Desgaste por Erosión en Acero Inoxidable AISI 420 Nitrurado por Plasma

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1 ISS Revista Matéria, v. 1, n. 2, pp , Junho de 25 Desgaste por Erosión en Acero Inoxidable AISI 42 itrurado por Plasma D. Peix a, b,m. A. Guitar c, S. P. Bruhl c,. Mingolo a, V. Vanzulli a, A. Cabo d, E. Forlerer a, b a Comisión acional de Energía Atómica, Centro Atómico Constituyentes, U. A. Materiales. Argentina. mingolo@cnea.gov.ar, vanzulli@cnea.gov.ar, forlerer@cnea.gov.ar b Laboratorio de Tribología, Universidad Tecnológica acional, Facultad Regional Buenos Aires, Argentina. dpeix@hotmail.com c Grupo de Ingeniería de Superficies (GIS), Universidad Tecnológica acional, Facultad Regional Concepción del Uruguay, Entre Ríos, Argentina. SPBruhl@frcu.utn.edu.ar d IOAR S. A., Calle 41 o. 25 Villa Martelli, Pcia de Buenos Aires. ionar@uolsinectis.com.ar RESUME 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 1 micrómetros. Por ello, se estudió la resistencia al desgaste erosivo de un acero AISI 42 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% H 2 25% 2 obtenidas en 2 equipos diferentes y con uno de ellos una tercera serie con un cambio de composición: 75% 2 25% H 2. El tratamiento térmico, previo al nitrurado, consistió en un austenitizado a 12 C, templado en aceite y revenido a 3 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 36 ssu y partículas de Al 2 de malla 12. Se erosionaron las muestras durante 3 minutos a una temperatura media de 4 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 42, nitruración por plasma, erosión por barros, alúmina. ABSTRACT Erosive Wear in Plasma itrided AISI 42 Stainless Steel 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 1 µm diameter. This paper reports the study of erosive wear resistance of AISI 42 stainless steel with different heat treatments plus ion nitriding. The behavior of the nitrided case obtained in a 75% H 2-25% 2 atmosphere of two different nitriding facilities is compared. A third case, of an inverse composition 25% H 2-75% 2, is also considered. The thermal treatment, prior to plasma nitriding, consisted of austenitizing at 12 o C, oil quenching and tempering at 3 o C, 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 36 SSU and Al 2 particles of #12 mesh. Probes were eroded during 3 minutes at a mean Autora Responsável: E. Forlerer

2 PEIX, D., GUITAR, M.A., BRUHL, S.P., MIGOLO,., VAZULLI, V., CABO, A., FORLERER, E. temperature of 4 o C, 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 42, plasma nitriding, slurry erosion, alumina. 1 ITRODUCCIÓ 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 AISI42 con distinta composición gaseosa en el laboratorio del grupo GIS (FRCU- UT) y en similares condiciones con un equipo similar -a escala industrial- en la empresa IOAR SA. La atmófera de esta última máquina tiene la composición atómica del H 3 (75% H 2, 25% 2 ), en cambio en el Laboratorio GIS se utilizaron 2 atmósferas gaseosas distintas: una rica en H 2 con composición similar al de IOAR y otra rica en 2. 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 42 de forma prismática (1x15x6) mm, que fueron austenitizadas a 12 C durante 1 hora, templadas en aceite a temperatura ambiente y revenidas a 3 C. Esto último se realizó para reducir las tensiones de temple en lugar del revenido habitual de ~ 5 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 itruración 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 #6 antes de entrar al reactor. En las 2 series se utilizó igual sputtering previo a la nitruración. En IOAR la superficie fue pulida con pasta de diamante. Las probetas nitruradas en IOAR se denominan IOAR RH (atmósfera rica en H). Las procesadas en el GIS se denominan: GIS S4 R (serie 4, atmósfera rica en ) 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 R y S5 RH Parámetros de Sputtering AR H 2 PR. TOTAL V eficaz Tiempo 6% 4% 4 hpa hs. Parámetros de itruración (T=4 C) S4/S5 25/75 8 hpa 3/59 1 hs 26

