Desempeño frente al desgaste deslizante de recubrimientos base Fe depositados mediante termorrociado

SECRETARÍA DELAS JORNADAS. Coordinaciónde Investigación.Edif.Física Aplicada.Piso2. Facultadde
Ingeniería.
UniversidadCentral de Venezuela. CiudadUniversitaria de Caracas. 1053
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DESEMPEÑO FRENTE AL DESGASTE DESLIZANTE DE RECUBRIMIENTOS BASE
Fe DEPOSITADOS MEDIANTE TERMORROCIADO
A. A. González1, Y. Y. Santana1, M. H. Staia1
1 Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de los Materiales, Facultad de Ingeniería,
Universidad Central de Venezuela, Caracas 1042-A, Venezuela.
airamgonzalezr@gmail.com
RESUMEN
En el presente trabajo se estudió el desempeño frente al desgaste deslizante de recubrimientos de
una aleación base Fe depositados mediante termorrociado. Los recubrimientos de la aleación
Metco 449P se depositaron empleando las técnicas de termorrociado por llama y plasma sobre un
substrato de acero SAE 1045. Posteriormente, se trataron térmicamente a 600 °C por 30 min en
un horno de atmosfera controlada. Con el fin de determinar la porosidad aparente, espesor de los
recubrimientos, morfología y composición química de las fases presentes se llevo a cabo la
caracterización de los recubrimientos mediante varias técnicas tales como MO, MEB-EDS y
DRX. Asimismo, se obtuvieron los valores de dureza de los recubrimientos con y sin tratamiento
térmico. El comportamiento tribológico se obtuvo mediante ensayos de desgaste deslizante en
seco bajo una configuración bola sobre disco. Se utilizaron contrapartes estáticas de acero AISI
52100 y WC-6Co, una carga normal de 10 N y velocidad de deslizamiento de 0,11 m/s. Los
resultados mostraron que el coeficiente de fricción promedio de los recubrimientos ensayados
frente al acero 52100 varió entre 0,5 y 0,55, mientras que para los ensayados frente a WC-6Co
presentó fluctuaciones durante el recorrido, haciendo que el mismo se incrementara
progresivamente, siempre por debajo de 0,53. El mecanismo de desgaste de los recubrimientos
frente al acero 52100 fue de tipo adhesivo, mientras frente al WC-6Co, los mecanismos de
desgaste encontrados fueron una mezcla entre abrasión y adhesión. Se determinó que el
tratamiento térmico provoca una disminución de la resistencia al desgaste deslizante frente al
acero 52100 y WC-6Co, para los dos tipos de recubrimientos depositados.
Palabras claves: Desgaste deslizante, termorrociado, plasma, llama, tratamiento térmico,
recubrimientos base Fe.
ABSTRACT
Keywords: Sliding wear, thermal spray, plasma, combustion, thermal treatment, Fe-based
coatings.
This paper reports the results from the study of the sliding wear performance of thermal spray Fe
base coatings. 449P Metco alloy was deposited by flame and plasma thermal spray techniques on
a SAE 1045 steel substrate. The coatings were subsequently heat treated at 600 ° C for 30 min in

