INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA SOBRE LA RESISTENCIA AL DESGASTE DE PARES IDÉNTICOS DE WC-Co

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1 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandia INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA SOBRE LA RESISTENCIA AL DESGASTE DE PARES IDÉNTICOS DE WC-Co B. Casas, M. Cardellach, J. Alcalá, y L. Llanes Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica, ETSEIB; Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona. RESUMEN En este trabajo se estudia la influencia de la temperatura sobre la resistencia al desgaste de pares idénticos de carburos cementados WC-Co con 10 % en peso de cobalto y un tamaño medio de carburo de 0,8 µm. La resistencia al desgaste y los coeficientes de fricción fueron evaluados mediante un tribómetro pin-on-ring. Para seleccionar la carga a aplicar durante el ensayo, se determinó inicialmente el esfuerzo mínimo necesario para producir una huella visible en el anillo. Los ensayos se llevaron a cabo a tres temperaturas diferentes (T ambiente, 100 y 400ºC) para tres distancias de recorrido (500, 1000 y 2500 m) y a una velocidad de rotación de 0,5 m/s. La morfología y la profundidad de la huella de desgaste en los pares tribológicos estudiados fueron determinadas mediante perfilometría de contacto y microscopía electrónica de barrido. Los mecanismos de desgaste son analizados en términos de las diferentes condiciones tensionales a las que están sometidos los componentes del sistema. Asimismo, se propone un mecanismo de desgaste que permite explicar la relación compleja entre la dureza, el desgaste y la temperatura en estos materiales. Palabras claves Carburos cementados, WC-Co, Temperatura, Resistencia al desgaste 1. INTRODUCCIÓN La excelente resistencia al desgaste y conductividad térmica de los carburos cementados en combinación con sus buenas propiedades mecánicas, ha permitido la utilización de estos materiales en aplicaciones como, por ejemplo, anillos de cierre. En estas aplicaciones los componentes pueden estar en contacto mecánico y desgastarse bajo presiones fluctuantes y temperaturas elevadas. Adicionalmente a los mecanismos de desgaste convencionales como la abrasión y la adhesión, los anillos de cierre presentan en la superficie numerosas fisuras radiales, perpendiculares a la dirección de deslizamiento, que son conocidas como fisuras térmicas [1,2]. La aparición de estas fisuras se relaciona con la presencia de esfuerzos térmicos en las zonas en contacto mecánico que generan esfuerzos residuales de tensión. Estos esfuerzos residuales pueden producir la fractura de las partículas de carburo o el debilitamiento del enlace entre el carburo y la solución sólida de cobalto [1]. La fragmentación de los granos de carburo a las altas temperaturas a las que ocurre el proceso de desgaste lleva a la formación de óxidos tales como WO 2, WO 3 y CoWO 4, así como a la alteración de la estructura del material a lo largo de la fisura y en las zonas adyacentes por un mecanismo de extrusión de cobalto [2]. De este modo, el desgaste de los carburos cementados en tales aplicaciones puede conducir al fallo del componente y por consiguiente, a la pérdida de fluido y presión. Los estudios de desgaste existentes se han llevado a cabo a temperatura ambiente y en diferentes combinaciones de pares tribológicos en los que los carburos cementados se encuentran en contacto con otros materiales [3-5]. En este trabajo se estudia, por primera vez, 571