3 PEIX, D., GUITAR, M.A., BRUHL, S.P., MIGOLO,., VAZULLI, V., CABO, A., FORLERER, E. Tabla 2: Parámetros de nitruración IOAR RH Parámetros de Sputtering AR H 2 PR. TOTAL V eficaz Tiempo 5% 5% 1,5 hpa 8 2 Parámetros de itruración (T=4 C) RH 75 6,5 hpa 7 2 hs 2.2 Máquina de Erosión. Diferencia de Masa La máquina de erosión fue desarrollada en el Laboratorio de Tribología de la FRBA-UT 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 34 ssu y 2 ml (4,39 g) de polvo de partículas de Al 2 de malla 12. El ensayo se realiza durante 3 minutos y la temperatura del aceite se registró después del impacto contra la probeta. La temperatura se mantuvo en (4±3) C y se agitó constantemente la mezcla. Las diferencias de masa se midieron con una balanza electrónica METTLER-AE24, 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 PW371. Se utilizo radiación Kα de Co, con una penetración de 11 µm. El rango de barrido en 2θ fue de 2º a 12º, un paso de.2º y tiempo de barrido de 1s por paso. Las tensiones residuales se midieron por el método del sin 2 ψ con un equipo marca RIGAKU STRAIFLEX. La radiación utilizada fue CrKα en el rango de 2θ desde 12º hasta 17º a fin de registrar los picos (211) de la ferrita Fe-α. El paso de barrido fue de.2º y un tiempo de 1s por paso. 2.4 Medición de Concentración por Dispersión de Longitud de Onda Las muestras IOAR RH y las probetas GIS S4 R y S5 RH, se analizaron por dispersión de longitud de onda en la microsonda marca CAMECA- SX5. Se obtuvo la composición cuantitativa de Fe, Cr, O, C, Si y Mn (% en masa) contra patrones calibrados y el itrógeno por diferencia a 1%. Se levantó el prefil de concentración de cada elemento barriendo con el haz un corte transversal perpendicular a la superficie tratada. 3 RESULTADOS 3.1 Análisis por DRX Las muestras nitruradas IOAR RH (Figura 1) presentan un fuerte pico de y a la izquierda del pico de Fe-α (11). Este pico también está ensanchado debido a la presencia de Cr y Fe 4 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. Se observan algunos picos minoritarios de Cr y. En las muestras GIS S4 R (Figura 3) se detectan muchos picos débiles correspondientes a óxidos de Fe y Cr y algunos picos poco intensos de. 27

4 PEIX, D., GUITAR, M.A., BRUHL, S.P., MIGOLO,., VAZULLI, V., CABO, A., FORLERER, E. Intensidad (c/s) CrO 2 + Cr Cr Feα (11) Fe 4 IOAR nitrurado C5 RH diagrama experimental (λco Kα) Feα(2) Cr CrO 2 Feα (211) Cr θ ( o ) Figura 1: Difractograma probeta IOAR RH 8 Feα (11) GIS S52 RH diagrama experimental (λcokα) 6 Intensidad (c/s) 4 2 Cr Cr Feα (2) Cr Feα (211) θ ( o ) Figura 2: Difractograma probeta GIS S5RH 28

5 PEIX, D., GUITAR, M.A., BRUHL, S.P., MIGOLO,., VAZULLI, V., CABO, A., FORLERER, E Feα (11) GIS S42 R diagrama experimental (λcokα) 1 Intensidad (c/s) Feα (2) Feα (211) θ ( o ) Figura 3: Difractograma probeta GIS S4R 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 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 IOAR RH y 5 µm para la serie GIS S5RH, para las probetas GIS S4R 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 S4R. En la probeta IOAR el % masa del Oxígeno no era detectable. 5 4 Concentración (%masa) IOAR Profundidad (µm) Figura 4: Perfil de concentración de nitrógeno en la probeta IOAR RH. ótese que la penetración y composición en la superficie no es uniforme. 29

