Desgaste por erosión en acero inoxidable AISI 420 nitrurado por

Transcripción

ISSN 1517-7076
Revista Matéria, v. 10, n. 2, pp. 205 – 212, Junho de 2005
http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10517
Desgaste por Erosión en Acero Inoxidable AISI 420
Nitrurado por Plasma
D. Peixa, b,M. A. Guitarc, S. P. Bruhlc, N. Mingoloa, V. Vanzullia, A. Cabod, E. Forlerera, b
a
Comisión Nacional de Energía Atómica, Centro Atómico Constituyentes, U. A. Materiales. Argentina.
E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
b
Laboratorio de Tribología, Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Buenos Aires, Argentina.
E-mail: [email protected]
c
Grupo de Ingeniería de Superficies (GIS), Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional
Concepción del Uruguay, Entre Ríos, Argentina.
d
IONAR S. A., Calle 41 No. 2050 Villa Martelli, Pcia de Buenos Aires.
RESUMEN
Las bombas impulsoras en destilerías sufren procesos de desgaste por erosión debido a las partículas
duras en suspensión en los fluídos transferidos a altas velocidades y temperaturas. En las distintas etapas de
la industria del petróleo y gas el tipo y tamaño de partículas es muy variable, pero aún con el descarte de las
partículas de mayor tamaño siempre quedan partículas, generalmente silicatos, por debajo de los 100
micrómetros.
Por ello, se estudió la resistencia al desgaste erosivo de un acero AISI 420 con distintos tratamientos
térmicos y sometido a nitruración iónica. Se compara el comportamiento de la capa nitrurada lograda con una
composición de la atmósfera de 75% H2 –25% N2 obtenidas en 2 equipos diferentes y con uno de ellos una
tercera serie con un cambio de composición: 75% N2 –25% H2.
El tratamiento térmico, previo al nitrurado, consistió en un austenitizado a 1020 °C, templado en
aceite y revenido a 300 °C, con una dureza de 51 HRC. Se caracterizaron metalográficamente las muestras
tratadas térmicamente y las capas nitruradas. Se mide el espesor de la capa nitrurada en cada caso. Se
determinaron por DRX la variación de las tensiones residuales con los tratamientos térmicos y el nitrurado.
Para erosionar el material se construyó un equipo que proyecta sobre la muestra un lodo compuesto
de aceite mineral de viscosidad 360 ssu y partículas de Al2O3 de malla 120. Se erosionaron las muestras
durante 30 minutos a una temperatura media de 40°C, con una velocidad de partículas de 22 m/s. La tasa de
desgaste se midió por diferencia de masa. Finalmente, las superficies erosionadas se estudiaron por
microscopía electrónica de barrido.
Palabras claves: AISI 420, nitruración por plasma, erosión por barros, alúmina.
Erosive Wear in Plasma Nitrided AISI 420 Stainless Steel
ABSTRACT
Feed pumps in distilleries suffer from erosive wear due to hard particles contained in fluids or
slurries, which are usually driven at high velocities and high temperature. In oil and gas industries the particle
size varies considerably in the different process steps. Generally, big particles are filtered but the remaining
smaller ones are often silicates and usual they are in the range of 100 µm diameter.
This paper reports the study of erosive wear resistance of AISI 420 stainless steel with different heat
treatments plus ion nitriding. The behavior of the nitrided case obtained in a 75% H2-25% N2 atmosphere of
two different nitriding facilities is compared. A third case, of an inverse composition 25% H2-75% N2, is also
considered.
The thermal treatment, prior to plasma nitriding, consisted of austenitizing at 1020 oC, oil quenching
and tempering at 300 oC, yielding a final hardness of 51 HRC. The heat treated samples and the nitrided ones
were characterized with optical microscopy. The thickness of the nitrided case was measured and the residual
stresses were determined by means of XRD.
A device was designed and constructed to produce slurry erosion onto the probes. A slurry jet of
mineral oil and particles impinges at a normal angle over the surface. The slurry was made of mineral oil of
viscosity 360 SSU and Al2O3 particles of #120 mesh. Probes were eroded during 30 minutes at a mean
Autora Responsável: E. Forlerer
PEIX, D., GUITAR, M.A., BRUHL, S.P., MINGOLO, N., VANZULLI, V., CABO, A., FORLERER, E.