2 Casas, Cardellach, Alcalá y Llanes la influencia de la temperatura en la resistencia al desgaste y los mecanismos de daño asociados de pares idénticos de carburos cementados WC-Co. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL El material estudiado es un carburo cementado WC-Co comercial con 10 % en peso de ligante y un tamaño medio de carburo de 0.8 µm. La resistencia al desgaste y el coeficiente de fricción fueron evaluados en pares del mismo material mediante un tribómetro pin-on-ring (punta sobre anillo) que aplica una carga conocida sobre un pin en contacto con un anillo que se encuentra girando. Se emplearon puntas cilíndricas de 4 mm de diámetro, altura de 18 mm y con un extremo semiesférico. Los anillos utilizados tenían 20 mm de espesor, y diámetro exterior e interior de 60 y 12 mm, respectivamente. Los ensayos se llevaron a cabo en seco y a tres temperaturas diferentes: T ambiente, 100 y 400ºC. La velocidad de rotación del anillo fue de 0.5 m/s y se evaluaron tres distancias de recorrido (500, 1000 y 2500 m). La carga aplicada se seleccionó a partir del esfuerzo mínimo (umbral de desgaste) necesario para producir una huella visible en el anillo. Para ello, se llevaron a cabo diferentes ensayos a temperatura ambiente y a una distancia de recorrido de 2500 m, variando las condiciones de carga de forma incremental hasta producir una huella de desgaste de profundidad superior a 1 µm. De este modo, se obtuvo un valor de carga umbral de 47 N. Utilizando la teoría de Hertz sobre el contacto elástico, se seleccionó un valor de carga aplicada de 56 N correspondiente a una presión de contacto inferior al límite elástico del material y superior a la presión umbral de desgaste (90 % de las condiciones tensionales a partir de las cuales se produce fluencia). Para carburos cementados, las temperaturas investigadas pueden considerarse como relativamente bajas y por tanto, se asume que la tensión de fluencia no varía significativamente entre T ambiente y 400ºC [6,7]. Así, la carga aplicada fue la misma independientemente de la temperatura de ensayo. Por cada condición establecida se realizaron dos ensayos a partir de los cuales se determinó el desgaste volumétrico en términos de la profundidad media de la huella de desgaste medida por perfilometría de contacto. La morfología y los mecanismos de desgaste tanto en el pin como en el anillo se estudiaron mediante microscopía electrónica de barrido. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN A partir de los ensayos de pin-on-ring se obtuvieron los valores del coeficiente de fricción (µ) en función de la distancia de deslizamiento para T ambiente, 100 y 400ºC (Figura 1). La evolución del coeficiente de fricción en todos los casos exhibe un comportamiento similar caracterizado inicialmente por un rápido incremento hasta alcanzar un estado estacionario a mayores distancias de deslizamiento. Esta variación del coeficiente de fricción en el inicio de un proceso de desgaste suele ser denominado rodaje ( running o break-in ) y puede atribuirse a: (i) cambios de composición química en la superficie (mayormente formación de óxidos) debidos a los procesos de fricción; (ii) efectos debidos al aumento de la temperatura local en la zona de contacto; y/o (iii) rotura mecánica de una película superficial de óxido o cambios en la geometría de la superficie de contacto [8]. Por otra parte, con el incremento de la temperatura se observa una disminución en los valores del coeficiente de fricción correspondientes al estado estacionario. Una dependencia similar con la temperatura se ha obtenido en las curvas de volumen de material desgastado en función de la distancia de deslizamiento (Figura 2). En todos los casos se observa una disminución de la cinética de desgaste con la distancia recorrida como resultado del aumento del área de contacto entre el pin y el anillo, y por tanto, de la disminución de la presión de contacto hasta valores cercanos a las presiones umbrales. En la Figura 3 se muestran las huellas de desgaste de pins ensayados a T ambiente y a 400ºC. 572

3 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos Coeficiente de fricción,, µ 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Tamb 100ºC 400ºC 0, Distancia de deslizamiento (m) Figura 1. Variación del coeficiente de fricción en función de la distancia de deslizamiento para las tres temperaturas estudiadas. Volumen desgastado (mm 3 ) 6 Tamb 100ºC 400ºC Distancia de deslizamiento (m) Figura 2. Volumen de material desgastado para cada temperatura de ensayo en función de la distancia de deslizamiento. En general, es bien sabido que la resistencia al desgaste aumenta con la dureza del material. Por consiguiente, la disminución de la dureza con la temperatura produciría un aumento del desgaste, contrariamente a lo observado en las curvas de evolución del coeficiente de fricción y del volumen desgastado con la temperatura. La relación compleja entre la dureza, el desgaste y la temperatura en estos materiales puede ser relacionada con modificaciones en el mecanismo de desgaste que serán descritos a continuación en base a las características morfológicas de la superficie y de las diferentes condiciones tensionales a las que están sometidos los componentes del sistema. 573

