e-tribos Revista de la Asociación Argentina Tribología Nro. 8 - Agosto 2016

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1 e-tribos Revista de la Asociación Argentina Tribología Nro. 8 - Agosto 2016 JORNADAS de TRIBOLOGIA 2016 Rosario 4 de Mayo 2016 Más de 100 especialistas de las principales empresas de Santa Fe y zonas cercanas asistieron a las JORNADAS DE TRIBOLOGIA 2016 realizadas en ROSARIO. Los temas desarrollados fueron Lubricantes de Cajas Reductoras, de Turbinas y de Compresores, Lubricantes Semisólidos, Aditivos, Control y Limpieza de la Contaminación y Análisis de Fallas de Rodamientos Las siguientes empresas contribuyeron a la realización del evento

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3 e-tribos es una publicación de la ASOCIACIÓN ARGENTINA DE TRIBOLOGÍA. La distribución de esta revista se realiza sin cargo a los socios de la AAT y personas relacionadas con la TRIBOLOGÍA. Si Ud. desea ser incluido en el listado de distribución por favor envíenos sus datos a través de la página de www. aatribologia.org.ar Los editores no son responsables por lo expresado por los autores de los artículos publicados. Los datos, especificaciones y conclusiones son solo informativos. Prohibida la reproducción total o parcial de los contenidos sin la expresa autorización del editor. e-tribos está abierta a la recepción de trabajos sobre cualquier aspecto de la disciplina TRIBOLOGÍA. Los autores son invitados a enviarnos los mismos los cuales de ser aceptados serán publicados sin cargo ni retribución. Índice e-tribos Agosto 2016 Nro.8 NOTICIAS TRIBOLOGICAS Página 5 APLICACIÓN DEL METODO DE PONDERACIÓN NUMÉRICA DE CONDICIÓN DE LUBRICANTES (MPNCL) PARA MONITOREO TRIBOLOGICO DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA VENTOS TRIBOLOGICOS 2016 Página 6 RECUBRIMIENTOS EN BASE CARBONO TIPO DLC CARACTERISTICAS, PROPIEDADES Y APLICACIONES Página 11 Registro Nacional de la Propiedad Intelectual en trámite Editor: Roberto J. Leonetti COMISIÓN DIRECTIVA Presidente: José L.Piña Vicepresidente: Esteban Lantos Secretario: Walter R. Tuckart Tesorero: Roberto J. Leonetti Vocal: Alfredo E. Eilenberger Vocal: Esteban P. Echeverría Vocal: Carlos L.Romano Vocal Suplente: Sonia P. Brühl Revisor Cuentas: Germán Prieto Revisor Cuentas: José A. Rossit Revisor Cuentas: Andrés R. Pereyra Asociación Argentina de Tribología Av. Alem 1253 Bahía Blanca (8000)- Buenos Aires-Argentina e-tribos Página 3

4 Profesor Peter H JOST ( ) Con gran pesar informamos que el 7 de Junio falleció el profesor Peter H Jost CBE a la edad de 95 años. El profesor Jost es considerado el padre fundador de la tribología. En 1966 publicó el Informe Jost, que cambió en todo el mundo la forma de abordar la fricción y el desgaste en la industria y en la ciencia. Dedicó su vida en asesorar a gobiernos, a la industria y a la ciencia sobre los beneficios en ahorros y protección del medio ambiente por la aplicación de la tribología. Fue hasta su muerte Presidente del INTERNATIONAL TRIBOLOGY COUNCIL y miembro vitalicio del COMITE PARLAMENTARIO BRITANICO DE CIENCIA en Westminster. También miembro honorario del INSTITUTION of ENGINEERING and TECHNOLOGY, del INSTITUTION of MECHANICAL ENGINEERING y del INSTITUTE of MATERIALS. Anteriormente fue Director y Presidente de empresas públicas y privadas que operan en sectores de ingeniería y tecnológia. Además de su nombramiento como COMANDANTE del IMPERIO BRITANICO, recibió honores de estado de los Jefes de Estado de Francia, Alemania, Polonia y Austria. En 2011 le fue conferida la ORDEN del SOL NACIENTE por el emperador de Japón. Recibió dos profesorados honorarios y once doctorados honorarios, incluyendo, el primer doctorado honorario MILLENIUM a las ciencias en Enero Ha recibido premios y distinciones profesionales en 15 países. Deja una esposa, dos hijas y tres nietos e-tribos Página 4