Revista Matéria, v. 10, n. 2, pp. 205 – 212, Junho de 2005.
temperature of 40 oC, with a mean particle velocity of 22 m/s. The wear rate was measured by mass loss.
Finally, the eroded surface was studied by means of a scanning electron microscope.
Keywords: AISI 420, plasma nitriding, slurry erosion, alumina.
1
INTRODUCCIÓN
El efecto de la nitruración en los aceros inoxidables martensíticos ha sido poco estudiado con
respecto a los austeníticos. Interesa averiguar si por métodos de nitruración iónica puede mejorarse la
resistencia al desgaste erosivo, abrasivo o por fricción. En este trabajo se ha estudiado la resistencia a la
erosión nitrurando sobre AISI420 con distinta composición gaseosa en el laboratorio del grupo GIS (FRCUUTN) y en similares condiciones con un equipo similar -a escala industrial- en la empresa IONAR SA. La
atmófera de esta última máquina tiene la composición atómica del NH3 (75% H2, 25% N2), en cambio en el
Laboratorio GIS se utilizaron 2 atmósferas gaseosas distintas: una rica en H2 con composición similar al de
IONAR y otra rica en N2.
En los aceros inoxidables austeníticos como el AISI 316L, se ha demostrado [1, 2] que no es
necesaria la presencia de Hidrógeno para una nitruración satisfactoria. Sin embargo, esto no ha sido
acreditado en los inoxidables martensíticos. Otro tema de interés es determinar cuál es la temperatura más
baja a la que la nitruración iónica sigue produciendo una mejora en las propiedades resistentes de la
superficie.
En este trabajo se caracterizan los tres tipos de nitruración ya detallados y se estudia su efecto en la
resistencia al desgaste por erosión con una mezcla de partículas de alúmina y aceite mineral.
2
MATERIALES Y MÉTODOS
Se fabricaron muestras de acero AISI 420 de forma prismática (10x15x6) mm, que fueron
austenitizadas a 1020°C durante 1 hora, templadas en aceite a temperatura ambiente y revenidas a 300 °C.
Esto último se realizó para reducir las tensiones de temple en lugar del revenido habitual de ~ 500 °C
evitando la precipitación de carburos [3].
Las muestras se pulieron con papeles de CSi y pasta de diamante hasta 1 µm antes de nitrurar.
2.1
Métodos de Nitruración
Para disminuir el efecto de borde se preparó para el GIS un diapasón que contenía las muestras en
íntimo contacto. Éstas se pulieron con papel de CSi malla #600 antes de entrar al reactor. En las 2 series se
utilizó igual sputtering previo a la nitruración.
En IONAR la superficie fue pulida con pasta de diamante. Las probetas nitruradas en IONAR se
denominan IONAR RH (atmósfera rica en H). Las procesadas en el GIS se denominan: GIS S4 RN (serie 4,
atmósfera rica en N) y GIS S5 RH (serie 5 atmósfera rica en H). Las condiciones de nitruración se presentan
en las Tablas 1 y 2.
Tabla 1: Procesos de nitruración GIS S4 RN y S5 RH
Parámetros de Sputtering
AR
H2
PR. TOTAL
Veficaz
Tiempo
60%
40%
4 hPa
---
2 hs.
Parámetros de Nitruración (T=400°C)
S4/S5 25/75
8 hPa
300/509
10 hs
206
Tabla 2: Parámetros de nitruración IONAR RH
Parámetros de Sputtering
AR
H2
50% 50%
PR. TOTAL Veficaz Tiempo
1,5 hPa
800
2
Parámetros de Nitruración (T=400°C)
RH
2.2
75
6,5 hPa
700
20 hs
Máquina de Erosión. Diferencia de Masa
La máquina de erosión fue desarrollada en el Laboratorio de Tribología de la FRBA-UTN y se
comprobó la reproducibilidad de los ensayos si se mantiene la temperatura del aceite constante. Para ello, se
utilizó refrigeración por circulación de agua. Los ensayos de erosión se realizaron con una mezcla de 2 litros
de aceite mineral de viscosidad 340 ssu y 20 ml (40,039 g) de polvo de partículas de Al2O3 de malla 120. El
ensayo se realiza durante 30 minutos y la temperatura del aceite se registró después del impacto contra la
probeta. La temperatura se mantuvo en (40±3)°C y se agitó constantemente la mezcla.
