Las figuras 5.40 y 5.41 muestran imágenes de las superficies de desgaste de los recubrimientos y bolas respectivamente. En el caso de TiN, se observa que la huella de desgaste tiene una forma regular (surco), lo cual fue de utilidad para calcular el volumen de desgaste, obsérvese que las áreas más brillosas representan a las zonas de mayor desgaste (recubrimiento desprendido). En el caso de acero 4140 este fenómeno es más visible debido a su baja resistencia al desgaste compara da con los otros dos aceros.
Las micrografías obtenidas por microscopia electrónica de barrido (SEM) (figura 5.42) muestran el desgaste producido en el acero 8620 con TiN. Se puede apreciar que en algunas zonas, se presentó el desprendimiento total del recubrimiento. Otros trabajos relacionados, muestran resultados similares [8,9].
Material base TiN CrN WC/C Sustrato Acero 4320 11.76N Acero 4320 7.84N Acero 8620 11.76N Acero 8620 7.84N Acero 4140 11.76N Acero 4140 7.84N
Figura 5.40. Microscopía óptica de recubrimientos y sustratos
En el caso del recubrimiento de CrN, se observó que no se formaron huellas de desgaste de forma regular como con otros recubrimientos. Las zonas oscuras representan material de recubrimiento y las áreas claras son del sustrato.
Para determinar que en algunas zonas hubo desprendimiento del recubrimiento, se realizaron pruebas de microdureza y dureza superficial, como la que se
muestra para el acero 8620 (11.76N), donde se aprecia una indentación Vickers sobre una zona donde el recubrimiento fue removido (figura 5.40) y cuya medida resultó ser de 700 HV, medida de dureza correspondiente al sustrato.
La aparición de fisuras, fueron también observadas en zonas de desgaste severas, principalmente con el TiN. Las micrografías por SEM (figura 5.43) muestran la irregularidad en la forma para el caso de un acero 4320 con CrN. La figura 5.44 muestra una micrografía por SEM de un acero 4140 con CrN, donde las áreas más claras representan recubrimiento removido (sustrato).
En el caso del WC/C, las huellas de desgaste tuvieron forma regular (surco), mas angostas que las producidas en el TiN. De acuerdo a las pruebas de dureza, micrografías por SEM y análisis por EDS, no se presentó un deterioro total del recubrimiento, las imágenes por microscopía óptica (figura 5.40), muestran las huellas originadas por el contacto con la bola, pero la duración establecida de los ensayos no fue suficiente para lograr un desprendimiento del recubrimiento. Sin embargo, el objetivo del estudio no fue conocer el número de ciclos donde ocurría el deterioro del recubrimiento, si no tener la base experimental para hacer comparaciones de la resistencia al desgaste entre los recubrimientos empleados, cuando son sometidos a las mismas condiciones de operación.
En el caso de las pruebas realizadas a los sustratos (probetas sin recubrimiento alguno), las huellas de desgaste obtenidas tuvieron una forma regular bien definida geométricamente para fines de mediciones dimensionales. En la figura 5.40, se puede observar en algunos casos (acero 4140) zonas de desgaste brillosas (superficie pulida por el contacto) y también se aprecia deformación plástica severa.
En el caso de las bolas, todas las imágenes (figura 5.41), muestran el desgaste producido por el contacto con diferentes recubrimientos y sustratos. En algunos casos se presentaron surcos muy grandes, derivando en volúmenes de desgaste mayores (figuras 5.35 a 5.38). Para el recubrimiento de TiN en algunos casos, se observó la adhesión del material del recubrimiento sobre la bola, sin embargo las pruebas de SEM y EDS no confirman esta teoría.
El diámetro de la huella en la mayoría de los casos fue de 1.2 mm aproximadamente. En algunos casos, fueron encontradas ranuras profundas en el interior de las huellas, como en la prueba con el acero 4320 (7.84N) y el acero 8620 (11.76N). La mayoría de las huellas prevalece una forma regular (circular), y en algunos casos se tienen formas elípticas e irregulares, debido principalmente a la dirección del deslizamiento y a la magnitud de la carga aplicada, pero también puede deberse a factores relacionados con la adherencia micropartículas de recubrimiento sobre la bola y con la fijación de la bola en la base (juego mecánico).
En el caso de las bolas en contacto con el recubrimiento de CrN, la mayoría de las huellas tuvo una forma casi circular. Las imágenes de la figura 5.35 correspondientes al acero 4320 (11.76N y 7.84N), muestran una huella de desgaste muy uniforme con los borden claramente definidos, sin fisuras. En el interior de las huellas hay algunos puntos oscuros, formados debido al contacto con un tercer cuerpo, como las micropartículas provenientes del recubrimiento debido al desgaste. En general, se presentó un menor desgaste en las bolas en contacto con el recubrimiento de CrN comparado con TiN.