6 PEIX, D., GUITAR, M.A., BRUHL, S.P., MIGOLO,., VAZULLI, V., CABO, A., FORLERER, E. 14 Concentración (%masa) S Penetración(µm) Figura 5: Perfil de concentración de nitrógeno en la probeta GIS S5RH. ótese que las variaciones de composición en la superficie y en profundidad son mayores que en la Fig Concentración (% masa) 1 5 S Penetración (µm) Figura 6: Perfil de concentración de nitrógeno en la probeta GIS S4R. ótese 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. 21

7 PEIX, D., GUITAR, M.A., BRUHL, S.P., MIGOLO,., VAZULLI, V., CABO, A., FORLERER, E. 35 Concentración (& masa) S4 O1 O Penetración (µm) Figura 7: Perfil de concentración de Oxígeno en los mismos barridos que en la Figura 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 IOAR 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. Probeta Δ MASA (g) TES. RES. (MPa) (±.5) σ longit. σ transv. IOAR RH GIS S5 RH ± ±3 GIS S4 R ± ±2 3.4 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. o se pudo levantar un prefil de muchos puntos pero las mediciones efectuadas permiten acotar el espesor de la capa nitrurada. IOAR RH<25 µm y GIS<8µm. Tabla 4: Dureza Vickers según corte transversal Probeta DISTACIA DUREZA Hv 25 IOAR RH 13 µm 1426 IOAR RH 25 µm 663 GIS S4 R 8 µm 514 GIS S5 RH 8 µm AÁLISIS DE LOS RESULTADOS De las medidas de concentración de 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 IOAR. Este tratamiento obtuvo la capa más dura, la concentración de más uniforme, la mejor resistencia al desgaste y según el difractograma la mayor concentración de precipitados duros. 211

8 PEIX, D., GUITAR, M.A., BRUHL, S.P., MIGOLO,., VAZULLI, V., CABO, A., FORLERER, E. Según los resultados de microsonda (Figuras 4,5 y 6) puede estimarse el espesor (e) de la capa nitrurada. Para IOAR RH: e<25 µm, para GIS 5 RH: e<5µm y para GIS 4 R: 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 itrógeno. Se observan pocos óxidos de Cr (Figura 1) y algunos óxidos de Fe y Cr (Fig. 2). En las muestras con mayor concentración de H 2 se favorecería la incorporación de, 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 COCLUSIOES Resulta notable que la nitruración en aceros inoxidables martensíticos tipo AISI 42 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. REFERECIAS [1] PRIEST, J.M., BALDWI, M.J., FEWELL, M.P., The action of Hydrogen in Low-Pressure r.f.-plasma itriding, Surface and Coatings Technology, v. 145, pp , 21. [2] KUMAR, S., BALDWI, M.J., FEWELL, M.P., HAYDO, S.C., SHORT, K.T., COLLIS, G.A., TEDYS, J., The Effect of Hydrogen on the Growth of the itrided Layer in r.f.-plasma-nitrided Austenitic Stainless Steel AISI 316 Surface and Coatings Technology, v. 123, pp , 2. [3] JACK, D.H., JACK, K.H., Carbides and itrides in Steel, Materials Science and Engineering, v. 11, pp.1-27, [4] KIM, S.K., YOO, J.S., PRIEST, J.M., FEWELL, M.P., Characteristics of Martensitic Stainless Steel itrided in a low-pressure RF Plasma, Surface and Coatings Technology, v , pp , 23. [5] ALPHOSA, I., CHAIAI, A., RAOLE, P.M., GAGULI, B., JHO, P.I., A Study of Martensitic Stainless Steel AISI 42 Modified Using Plasma itriding, Surface and Coatings Technology, v. 15, pp , 22. [6] BORGES, C.F., HEEKE, S., PFEDER, E., Decreasing Chromium Precipitation in AISI 34 Stainless Steel During the Plasma-itriding Process, Surf. Coat. Technol., v. 123, pp , 2. [7] WAG, L., XU, X., YU, Z., HEI, Z., Low Pressure Plasma Arc Source Ion itriding of Austenitic Stainless Steel Surface and Coatings Thecnology, Surface and Coatings Thecnology, v. 124, pp ,