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a controlled atmosphere furnace. In order to determine the apparent porosity, the coating
thickness, its morphology and the chemical composition of the present phases, the
characterization of the coatings was carried out employing various techniques such as MO, SEM-
EDS and XRD. Also, the hardness values of the coatings with and without heat treatment were
obtained. The tribological behavior was determined during sliding wear tests under dry ball-on-
disk configuration. Static counterparts such as AISI 52100 steel and WC-6CO, a normal load of
10 N and sliding velocity of 0.11 m / s were used. The results showed that the average coefficient
of friction of the coatings tested against 52100 steel varied between 0.5 and 0.55, while for the
tests against WC-6CO fluctuations were observed during its duration, arriving progressively
towards a value always below 0.53. The wear mechanism of the coatings against 52100 steel
counterpart was adhesive, as compared to WC-6CO, for which the wear mechanism was found to
be a mixture between abrasion and adhesion. It was determined that the heat treatment caused a
decrease in the resistance to the sliding wear against both steel and 6CO WC-52100 for the two
types of coatings produced.
INTRODUCCIÓN
Actualmente existen componentes mecánicos que, en servicio, se encuentran sometidos a
condiciones de fricción y desgaste, éstos son fenómenos superficiales de gran interés, ya que
pueden producir grandes pérdidas y fallas catastróficas. El campo de la ingeniería de superficie
ha venido desarrollando modificaciones superficiales que permiten alargar la vida de los
componentes bajo estas condiciones. Una de las tantas modificaciones desarrolladas se obtiene
mediante procesos que mejoran las propiedades de los componentes mecánicos usando las
técnicas de termorrociado, que permiten depositar una capa de material o recubrimiento sobre un
sustrato, para así obtener propiedades superficiales superiores a las presentadas por el material
base del elemento mecánico. Los termorrociados por llama y plasma son los más comunes por ser
procedimientos sencillos y se obtienen propiedades deseables en los recubrimientos. Las
principales aleaciones usadas en el termorrociado son aquellas a base de Ni, Co, WC-Co, entre
ellas también están las aleaciones base Fe, las cuales han sido menos investigadas que las
anteriormente mencionadas. Por lo tanto, para este trabajo se planteó como objetivo estudiar el
comportamiento frente al desgaste deslizante en seco de un acero estructural con un
recubrimiento termorrociado base Fe. Esto con la finalidad de correlacionar las características
microestructurales y las propiedades tribológicas de un recubrimiento base Fe depositado sobre
un substrato de acero estructural mediante la técnica de termorrociado, para así mejorar la vida en
servicio de componentes que se encuentran en constante movimiento relativo frente a otros
componentes y a su vez permite a las empresas ahorrar costos en el mantenimiento de los
equipos, ya que el recubrimiento modifica las dimensiones del componente para devolverle su
geometría adecuada, luego de sufrir desgaste, sin tener que reemplazarlo por uno nuevo.
METODOLOGÍA
Como sustrato de utilizó acero SAE 1045 (%C 0,43-0,50; %Mn 0,60-0,90; % Pmax 0,040;
%Smax 0,050) con una limpieza superficial previa y posterior granallado con partículas de
Alúmina. Seguidamente se hizo la proyección del polvo de la aleación base Fe Metco 449P (%C

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3; %Al 3; %Mo 3 y %B 0,1); los recubrimientos termorrociados por plasma se obtuvieron con
un equipo de marca Metco, tipo 7MC Plasma Flame Spray Control Unit, una pistola Thermal Inc.
SG-100 con inyección externa y un alimentador de polvos modelo Mark XV, usando los
siguientes parámetros: 800 A, 36 V, una distancia de rociado de 17-18 cm y tasa de deposición de
48-52 g/min. Los recubrimientos termorrociados por llama se obtuvieron con un equipo de marca
Mecto 5P configurado con una boquilla P7-G, con una tasa de deposición de 20 g por cada medio
minuto y una distancia de rociado de 23 cm aproximadamente, usando como gases de
proyección: oxígeno y acetileno con una relación de flujo 1/1 y presión 2/1, respectivamente.
Posteriormente se realizó un tratamiento térmico, a las probetas recubiertas por termorrociado por
plasma y llama, en atmosfera controlada con argón a 600 °C por 30 min, el enfriamiento fue
dentro del horno. Para su caracterización, se realizaron cortes en la sección transversal y se
prepararon metalográficamente tanto la superficie del recubrimiento, como la sección
recubrimiento-sustrato. El estudio se realizó por Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) y
análisis químico por dispersión en la energía de rayos X (EDS), Microscopía Óptica (MO). Se
determinó la porosidad aparente de los recubrimientos mediante análisis de imágenes obtenidas
por MO a 200x. Las fases y compuestos presentes en los recubrimientos se determinaron por
Difracción de Rayos X (DRX) con un difractómetro marca Bruker modelo D8 ADVANCE,
acoplado con un cátodo de cobre con una longitud de onda (λ) de 1,5406 μm, el ángulo de
barrido, 2θ, fue desde 20° hasta 88°, con un intervalo de 0,1°. El perfil de dureza de los
recubrimientos termorrociados por plasma y llama con y sin tratamiento térmico se realizó en la
sección transversal con un equipo marca BUEHLER, donde se trabajó con un indentador Vickers
de punta de diamante, la carga usada fue de 300 gf por 12 segundos. El estudio tribológico de los
recubrimientos fue realizado mediante ensayos de desgaste deslizante en seco, según la norma
ASTM G99-05, los ensayos se llevaron a cabo en un Tribómetro marca CSM, bajo la
configuración de bola sobre disco, este tipo de ensayo es empleado para evaluar coeficientes de
fricción y desgaste; los ensayos se realizaron en condiciones ambientales constantes, a una
temperatura de 23 ± 1°C y una humedad relativa de 70 ± 2 %. Se aplicó una carga normal de 10
N, la velocidad de deslizamiento fue de 0,11 m/s, la distancia de deslizamiento fue de 1000 m,
que es equivalente a 31831 vueltas para un radio de huella de desgaste de 5 mm, las contrapartes
estáticas fueron bolas de acero 52100 y WC-6Co, de 6 mm de diámetro. Cada condición se
ensayó por duplicado para garantizar su reproducibilidad. Las huellas de desgaste sobre los
recubrimientos y las contrapartes estáticas se estudiaron por MEB-EDS.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Análisis por Difracción de Rayos X (DRX)
Por medio de la técnica de DRX se obtuvieron los elementos y compuestos que conforman los
recubrimientos termorrociados por llama y plasma sin y con tratamiento térmico. Entre ellos se
encontró como elemento principal presente en todas las condiciones el Hierro (Fe), debido a que
el mismo es el elemento mayoritario presente en la composición de la aleación; también carburos
de Molibdeno como MoC y Mo2BC, los carburos de molibdeno pueden formarse a temperaturas
entre 1200 y 1400 °C (1), se encuentran presentes debido a que los dos tipos de termorrociados
alcanzan temperaturas superiores a las necesarias para su formación; otros compuestos presentes