Las diferencias de masa se midieron con una balanza electrónica METTLER-AE240, con precisión
en la centésima de miligramo. Se estudiaron las superficies erosionadas con imágenes SEM.
2.3
Caracterización por DRX. Tensiones Residuales
Se realizaron los difractogramas utilizando la técnica de Bragg-Brentano, en un equipo PHILLIPS
PW3710. Se utilizo radiación Kα de Co, con una penetración de 11 µm. El rango de barrido en 2θ fue de 20º
a 120º , un paso de 0.02º y tiempo de barrido de 1s por paso. Las tensiones residuales se midieron por el
método del sin2ψ con un equipo marca RIGAKU STRAINFLEX. La radiación utilizada fue CrKα en el
rango de 2θ desde 120º hasta 170º a fin de registrar los picos (211) de la ferrita Fe-α. El paso de barrido fue
de 0.2º y un tiempo de 1s por paso.
2.4
Medición de Concentración por Dispersión de Longitud de Onda
Las muestras IONAR RH y las probetas GIS S4 RN y S5 RH, se analizaron por dispersión de
longitud de onda en la microsonda marca CAMECA- SX50.
Se obtuvo la composición cuantitativa de Fe, Cr, O, C, Si y Mn (% en masa) contra patrones
calibrados y el Nitrógeno por diferencia a 100%. Se levantó el prefil de concentración de cada elemento
barriendo con el haz un corte transversal perpendicular a la superficie tratada.
3
3.1
RESULTADOS
Análisis por DRX
Las muestras nitruradas IONAR RH (Figura 1) presentan un fuerte pico de Cr2N y Fe2N a la
izquierda del pico de Fe-α (110). Este pico también está ensanchado debido a la presencia de CrN y Fe4N
hacia ángulos grandes, provocando la asimetría del mismo. Como ha sido reportado un corrimiento del pico
hacia la izquierda [4, 5] este estudio deberá profundizarse.
En las muestras GIS S5 RH (Figura 2) el pico tiene un ensanchamiento mínimo por la presencia de
Fe2N. Se observan algunos picos minoritarios de CrN y Fe3O4. En las muestras GIS S4 RN (Figura 3) se
detectan muchos picos débiles correspondientes a óxidos de Fe y Cr y algunos picos poco intensos de Fe2N.
207
Cr 2N
CrN
Fe2N
CrO2
CrN
Fe3N
Feα(200)
Fe2N
Cr 2O3
Fe2N
Feα (211)
Fe2N
Feα (110)
Fe4N
Fe3N
Cr 2O3
CrO2
50
Fe2N
Fe3O4
100
Cr 2N
CrN
150
CrN
Cr 2N + Fe2 N
200
Intensidad (c/s)
I ONAR nitrurado C5 RH
diagrama experimental ( λCoKα)
Fe2N
250
0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
o
2θ ( )
Feα (110)
Figura 1: Difractograma probeta IONAR RH
GIS S52 RH
diagr ama experimental (λCoKα)
800
Fe2N
Feα (211)
CrN
Fe3O4
Fe2N
Fe2N NCr
Feα (200)
Fe2N
Fe3O4
CrN
Fe2N
200
Fe3O4
400
Fe3O4
Intensidad (c/s)
600
0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
o
2θ ( )
Figura 2: Difractograma probeta GIS S5RH
208
Feα (110)
1400
G IS S 42 RN
diagrama experimental ( λCoKα)
1200
Cr2O3
Fe2N
Cr2O3
Fe2N
Feα (211)
Cr2O3
Feα (200)
Fe3O4
Fe2N
Cr2O3
Cr2O3
Fe3N
Fe2N
Fe3O4
200
Cr2O3
400
Cr2O3
600
Fe2O3
Cr2O3
Fe3O4
800
Fe3O4
Intensidad (c/s)
1000
0
-200
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
o
2θ ( )
Figura 3: Difractograma probeta GIS S4RN
3.2
Análisis por Microsonda
Como el barrido del haz de la microsonda es de ~1 µm, se realizaron tres barridos por probeta. Los
elementos de interés se presentan en las Figuras 4 a 7.
