cerámicas resistentes al desgaste
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CERAMICAS
AVANZADAS
Tópicos de Materiales Avanzados
Ing. Wilmer Vásquez Díaz Universidad Nacional de Trujillo – Perú
CERÁMICAS RESISTENTES AL
DESGASTE Y A LA CORROSIÓN
Una de las cualidades más importantes de las cerámicas técnicas es su
elevada resistencia al desgaste por lo que, éstas pueden ser utilizadas
directamente como piezas que deban ofrecer dicha característica o bien
como recubrimiento de cualquier metal o sustrato inorgánico que deba
responder a una mejora de su resistencia al desgaste.
Importancia Económica
Desgaste
2,5% PBI EUA
Desgaste y Corrosión
4,5% PBI Alemanha
(Rabinowicz, 1985, p.6)
TRIBOLOGIA. Del griego “Tribo” que significa frotar.
Ciencia que se ocupa de la fricción, del desgaste y la lubricación.
DESGASTE Y
CORROSIÓN
Países Industrializados: 4.5% PBI
Fabricantes Automóviles
Industria Aeroespacial
Constructores de Maquinaria
Productores de Biomateriales
COMPONENTES
NUEVOS
MATERIALES
(Prop.
Tribolog.)
Fiables
Prestaciones
Durareros
MEDIO AMBIENTE
Reducción del
consumo de
materias primas
Reducción del uso
de lubricantes
Un problema relacionado
Aunque Europa se halla comprometida con el reciclado, se sigue
desperdiciando todavía el 13 % de los lubricantes utilizados en los
procesos industriales, que acaban en el vertedero. Para un país
industrializado, por ejemplo Alemania, semejante carga representa
alrededor de 300.000 toneladas anuales, que corresponden a unos 3,5 kg
por persona. Añádase que en la mayor parte del resto del mundo la
proporción de lubricantes reciclados o reutilizados es bastante menor que
en Europa, de suerte tal, que la cantidad mundial de lubricantes que
retornan al medio alcanza los 12 millones de toneladas anuales.
La utilización de materiales avanzados, con prestaciones tribológicas
superiores, puede eliminar el uso de lubricantes, ofreciendo un
ahorro económico considerable en la mayoría de los sectores
industriales y una disminución del impacto ambiental.
RECUBRIMIENTOS
Se entiende por recubrimientos duros aquellas películas delgadas con las que se recubren las superficies de muchas piezas de uso técnico con la finalidad de proporcionarles una mayor DUREZA y mayor RESISTENCIA AL DESGASTE.
Otras propiedades:
Disminuir el coeficiente de fricción
Aumentar la resistencia a la corrosión.
Introducir propiedades ópticas especiales
en la superficie.
Producir colores o texturas con finalidad
decorativa
En nuestros días, los recubrimientos más modernos son los
llamados recubrimientos en capa fina: capas delgadas de uno
o varios materiales con espesores pequeños, desde algunos
nanómetros hasta unas pocas micras, y de alta calidad tanto en
su composición como en su estructura.
Su desarrollo fue retardado debido a las tecnologías avanzadas
involucradas
RECUBRIMIENTOS
DUROS
Tecnología de Alta
Corriente y Voltaje
Tecnologías de
control de proceso
y electrónica
Física y química de
plasma
Tecnología del
vacío
Recubrimientos
Carburos
de Cromo
Nitruros
Binarios
Nitruros
Ternarios
Alta dureza, Resistencia y Estabilidad Química
Cr23C6 (sistema cúbico); Cr7C3 y Cr3C2 (sistema
ortorrómbico).
Se pueden emplear como recubrimientos resistentes al
desgaste y protectores en ambientes corrosivos.
Útiles para aplicaciones de alta T°, para conformado y
herramientas de forja, sellos y válvulas para turbinas.
Cr-C alta calidad son obtenidos por PVD
Los Cr-C con exceso de C son estudiados para sustituir al
carbono amorfo en Rec. Antifricción.
(80’s) Recubrimientos industriales de TiN (PVD), son usados para
herramientas de maquinaria y han dominado el mercado.
Posteriormente, los recubrimientos de CrN han mostrado superar
a los recubrimientos de TiN por sus menores coeficientes de
fricción y mayor dureza.
La adición de segundos metales a los nitruros binarios permite la
obtención de nitruros ternarios con durezas más altas y mejores
propiedades de resistencia al desgaste y a la corrosión:
Ti1-xAlxN, Cr1-xAlxN, Ti1-xZrxN Estudios en recubrimientos de CrAlN y CrN muestran una mejora
en la resistencia a la temperatura del nitruro ternario; de igual
forma muestran durezas muy altas (>35GPa) y coeficientes de
fricción más bajos que el CrN.
Materiales Superduros
B
C
N
B4C
c-BN
-C3N4
diamond
Recubrimientos nanoestructurados
Están hechos de un material compuesto (“composite”); de una matriz
metálica reforzada con inclusiones cerámicas de alta dureza, tales como
partículas de carburo de silicio (SiC) o fases de cobalto-carburo de
wolframio o cromo-cobalto-carburo de wolframio (WC/Co o WC/Co/Cr).
Pueden también mejorar su respuesta a la fricción si se agrega hasta un 30%
en volumen de una fase lubricante sólida; por ejemplo, grafito, MoS2, PbS
o CuSn.