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en los recubrimientos son: Fe3C, FeO y FeFe2O4, los dos últimos se deben a la interacción del Fe
con oxígeno durante el termorrociado, en los termorrociados por llama hay mayor presencia de
óxidos debido a que el gas de transporte del polvo de la aleación es oxígeno[2], permitiendo así
mayor formación de estos óxidos. Asimismo, se encontraron compuestos en menor proporción
como: AlFe, B6Fe23, Al5Mo y Mo2BC. La presencia de algunos compuestos aumenta al realizar el
tratamiento térmico, su aumento puede deberse a que la temperatura promovió la nucleación de
nuevas partículas del compuesto y/o al crecimiento de los carburos del metal formados a partir de
los procesos de termorrociado.
Caracterización Morfológica
Los recubrimientos presentan una morfología compuesta por lamelas, partículas semifundidas y
no fundidas junto con porosidad (fig. 1). Las lamelas, en el caso de los recubrimientos
termorrociados por llama, son más gruesas ya que la velocidad con que son proyectadas las
partículas durante este proceso es menor que para el termorrociado por plasma, impactando así
con menor energía, aunado a esto la interacción de las partículas con el gas de transporte provoca
mayor cantidad de óxidos y porosidad; asimismo hay menor cantidad de partículas semifundidas
y no fundidas en aquellos termorrociados por plasma debido a que con esta técnica se alcanzan
temperaturas mucho más altas, provocando así que la mayoría de las partículas se fundan [2][3].
(a) (b)
(c) (d)
Porosidad
Partícula
semifundida