5 NOTICIAS TRIBOLOGICAS 2016 Jornadas de Tribologia Lubricantes y Control de Contaminantes El 4 de Mayo 2016 se llevó a cabo en la ciudad de Rosario las JORNADAS DE TRIBOLOGIA organizada por la Asociación Argentina de Tribología. Asistieron más de 100 especialistas de las principales empresas de la zona de Rosario y ciudades aledañas. Los temas desarrollados fueron sobre Lubricantes de Cajas Reductoras Cerradas y para Turbinas y Compresores Axiales, Lubricantes Semisólidos, Control de Contaminación Sólidos, Limpieza y Flushing, Análisis de Fallas de Rodamientos, Adivinación de Lubricantes, etc. 43 rd Leeds-Lyon Symposium on Tribology - The Jost Report 50 years on El simposio se llevara a cabo en Leeds Trinity University, Leeds, UK, los dias martes 6 al viernes 9 Septiembre Expertos en ensayos y matemáticas presentaran los temas más relevantes en Tribologia del Este evento se realiza 50 años después del Informe Jost y permitirá que Tribologos de todo el mundo analicen los progresos que han sido realizados desde esa fecha. Leeds-Lyon Symposium Secretariat - CPD, Conference & Events Unit, Faculty of Engineering University of Leeds - LEEDS, LS2 9JT, UK T: +44 (0) E: leeds-lyon@leeds.ac.uk W: 4th International Conference on Competitive Materials and Technology Processes La conferencia se realizara en el Castillo del Rey Louis el Grande, en Miskolc (Hungría) en simultaneo con los Simposios is-ism1, is-icm2 and is-icbm2 in el Hunguest Hotel Palota en Miskolc-Lillafüred (Hungría) los días 3 al 7 de Octubre, Más Información en website Jornadas Iberoamericanas de Motores Térmicos y Lubricación Las Jornadas se realizaran en la ciudad de La Plata, Argentina, los días 30 y 31 de Agosto y 1º de septiembre de Para mas datos Secretaria de la Jornadas Iberoamericanas MTL Facultad de Ingeniería - UN de La Plata mtl2016@ing.unlp.edu.ar e-tribos Página 5

6 APLICACIÓN DEL METODO DE PONDERACIÓN NUMÉRICA DE CONDICIÓN DE LUBRICANTES (MPNCL) PARA MONITOREO TRIBOLOGICO DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA S. Sidorenko (Ing. De Confiabilidad, PAE), G. Machain (Ing. De Lubricación, Mobil) Palabras Claves: Valor de Condición de Parámetro, Valor de Condición de Sistema, MPNCL Resumen La Metodología MPNCL fue presentada en el 1er Workshop de Tribologia de la AAT en 2013 (ver bibliografía) Esta metodología tiene como el resultado un número de condición tribológica del equipo, presentado en escala entre 0 y 1 y forma parte del MPNCE (Método de Ponderación Numérica de Condición de Equipos). Los límites de niveles alerta y de condición se presentan a continuación Tabla N 1 Nivel de Valor de Alerta Condición Código Muy bueno / < 0.8 Bueno / < 0.6 Regular / < 0.4 Alerta 4 < 0.2 Peligro Este trabajo presenta el monitoreo tribológico de un parque de 61 motores de combustión interna, con potencia mayor a 1000 HP, combustible gas natural, que accionan motobombas, motocompresores y motogeneradores, situados en los campos petroleros de provincias Chubut y Santa Cruz de Argentina. Para la evaluación de cada parámetro se usa el criterio de determinación de la peor condición entre el valor absoluto y su tendencia normalizada (para 1000 hs. de marcha). Desarrollo En la tabla siguiente se presenta el parque de motores (por planta), tipo de aplicación, tipo de aceite y horas de operación hasta su cambio. Tabla N 2 Modelo Cant. Aplicación Aceite Pegasus Hs. cambio AT-27 3 Motocompresor /44 12 Motocompresor Motobomba GSI 5 Motobomba GSI 17 Motogenerador Motobomba Motogenerador MEP 2 Motobomba Se usa el servicio de laboratorio de Mobil USA, con frecuencia mensual de muestreo. Los parámetros evaluados se presentan a continuación en la matriz de priorización. Peso Relativo Inicial de los Parámetros Para determinar el Peso Relativo Inicial llamado aquí el Coeficiente de Ponderación Inicial (CPI) de cada componente, se aplica el Método de Priorización de Variables, desarrollado en base de una matriz, que tiene las siguientes características: - Tamaño N x N (para n/ ejemplo N =13 variables). - Se determina la influencia de cada variable sobre las demás en una escala entre 0 y 5, donde 0 no influye, influye poco y 3 a 5- influye mucho. (Para mayor precisión se puede usar escala 0-10). - La puntuación de cada variable (suma) en "X" significa su Influencia y en "Y" su dependencia dentro del Sistema (Aceite), ver Tabla N 3. - El "Peso Inicial" (CP) de cada variable es proporcional a su Influencia en el Sistema. e-tribos Página 6

7 - Tabla N # Parámetro Visc. Oxid Nit. Fe Al Cu Pb Sn Cr Ni Si Na H2O Influencia CPI 1 Viscosidad a 100 C Oxidación FTIR Nitración FTIR Fe Al Cu Pb Sn Cr Ni Si Na H2O Dependencia Curvas de Evaluación Los límites de las curvas de evaluación para condiciones 1 y 0 se dan en función de las recomendaciones de los fabricantes de cada modelo. Se usó la curva asimétrica lineal para el parámetro de Viscosidad. Los límites fueron determinados de la siguiente manera: VCP (Valor de condición del Parámetro) = 1, o condición óptima corresponde a una viscosidad de aceite nuevo (V0), o sea 13.5 cst para Pegasus 805. Fig. 1 Fig. 2 Los límites para este modelo son: VCP = 1, si contenido de Fe por análisis es 0 ppm. VCP = 0, si Fe 30 ppm Los límites para las tendencias se determinan en base de 1000 hs de operación, de tal manera, que el valor límite absoluto (VCP=0) llega al final de la vida de aceite (periodo de cambio). De esta manera la curva de evaluación de la tendencia de Viscosidad para motores 7042/44 y el aceite 805 tendrá el límite VCP=0: 30 ppm *1000 / 1500 = 20 ppm / 1000 hs: Límite inferior de viscosidad VCP=0 - (curva descendiente izquierda) = 0.8 x V0, o sea 10.8 cst. Límite superior de viscosidad VCP = 0 (curva descendiente derecha) = 1.3 x V0, o sea 17.6 cst. Para el resto de Parámetros se usaron las curvas lineales, como la del siguiente ejemplo para Fe y modelos del motor Waukesha 7042 / 7044 GS/GSI: Fig. 3 e-tribos Página 7

