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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.16 n.3 La Serena  2005

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642005000300004 

 

Información Tecnológica-Vol. 16 N°3-2005, págs.: 21-28

MATERIALES

Evaluación de Velocidades para la Deposición de FeSi y MoS2 por  Triboadhesión en Aceros SAE 4140 y AISI 304

Evaluation of the Velocities Required for the Deposition of FeSi and MoS2 on SAE 4140 and AISI 304 Steels by Triboadhesion

J.M. Rodríguez(1), J. Colín(1), J. Porcayo(2), M.I. López(1)
(1) Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico CENIDET,
Apdo. Postal. 5-164, 62490 Cuernavaca, Morelos-México (e-mail: jmlelis@cenidet.edu.mx)
(2) Instituto de Investigaciones Eléctricas, Interior Internado Palmira s/n, 62490 Cuernavaca, Morelos-México.


Resumen

En este trabajo se presenta la evaluación teórico-experimental de las velocidades y cargas requeridas para la deposición por triboadhesión de FeSi y MoS2 en los aceros SAE 4140 y AISI 304. Para ello se determinó el coeficiente de fricción entre la  fresa y el material base. El proceso de deposición mediante la técnica de triboadhesión tiene lugar a causa del calor que se genera por fricción entre una fresa de algodón y un material base. Durante el proceso de fricción se provocan altas temperaturas instantáneas en la interfase de la fresa y el material base. En el estudio, se demuestra experimentalmente la deposición de material de aporte, utilizando las velocidades obtenidas de un análisis teórico.


Abstract

In this work a theoretical and experimental evaluation of the velocities required to deposit FeSi and MoS2 on SAE 4140 and AISI 304 steels is presented. To achieve this goal, the friction factor between the cotton mop and the base material was determined. The deposition process by triboadhesion is caused by the heat generated by friction between the cotton mop and the base material. During the friction, the contact between these two elements generates high instant temperatures. In the study, it was experimentally demonstrated the deposition of the material, using the tangential velocity obtained from a theoretical analysis.

Keywords: triboadhesion, heat generation, friction, deposition, tribology


 

INTRODUCCION

El desgaste y la corrosión de los materiales son un tema importante desde el punto de vista económico, ya que son una de las maneras por las que el material pierde su utilidad (Holmberg and Mathews, 1994). La figura 1 muestra las causas que hacen perder la utilidad de los materiales y un estimado de su importancia económica relativa. Se observa que únicamente la corrosión es comparable al desgaste en impacto económico. Además, se aprecia que el mayor porcentaje de pérdidas económicas se genera por deterioro superficial (Rabinowicz, 1965). Es por ésto, que una buena parte de la investigación para prevenir el deterioro superficial se realiza a través de la modificación de las características superficia­les, en particular el uso de depósitos

La Triboadhesión está enfocada en mejorar las propiedades superficiales de elementos mecánicos, mediante la incorporación de un material en su capa superficial, a través del uso de fricción seca. Como resultado de las primeras etapas de investigación en triboadhesión, se comprobó la potencialidad de este proceso (Aguilar, 1998 y Robles, 2000), al formar recubrimientos en superficies de acero rolado en frío, cobre, aluminio y en acero para cojinetes con materiales como acero al alto carbón en polvo, carburo de Cromo, alúmina y  diamante sintético.

El material para realizar el recubrimiento, puede elegirse con el propósito de: aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a la oxidación y/o al calentamiento, aumentar la  resistencia a la corrosión, aumentar la conductividad eléctrica y la restauración dimensional de superficies gastadas (Holmberg and Mathews, 1994).

En el presente trabajo se emplea  Fe-75Si,  que es un material que se aplica principalmente a los tubos de caldera mediante termo-rociado, y se emplea principalmente para mejorar la resistencia a la corrosión a alta temperatura por la presencia de sales de Vanadio en estado fundido.