Las bolas en contacto con el recubrimiento de WC/C, presentaron huellas de desgaste mucho más pequeñas que con los otros recubrimientos. El diámetro de las huellas en promedio fue de 0.6mm, casi la mitad del tamaño de las huellas en las bolas en contacto con CrN y TiN. Como se mencionó anteriormente, los volúmenes de desgaste bajos y la alta resistencia al desgaste por deslizamiento se debieron en parte al bajo coeficiente de fricción ofrecido por este recubrimiento. Por ejemplo en la prueba con el acero 4140 (11.76N), la huella tienen una forma irregular, con zonas oscuras que son en realidad áreas de desgaste más profundas (figura 5.41). También se ha mencionado anteriormente que las pruebas con este recubrimiento se realizaron hasta un número de ciclos superior, sin presentarse algún daño significativo en el recubrimiento. Las figuras 5.37, 5.38 y 5.39 muestran la diferencia en el desgaste ocurrido en la probeta y en la bola. En el caso de las pruebas con los sustratos, en todos los casos se observó un bajo desgaste en las bolas, no así en las probetas. El diámetro de las huellas en
las bolas fue del orden de 0.55mm aprox. y tuvieron una forma elíptica. Cabe mencionar que el diámetro se determinó de obtener el promedio del diámetro mayor y el diámetro menor. En el caso del acero 4320 (11.76N), hay pequeños cráteres dentro de la huella de desgaste, los cuales podrían haber sido originados por defectos en la superficie original de la bola o por la indentación causada por las micropartículas de desgaste provenientes de la misma boa o del sustrato.
Material base TiN CrN WC/C Sustrato Acero 4320 11.76N Acero 4320 7.84N Acero 8620 11.76N Acero 8620 7.84N Acero 4140 11.76N Acero 4140 7.84N
Figura 5.42. Microscopia electrónica de barrido (SEM) en acero 8620 con TiN.
Figura 5.43. Microscopía electrónica de barrido (SEM) en acero 4320 con CrN.
Figura 5.44. Microscopía electrónica de barrido (SEM) en acero 4140 con CrN.
5.2.4 Discusión
Se evaluó el comportamiento en desgaste por deslizamiento de los recubrimientos duros de TiN, CrN y WC/C en condiciones secas. Se obtuvieron los coeficientes de fricción contra el número de ciclos, volúmenes de desgaste y micrografías por microscopía óptica y SEM, además se realizó un análisis por difracción de rayos X
(EDS) para conocer la constitución química en las zonas de contacto (fenómeno de transferencia de masa, desgaste adhesivo, etc.).
En el caso del recubrimiento de TiN, las imágenes de la figura 5.40, muestran una huella caracterizada por un mecanismo de falla iniciado por la abrasión ocasionada por las partículas en la zona de contacto entre el recubrimiento y la bola.
El desgaste en el recubrimiento fue causado por el contacto con la bola. Algunas micropartículas de TiN fueron removidas adhiriéndose a la bola causando un deterioro más rápido en el recubrimiento.
En la figura 5.40 se observa que el mecanismo de desgaste fue muy similar en todos los aceros. Primero se presentó un alto deterioro del recubrimiento en forma de micropartículas, las cuales fueron un factor importante para acelerar el desgaste gradual del recubrimiento. Las micropartículas en contacto directo entre las superficies causaron ruido y vibración ocasionando cierta inestabilidad en el sistema tribológico. Además de conllevar a un incremento en la temperatura en el área de contacto, debilitando aún más el recubrimiento. En la mayoría de los casos las pruebas fueron corridas hasta el deterioro total del recubrimiento.
En el caso de la bola, en este recubrimiento se presentó la adherencia de TiN sobre la bola, dato comprobado por microscopía óptica (figura 5.41) y por análisis con EDS. En algunos casos, se tuvo desgaste no uniforme en la bola, formándose área irregulares, quizás debido a la presencia de las micropartículas (agente abrasivo) que fueron desplazadas del centro del área de contacto hacia los lados. Este fenómeno se observó principalmente en las pruebas con la carga de 11.76N. En el caso del recubrimiento de CrN, resultó complicado identificar el mecanismo de falla. El desgaste originado no siguió un patrón típico como en el caso de los otros recubrimientos. El desgaste no fue uniforme y no fue posible detectar visualmente la pérdida del recubrimiento. También se observó una menor cantidad de micropartículas debido al desgaste. En ningún caso se observó material adherido del recubrimiento en la bola.