8 Para evaluación de la Condición Tribológica de cada motor se considera su historial de un año para atrás: Tabla N 4 MG#8/ Mobil Pegasus 1005 Tend. general VCS Fe cha mue stra Hora s de a ce ite Horome tro Visc. 100ºC T AN Nitra ci Oxida c ón ión Agua Al Cr Cu Fe Ni Pb Sn Na Si 19-ene dic sep ago ago jul jun mar ene dic El Valor de Condición Tribológica del equipo (VCS) se determina como 60% del VCS de último análisis y el 40% del VCS promedio del resto del año. La tendencia general (símbolos, e = se determina comparando el promedio del último trimestre con el del resto del año Evaluación de Resultados Agrupando los resultados de cálculos en una tabla se obtiene el listado general del parque con los comentarios automáticos para cada motor: Tabla N 5 Distrito A N p/o Equipo Modelo Aceite Horas de Ultimo Pegasus Func. análisis VCS 1 MC#1/1 AT /03/ MC#2/1 AT /03/ = 3 MC#3/1 AT /02/ = 4 MC#4/ GSI /02/ MC#5/ GSI /02/ MC#6/ GSI /03/ MC#7/ GSI /09/ MC#8/ GSI /03/ MC#1/ GSI /03/ = 10 MC#2/ GSI /02/ MC#3/ GSI /03/ MC#4/ GSI /03/ = 13 MC#5/ GSI /03/ MC#1/ GSI /03/ MC#2/ GSI /03/ MB#1/ GSI /03/ MB#2/ GSI /03/ MB#3/ GSI /12/ MB#4/ GSI /09/ MB#5/ GSI /05/ Tend. General Alerta:Tend. Na. Alerta:Tend. Na. Alerta:Na. Alerta:Tend. Na. Tend. Si. Comentario Alerta:Tend. Oxidación. Tend. Oxidación. Alerta:Tend. Oxid.Tend. Nitr. Alerta:Tend. Al.Tend. Cu.Tend. Na. Alerta:Tend. Na. Tend. Si. e-tribos Página 8

9 Aquí con un simple vistazo podemos observar: - La Condición Tribológica de cada Motor con su correspondiente color de nivel de alerta (columna VCS) - Tendencia general descripta arriba con su símbolo indicador de tendencia, - Comentario sobre el desvió, De esta manera podemos ranquear el parque, para diseñar un plan de acción, atacando desvíos de cada motor, comenzando con los que tienen el Valor de la Condición más desfavorable. Los resultados de Distrito B se presentan a continuación. Distrito B Tabla N 6 1 MB#1/ GSI /03/ Tend. Al. 2 MB#2/ GU /05/ MB#3/ GSI /11/ Alerta:Tend. Viscosidad.Tend. Oxidación.Tend. Al. 4 MB#4/ GSI /03/ MB#5/ GSI /09/ = 6 MG1/ GSI /03/ MG2/ GSI /02/ MG#3/ GSIU /01/ = 9 MG#4/ GSI /03/ MG#5/ GSIU /03/ MG#6/ GSI /01/ MG#7/ GSI /03/ MG#8/ GSI /03/ MG#9/ GSI /03/ MG#10/ GSI /03/ Tend. Al. 16 MG#11/ GSI /02/ MG#12/ GSI /02/ MG#13/ GSI /03/ MG#14/ GSI /01/ = 20 MG#15/ GSI /03/ MG#16/ GSI /01/ MG#17/ GSI /01/ Alerta:Tend. H2O. 23 MB#1/3 MEP /03/ Alerta:Cu.Na. 24 MB#2/ /02/ MB#3/3 MEP /03/ MB#4/ GU /11/ MB#5/ GU /03/ MB#6/ G /03/ MG#1/ /03/ Alerta:Tend. Viscosidad.Tend. Oxidación.Tend. Al. 30 MG#2/ /03/ = 31 MG#3/ /01/ Alerta:Tend. Oxidación.Tend. Cu. 32 MG#4/ /03/ = 33 MG#5/ /03/ MG#6/ /01/ Alerta:Tend. Viscosidad.Tend. Oxidación.Tend. Al.Tend. Na. 35 MG#7/ /03/ = Alerta:Tend. Cu. 36 MG#8/ /01/ Tend. Oxidación.Tend. Al. 37 MG#9/ /04/ Alerta:Tend. Viscosidad.Tend. Oxidación.Tend. Fe.Tend. Al.Tend. 38 MG#10/ /02/ MG#11/ /03/ Alerta:Tend. Pb. 40 MG#12/ /03/ Alerta:Tend. Viscosidad.Tend. Oxidación. 41 MG#13/ /03/ Alerta:Tend. Viscosidad.Tend. Oxidación.Tend. Al. Agrupando una vez más en grupos funcionales del parque, podemos obtener otra información útil. e-tribos Página 9