Una característica de los recubrimientos por termo-rociado de Fe-75Si en superficie de los tubos de caldera, es que es necesario aplicar una capa de material CrNi, la cual funciona como una capa de anclaje; además, por causa de las diferentes conductividades térmicas y de las elevadas temperaturas que se generan dentro de la caldera; es común que  el recubrimiento se fracture. En este trabajo, sin emplear una capa de material de anclaje; se realiza el recubrimiento de Fe-75Si en tubos de caldera mediante el proceso de  Triboadhesión.

 

Fig. 1.- Causas de pérdidas de utilidad de materiales, el porcentaje es un estimado de la importancia económica de cada uno (Holmberg y Mathews, 1994).

 

Con relación al  MoS2, bisulfuro de molibdeno, el cual es un lubricante sólido, su caracterís­tica notable es que posee baja resistencia al cortante, al menos en una dirección cristalo­gráfica, lo que proporciona bajo coeficiente de fricción (Bowden F. y Tabor D, 1964). Es un sólido laminar, que cristaliza con una estructura en forma de capas. Normalmente dentro de la estructura de este material existen fuertes enlaces covalentes dentro de las capas y enlaces de van der Waals entre ellas (Stephen M.H., 1991). Se le denomina sólido laminar, a causa de que su estructura se compara con una pila de papeles que no resisten esfuerzos de corte y pueden extenderse fácilmente de manera horizontal, pero soportan grandes cargas de compresión (Fleischauer P.,1987).

En general se emplea donde los lubricantes líquidos son poco efectivos o indeseables; la ventaja que tiene sobre éstos, es que se emplea en medios ambientes extremos como vacío, donde el líquido se evapora; temperaturas criogénicas, a las que el líquido solidifica; presiones elevadas, a las que el líquido no soporta la carga aplicada; temperaturas elevadas, a las que el líquido se descompone (Sutor P., 1991). Entre las aplicaciones del MoS2 se encuentran, recubrimiento de los componentes de jets y misíles, satélites y vehículos especiales, robots, equipos de rayos X, contactos eléctricos, componentes auto­motrices, equipo de minería y aditivos en aceite de motores de combustión interna (Roberts E.W, 1989).

 

El proceso de Deposicion

En la Figura 2 se muestra el dispositivo utilizado en este trabajo. Este se compone de: (1) una fresa rotatoria fabricada en algodón; (2) sistema de sujeción de placa y medición de fuerza y (3) sistema de alimentación de polvos. El proceso de deposición como ya se mencionó, consiste en hacer pasar el polvo del material que se quiere depositar entre la fresa (1) que giran a alta velocidad y la superficie de la placa por recubrir que se coloca en el dispositivo de sujeción (2).

Durante el proceso de fricción entre dos superficies en movimiento relativo, de acuerdo con (Rabinowicz, 1965) se pueden alcanzar temperaturas hasta de 3000 oC; en espesores del orden de  micras y posiblemente menores. Bajo estas condiciones es factible que partículas de tamaño pequeño se difundan en el material.

 

Fig.- 2 Equipo de depósito: 1. Sistema de rotación: (a) motor de alta velocidad, (b) control de velocidad, (c) fresa de algodón; 2. Sistema de medición de fuerza: (d) celda de carga, (e) base; 3. Sistema de adquisición de datos: (f) amplificador, (g) medidor de voltaje, (h) analizador de señal , (i) PC; 4. Sistema de alimentación: (j) contenedor de partículas, (k) sistema neumático de control, y (l) tobera.

 

PARÁMETROS PARA LA DEPOSICIÓN

La evaluación teórica de los parámetros está basada en el modelo para calcular las temperaturas que se generan sobre la superficie metálica durante el proceso de Triboadhesión.

Estas temperaturas se determinan con base en el modelo del sólido semi-infinito con un flujo de calor constante sobre la superficie, y se expresa en función de la partición de calor que se genera por fricción (Rodríguez, 2000). Con los resultados de este modelo se pueden predecir teóricamente los parámetros del proceso mediante las cuales se puede obtener un recubrimiento uniforme.