El desgaste en la bola fue uniforme y mayor al comparado con los recubrimientos de TiN y WC/C. Este recubrimiento tuvo mejor resistencia al desgaste que el TiN.
El recubrimiento de CrN actúa como un repelente al mecanismo de falla tradicional de desgaste por deslizamiento, resultando en áreas de desgaste muy pequeñas, aisladas y de forma irregular, visibles únicamente con microscopia óptica (figura 5.40). Algunas pruebas se corrieron hasta los 150000 ciclos, sin presentarse algún cambio significativo en la superficie o en el tamaño de las áreas de desgaste. Tampoco se apreció la aparición de ruido y vibración durante las pruebas. Como se observa en la figura 5.37, los volúmenes de desgaste en la bola fueron más grandes que con otros recubrimientos, reforzando la idea de la alta resistencia al desgaste por deslizamiento de este recubrimiento (CrN). En conclusión, este recubrimiento actuó eficientemente bajo este tipo de desgaste y en las condiciones específicas empleadas en las pruebas, mostrando un poco desgaste en las superficies de los tres aceros empleados. Esto explica el reciente uso de este recubrimiento en distintas aplicaciones para la manufactura de partes mecánicas sometidas a desgaste por deslizamiento, incluyendo herramientas de corte, guías, dados, entre otros.
El recubrimiento de WC/C mostró el mejor rendimiento en las pruebas realizadas. Los volúmenes de desgaste en el recubrimiento y en las bolas fueron los más bajos de los tres recubrimientos empleados (figura 5.38). El bajo coeficiente de fricción de este recubrimiento (figura 5.34), es el factor más importante que condujo a estos resultados. La huella de desgaste observada aparentemente muestra un deterioro en el recubrimiento (figura 5.40), sin embargo, con una reexaminación en microscopía óptica y SEM, solo se aprecia un pulimento en la superficie, quedando intacto aún el recubrimiento. Esto también pudo verificarse con un análisis de EDS, donde se observaron altos niveles de W y C.
En el caso de la bola en contacto con este recubrimiento en las imágenes de microscopía óptica (figura 5.41) se observa un menor desgaste comparado con el presentado en las bolas en contacto con los otros recubrimientos. Tampoco se observó la aparición de micropartículas de desgaste, que pudieran haber actuado como agentes abrasivos en la zona de contacto. Bajo las condiciones empleadas en las pruebas experimentales, no se observó un desgaste significativo en el recubrimiento, incluso en ensayos realizados hasta los 200000 ciclos.
REFERENCIAS
[1] Glover, D.; A ball-rod rolling contact fatigue tester, ASTM STP-771, J.J.C.Hoo, Ed., pp.107-124.
[2] Stachowiak, G. W., Engineering Tribology, Second edition, Edit. Butterworth Heinemann, 2001, USA.
[3] E. Vera, M. Vite, Comparative Study of Failure by Rolling Contact Fatigue (FCR) of AISI 4140, Base, Nitriding and Hard Chromium, 15th Steelmaking Conference, pp. 735-742, San Nicolas, Argentina, 2005.
[4] R. Joost, J. Pirso, M. Viljus, The Effect of Carbon Content on the Mechanical and Tribological Properties of WC-Co Cemented Carbides, Nordtrib (2008), Tampere, Finland.
[5] K. Bonny, P. De Baets, W. Ost, Influence of Secondary Electro-Conductive Phases on the Tribological Response of Zirconia-Based Composites Against WC- Co Cemented Carbide, Nordtrib (2008), Tampere, Finland.
[6] E. Celik, O. Culha, B. Uyulgan, Assessment of Microstructural and Mechanical Properties of HVOF Sprayed WC-Based Cermet Coatings for a Roller Cylinder, Surf. Coat. Technol. 200 (2006) 4320-4328.
[7] S. Stewart, R. Ahmed, Rolling Contact Fatigue of Surface Coatings- a Review, Wear, 253 (2002) 1132-1144.
[8] K. De Bruyn, J.F. Celis, J.R. Roos, Coating Thickness and Surface Roughness of TiN Coated High Speed Steel in Relation to Coating Functionality, Wear, 166 (1993) 127-129.
[9] J.A. Sue, H.H.Troue, Friction and Wear Properties of Titanium Nitride Coating in Sliding Contact with AISI O1 Steel, Surf. Coat. Technol, 43/44 (1990) 709-720.