10 Tabla N 7 Promedio Condición por Modelo / Aplicación Modelo Aceite Aplicación Cant. VCS AT Motocompresor / Motocompresor Motobomba GSI 1005 Motobomba GSI 1005 Motogenerador Motobomba Motogenerador MEP 505 Motobomba Se puede apreciar claramente, que algunas combinaciones del tipo de aceite - tipo de motor - aplicación están mejor que otras. Si analicemos el grupo de motores AT- 27, que se encuentra en zona de Peligro, mirando la Tabla N 5, se observa claramente que los motores sufren contaminación del lubricante por Sodio, por lo que el plan de acción sería identificar y reparar las posibles fugas del refrigerante, en las tapas de cilindro y camisas. Otro grupo en condición de Alerta motores Caterpillar Analizando los comentarios de la tabla N 6 se puede observar, que en este grupo existen dos tipos de problemas: - Desgaste presencia de Al, Cu, Fe en la mayoría de los equipos. Mientras tanto sería recomendable disminuir el periodo de reemplazo de aceite de 3000 a 2500 hs de servicio hasta que se normalice la situación. Resumen Monitoreo por MPNCL La metodología permite: - Visualizar los "problemas" que experimenta la carga de aceite y el equipo de manera sencilla, que facilita las asociaciones "Causa Efecto", - Planificar las acciones correctivas y visualizar posibles resultados. - Unificar criterios de evaluación de Condición Tribológica y hacer que la información sea entendible por todos los involucrados en el proceso de gestión de equipos. - Integrar la información tribológica al proceso de determinación de Condición de Equipos, Procesos y Plantas. - Adecuar el plan de Overhaul de los equipos, basado en horas de marcha, pasando al plan basado en la condición. - Usar la información obtenida para seguimiento de tendencias, gráficos para tableros de control, etc. - Prematura degradación del lubricante manifestada a través de alta tendencia de viscosidad y oxidación. Es probable que ambos problemas retroalimentan uno al otro. De ahí surge una recomendación de verificar / normalizar la combustión de motores. VCS 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 CONDICIÓN TRIBOLOGICA DE EQUIPOS D-TO A Como segunda medida sería medir la compresión o fugas en los cilindros, para acotar la posibilidad de contacto de los gases calientes con el aceite. Bibliografía: Método de Ponderación Numérica de Condición de Lubricantes artículo en: www\aatribologia.org.ar e-tribos Página 10

11 ARTICULO DE DIFUSIÓN PARA AAT RECUBRIMIENTOS EN BASE CARBONO TIPO DLC CARACTERISTICAS, PROPIEDADES Y APLICACIONES Sonia P. Brühl, Eugenia L. Dalibón, J. Nahuel Pecina - Grupo de Ingeniería de Superficies - Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Concepción del Uruguay -Ing. Pereira 676, E3264 BTD Concepción del Uruguay, Argentina. sonia@frcu.utn.edu.ar, sbruhl@gmail.com Resumen El DLC ( Diamond Like Carbon ) es un recubrimiento fino en base a carbono similar al diamante, que posee excelentes propiedades mecánicas, térmicas, electrónicas y ópticas. Entre las aplicaciones en el área mecánica, se destaca por su bajo coeficiente de fricción, su alta dureza y se utiliza para recubrir insertos, herramientas de corte y taladrado, sellos, válvulas y superficies expuestas al desgaste en general. En este trabajo se presentarán las características y propiedades de los recubrimientos DLC, los tipos de recubrimientos según su contenido de hidrógeno, denominados Soft y Hard, las técnicas de deposición, y análisis, y se presentarán algunos resultados que ha obtenido el GRUPO GIS de la UTN y sus colaboradores. En el país, el desarrollo a nivel industrial recién comienza, pero hay más experiencia en Brasil, y por supuesto en USA, Europa, los países asiáticos. Una empresa local, líder en tratamientos asistidos por plasma, como es IONAR S.A., ha construido un equipamiento nuevo capaz de depositar estos recubrimientos con la técnica de PACVD con tecnología propia y está en la última etapa de puesta a punto de los parámetros de proceso para lograr recubrimientos DLC. 1. Introducción Qué es un DLC DLC son las siglas de Diamond-like Carbon, es decir carbono símil diamante, y es el nombre que se le ha dado hace ya más de 30 años a estos recubrimientos finos logrados por diversas técnicas y con aplicaciones que van desde la microelectrónica hasta la industria metal mecánica. El avance en la ciencia y tecnología del diamante representa un hito en la investigación y el desarrollo de nuevos y mejores materiales. Muchas de las propiedades únicas del diamante natural se han apreciado desde hace siglos y siempre se ha intentado sintetizarlo en forma artificial. Hay reportes desde mediados del siglo pasado acerca de lograr diamante a partir de precursores carbonosos. En la actualidad se ha progresado en la capacidad de sintetizar estructuras en forma de películas delgadas, con propiedades específicas, debido a que se ha avanzado mucho en la comprensión científica de cómo se forma el diamante y cómo se logran sus propiedades, a partir de métodos que usan hidrocarburos como precursores [1-3]. El diamante no es estable en condiciones normales de presión y temperatura, pero en las condiciones adecuadas, a partir de átomos de carbono provenientes de un gas, puede depositarse en forma directa sobre diversos materiales que actúan como sustrato y permancer estable. Estas películas de sólo algunos micrones de espesor tienen propiedades excepcionales: dureza extrema, alta conductividad térmica, alta resistividad eléctrica, bajo coeficiente de friccíon (equivalente al Teflón), inercia química, baja absorción en el infarrojo, alto coeficiente de ruptura dieléctrica. Las técnicas de superficie asistidas por plasma pertenecen a un grupo de tecnologías modernas aplicadas con éxito industrialmente, para generar recubrimientos o modificar la cercana superficie de materiales. En los últimos años la mayoría de los recubrimientos DLC se logran con alguna técnica de plasma o combinación de ellas [4,5]. Dependiendo del contenido de hidrógeno, los tipos de uniones entre los átomos de carbono varían, las cuales se denominan sp 3 y sp 2. e-tribos Página 11

