Estudio del comportamiento ante el desgaste de los recubrimientos MoZrAlSiN depositados sobre un acero AISI 1045 mediante la técnica de PVD

Abstract

El presente trabajo tiene como finalidad el estudio de la microestructura, propiedades mecánicas y resistencia al desgaste de los recubrimientos duros de MoZrAlSiN. Las películas fueron depositadas sobre substratos de acero AISI 1045 mediante la técnica de bombardeo iónico desbalanceado de campo cerrado asistido por plateado iónico (CFUMSIP). La caracterización de las películas se realizaron mediante microscopio electrónico de barrido (MEB), difracción de rayos X, energía dispersiva de rayos X (EDAX), ensayos de dureza y mediciones de adhesión. Los valores del módulo de Young’s y dureza absoluta del MoZrAlSiN fueron de 220 y 18 GPa respectivamente, obtenidas mediante nanoindentación. El comportamiento tribológico de los recubrimientos fue determinado por ensayos de desgaste usando un tribómetro de alta temperatura de configuración bola sobre disco (pin- on- disc) en aire y sin lubricación. El efecto de la temperatura se estudió a 25ºC para los discos no recubiertos de acero AISI 1045 utilizando como contraparte pines de zafiro a una carga normal de 5N y velocidad de deslizamiento de 0,1 m.s-1. El coeficiente de fricción y resistencia al desgaste de las muestras recubiertas con las películas delgadas de MoZrAlSiN fueron medidas a 25, 300 y 500ºC bajo las mismas condiciones. De los ensayos de desgaste se obtuvieron el coeficiente de fricción, volumen desgastado de los discos y constante de desgaste, (k) Con el fin de determinar el mecanismo de desgaste de las muestras ensayadas , las muestras se analizaron luego de realizados los ensayos mediante las técnicas de perfilómetria óptica, MEB, espectroscopia por dispersión en energía de rayos X (EDX) y análisis elemental por área (mapping) de las huellas de desgaste. Los resultados tribológicos muestran que el coeficiente de fricción aumenta con la temperatura (25ºC μprom :0,53) llegando a altos valores (entre 0,9 y 1). Este aumento en el coeficiente de fricción con la temperatura es interpretado en función de las extensas fracturas en las regiones de contacto y a cambios triboquimicos en la superficie del sistema. Sin embargo, la resistencia al desgaste a temperatura ambiente aumenta con respecto al substrato en las mismas condiciones. Los mecanismos de desgaste presentes en las muestras recubiertas dependen fuertemente de la temperatura. A 25ºC los recubrimientos sufrieron un desgaste abrasivo leve, con transferencia de material del recubrimiento hacia las bolas de zafiro. Sin embargo, el mecanismo de desgaste cambia cuando las muestras son ensayadas a altas temperaturas. A 300ºC las muestras presentaron gran cantidad de residuos de desgaste (debris) dentro y en los alrededores de la huella, formados principalmente por partículas desprendidas del recubrimiento, asociados a la baja cohesión del recubrimiento. El mecanismo de desgaste fue del tipo abrasivo con efecto del tercer cuerpo. Sin embargo, a la temperatura de 500ºC el mecanismo de desgaste cambia a una combinación de desgaste abrasivo y oxidativo favorecido por las altas temperaturas. Sin embargo el modo de falla a tanto 300 como a 500ºC fue similar, presentando un fuerte agrietamiento dentro de las huellas de desgaste. En ningunas de las condiciones ensayadas el recubrimiento fue removido. El volumen desgastado de las muestras recubiertas a temperatura ambiente disminuyen un 95% con respecto al substrato bajo las mismas condiciones. El volumen desgastado a 300 y 500ºC son muy similares, presentando un volumen desgastado 40% menor respecto al substrato a temperatura ambiente. La mayor resistencia al desgaste correspondió a los recubrimientos ensayados a temperatura ambiente (k: 2,29*10-7 mm3 N-1m-1), sin embargo, la resistencia al desgaste de los recubrimientos tratados a altas temperaturas poseen casi el mismo valor de 10-6mm3 N-1m-1. El aumento de la velocidad de desgaste en este último caso se deben principalmente a la interacción de las superficies irregulas debido al agrietamiento y al aumento de microfracturas en el recubrimiento, lo cual aumenta la formación de debris.