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Fig. 1: Fotomicrografías por MO de la sección transversal de los recubrimientos termorrociados
por llama sin y con tratamiento térmico, (a) y (b) respectivamente; y de los recubrimientos
termorrociados por plasma sin y con tratamiento térmico, (c) y (d) respectivamente, a 400X.
La porosidad aparente de los termorrociados por llama sin tratamiento térmico fue 18,7% y con
tratamiento térmico de 19,7%, con desviaciones estándar de 2% y 3%, respectivamente; para el
caso de los termorrociados por plasma fue 4,3% y 4,5%, y desviaciones estándar de 1,7% y 1,2%,
sin y con tratamiento térmico, respectivamente; tomando en cuenta la desviación estándar de los
valores se puede decir que no hay diferencia entre cada condición de termorrociado, lo que
implica que el tratamiento térmico no tuvo ningún efecto en la densificación de la
microestructura de los recubrimientos.
Caracterización Microestructural
En la figura 2 se muestran las fotomicrografías por MEB en electrones retrodispersados de los
recubrimientos termorrociados por llama y plasma sin y con tratamiento térmico con su
respectivo EDS. La fase blanca brillante es rica en Fe y Mo, lo que podría ser un compuesto de la
combinación de los elementos (solución solida de Fe con MoC); la fase gris oscuro es rica en Fe
y O, lo que implica que la forman óxidos de Fe como FeO y FeFe2O4; y por último, la fase gris
claro es rica en Fe, Al, O y Mo, siendo formada por los compuestos: AlFe, FeO, MoC. También
todas las fases pueden contener cantidades de carburo de Fe y de otros elementos, ya que por la
técnica utilizada el C no se puede cuantificar.
(a) (b) (c) (d)
Fig. 2: Fotomicrografías por MEB de la superficie de los recubrimientos termorrociados
por llama sin y con tratamiento térmico, (a) y (b) 500X, respectivamente; y de los recubrimientos
1
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termorrociados por plasma sin y con tratamiento térmico, (c) y (d) respectivamente, a 800X, en el
modo de electrones retrodispersados con su respectivo EDS.
Propiedades Mecánicas
De los ensayos de dureza Vickers a una carga de 300 gf se obtuvo que el recubrimiento
termorrociado por llama tuvo una dureza de 2,77 GPa sin tratamiento térmico y con tratamiento
térmico de 3,66 GPa, respecto al recubrimiento termorrociado por plasma sin tratamiento térmico
de aproximadamente 3,23 GPa, y con el tratamiento asciende a 4,40 GPa, lo que implica que el
tratamiento térmico permitió un aumento considerable de la dureza, esto puede deberse a la
formación de compuestos endurecedores como carburos o boruros con el tratamiento térmico,
como se observó en el análisis por DRX.
Propiedades Tribológicas
a) Recubrimientos termorrociados por llama y plasma sin y con tratamiento térmico
frente a una contraparte de acero 52100.
A partir de los ensayos de desgaste deslizante en seco sobre acero se obtuvo que todos los
recubrimientos tuvieron un coeficiente de fricción promedio entre 0,50 y 0,55, teniendo la curva
de coeficiente de fricción vs. Ciclos, en todos los casos, un comportamiento similar entre sí,
como se muestra en la figura 3 (a), por ejemplo, para el caso del recubrimiento termorrociado por
plasma sin tratamiento térmico (RTPSTT), la curva presenta un estado estacionario luego del
limado de asperezas durante los primeros ciclos, esto se debe a la formación de partículas de
desgaste que produjeron una capa suave que estabiliza el coeficiente de fricción. Asimismo, la
huella de desgaste sobre los recubrimientos también tuvo características similares para todos los
casos (fig. 3(b)), la misma tenía una capa de material adherido sobre el recubrimiento, evidencia
de la transferencia de material entre las superficies en contacto, por microanálisis químico por
EDS se encontró que esta capa tiene Cr, Si y O, los cuales son elementos que componen al acero
52100 y que junto con el oxígeno pueden formar óxidos, estos actúan como un lubricante sólido
que disminuyen el coeficiente de fricción [4], este material también puede ser parte de partículas
del recubrimiento desprendidas. El mecanismo de desgaste asociado a este comportamiento es de
tipo adhesivo con transferencia de material entre el recubrimiento y la contraparte.
(a) (b)
Fig. 3: Características tribológicas luego del ensayo de desgaste deslizante sobre acero 52100 del

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recubrimiento termorrociado por plasma sin tratamiento térmico. (a) Curva de coeficiente de
fricción vs. Ciclos. (b) Morfología de la huella de desgaste con sus respectivos EDS.
b) Recubrimientos termorrociados por llama y plasma sin y con tratamiento térmico
frente a una contraparte de WC-6Co
La curva de Coeficiente de fricción vs. Ciclos (Fig. 4) para este par tribológico presentó para
todos los casos que el coeficiente de fricción incrementa progresiva y constantemente luego de la
etapa del limado de las asperezas, este comportamiento está asociado a un proceso donde se
produce desgaste de las superficies en movimiento relativo. Las fluctuaciones en las curvas se
deben a la generación de partículas de desgaste duras que entran en rodadura, un comportamiento
así puede ser asociado a una superficie dura que se desliza sobre otra más blanda formando una
serie de surcos y desprendiendo material en forma de partículas sueltas. La curva del
recubrimiento termorrociado por plasma con tratamiento térmico (RTPCTT) es la que presenta
fluctuaciones más bruscas entre todos aquellos ensayados frente a WC-6Co (fig. 4 (a)),
alcanzando valores del coeficiente de fricción alrededor de 0,65 en una de sus fluctuaciones. Al
final del recorrido a los 31831 ciclos el coeficiente de fricción de los recubrimientos se encuentra
alrededor de 0,50 y 0,53. Aquellos con tratamiento térmico tienen un coeficiente de fricción
ligeramente menor que los asociados a ellos sin tratamiento térmico. De igual forma, el caso más
severo de desgaste fue encontrado en el RTPCTT (fig. 4 (b)), corroborando lo que se muestra en
la curva de la figura 4 (a), se encontraron surcos sobre el recubrimiento donde se encuentra la
huella de desgaste y a su vez sobre éste una capa delgada de material adherido, algunos
elementos que componen la capa son: Fe, W y O, lo que indica que la misma está formada por
óxido de Fe y W, es decir, partículas de desgaste provenientes del par tribológico; también hay
presencia de grietas en algunas zonas de la capa, lo que implica que la misma se fracturó durante
el desplazamiento de la contraparte, asimismo, sobre la capa hay líneas paralelas muy pequeñas,
las cuales son perpendiculares a la dirección de deslizamiento, lo que sugiere que ocurrió
deformación plástica de corte durante el proceso de desgaste. El material de la capa sufrió
deformación plástica y las microgrietas se generaron a lo largo de la línea de deslizamiento y
luego se extendieron a la superficie inferior, lo que se traduce en la descamación de la capa [4].
Por lo tanto, los mecanismos de desgaste presentes en los recubrimientos frente a una contraparte
estática de WC-6Co son: abrasión y adhesión con transferencia de material entre el recubrimiento
y la contraparte.
(a) (b)
Dirección de
deslizamiento
Grietas
Líneas
paralelas