12 ARTICULO DE DIFUSIÓN PARA AAT Existen diferentes tipos de recubrimientos, desde los que tienen casi todos sus átomos con uniones sp 2 llamados glassy Carbon hasta aquellos donde las uniones sp 3 alcanzan un 80% y reciben el nombre de carbono tetraédrico (ta-c), como puede observarse en el diagrama ternario. También se pueden mencionar los films denominados carbono amorfo hidrogenado (a-c:h), que pueden contener hasta 60 % de hidrógeno y 60 % de uniones sp 3 C C y C H. Esto determina la dureza y el módulo elástico, si son altos, son llamados Hard, y si son bajos, más parecidos a los polímeros, reciben el nombre de "Soft" [1-2,6]. Diagrama ternario de recubrimientos DLC Hoy es posible depositar películas DLC Soft gruesas, hasta 60 micrones. Las aplicaciones de estos dos tipos de películas son diferentes, por ejemplo, el DLC Hard se aplica a instrumentos de corte, como cuchillas o instrumentos quirúrgicos, y el Soft para recubrir materiales más blandos, o roscas, donde se necesita que la película absorba energía sin quebrarse. Los recubrimientos DLC presentan múltiples ventajas en cuanto a su resistencia al desgaste y a la corrosión como ya se ha mencionado [2]; no obstante, no resulta conveniente depositarlos sobre un sustrato metálico blando sin ninguna interfase, por problemas de adhesión y estructurales. Por esta razón, la nitruración previa a la deposición de estos recubrimientos es una buena opción. 2. Técnicas de deposición Estudios recientes muestran que es posible depositar recubrimientos DLC en equipos de nitruración por plasma con ligeras modificaciones y en un rango de parámetros que se usa normalmente para nitrurar aceros. Es posible construir equipos a escala industrial con dimen-siones de varios metros, y que piezas con geometría compleja y superficies interiores puedan ser nitruradas y recubiertas sin mover o girar las partes durante el proceso. Además del PACVD que se describirá brevemente a continuación, se han depositado films con CVD por medios térmicos a altas temperaturas y también por la técnica de PVD (Physical Vapour Deposition) a baja temperatura, la misma que se usa para lograr nitruro de titanio, pero en este caso a partir de un blanco de grafito. Los resultados de PVD son todavía muy nuevos y se conocen pocos equipos industriales Deposición química en fase vapor asistida por plasma (PACVD) La técnica de PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition) es una de las más utilizadas para generar recubrimientos DLC. Los films se sintetizan en un plasma a baja presión a partir de precursores gaseosos que provean hidrógeno y carbono, como metano o acetileno. También se usa algún gas portador de silicio pues es necesario para la adhesión y para regular las propiedades mecánicas de la película. La descarga eléctrica que genera y sostiene al plasma puede ser DC pulsada, o también de RF. En este artículo se presentan dos ejemplos de procesos en que se lograron dos tipos de DLC [4,5]. e-tribos Página 12

13 ARTICULO DE DIFUSIÓN PARA AAT Los recubrimientos se depositaron mediante la técnica de PACVD en una descarga DC pulsada. Para los recubrimientos Hard (finos y duros) se utilizó el metano (10 sccm) como gas precursor. Este tratamiento se realizó a 150 ºC, a una presión de 0,05 mbar y durante 2 horas. Previa a la deposición se le aplicó una intercapa de Si. Estos recubrimientos son del tipo a-c:h (carbono amorfo hidrogenado). En las películas Soft (blandas y gruesas), en cambio, los gases precursores fueron acetileno y HMDSO (hexametildisiloxano). Se obtuvieron con un tratamiento a 400 ºC y una presión de 2 mbar. Éstas presentan Si en su composición, por consiguiente son tipo a- C:H:Si (carbono amorfo hidrogenado dopado con silicio). La velocidad de deposición fue, en ambos casos, de 0,5 a 1 µm/h. 3. Técnicas de caracterización Tipos de DLC 3.1. Microscopía La microscopía óptica permite observar los recubrimientos, aunque se ven negros y como son delgados, no se distinguen bien de la resina fenólica. Con microscopia electrónica, en cambio, se pueden observar los recubrimientos con mayores aumentos y determinar su espesor con mayor precisión. A continuación se muestran dos imágenes SEM de recubrimientos DLC, gruesos Soft con espesores de más de 20 µm y finos Hard de 1,5-2 µm Espectroscopía Raman La espectroscopía Raman es un método rápido y no destructivo para caracterizar materiales carbonosos. En el caso de los recubrimientos tipo DLC, el espectro típico consiste de dos bandas: D (desorden) y G (grafito) ubicadas en 1350 cm 1 y 1530 cm 1 aproximadamente. La relación de intensidades I D/I G da información del tamaño de los clusters o dominios sp 2. De manera indirecta se puede determinar que un alto valor de la relación I D/I G indica una baja proporción de uniones sp 3. La presencia de hidrógeno, silicio u otro elemento que se le agregue al recubrimiento afecta su estructura y la cantidad de uniones sp 3. Además del espectro Raman se puede estimar el contenido de hidrógeno en estos recubrimientos, a partir de las pendientes del ajuste del fondo de fotoluminiscencia en el espectro Raman visible, siguiendo la metodología descripta por Casiraghi y colaboradores [6]. A continuación se presentan a modo de ejemplo dos espectros Raman. Intensidad (u.a) DLC hard 1375 Banda D 1551 Banda G Corrimiento Raman (cm 1 ) Espectro Raman de una muestra con bajo porcentaje de hidrógeno SEM de recubrimientos DLC a) Soft, b) Hard. El primero corresponde a un recubrimiento con bajo contenido de hidrógeno y una relación de I D/I G de 0,50; tipo Hard. El segundo espectro corresponde a un recubrimiento altamente hidrogenado con una relación de I D/I G de 0,90, es decir, tipo Soft. e-tribos Página 13