La condición para formar el recubrimiento, es que se alcancen temperaturas de fusión o cercana al mismo; en la zona de contacto. De esta manera, se puede incorporar el material en polvo en una zona que se infiere está reblandecida o en un cambio de fase de sólido a líquido (Shpenkov, 1995). La literatura demuestra, que a temperaturas cercanas al punto de fusión, en el intervalo de 0.5 – 0.8 de la temperatura de fusión del material, se activan los procesos difusivos en la interfase, lo que resulta en una mejor adhesión del material de aporte a la superficie (Archard, 1958 y Kinloch, 1980).

Para determinar la cantidad de calor generado por contacto, es necesario determinar el coeficiente de fricción entre las superficies deslizantes (Rabinowicz, 1965):

                                      (1)

donde m es el coeficiente de fricción, s es el esfuerzo de corte en la interface fresa-superficie, H es la dureza de identación del material deformado, Wab representa la energía de adhesión y q  es el ángulo promedio de aspereza superficial.

El calor generado por fricción, puede determinarse por:

                                                      (2)

Donde es el calor generado por fricción, m coeficiente de fricción para el par de materiales en contacto; obtenido de la ecuación (1); V representa la velocidad de deslizamiento.

La ecuación 2 expresa que la razón de generación de calor es proporcional a la carga que se aplica, así como a la velocidad de deslizamiento. Asimismo, es función de las propiedades de los materiales de los cuerpos en contacto, tal y como se muestra en la ecuación (1).

Durante el proceso de deposición por triboadhesión, parte del calor generado se transmite al material base y parte a la fresa, por lo que la partición de calor se define por:

                              (3)

donde r es la densidad del material, Cp es la capacidad calorífica a presión constante, v es la velocidad de deslizamiento entre la fresa y la superficie, L representa el número de Péclet, el subíndice S denota a la superficie del material base y  F  a la fresa de deposición). El número de Péclet  se define como:

          .           .           .                     (4)

donde r es el radio de unión y a es la difusividad térmica del material. Finalmente, la temperatura superficial promedio puede calcularse por la expresión siguiente: (Rodríguez, 2000).

  .                                 (5)

en la ecuación, r es el radio de unión y K es la conductividad térmica del material.

 

RESULTADOS

Evaluación de las condiciones óptimas para recubrir

Para establecer las condiciones óptimas para realizar el recubrimiento, se utilizó un intervalo de carga entre 0.25 a 0.75 N con incrementos de 0.25 N. La velocidad que alcanza el motor y que se emplea para hacer girar la fresa de deposición es de 25,000 r.p.m.

Las características de los materiales empleados se muestran en las Tablas 1 y 2. En las Figuras 3a se muestran la variación del coeficiente de fricción calculado en función del radio de contacto, así mismo, en la figura 3b se presentan las temperaturas calculadas en la superficie del material base; en función de la velocidad de la fresa de deposición.

Combinación de los resultados que se muestran en las Figuras 3a y 3b, permiten establecer los parámetros para que se logre alcanzar la temperatura de fusión y se lleve a cabo la deposición sobre la superficie del acero AISI 304. Estos  son: carga de 0.3 N y velocidad de giro de 21,000 r.p.m. El mismo procedimiento se realizó para el acero SAE 4140 y el MoS2 donde los parámetros de ope­ración son: carga de 0.5N y velocidad de 21,500 r.p.m.

 

Tabla 1. Porcentaje en peso de los elementos
que componen los materiales de aporte.

Material

Fe

Si

Fierro-Silicio

25

75

 

Mo

S

MoS2

50.5

49.5

 

Tabla 2. Propiedades físicas del algodón.

Material

Algodón

Condición

*

Densidad (Kg / m3)

80

Conductividad térmica (J /m s oK)

0.06

Capacidad calorífica (J / kg oK)

1300

Módulo de Young (GPa)

3.748

Resistencia a la fluencia (GPa)

 882.87

Temperatura de fusión (oK)

*

 

Fig. 3a.- Coeficiente de fricción contra radio de unión para una carga de 0.3 N.