4 Casas, Cardellach, Alcalá y Llanes 0.5 mm 0.5 mm (a) (b) Figura 3. Fotomicrografía por MEB de la huella de desgaste de pins ensayados a una distancia de deslizamiento de 500 m y a dos temperaturas de ensayo: (a) T ambiente y (b) 400ºC. Por una parte, el pin se encuentra sujeto durante el ensayo a un esfuerzo continuo que varía únicamente con el incremento del área de contacto. Así, podría considerarse que la temperatura local se mantiene constante una vez alcanzadas las condiciones estacionarias. En cambio, tomando un punto de la superficie del anillo, éste es sometido a un esfuerzo variable que es máximo cuando entra en contacto con el pin. De esta manera, aparecerá una componente de fatiga mecánica (y/o térmica) asociada a los cambios de tensión (y/o temperatura) aplicados en ese punto, adicionales al efecto de corte que ejerce el pin sobre el anillo. Debido a estas diferencias en el estado tensional de los componentes del sistema, las huellas de desgaste, en cada caso, exhiben diferencias en términos de profundidad de daño aún cuando los mecanismos de desgaste son básicamente similares. Tanto en el anillo como en el pin se ha producido la decohesión del material base con el subsecuente arranque de fragmentos de material de gran tamaño que son posteriormente erosionados (Figura 4). También se pueden apreciar surcos de abrasión de poca profundidad en la dirección de deslizamiento. Adicionalmente a las características morfológicas descritas, se ha observado en la superficie de los anillos la presencia de estrías que parecen estar relacionadas con los efectos de fatiga mecánica y/o térmica referidos anteriormente (Figura 5). Lagerquist ha reportado la aparición de estrías y de fisuras de fatiga térmica en discos de carburos cementados del tipo WC-Co en contacto mecánico con pins de alúmina [9]. Los mecanismos de desgaste identificados tanto en el pin como en el anillo en las diferentes condiciones evaluadas son de dos tipos: desgaste de tipo adhesivo caracterizado por la decohesión y posterior fragmentación del material base, y desgaste abrasivo generado por la acción de las partículas sueltas. Sin embargo, este último mecanismo es poco significativo considerando que se han ensayado pares tribológicos del mismo material, y por consiguiente, de igual dureza. 574

5 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos (a) 5 µm (b) 0.5 µm Figura 4. Fotomicrografía por MEB de la huella de desgaste de un pin ensayado a T ambiente y una distancia de deslizamiento de 1000 m. (a) Vista general y (b) detalle de fragmentos de material desgastado. La nucleación y propagación de grietas debajo de la superficie en contacto podría generar el desprendimiento de material. Esto ocurre principalmente en el anillo por ser el componente sujeto a condiciones tensionales extremas. Se propone que esta nucleación de fisuras podría darse en una zona alejada de la superficie (de profundidad igual a 0.7 veces el radio de la zona de contacto), en la cual la tensión de Von Mises es máxima. Estas grietas propagarían, por efecto de la presión ejercida por el pin, hasta alcanzar la superficie y producir el desconche de material. Por otra parte, aún cuando la temperatura utilizada en los diferentes sistemas no excede los 400ºC, la temperatura local es considerablemente superior. Este fenómeno de aumento local de la temperatura por efectos de la fricción se conoce como flash temperature. Como prueba de ello, en algunos casos, las superficies de desgaste evidenciaron 575