La distinta concentración de especies gaseosas en el plasma afecta la penetración de los átomos de N
y también la concentración superficial. Se confirman los resultados de RX y se detecta precipitación de
nitruros más allá del espesor promedio de capa: 25 µm para las probetas IONAR RH y 50 µm para la serie
GIS S5RH, para las probetas GIS S4RN la mayoría de los barridos da una penetración de ~15µm,
observándose una distribución muy irregular de nitruros (ver Figuras: 4, 5 y 6). En la Figura 7 se observa el
perfil de concentración de Oxígeno para una probeta GIS S4RN. En la probeta IONAR el % masa del
Oxígeno no era detectable.
5
Concentración (%masa)
4
3
IONAR
N1
N2
N3
2
1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Profundidad (µm)
Figura 4: Perfil de concentración de nitrógeno en la probeta IONAR RH. Nótese que la penetración y
composición en la superficie no es uniforme.
209
Concentración (%masa)
14
12
S5
.....N1
.....N2
.....N3
10
8
6
4
2
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Penetración(µm)
Figura 5: Perfil de concentración de nitrógeno en la probeta GIS S5RH. Nótese que las variaciones de
composición en la superficie y en profundidad son mayores que en la Fig. 4.
Concentración (% masa)
15
10
S4
-----N1
-----N2
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Penetración (µm)
Figura 6: Perfil de concentración de nitrógeno en la probeta GIS S4RN. Nótese que las variaciones de
composición en la superficie son mayores que en la Figura 4 y que en profundidad las concentraciones son
menores que en las Figuras 3 y 4.
210
35
Concentración (& masa)
30
S4
____O1
____O2
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Penetración (µm)
Figura 7: Perfil de concentración de Oxígeno en los mismos barridos que en la Figura 5.
3.3
Ensayos de Erosión y Tensiones Residuales
En la Tabla 3 se presentan: la pérdida de masa por erosión como promedio de 2 ensayos realizados en cada
tipo de nitrurado y los resultados de Tensiones Residuales ya que las tensiones de compresión disminuyen la
erosión como puede comprobarse en la tabla. En IONAR RH no se pudieron medir las tensiones residuales
debido a la presencia de una importante cantidad de nitruros próximos al pico del Fe α y en una proporción
importante (Figura 1), lo cual hace imposible una correcta identificación del pico de difracción.
Tabla 3: Comparación de masa perdida por desgaste y tensiones residuales.
Δ MASA (g)
(±0.00005)
IONAR RH
0.00124
GIS S5 RH
0.00164
GIS S4 RN
0.0112
Probeta
3.4
TENS. RES. (MPa)
σ longit. σ transv.
----- 161±5.9 - 191±3
162±4.3 192.6±2
Medidas de Dureza
Se realizaron en cortes transversales de la superficie nitrurada con un microdurómetro Leitz modelo
Durimet con cargas de 25 g. Los valores de dureza y distancia a la superficie del borde de la muesca de
indentación se presentan en la Tabla 4. No se pudo levantar un prefil de muchos puntos pero las mediciones
efectuadas permiten acotar el espesor de la capa nitrurada. IONAR RH<25 µm y GIS<8µm.
Tabla 4: Dureza Vickers según corte transversal
Probeta
IONAR RH
IONAR RH
GIS S4 RN
GIS S5 RH
4
DISTANCIA
13 µm
25 µm
8 µm
8 µm
DUREZA Hv25
1426
663
514
642
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
De las medidas de concentración de N por microsonda, de caracterización de segundas fases hasta
11µm de profundiad por DRX, de las tensiones residuales, de las medidas de dureza y la pérdida de masa por
erosión, puede estimarse la calidad y espesor de la capa nitrurada. La capa más homogénea y resistente es la
obtenida por IONAR. Este tratamiento obtuvo la capa más dura, la concentración de N más uniforme, la
mejor resistencia al desgaste y según el difractograma la mayor concentración de precipitados duros.
211
Según los resultados de microsonda (Figuras 4,5 y 6) puede estimarse el espesor (e) de la capa
nitrurada. Para IONAR RH: e<25 µm, para GIS 5 RH: e<50µm y para GIS 4 RN: e<15 µm.