 

Fig. 3b.- Temperatura generada por fricción contra velocidad de giro de la fresa de deposición para una carga de 0.3 N.

 

En la Figura 4 se muestran las cargas promedio aplicadas durante el proceso de recubrimiento. En la Figura 4a se presenta el caso del Fe-75Si y se observa una carga promedio de 0.33N; mientras que en la figura 4b se presenta el caso del MoS2 con una carga promedio de 0.53 N.  El recubrimiento que se obtuvo de las pruebas de deposición fue uniforme en ambos casos.

 

Fig. 4a.- Carga aplicada para recubrir con Fe-75Si acero AISI 304, probeta E304.

 

Fig. 4b.- Carga aplicada para recubrir con MoS2 acero SAE 4140, probeta C4140.

 

Análisis químico de la superficie

Con objeto de conocer los resultados del proceso de deposición, se llevó a cabo un análisis cualitativo y cuantitativo de los componentes químicos que existen sobre la superficie. Este análisis se realizó mediante espectrometría de rayos X. El análisis se efectuó con un microscopio de barrido electrónico marca ZEISS modelo DSM 960.

Análisis químico del Fe-75Si

La Figura 5 muestra la superficie del acero AISI 304 sin recubrimiento. Se observa una superficie con rayas, éstas fueron formadas al lijar con papel abrasivo la superficie con el fin de eliminar contaminantes. La Figura 6 muestra la superficie en una zona recubierta. Aquí se observan las partículas de Fe-75Si, las cuales forman parte del material base. En esta figura, se aprecia el depósito en la superficie del material base que fue realizado por el  proceso de deposición por triboadhesión. De la comparación de las  Figuras 5 y 6, se nota claramente el cambio de morfología en las superficies antes y después del recubrimiento.

Los resultados del análisis de componentes químicos que se realizó sobre la superficie del acero antes y después del proceso de deposición. Estos resultados se muestran en la Tabla 3, aquí, se aprecia el incrementó en porcentaje en peso en la superficie del material base de los elementos Fe y Si, principalmente el del Si que se incrementó aproximadamente seis veces más.

En la Figura 7, se muestra el espectro de rayos X del material sin recubrimiento. En esta gráfica se observan los picos de los elementos componentes que predominan sobre la superficie  y que son: Si, Cr. Ní y Fe.

 

Fig. 5.- Superficie del acero AISI 304 antes del proceso de deposición.

 

Fig. 6.- Superficie del acero AISI 304  después del proceso de deposición.

 

Tabla 3.  Porcentaje en peso de los elementos de la superficie del acero
AISI 304 antes y después del proceso de deposición con Fe-75Si.

Elemento

Antes del proceso de deposición

Después del proceso de deposición

Porcentaje en peso

Porcentaje en peso

Si

0.44

2.72

Cr

17.49

17.74

Fe

72.05

72.47

Ni

9.61

7.50

 

Fig. 7.-  Espectro de rayos X de la superficie del acero AISI 304 sin recubrimiento.

 

Del mismo modo, se presenta el espectro de rayos X de la superficie recubierta, Figura 8. En esta gráfica se observa que el pico de Si es mayor que el pico de Si que se observa en el espectro de rayos X de la superficie sin recubrir, lo anterior, a causa de que el polvo de Fe-75Si  está compuesto en una porción ma­yor de Silicio, asimismo, el pico correspondiente al elemento Fe muestra un incremento pequeño en comparación con el de Si.

 

Fig. 8.- Espectro de rayos X de la superficie del acero AISI 304 con recubrimiento.

 

Análisis químico del MoS2

De la misma manera que en el caso del Fe-75Si, se realizó el análisis sobre la superficie recubierta con MoS2. En la Figura 9 se  muestra la superficie después del proceso de recubrimiento. Aquí, se aprecia que existen manchas que corresponden al material de aporte de MoS2. La composición química de la superficie que resultó del análisis antes y después del proceso de deposición se presenta en Tabla 4.

 

Fig. 9 Superficie del acero SAE 4140 después del proceso de deposición.