6 Casas, Cardellach, Alcalá y Llanes fenómenos de oxidación que ocurren en los carburos cementados a temperaturas superiores a 650ºC [10,11]. El incremento local de temperatura así como el aumento de la ductilidad con la temperatura que se hace evidente en un rango de ºC [6,7,12], permite evidenciar cierta deformación plástica en los componentes ensayados a temperaturas altas (100 y 400ºC) y el aumento de la energía de fractura en comparación con los sistemas tribológicos evaluados a temperatura ambiente. De este modo, el desprendimiento de fragmentos de material se dificulta a temperaturas elevadas y el desgaste producido es menor. Adicionalmente, el aumento de temperatura podría aliviar las tensiones residuales de tracción introducidas en la solución sólida de cobalto y debidas al proceso de fabricación [13]. La reducción en las tensiones residuales del material imposibilitaría la propagación de fisuras en las interfases cobalto-carburo. El mecanismo propuesto contradice los estudios anteriores en los que se considera que la extrusión de la fase ligante y el consecuente desprendimiento de los granos de carburo de wolframio, son los responsables del desgaste de estos materiales [2,14]. Estos mecanismos propuestos previamente no permitirían explicar la disminución del desgaste que se produce al aumentar la temperatura tal como se pone de manifiesto en el presente trabajo. Asimismo, cabe destacar que el mecanismo de desgaste identificado se desarrolla en pares tribológicos idénticos y los resultados de los presentes ensayos no se pueden extrapolar para otras configuraciones de tribosistemas (otras cinemáticas y/o materiales en contacto). 5 µm Figura 5. Fotomicrografía por MEB de un anillo ensayado a T ambiente y a una distancia de deslizamiento de 2500 m. 4. CONCLUSIONES Se han investigado la resistencia al desgaste, el coeficiente de fricción y los mecanismos de daño asociados al contacto tribomecánico de pares idénticos de carburos cementados WC-Co a diferentes temperaturas. De los resultados obtenidos se pueden establecer las siguientes conclusiones: - El incremento de la temperatura produce una disminución de los valores del coeficiente de fricción y del volumen de material desgastado con la distancia de deslizamiento. Tal dependencia del desgaste con la temperatura se asocia al aumento en la ductilidad del carburo cementado WC-Co y a la reducción de las tensiones residuales de la fase ligante con el aumento de la temperatura. 576

7 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos - Los mecanismos de desgaste identificados tanto en el pin como en el anillo en las diferentes condiciones evaluadas son de dos tipos: desgaste de tipo adhesivo caracterizado por la decohesión y posterior fragmentación del material base, y desgaste abrasivo generado por la acción de las partículas sueltas. - La nucleación y propagación de grietas debajo de la superficie en contacto podría generar el fraccionamiento y posterior desprendimiento de material. Esto ocurre principalmente en el anillo por ser el componente sujeto a condiciones tensionales extremas (fatiga mecánica/térmica). Agradecimientos El presente estudio ha sido financiado por la Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología (CICYT) en el marco del proyecto MAT Los autores agradecen al Ministerio de Ciencia y Tecnología por la beca FPI otorgada a B. Casas; y a la European Commision por proveer financiación para la realización de los ensayos en el Austrian Research Center, en el marco del programa Large Scale Facility (ERBFMGECT980141). 5. REFERENCIAS 1. F. E. Kennedy, S. A. Karpe. Thermocracking of a mechanical face seal, Wear, 79, 21-36, H. Engqvist, G. A. Botton, S. Ederyd, M. Phaneuf, J. Fondelius, N. Axén. Wear phenomena on WC-based face seal rings, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 18, 39-46, T. Morimoto, K. Kamikawa. Friction and wear in silicon nitride-steel and cemented carbide-steel pairs in lubricated sliding, Tribology International, 29, , E. A. Almond, L. A. Lay, M. G. Gee. Comparison of sliding and abrasive wear mechanisms in ceramics and cemented carbides, Proc. 2 nd Int. Conf. on Science of Hard Materials, Rhodes, 1984, Institute of Physics Conference Series, Adam Hilger Ltd, Bristol and Boston, 75, , K. Jia, T. Fischer. Sliding wear of conventional and nanostructured cemented carbide, Wear, 195, , G. Fantozzi, H. Si Mohand, G. Orange. High temperature mechanical behaviour of WC-6 wt % Co cemented carbide, Proc. 2 nd Int. Conf. on Science of Hard Materials, Rhodes, 1984, Institute of Physics Conference Series, Adam Hilger Ltd, Bristol and Boston, 75, , Y. V. Milman, S. Luyckx, V. A. Goncharuck, J. T. Northrop. Results from bending tests on submicron and micron WC-Co grades at elevated temperatures, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 20, 71-79, P. J. Blan. Interpretation of the friction and wear break-in behaviour of metals in sliding contact, Wear, 71, 29-43, M. Lagerquist. A study of the thermal fatigue crack propagation in WC-Co cemented carbide, Powder Metallurgy, 18, 71-88, V. B. Voitovich, V. V. Sverdel, R. F. Voitovich, E. I. Golovko. Oxidation of WC-Co, WC-Ni and WC-Co-Ni Hard Metals in temperature range ºC. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 14, , S. N. Basu, V. K. Sarin. Oxidation behavior of WC-Co, Materials Science and Engineering, 209, , E. Lardner. Cemented carbides for coal mining, Colliery Guardian, December, ,

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