De los difractogramas puede inferirse que la presencia de una mayor proporción de Hidrógeno en la
mezcla gaseosa evita la presencia de óxidos bloqueantes de la penetración de Nitrógeno. Se observan pocos
óxidos de Cr (Figura 1) y algunos óxidos de Fe y Cr (Fig. 2). En las muestras con mayor concentración de H2
se favorecería la incorporación de N, produciendo un mayor espesor de capa nitrurada con nitruros y
tensiones residuales de compresión. La muestra rica en nitrógeno presenta una alta concentración de óxigeno
en la superficie (Figura 7), favoreciendo la formación de óxidos (Figura 3) frente a la formación de nitruros y
resultando así, un menor espesor de capa. La existencia de tensiones residuales de tracción no es beneficiosa
para la resistencia al desgaste del material y coincide con una mayor concentración de oxígeno en solución u
óxidos.
El rol del hidrógeno es controvertido [2, 6] en la nitruración de aceros inoxidables austeníticos y se
discuten aún las interacciones entre especies que facilitan la disolución y difusión de átomos de nitrógeno en
la interfacara. Pero los resultados no son aplicables al acero inoxidable martensítico dado que no sólo tiene
distinta estructura cristalográfica sino distintos aleantes y en distinta proporción.
5
CONCLUSIONES
Resulta notable que la nitruración en aceros inoxidables martensíticos tipo AISI 420 es satisfactoria,
cuando se utilizan altas proporciones de hidrógeno en la mezcla de gases, obteniéndose mayores espesores de
capa nitrurada.
El efecto desoxidante del hidrógeno se manifiesta en la baja proporción de óxidos, lo que favorece
la formación de nitruros y la incorporación del nitrógeno en la martensita, generando tensiones residuales de
compresión.
Otras propiedades importantes como la dureza y el desgaste por erosión de la capa nitrurada,
reflejan mejores comportamientos cuando se utiliza la nitruración rica en hidrógeno. Generalmente, se
encuentra que, las elevadas durezas de la capa nitrurada están relacionadas con la precipitación de nitruros de
cromo o por la supersaturación de nitrógeno en la martensita [7].
6. REFERENCIAS
[1] PRIEST, J.M., BALDWIN, M.J., FEWELL, M.P., “The action of Hydrogen in Low-Pressure r.f.-Plasma
Nitriding”, Surface and Coatings Technology, v. 145, pp. 152-163, 2001.
[2] KUMAR, S., BALDWIN, M.J., FEWELL, M.P., HAYDON, S.C., SHORT, K.T., COLLINS, G.A.,
TENDYS, J., “The Effect of Hydrogen on the Growth of the Nitrided Layer in r.f.-plasma-nitrided
Austenitic Stainless Steel AISI 316” Surface and Coatings Technology, v. 123, pp. 29-35, 2000.
[3] JACK, D.H., JACK, K.H., “Carbides and Nitrides in Steel”, Materials Science and Engineering, v. 11,
pp.1-27, 1973.
[4] KIM, S.K., YOO, J.S., PRIEST, J.M., FEWELL, M.P., “Characteristics of Martensitic Stainless Steel
Nitrided in a low-pressure RF Plasma”, Surface and Coatings Technology, v. 163-164, pp. 380-385,
2003.
[5] ALPHONSA, I., CHAINANI, A., RAOLE, P.M., GANGULI, B., JHON, P.I., “A Study of Martensitic
Stainless Steel AISI 420 Modified Using Plasma Nitriding”, Surface and Coatings Technology, v.
150, pp. 263-268, 2002.
[6] BORGES, C.F., HENNEKE, S., PFENDER, E., “Decreasing Chromium Precipitation in AISI 304
Stainless Steel During the Plasma-Nitriding Process”, Surf. Coat. Technol., v. 123, pp.112-121,
2000.
[7] WANG, L., XU, X., YU, Z., HEI, Z., “Low Pressure Plasma Arc Source Ion Nitriding of Austenitic
Stainless Steel Surface and Coatings Thecnology”, Surface and Coatings Thecnology, v. 124, pp.
93-96, 2000.
212

Desgaste por erosión en acero inoxidable AISI 420 nitrurado por

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