14 ARTICULO DE DIFUSIÓN PARA AAT Adhesión Intensidad (u.a) Banda D 1581 Banda G La adhesión se puede medir a través de dos métodos: scratch test o rayado con carga variable o constante y el de indentación Rockwell C según la Norma VDI Esta última es recomendable en recubrimientos finos Corrimiento Raman (cm -1 ) Espectro de una muestra con alto contenido de H Para determinar exactamente el porcentaje de uniones sp 3 y sp 2 se utiliza la técnica de XPS. Mediante esta técnica los estados químicos pueden ser identificados por las energías de ligadura de los electrones para niveles atómicos específicos. 4. Propiedades mecánicas y tribológicas 4.1 Dureza Las propiedades mecánicas de los DLC, como la dureza y el módulo elástico o de Young, son medidas por nanoindentación. En esta técnica, una pequeña punta de diamante es progresivamente indentada en el recubrimiento y se mide la curva en el ciclo de la carga y la descarga en función del desplazamiento [7]. Se mide con cargas muy bajas (alrededor de 9 mn) para evitar la influencia del sustrato en la medición, dado que la profundidad de la impronta no debe superar el 10% del espesor del recubrimiento [8]. La siguiente Tabla muestra los valores de dureza y del módulo de Young de los distintos recubrimientos DLC, indicando también el contenido de hidrógeno [7]. Propiedades mecánicas de los recubrimientos a-c:h a-c:h ta-c Soft Hard Dureza (GPa) Mód. de Young (GPa) H (%) En el grupo GIS, se evaluó la adhesión de recubrimientos DLC gruesos-soft y finos-hard depositados sobre aceros inoxidables. En ambos casos, la adhesión mejoró cuando se utilizó la capa nitrurada como pretratamiento. Por ejemplo, las muestras dúplex (nitruradas y recubiertas con DLC Hard) presentaron una carga crítica de rotura de 28 N y las muestras sólo recubiertas tuvieron una carga crítica de 9 N [9]. En los recubrimientos Soft, la carga crítica fue de 27 N en las muestras dúplex y de 16 N en las sólo recubiertas [10]. A continuación, a modo de ejemplo, se presentan las micrografías ópticas de las huellas de scratch test para una muestra recubierta con DLC Soft y una dúplex. Micrografías ópticas de las huellas de scratch test para las muestras: a) sólo recubierta, b) dúplex. 4.3 Fricción En general, el bajo coeficiente de fricción de los recubrimientos DLC es atribuido a la formación de capas llamadas de transferencia o transfer layers. Durante el deslizamiento, se generan partículas muy finas (de las puntas de las asperezas del film, de la contraparte o del medio) que pueden ser atrapadas en la interfase o ser adheridas a la superficie de la contraparte. Éstas están sometidas a e-tribos Página 14

15 ARTICULO DE DIFUSIÓN PARA AAT compresión y son sinterizadas para formar capas sólidas y compactas que soportan la carga, tienen características grafíticas y actúan como lubricante entre el recubrimiento y la contraparte, reduciendo el coeficiente de fricción [11,12]. Generalmente, cuando se realiza un proceso de nitruración previo a la deposición de los recubrimientos, el coeficiente de fricción resulta mayor que en la muestra sólo recubierta (debido al aumento de rugosidad) pero aun así queda dentro del rango de valores de los coeficientes de fricción para los DLC que es como máximo 0,2 [3,13]. Este valor es aproximadamente un orden de magnitud menor con respecto al acero, con o sin nitrurado. estudios con distintas cargas o presiones hertzianas, contrapartes y distancias de deslizamiento, y en todos los casos se determinó que estos recubrimientos presentan buena resistencia a este tipo de desgaste. La influencia del sustrato se hace notable para altas cargas o presiones hertzianas. En el Grupo GIS, se han realizado ensayos en recubrimientos DLC Soft depositados sobre aceros inoxidables utilizando diferentes cargas. La influencia del sustrato se hizo notable con una carga de 12 N, una contraparte de acero de 1,5 mm de diámetro y una distancia de 200 m, como puede observarse en el siguiente gráfico de los perfiles de las huellas. A continuación se presenta un gráfico del coeficiente de fricción en función del tiempo correspondiente a experimentos de Pin-on- Disk realizados en el GIS con carga de 5 N, contraparte de alúmina (6 mm de radio) y distancia de 500 m. 1,0 0,9 0,8 0,7 Profundidad ( m) Recubierta DLC Soft Duplex -12 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Posicion (mm) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Contraparte: Al 2 O Tiempo (s) Duplex DLC Hard DLC Hard DLC Soft Nitrurada Acero sin tratar Gráfico del coeficiente de fricción en función del tiempo para las diferentes muestras. 4.4 Desgaste Deslizamiento En los ensayos de desgaste por deslizamiento, estas películas presentaron bajo volumen desgastado. Se realizaron Perfiles de las huellas del ensayo de Pin-on-Disk. Como puede observarse, la muestra Dúplex presentó mejor resistencia al desgaste que la muestra sólo recubierta. Este comportamiento indica que la capa nitrurada mejoró la capacidad de soporte de carga del sistema y la resistencia a la deformación, debido al aumento de dureza y rigidez del sustrato con relación a la muestra sin nitrurar [14,15]. Cuando aumenta la carga, las máximas tensiones de corte se localizan a una profundidad mayor y en algunos casos pueden alcanzar la interfase sustratorecubrimiento, conduciendo a la falla de éste último. e-tribos Página 15