CONCLUSIONES
De acuerdo a los estudios sobre el comportamiento del coeficiente de fricción y desgaste de los recubrimientos duros de TiN, CrN y WC/C, depositados en aceros 4320, 8620 y 4140 en condiciones secas a temperatura ambiente, se tienen las siguientes conclusiones:
Desgaste por contacto de rodadura:
Se encontró información importante relacionada con el tema de FCR, ya sea en el desarrollo de nuevos prototipos de ensayo, análisis de lubricantes y sistemas de lubricación y en el estudio de nuevos materiales y recubrimientos superficiales.
Se conocieron nuevos procedimientos de ensayo de materiales, ayudando a entender mejor el principio fundamental del desgaste por fatiga y otros factores que intervienen en este fenómeno de desgaste superficial.
Los materiales seleccionados son representativos de aquellos recomendados para la fabricación de pistas de rodamientos de acuerdo a normas internacionales.
Actualmente, el uso de recubrimientos superficiales duros aplicados a elementos mecánicos sometidos a FCR, han demostrado tener una aceptable resistencia al desgaste sobre aquellos recubrimientos superficiales tradicionales.
La máxima presión Hertziana presente en el contacto entre dos elementos, tiene un papel importante en la resistencia al desgaste por fatiga de contacto por rodadura.
La elección correcta del tipo de lubricante en elementos sometidos a FCR, depende principalmente de la velocidad, la carga y de la temperatura de operación.
El método experimental, otorga la posibilidad de obtener datos confiables, si se realiza adecuadamente, sin embargo, es necesario utilizar otros métodos
alternos como el numérico o el analítico, para tener mayor certidumbre en los resultados.
La nucleación de la falla se presenta por la deformación plástica en el borde de salida de la superficie dañada por indentación.
Los tratamientos térmicos y superficiales proporcionan una mejor resistencia a los elementos mecánicos sometidos a FCR, si se aplican adecuadamente; particularmente aquellos tratamientos superficiales cuyo espesor de la capa depositada juega un papel importante.
En este trabajo en particular, el espesor de la capa del recubrimiento específicamente de cromo duro, fue insuficiente, ya que se deterioró con cierta facilidad, dejando al descubierto el material base, disminuyendo así su resistencia a FCR.
El recubrimiento superficial de TiN, no presentó un desempeño satisfactorio al someterse al fenómeno de desgaste por FCR.
La formación de grietas en la superficie de desgaste no se manifestó de igual manera en todos los casos, esto se debió principalmente a la duración de cada uno de los ensayos.
Los materiales base utilizados (AISI 4320, 4140 y 8620), puede presentar algunas aplicaciones en la fabricación de elementos que trabajan en contacto por rodadura, empleando los tratamientos térmicos adecuados.
Desgaste por deslizamiento:
No hubo cambios significativos en el coeficiente de fricción entre los tres aceros (sustratos) tratados en este estudio. Pero si se encontraron variaciones entre los descubrimientos, especialmente en el WC/C.
En algunos casos, la variación del coeficiente de fricción contra el número de ciclos, fue un indicativo del deterioro del recubrimiento, principalmente en el recubrimiento de CrN.
Se presentaron variaciones en el coeficiente de fricción entre las dos cargas empleadas en el estudio, especialmente con el WC/C.
El comportamiento del volumen de desgaste para el recubrimiento de TiN resultó mayor en las probetas que en las bolas. En el caso de los recubrimientos de CrN y WC/C, sucedió lo contrario.
El recubrimiento de WC/C fue el que presentó un mejor rendimiento al desgaste por deslizamiento en este estudio, incluso al ser sometido hasta 200000 ciclos, sin mostrar un daño significativo en la superficie.
De acuerdo a las pruebas experimentales realizadas, existe sustento para mencionar que los sustratos utilizados en este estudio, mostraron características adecuadas para ser usados en aplicaciones de contacto por deslizamiento, aportando otras alternativas al momento de seleccionar los materiales en la manufactura de elementos mecánicos.
En los experimentos realizados en esta investigación, se observó que los recubrimientos duros empleados, mostraron en general un mejor rendimiento al ser sometidos al desgaste por deslizamiento en comparación con los resultados obtenidos en FCR.
Es importante seguir realizando ensayos en este tipo de recubrimiento, variando alguna o todas las condiciones de operación, principalmente en la carga aplicada, velocidad y espesor de recubrimiento.
Aún quedan muchas interrogantes sobre la naturaleza de éste fenómeno, las cuales, están siendo atendidas por diferentes grupos de investigación del área de tribología en todo el mundo. En este sentido, el grupo de tribología de la SEPI- ESIME-Zacatenco del Instituto Politécnico Nacional, realiza trabajos de investigación, en diferentes tópicos de la tribología, entre ellos el de FCR y desgaste por deslizamiento.