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Jornadas SAM - CONAMET - AAS 2001, Septiembre de 2001
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EFECTO DEL RECUBRIMIENTO DE TIN SOBRE LA EROSIÓNCORROSIÓN DE ACEROS.
P.M. Perillo y R. Haddad.
Comisión Nacional de Energía Atómica, CAC, U.A.Materiales.
RESUMEN
Se estudió la corrosión-erosión de aceros de bajo contenido de Cr, recubiertos con una
capa cerámica de Nitruro de Titanio (TiN) depositada por PVD (Physical Vapor Deposition),
en solución buffer alcalinas, a temperatura ambiente utilizando la técnica de electrodo rotatorio, en medio corrosivo-abrasivo. Se realizaron curvas de polarización potenciocinéticas de
probetas recubiertas y sin recubrir en soluciones de Na2CO3/NaHCO3 (1:1) 0,5 M (pH=10)
conteniendo partículas de alúmina, a temperatura ambiente, a distintas velocidades de rotación.
Se estableció la existencia de un poder protector del TiN, en virtud de las menores corrientes de disolución obtenidas en todos los casos. El mismo se verifica con o sin factor abrasivo y a todas las velocidades estudiadas.
INTRODUCCIÓN
Se ha demostrado que los nitruros de metales de transición (Cr, Zr, Ta, Nb, Ti) son resistentes a la corrosión. El nitruro de titanio es un material cerámico que debido a su resistencia al uso lo hace un excelente recubrimiento tribológico [1][2]. Depositado mediante métodos físicos (PVD) o químicos (CVD) [3][4] sobre aceros de diversa clase, forma un excelente
recubrimiento protector debido a su dureza, naturaleza refractaria y resistencia a la corrosión.
Las herramientas recubiertas con este material a menudo muestran un incremento de varios
cientos de veces en su vida útil, comparado con aquellas sin recubrir. [5]
Una de las formas de degradación más relevantes en aplicaciones de estos elementos
es la erosión-corrosión, mecanismo combinado por el cual los materiales sufren deterioro debido a un proceso sinérgico en que el desgaste produce una incentivación de la corrosión.
Muchas veces esto se debe a la reducción de la capacidad pasivante de las películas de óxido
protectoras, debido a la abrasión de las mismas.
Se estudió la corrosión-erosión de aceros similares a los utilizados en herramientas, en
solución buffer alcalina a temperatura ambiente, utilizando la técnica del electrodo rotatorio,
en medio corrosivo-abrasivo. Este método consiste en realizar ensayos electroquímicos simulando simultáneamente el efecto erosivo; para ello, se hace rotar los electrodos de trabajo
dentro de un medio corrosivo que incluya elementos abrasivos. Con distintos diseños geométricos de electrodos se puede trabajar en regímenes de flujo laminar (utilizando forma de disco) o turbulento (utilizando formas cilíndricas) [6].
La erosión-corrosión en estos medios es muy dependiente de la velocidad del fluido, lo
que se puede evaluar estudiando el comportamiento a distintas velocidades de rotación [7].
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MÉTODO EXPERIMENTAL
Se realizaron curvas de polarización potenciocinéticas de probetas de acero 1054 recubiertas y sin recubrir en soluciones de Na2CO3/NaHCO3 (1:1) 0,5 M (pH=10) conteniendo ,
en algunos casos, partículas de alúmina de 150 µm con una concentración de 300 g/l; las soluciones fueron desaireadas mediante burbujeo de Nitrógeno gaseoso, a temperatura ambiente. En todos los casos se hicieron entre 3 y 5 curvas en cada condición.
Se trabajó con piezas sin recubrir y recubiertas con TiN por el método de PVD. El espesor del recubrimiento en todos los casos fue de 8 ± 0,3 μ, medido mediante el método del
Calotest. [8]. Las probetas de Acero 1054 cilíndricas con una dimensión de 2,1 cm de diámetro y 1 cm de alto fueron maquinadas y pulidas hasta malla 600; luego, lavadas en alcohol
isopropílico, secadas y pesadas en una balanza analítica (Sartorius 2024 MP) con una precisión de ± 0,01 mg, previa y posteriormente a cada ensayo. En la fig. 1 se puede observar la
superficie de 2 probetas.