16 ARTICULO DE DIFUSIÓN PARA AAT Desgaste abrasivo En este caso la remoción de material es causada por el deslizamiento de partículas duras sobre la superficie que puede causar flujo plástico o fractura frágil. El comportamiento al desgaste abrasivo está vinculado no sólo a la dureza del recubrimiento sino al módulo de Young. El cociente entre dureza y módulo de Young (H/E) da una indicación de la resistencia a la deformación plástica, se llama índice de plasticidad, y es ampliamente citado como medida en la determinación del límite del comportamiento elástico en una superficie de contacto. Los recubrimientos tipo DLC presentan un alto valor de H/E comparado al del acero sin tratar [3,16]. En el Grupo GIS, se ensayaron recubrimientos DLC Hard y Soft, y las pérdidas de masa fueron muy bajas del orden 2 mg. A pesar de ello, en las muestras sólo recubiertas con DLC Hard, el recubrimiento se desprendió como puede observarse en la figura siguiente. Huellas de desgaste abrasivo a) muestra recubierta con DLC Hard, b) muestra recubierta con DLC Soft El comportamiento al desgaste en este caso estuvo vinculado a la adhesión, el recubrimiento fino y duro depositado sobre el sustrato sin ningún pretratamiento no soportó este tipo de ensayo sin desprenderse [3,9]. Sin embargo, los recubrimientos Soft presentaron un comportamiento viscoplástico, es decir, ellos tienen la propiedad de recuperar parte de la deformación independientemente del sustrato [3,10,17] Erosión El desgaste por erosión es un fenómeno complejo donde diferentes factores tienen influencia, como la velocidad, el tamaño y la forma de las partículas erosivas, flujo y ángulo de impacto. Se realizaron ensayos de erosión en recubrimientos Soft y la pérdida de masa fue muy baja, de alrededor de 10 mg pero se produjo el desprendimiento del film en algunas regiones como puede observarse en la imagen siguiente. Superficie de las muestras después del ensayo de erosión a) muestra dúplex, b) muestra recubierta. En los DLC el comportamiento al desgaste en este tipo de ensayos, está vinculado a la adhesión y a la presencia de defectos, estos últimos pueden ser sitios propicios para que se formen algunas fisuras en la superficie, éstas crezcan por los sucesivos impactos de las partículas erosivas, alcanzando la interfase y produciendo la falla del film [18,19]. Los recubrimientos con buena adhesión presentaron mejor comportamiento a la erosión como puede observarse en la imagen que corresponde a la muestra dúplex. 5. Resistencia a la Corrosión 5.1. Niebla salina Se practicaron ensayos de Niebla Salina bajo la Norma ASTM B117. Éstos consisten en someter a las probetas a una atmósfera salina durante 100 horas, a 37ºC. Posteriormente, se analiza la superficie y en el caso de no haber corrosión general se realiza un recuento de pits de corrosión. Los recubrimientos Soft y e-tribos Página 16

17 ARTICULO DE DIFUSIÓN PARA AAT Hard resultan químicamente inertes en este tipo de ensayos, como puede observarse a continuación. la corrosión. En este caso, la capa nitrurada presentó buen comportamiento a la corrosión en medio ácido [20]. 6. Estabilidad térmica Probetas después del ensayo de niebla salina: (a) DLC-Soft; (b) DLC-Hard; (c) Nitrurada También se comprobó que estos recubrimientos, mejoran notablemente la resistencia a la corrosión con respecto al acero sin tratar o nitrurado Inmersión en HCl Se realizaron ensayos de inmersión que consisten en sumergir las muestras en una solución de HCl al 1%, durante 100 horas. Se realizaron mediciones parciales cada 24 horas para evaluar la pérdida de masa a medida que transcurre el tiempo, como se muestra en el gráfico siguiente. Los DLC son utilizados en diferentes aplicaciones industriales tales como herramientas donde se pueden alcanzar altas temperaturas durante las operaciones de trabajo. En diferentes situaciones, éstos son expuestos a un calentamiento localizado causado por fricción [21,22]. Las películas grafitizan a temperaturas mayores a 400 C, lo cual limita un poco sus aplicaciones. Para incrementar su estabilidad térmica, se han dopado con Si, N u otros elementos o se han incorporado nanopartículas [21,23]. En el Grupo de FRCU-UTN, se estudió la estabilidad térmica de los DLC Hard depositados sobre acero inoxidable (muestra dúplex) y sin nitrurar (muestra recubierta). Se realizaron recocidos durante una hora, en vacío a diferentes temperaturas 200 C, 300 C, 400 C, 500 C, 600 C. Posteriormente al tratamiento se midió nanodureza con 15 mn, los valores obtenidos se presentan a continuación Pérdida de masa (mg) Duplex Recubierta DLC Hard Nitrurada Patron Nanodureza (GPa) 18 Muestra duplex Muestra recubierta Tiempo (h) Gráfico de pérdida de masa en función del tiempo El recubrimiento no presentó una buena resistencia a la corrosión en este medio. Este comportamiento está estrechamente vinculado a la presencia y al tipo de defectos. Si éstos son pasantes, la solución ácida alcanza el sustrato que es donde se produce Temperatue C Gráfico de nanodureza en función de la temperatura para la muestra dúplex y recubierta e-tribos Página 17