 

De la tabla 4, se aprecia que  posterior al proceso de deposición, el porcentaje en peso de los elementos Molibdeno y Azufre se incrementaron en forma significativa. Sin embargo, los valores del porcentaje en peso de los ele­mentos Cr, Mn y Fe son menores, lo anterior sucede por que el cálculo del porcentaje en peso de los elementos se lleva a cabo en forma numérica.

 

Tabla 4. Porcentaje en peso de los elementos de la superficie del acero
SAE 4140 antes y después del proceso de deposición con MoS2.

Elemento

Antes del proceso de deposición

Después del proceso de deposición

Porcentaje en peso

Porcentaje en peso

Si

0.36

0.09

P

0.38

0.08

Mo

2.12

43.32

S

0.35

0.6

Cr

1.36

0.65

Mn

1.23

0.38

Fe

94.17

54.88

 

El espectro de rayos X correspondiente a la superficie de acero antes del proceso de recubrimiento y posterior al mismo, se muestra en la Figuras  10 y 11 respectivamente.

En la Figura 10 se aprecian los elementos que componen la superficie del acero SAE 4140 antes del recubrimiento, los elementos componentes son: Silicio, Fósforo, Molibdeno, Azufre, Cromo, Manganeso y Hierro. Asimismo, en la Figura 11 se muestra el espectro de rayos X posterior al proceso de recubrimiento y se indica el incremento de los elementos Mo y S, lo que revela la presencia de una película de MoS2 sobre la superficie.

 

DISCUSION

Fricción Como otros fenómenos que se presentan en la naturaleza, poseen la capacidad de causar efectos tanto positivos como negativos. En el presente trabajo, se usó este fenómeno con el propósito de generar calor, tal que se alcancen temperaturas cercanas al punto de fusión. Esta condición permite incorporar partículas de otro material en la superficie del material base, para después penetrar hacia el interior del mismo material base.

En las figuras 3a y 3b, se graficaron las ecuaciones (1) y (5) como función del radio de unión y velocidad tangencial de la fresa, respectivamente. En ellas se puede apreciar la importancia de conocer las características superficiales de los materiales, ya que existe una fuerte dependencia del radio de unión. Diferentes radios de unión generan como resultado, un intervalo de velocidades tangenciales similar al seleccionado de radios de unión.

También es importante considerar el efecto de la energía de adhesión Wab (Rabinowicz, 1965) y del esfuerzo cortante, ya que presentan efectos similares al radio de unión. Condición que, para casos como el MoS2, dificulta la realización del depósito a causa de la baja resistencia al cortante.

 

Fig. 10.- Espectro de rayos X de la superficie del acero SAE 4140 antes del proceso de de­posición de MoS2.

 

Fig.  11.- Espectro de rayos X de la superficie del acero SAE 4140 posterior al proceso de deposición de MoS2.

 

CONCLUSIONES

Se presentó un método para determinar los valores para realizar el recubrimiento por triboadhesión. Este se aplicó para recubrir aceroS AISI 304 con Fe-75Si  y SAE 4140 con MoS2.

Se pueden determinar teóricamente los parámetros de presión  y velocidad de giro de la fresa, los cuales influyen en la generación de temperatura y el coeficiente de fricción en la superficie del material a recubrir. Conforme el coeficiente de fricción disminuye, las temperaturas generadas decrecen. Los valores máximos de temperatura dependen de la conductividad térmica de los materiales en contacto.

De acuerdo con los valores de temperaturas que se obtienen durante el proceso de deposición, la posibilidad de mezcla y difusión del material de aporte en la matriz base, es muy alta.

De los resultados del análisis, se concluye que con la evaluación previa de los  parámetros de carga y velocidad del proceso de Triboadhesión, es posible incorporar partículas de MoS2 en acero SAE4140 y partículas de Fe-75Si en acero AISI 304 sin utilizar material de anclaje, técnica que emplea el proceso de termo-rociado. 

En el presente trabajo, se demuestra el potencial de la técnica de recubrimiento por triboadhesión.

 

REFERENCIAS

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