Tratamientos superficiales de aceros y fundiciones de hierro empleando recubrimientos en base titanio para mejorar propiedades tribológicas

• Autores: Quintana, Juan Pablo
• Año de publicación: 2023
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Márquez, Adriana Beatriz
• Materia: ARCOS CATODICOS; RECUBRIMIENTOS; TRIBOLOGIA; CORROSION; NITRURACION IONICA; CATHODIC ARCS; COATINGS; TRIBOLOGY; CORROSION; ION NITRIDING
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Un gran número de investigaciones basadas en tratamientos superficiales están siendo desarrolladas en el mundo buscando mejorar la respuesta tribológica y mecánica de los aceros para aumentar su eficiencia y extender su vida útil, especialmente para materiales expuestos a ambientes agresivos y con condiciones de trabajo extremas. Tecnologías de plasma destinadas a estos tratamientos de superficies se han desarrollado en las últimas dos décadas, pero sus aplicaciones distan mucho de estar optimizadas. El objetivo del presente trabajo es el desarrollo y optimización de tratamientos de superficies empleando la combinación de un proceso de nitruración por plasma con el posterior recubrimiento de la superficie mediante deposición por arco catódico. Se investigó la aplicación de estos tratamientos sobre sustratos de aceros y fundiciones de hierro para mejorar sus propiedades tribológicas y la resistencia a la corrosión. Como sustratos se emplearon muestras de AISI 4140, AISI 316L y fundición de hierro austemperada. La superficie base de los aceros se endureció mediante nitruración iónica para lograr un gradiente de dureza al depositar el recubrimiento. Los recubrimientos investigados fueron TiN, TiCN, TiC y TiAlN, empleando un arco catódico experimental. Se caracterizó la morfología, la estructura, las propiedades mecánicas y tribológicas (dureza, coeficiente de fricción y resistencia al desgaste) y la resistencia a la corrosión de los distintos recubrimientos. Los resultados mostraron que la incorporación de la nitruración en la superficie trajo problemas de adhesión en todos los aceros, haciendo necesario un protocolo especial de limpieza in situ para la preparación de la superficie previo al recubrimiento. El estudio de la estructura de los films con contenido de carbono reveló que una fracción de este elemento se integró a la red cristalina, mientras que el exceso formó una matriz de carbono amorfo. En el caso de los recubrimientos de TiAlN, la proporción de aluminio en la composición dependió fuertemente de las condiciones empleadas para polarizar el sustrato durante la deposición. Todos los recubrimientos lograron aumentar la resistencia a la corrosión; la mayoría de ellos mostraron también una mejora en las propiedades mecánicas de la superficie. En particular, los films con carbono incorporado presentaron los coeficientes de fricción más bajos y la mejor respuesta al desgaste por deslizamiento.
Numerous investigations based on surface treatments are being carried out worldwide to improve the tribological and mechanical response of steels in order to increase their efficiency and extend their service life, especially for materials exposed to harsh environment and extreme working conditions. In the last two decades, plasma technologies have been developed for these surface treatments, but their applications are far from being optimized. The aim of this work is the development and optimization of surface treatments combining plasma nitriding with subsequent surface coating by cathodic arc deposition. The application of these treatments on steel and cast irons substrates was investigated in order to improve their tribological properties and corrosion resistance. AISI 4140 and AISI 316L steels and austempered cast iron were used as substrates. The base surface of the steels was hardened by ion nitriding to achieve a hardness gradient when depositing the coating. The coatings investigated were TiN, TiCN, TiC and TiAlN, using an experimental cathodic arc device. The morphology, structure, mechanical and tribological properties (hardness, coefficient of friction and wear resistance) and corrosion resistance of the different coatings were characterized. The results showed that surface nitriding caused adhesion problems on all steels, requiring a special clean-in-place protocol for surface preparation prior to coating. The study of the structure of carbon-containing films indicated that a fraction of this element was integrated into the crystal lattice, while the excess formed an amorphous carbon matrix. In the case of TiAlN coatings, the proportion of aluminum in the composition was highly dependent on the bias conditions used for the substrate during deposition. All coatings achieved increased corrosion resistance; most of them also showed improved surface mechanical properties. In particular, the carbon-incorporated coatings exhibited the lowest coefficients of friction and the best response to sliding wear.
Fil: Quintana, Juan Pablo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.