18 ARTICULO DE DIFUSIÓN PARA AAT En la muestra duplex, la nanodureza no disminuyó, permaneció constante hasta 500 C. Sin embargo, en la muestra recubierta la dureza disminuyó a los 300 C, probablemente en este caso aumentó el porcentaje de uniones sp 2 en el recubrimiento. En esta muestra, no fue posible obtener un valor para la nanodureza a 600 C porque la dispersión resultó muy alta. De acuerdo a los resultados presentados, puede indicarse que los recubrimientos no grafitizaron completamente debido a que la dureza no disminuyó notablemente en ninguno de los dos casos hasta 500 C. 7. Conclusiones De acuerdo a los resultados anteriormente presentados puede indicarse que las características diferentes entre películas DLC Hard y Soft, se deben a su estructura, concretamente a la presencia de hidrógeno y el tipo de uniones de C-C predominantes. Con el mismo equipamiento, sólo cambiando gases precursores, temperatura y tiempo de proceso, se puede definir la estructura y lograr ambos tipos de recubrimientos. La nitruración iónica mejora la adhesión pero sólo mejora el comportamiento mecánico en los recubrimientos duros y finos, los DLC Hard. Los DLC Soft tienen la ventaja de ser más blandos y tener una gran capacidad de absorción de energía, por lo tanto la influencia de la dureza del sustrato se hace notable sólo para ensayos severos de alta carga. Para aplicaciones donde se requiere alta dureza, como por ejemplo la conservación de un flanco de corte, se recomienda el DLC Hard, aunque para aplicaciones sobre sustratos blandos y situaciones de erosión o abrasión, por ejemplo, se recomienda el DLC Soft. Con respecto al comportamiento a la corrosión, éste está estrechamente vinculado a la presencia de defectos. Si éstos son pasantes, la resistencia a la corrosión del sistema está determinada por el comportamiento del sustrato. Referencias [1] J. Asmussen, D.K. Reinhard (Eds.), Diamond Films Handbook. Marcel Dekker Inc., Nueva York [2] C. Donnet, A. Erdemir (Eds.), Tribology of Diamond Like Carbon Films. Fundamentals and Applications, Springer, USA, [3] K. Holmberg, A. Matthews, Coatings Tribology Properties, Mechanisms, Techniques and Applications in Surface Eng., Elsevier, UK, [4] J. R. Davis, Surface hardening of steels, ASM International, Ohio, USA, [5] S. P. Brühl, Procesamiento de materiales por plasma, Revista de la Asociación Argentina de Tribología Nº 3, etribos (2014) [6] C. Casiraghi, A.C. Ferrari, J. Robertson, Raman spectroscopy of hydrogenated amorphous carbon, Phys. Rev. B72 (2005) [7] J. Robertson, Diamond-like amorphous carbon, Mater. Sci. Eng. R. Rep. R37 (2002) [8] P. Jedrzejowski, J. E. Klemberg-Sapieha, L. Martinu, Relationship between the mechanical properties and the microstructure of nanocomposite TiN/SiN 1.3 coatings prepared by low temperature plasma enhanced chemical vapor deposition, Thin Solid Films 426 (2003) [9] E. L. Dalibón, V. Trava Airoldi, L. A. Pereira, A. Cabo, S. P. Brühl, Wear resistance of nitrided and DLC coated PH stainless steel, Surf. Coat. Technol. 255 (2014) [10] E. L. Dalibon, D. Heim, C. Forsich, A. Rosenkranz, M. A. Guitar, S. P. Brühl, Characterization of thick and soft DLC coatings deposited on plasma nitrided austenitic stainless steel, Diamond Relat. Mat. 59 (2015) [11] J. Jiang, R. D. Arnell, J. Tong, An investigation into tribological behaviour of DLC coatings deposited on sintered ferrous alloy substrate, Wear 214 (1998) [12] R. Hauert, An overview on the tribological behavior of diamond-like carbon in technical and medical applications, Tribol. Int. 37 (2004) [13] A. Erdemir, C. Donnet, Tribology of diamond-like carbon films: recent progress and future prospects, J. Phys. D. Appl. Phys 39 (2006) R311 R327. [14] H. Ronkainen, S. Varjus, K. Holmberg, Tribological performance of different DLC coatings in water-lubricated conditions, Wear 249 (2001) [15] F. Platon, P. Fournier, S. Rouxel, Tribological behaviour of DLC coatings compared to different materials used in hip joint prostheses, Wear 250 (2001) e-tribos Página 18

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20 ARTICULO DE DIFUSIÓN PARA AAT e-tribos Página 20