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Fig. 4: Características tribológicas luego del ensayo de desgaste deslizante sobre WC-6Co del
recubrimiento termorrociado por plasma con tratamiento térmico. (a) Curva de coeficiente de
fricción vs. Ciclos. (b) Morfología de la huella de desgaste con sus respectivos EDS.
Los recubrimientos termorrociados por plasma presentaron desgaste más severo respecto a
aquellos que fueron termorrociados por llama; a su vez tienen mejor comportamiento frente al
desgaste aquellos recubrimientos sin tratamiento térmico, esto puede deberse a que se formaron
algunos compuestos que aparentemente disminuyen la resistencia al desgaste.
CONCLUSIONES
El tratamiento térmico sobre los recubrimientos termorrociados produjo la formación de
compuestos como: AlFe, B6Fe23, Al5Mo y Mo2BC. Así como también aumentó la cantidad de
carburos de Fe y Mo, y de fases de AlFe y Al5Mo.
La porosidad aparente de los recubrimientos termorrociados por llama sin y con tratamiento
térmico fue 18,7% y 19,7%, respectivamente; para los recubrimientos termorrociados por plasma
sin y con tratamiento térmico fue 4,3% y 4,5%, respectivamente, tomando en cuenta la
desviación, estos valores indican que el tratamiento térmico no tuvo ningún efecto en la
densificación de la estructura de los recubrimientos.
La dureza del recubrimiento de la aleación base Fe aumentó luego del tratamiento térmico. Para
los termorrociados por llama aumentó de 2,77 GPa a 3,66 GPa; mientras que para los
termorrociados por plasma aumentó de 3,23 GPa a 4,40 GPa. Esto podría ser debido a la
formación de carburos y boruros por el tratamiento térmico.
El coeficiente de fricción promedio de los recubrimientos termorrociados frente a una contraparte
estática de acero 52100 varió entre 0,50 y 0,55. Para los recubrimientos ensayados frente a WC-
6Co el coeficiente de fricción presentó fluctuaciones a medida de transcurrían los ciclos, el
mismo al final de los ensayos se mantuvo por debajo de 0,53.
El mecanismo de desgaste de los recubrimientos frente a una contraparte estática de acero 52100
fue de tipo adhesivo con transferencia de material de la contraparte estática hacia el
recubrimiento.
La morfología de las huellas de los recubrimientos ensayados frente a WC-6Co, mostró un
comportamiento asociado a un mecanismo de desgaste de tipo abrasivo y adhesivo con
transferencia de material entre el recubrimiento y la contraparte.
El tratamiento térmico provocó una disminución de la resistencia al desgaste deslizante frente al
acero 52100 y WC-6Co en los recubrimientos termorrociados por llama y plasma.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen el financiamiento recibido a través del Proyecto CDC-UCV AIB-08-8539-
2012
REFERENCIAS

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[1] Améstica, L., Quijada, R. y Villaseca, D. (2010) “Molibdeno: Propiedades, aplicaciones y
mercado”. Chile. p: 8.
[2] Struers. “Metallographic preparation of thermal spray coatings” (Artículo en línea).
Disponible
en:http://www.struers.com/resources/elements/12/101816/Application%20Notes%20spray%
20coatings%20English.pdf
[3] Pawlowski, L.(2008) “The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings” 2da
edición, editorial John Wiley & Sons Ltd. USA. pp.: 69-79, 149-150, 291-341.
[4] Cai, B; Tan, Y.; Tu, Y.; Wang, X. y Tan, H. (2011) “Tribological properties of Ni-base alloy
composite coating modified by both graphite and TiC particles”. Vol. 21. pp.; 2426-2432.

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