Los polvos tienen la misma composición que el recubrimiento que finalmente
se quiere obtener. Se llevan al sustrato coaxialmente con el rayo láser. El
polvo absorbe energía del rayo láser, empieza a fundirse y se deposita sobre
el sustrato elegido.
Parte de la energía del láser se
absorbe también en la superficie del
sustrato, con lo que una lámina
delgada de la superficie de éste se
funde. Queda así asegurada la
existencia de una unión metalúrgica
real entre el recubrimiento y el material
base.
Sin embargo, la mezcla de los dos
materiales (recubrimiento y sustrato)
debe ser la menor posible para
aprovechar las propiedades del
material que forma el recubrimiento.
Los recubrimientos de este tipo permiten:
Temperaturas de operación de hasta 900°C
Soportar presiones de hasta 1200 megapascales
(algo más de diez mil atmósferas)
Poseen coeficientes de fricción de sólo 0,01 (unas 80
veces menor que el coeficiente de fricción del acero).
Diversos sectores industriales, especialmente el
aerospacial y el del automóvil, podrán sacarle
partido.
Recubrimientos duros
estructurados para
microlubricación
Dos métodos diferentes para
producir recubrimientos con superficie estructurada.
El primer método consiste en un depósito físico en fase vapor (PVD),
donde la superficie del sustrato se bombardea con un plasma de iones,
procedentes por lo general de una descarga eléctrica entre dos
electrodos.
El segundo método crea superficies texturadas por medio de radiación
láser muy focalizada. Los microporos que ambos métodos producen en
la superficie del recubrimiento pueden atrapar cantidades
microscópicas de lubricante.
Recubrimiento poroso de CrN
Nuevos recubrimientos PVD basados en nanocompuestos
resistentes al desgaste y autolubricantes para
herramientas y componentes
Se han creado nuevos recubrimientos multifuncionales formados por
nanocompuestos resistentes al desgaste y autolubricantes para ser
aplicados sobre herramientas. Para lograrlo, los investigadores idearon un
sistema de depositado para la producción de nuevos recubrimientos, al
mismo tiempo autolubricantes y más resistentes al desgaste.
Pueden utilizarse lo mismo en aplicaciones que requieran altas
temperaturas de funcionamiento (herramientas para taladrar o fresar),
que en aplicaciones a baja temperatura en sistemas tensionados
tribológicamente.
Gracias a ese nuevo sistema de depósito, se crean recubrimientos
constituidos por una matriz cerámica metaestable y dura, en la que se han
incrustado nanocúmulos de fases de lubricantes sólidos de carbono o de
MoS2.
FOTOGRAFIA DE UNA BROCA recubierta con una
lámina de un nanocompuesto de TiAlN-C por medio
de la técnica de depositado en fase vapor (PVD),
FOTOGRAFIAS OBTENIDAS CON UN MICROSCOPIO
ELECTRONICO DE BARRIDO de recubrimientos
nanoestructurados con diferentes morfologías, obtenidos por
medio de pulverización catódica (sputtering). En esta
técnica, se bombardea un blanco del material con el que se
quiere formar el recubrimiento con iones de gas muy
energéticos, que pulverizan el blanco. Los átomos arrancados
del blanco se guían hasta la superficie con un campo eléctrico.
Recubrimientos de nanocompuestos de alta
durabilidad para mejorar la competitividad y
preservar el medio
Las aleaciones de aluminio combinan unas buenas propiedades térmicas con una baja densidad; son candidatas ideales para el uso en los frenos de disco en automóviles. Sin embargo, su pobre resistencia al desgaste requiere recubrir la superficie de contacto de las aleaciones con algún material altamente resistente.
De este modo, el uso de aleaciones ligeras protegidas contra el desgaste permite obtener un mejor rendimiento de los combustibles; al mismo tiempo, contribuye a reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera en el transporte terrestre.
Actualmente, existen diversos tratamientos para proteger la superficie del aluminio y la de los componentes del automóvil hechos de acero, pero empiezan a resultar inadecuados debido a los cambios recientes en las fórmulas de los lubricantes encaminadas a reducir su toxicidad.
FOTOGRAFIA OBTENIDA
CON UN MICROSCOPIO
ELECTRONICO
DE TRANSMISION de un
material basado en una matriz
cerámica de γ-Al2O3, con un
10 % de inclusiones de una
fase de SiC que mejoran las
propiedades tribológicas del
material.
Se ha demostrado que este
tipo de recubrimientos mejora
el comportamiento del
acero frente al desgaste
hasta en dos órdenes de
magnitud, como se ve en la
gráfica logarítmica.
PULVERIZACIÓN TÉRMICA
FOTOGRAFIA DEL PROCESO DE PULVERIZACION
TERMICA en el que el material a depositar es un polvo
nanoestructurado, se junta con una llama y se funde. El
material fundido se atomiza a gran velocidad por medio
de una corriente de aire comprimido que pasa sobre la
superficie de la pieza que se quiere recubrir.
Esta nueva técnica de proyección térmica para
obtener materiales nanoestructurados, con un
mejor comportamiento frente al desgaste abrasivo
y el desgaste por deslizamiento que los utilizados
anteriormente.
Los recubrimientos nanoestructurados resultantes
podrán aplicarse a componentes industriales de
motores y equipos perforadores para la
extracción de petróleo.