Fig 1. Superficie de 2 probetas antes del ensayo
Todos los valores de potenciales fueron referidos a un electrodo de Ag/AgCl. Los rangos de potenciales fueron de -1 a +1 Volt, provistos por un equipo potenciostático gobernado
por PC, a una velocidad de barrido de 2 mV/seg.
En la Fig. 2 se puede apreciar una vista del dispositivo utilizado. Se trabajó a diferentes velocidades de rotación: 1819, 3638, 5457 y 7276 RPM, equivalentes a las siguientes velocidades tangenciales del fluido respecto a la superficie del material; 0, 2, 4, 6 y 8 m/seg.
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Figura 2. Dispositivo del Electrodo Rotatorio
RESULTADOS
Las figuras 3 y 4 muestran las curvas de polarización obtenidas para el material recubierto y sin recubrir en soluciones buffer, con el agregado de alúmina. Se ha tomado el promedio de todas las determinaciones, por lo que cada una resulta representativa de la condición
estudiada. Se observa la existencia de una zona pasiva, si bien la corriente pasiva del material
recubierto es más de un orden de magnitud inferior.
Curva de polarización en sol.de Na2CO3-NaHCO3 0,5 M
Potencial (mV) (Ag/AgCl)
1000
3638 rpm
5457 rpm
1819 rpm
7276 rpm
Con TiN, con Al2O3
500
0
-500
-1000
-5
10
-4
10
-3
-2
10
-1
10
10
0
10
10
2
log i (mA/cm )
Figura 3. Curvas de polarización a diferentes velocidades con TiN y alúmina
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Curva de polarización en sol.de Na2CO3-NaHCO3 0,5 M
Potencial (mV Ag/AgCl)
1000
1819 rpm
3638 rpm
5457 rpm
7276 rpm
Sin TiN, con Al2O3
500
0
-500
-1000
-5
-4
10
10
-3
10
-2
-1
10
10
0
1
10
10
2
Log i (mA/cm )
Figura 4. Curvas de polarización a diferentes velocidades sin TiN y con alúmina
En la figuras 5 y 6 se ven las curvas de polarización de ambos materiales en buffer
carbónico, sin el agregado de alúmina apreciándose un amplio rango de pasividad en los dos
casos, del orden de 1 Volt o levemente superior, con corrientes pasivas un orden de magnitud
inferiores para el acero recubierto. Los ensayos fueron realizados a diferentes velocidades (0,
2, 4, 6 y 8 m/seg).
Curva de polarización en sol. de Na2CO3-NaHCO3 0,5 M
Potencial (mV Ag/AgCl)
1000
010427 0 rpm
010409 1819 rpm
010592 3638 rpm
010417-5457 rpm
010418 7276 rpm
Con TiN, sin Al2O3
500
0
-500
-1000
-5
10
-4
10
-3
-2
10
-1
10
10
0
10
1
10
2
log i (mA/cm )
Figura 5. Curvas de polarización a diferentes velocidades con TiN y sin alúmina
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Curva de polarización en sol.de Na2CO3-NaHCO3 0,5 M
Potencial (mV) (Ag/AgCl)
1000
0 rpm
1819 rpm
3638 rpm
5457 rpm
7276 rpm
Sin TiN, sin Al2O3
500
0
-500
-1000
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
2
10
10
0
10
1
Log i (mA/cm )
Figura 6. Curvas de polarización a diferentes velocidades sin TiN y sin alúmina
Las figuras 7 y 8 muestran la observación microscópica de la superficie de las probetas luego
de realizar el ensayo de erosión-corrosión. Se puede apreciar que en algunos casos hay desprendimiento de material y en otros algunas picaduras.
