Desempeño tribológico a alta temperatura del acero AISI 4340 y acero de herramienta D2 nitrurados con y sin recubrimiento obtenido por PVD / Yeczain S. Pérez D ; tutor Mariana H. Staia

Ilustraciones Sección Publicaciones Oficiales Tesis de Grado Bibliografía Pregrado Universidad Central de Venezuela, Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de los Materiales Ing. Metalúrgico

El presente trabajo tiene como objetivo realizar la caracterización microestructural y determinar el comportamiento ante el desgaste deslizante a 25º, 300º y 600º C del acero AISI 4340 y el acero de herramienta D2 tratados térmicamente (Martempering), nitrurados y con tratamiento dúplex (nitrurados y recubiertos con TiN y TiAlN obtenidos a través de la técnica de deposición física en fase vapor (PVD)). Valores de microdureza, HV0,05, de 4GPa y 6GPa, después del tratamiento térmico de martempering, han sido determinadas para el acero AISI 4340 y el acero de herramienta D2, respectivamente. Posteriormente, dichos valores de dureza superficial se incrementaron con la aplicación de un tratamiento termoquímico de nitración gaseosa, siendo para el acero AISI 4340 nitrurado de 9GPa y para el acero de herramienta D2 nitrurado de 12GPa, aproximadamente. El espesor de la capa nitrurada para el acero AISI 4340 fue de 227,77 ± 2,97µm; y para el acero de herramienta D2 59,11 ± 2,22µm. Tanto los valores de dureza como los correspondientes a los espesores de la capa de difusión se obtuvieron a partir de las secciones transversales de las muestras. Posteriormente, recubrimientos duros comerciales de TiN y TiAlN han sido depositadas sobre los aceros nitrurados mediante la técnica de deposición en estado de vapor (PVD). El espesor de los recubrimientos, obtenido por el método de calota esférica, para el recubrimiento de TiN fue 4,8 ± 0,3 µm y el del recubrimiento de TiAlN 4,0 ± 0,2 µm depositados el acero AISI 4340. En el caso de los recubrimientos depositados sobre el acero de herramienta se encontró que el recubrimiento de TiN tuvo un espesor de 4,1 ± 0,2 µm, mientras que para el recubrimiento de TiAlN el espesor fue de 4,0 ± 0,2 µm. Se determinó la dureza compuesta del sistema a través de un microidentador Vickers acoplado a un analizador de imágenes y se graficó contra el RID (profundidad relativa de indentación). Para la evaluación del comportamiento tribológico de los sistemas se utilizó ensayos de desgaste deslizante y se evaluaron las muestras tratadas térmicamente (substrato), nitruradas y con tratamiento dúplex (nitrurados y recubiertos) con TiN y TiAlN a tres temperaturas: 25º, 300º y 600º C de ensayo, en la modalidad bola sobre disco. Se empleó una velocidad de deslizamiento constante de 0,1m.s-1, un radio de giro constante de 8,5mm, una carga normal de 5N para una distancia de ensayo 1000m. Se utilizó como contraparte estática una bola de alumina de diámetro 6mm. El estudio de las huellas de desgaste se realizó mediante la técnica de microscopía electrónica de barrido (MEB). Esta técnica se utiliza además para estudiar los mecanismos de desgaste presentes en las muestras ensayadas, complementándose dicho estudio con microanálisis químico por dispersión en la energía de rayos X (EDX) y perfilometría óptica. Como producto de los ensayos de desgaste deslizante se obtuvo que el mayor daño lo sufriera el substrato, mientras que las probetas nitruradas se determinó que hay una disminución en su volumen de desgaste a todas las temperaturas del ensayo. En el caso de las probetas con tratamiento dúplex, se evidencia el mejor comportamiento a 300º C, debido que la nitruración previa del substrato aumenta el soporte carga del recubrimiento duro. Este comportamiento se destaca muy bien en el acero de herramienta D2 nitrurado recubierto con TiAlN, debido a que este acero nitrurado tiene alta dureza y que el recubrimiento TiAlN también posee las mejores propiedades de resistencia a la corrosión y estabilidad a altas temperaturas así como una alta dureza. Para las muestras con tratamiento tipo dúplex y ensayadas a 600º C, el ablandamiento por efecto de la temperatura y presencia de la capa blanca, genero el desprendimiento del recubrimiento por la poca adhesión y el poco efecto de soporte de carga. Generando volúmenes de desgaste mayores para las muestras con tratamiento dúplex en comparación a las muestras nitruradas.