgaste fueron evaluadas utilizando un perfilómetro (PROFYLER - ZYGO) mediante técnicas de perfilometría por interferometría óptica. 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A 700 oC, ocurrieron cambios importantes en la microestructura, expansión y oxidación del sistema, especialmente en pequeñas zonas defectuosas del recubrimiento identificadas como microdefectos (microdroplets) y poros que dejaron al descubierto microzonas del substrato; estos defectos habían sido previamente detectados mediante (MEB) durante la evaluación superficial del recubrimiento. En éste caso, el recubrimiento falló mediante múltiples grietas y delaminaciones originadas alrededor de las zonas defectuosas en las que se observó una oxidación severa luego de la exposición a 700 oC. Con los cambios ocurridos, se obtuvieron modificaciones de los mecanismos de falla y de los parámetros que definen el comportamiento tribológico en la prueba de desgaste, entre ellos: el coeficiente de fricción promedio (μp) y las constantes de desgaste de disco (Kd) y bola (Kb), en los pares utilizados. 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