Fatiga de contacto por rodadura en acero SAE 1050 recubierto con TiN, posteriormente templado

Abstract

La aplicación de recubrimientos cerámicos del tipo nitruros, carburos o diamante, sobre sustratos de acero aporta diversas bondades tribológicas. Sin embargo elevados gradientes de dureza y problemas de adhesión con el sustrato pueden perjudicar el desempeño de estos recubrimientos frente a la Fatiga de Contacto por Rodadura (FCR). Numerosos estudios realizados sobre aceros que mantienen la dureza a elevadas temperaturas, recubiertos con films cerámicos, se han enfocado en esta cuestión. En el presente trabajo se estudia el uso de un acero de bajo costo, como el SAE 1050, con un tratamiento superficial combinado, consistente en un recubrimiento de TiN por Deposición Física de Vapor (PVD), y un temple superficial posterior por inducción que proporcione al sustrato la resistencia sub-superficial necesaria para soportar las tensiones del macrocontacto. La secuencia de tratamientos propuesta, a diferencia de la usualmente empleada (temple+PVD), pretende mantener la dureza de temple del sustrato, aunque resulten inciertas las consecuencias sobre el recubrimiento. Los ensayos para evaluar la resistencia a la FCR se realizaron con una máquina tipo arandela plana, en la cual una probeta en forma de disco gira sobre un conjunto de bolillas correspondientes a un rodamiento de empuje axial, bajo la acción de una carga normal. Los resultados fueron analizados de manera estadística y el daño resultante fue observado con microscopio óptico y microscopio electrónico de barrido (SEM), en complemento con mapeos de espectrometría de dispersión de energía de rayos X (EDS). En el caso estudiado, el tratamiento realizado permitió obtener algunas de las ventajas típicas de los recubrimientos, sobre todo aquellas relacionadas con la fricción y el desgaste adhesivo y abrasivo, sin una drástica modificación en la vida a la FCR, en sustratos de aceros de construcción. También se realizaron ensayos de Difracción de rayos X (DRX) para evaluar la modificación del recubrimiento como consecuencia del temple superficial.

The use of ceramic coatings of the nitride, carbide, or diamond type on steel substrates promotes the improvement of tribology properties. Nevertheless, high hardness gradients and adhesion problems may deteriorate the performance of these coatings when subjected to Rolling Contact Fatigue (RCF). Some studies on steels with ceramic coatings were carried out on steels that sustain hardness at elevated temperature. In the present study, a low cost steel, SAE 1050 was used with a combined surface treatment consisting of a TiN Physical Vapor Deposited (PVD) coating plus a subsequent induction hardening, in order to give the coating high substrate hardness, necessary to withstand the contact stresses. The proposed treatment sequence (different to that usually employed as quenching + PVD), was intended to sustain the high hardness of the quenched steel, even though the consequences on the previous PVD coating are unknown. The tests to evaluate RCF were carried out with a washer type fatigue tester in which a disc sample is rotated under load against a thrust bearing acting as a counterpart. All the system is lubricated by immersion in ISO VG 100 industrial oil. The RCF life values for the individual tests were statistically analyzed and the wear tracks were studied by optical and scanning electron microscopy. Also mappings by X-ray dispersive spectroscopy (EDS) were carried out. The proposed sequence for the surface treatment allowed to obtain some of the typical improvements for coatings as for example those related to low friction, adhesion and abrasion resistance, with-out impairing the RCF resistance. These benefits are possible even tough plain medium carbon steel was used. X ray diffraction analyses were also carried out in order to evaluate the coating degradation after quenching.