Fig 7. Superficie de una probeta con desprendimiento de material
después del ensayo de erosión-corrosión.
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Fig 8. Superficie de una probeta con algunas picaduras
después del ensayo de corrosión.
DISCUSIÓN
Se observa un efecto del recubrimiento sobre las corrientes pasivas del material, las
que se reducen en dos órdenes de magnitud. Esto ocurre con o sin el agregado de alúmina en
la solución.
En las probetas sin recubrir, podemos apreciar que las corrientes pasivas son del orden
de 1 mA cuando los ensayos se realizaron con el agregado de alúmina, mientras que sin ésta
las corrientes pasivas son del orden de 0,1 mA. Aquí si se puede observar la influencia del
medio abrasivo. En las probetas recubiertas con TiN, las corrientes pasivas son del orden de
3x10-3 a 10-2 mA con el agregado de alúmina y del orden de 5x10-3 a 3x10-2 mA sin el agregado de alúmina. En este caso el efecto protector del recubrimiento hace que el agregado de
un medio abrasivo no intervenga sobre la disolución del material.
La acción de la alúmina y la velocidad de rotación sobre las corrientes pasivas es la siguiente: en el caso de las experiencias realizadas sin alúmina se puede observar un claro
efecto sobre las corrientes pasivas que se evidencia por la influencia de las diferentes velocidades de rotación, mientras que con el recubrimiento de TiN ese efecto desaparece como también el de la velocidades de rotación, debido a que no hay corrosión.
En la Tabla 1 se puede apreciar la pérdida de peso en las probetas recubiertas y sin recubrir, ya sea con alúmina o sin el agregado de la misma. En condiciones normales sería dable
de esperar un valor proporcional al nivel de corrosión, según se mide por la intensidad de corrientes de disolución. El cálculo teórico, teniendo en cuenta los valores medidos, daría los siguientes resultados: para probetas sin TiN, con alúmina = 0,17 mg; sin TiN, sin alúmina =
0,034 mg; con TiN, con alúmina = 1,49x10-3 mg; con TiN, sin alúmina = 2,9x10-3 mg. Los
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valores obtenidos son inconsistentes, probablemente debido al error experimental del método
empleado, por ejemplo, la pérdida de masa en la operación de montaje-desmontaje.
Velocidades (rpm)
Con TiN,
con Al2O3
0
0
1819
3638
3638
5457
5457
7276
1,5 mg
2 mg
3,2 mg
0,5 mg
1,7 mg
2,5 mg
4,4 mg
Con TiN ,
sin Al2O3
0,8 mg
1,7 mg
0,3 mg
2,1 mg
2,3 mg
0,1 mg
1,2 mg
Sin TiN,
con Al2O3
Sin TiN,
sin Al2O3
5,5 mg
0,6 mg
0 mg
1,7 mg
4,6 mg
1 mg
0,3 mg
1,7 mg
2,4 mg
0,8 mg
3,4 mg
3,2 mg
1 mg
Tabla 1. Valores de pérdida de peso.
CONCLUSIONES
-
Hay un claro efecto protector del TiN sobre el acero (bajas corrientes pasivas).
La abrasión desaparece con el TiN medido por la corriente pasiva y la influencia de la
velocidad de rotación.
REFERENCIAS
1. P.R.Chalker, S.J.Bull, D.S. Rickerby ¨A review of the methods for evaluation of coatingsubstrate adhesion¨ Materials Science and Engineering, A140, 583-592. 1991.
2. P.A. Steinmann, H.E.Hintermann ¨A review of the mechanicals tests for assesments of
thin-film adhesion¨, J. Vac.Sci. Technol. A7, 2267-2272. 1989.
3. M.Ohring, The Materials Science of Thin Films. Academic Press. 1992.
4. J.L.Vossen, W.Kern, Thin Film Processes. Academic Press Inc. SD. California. 1978.
5. Yeong Yan Guu, Jen Fin Lin, Chi-Fong Ai. The tribological characteristics of Titanium
nitride. Part I. Coating thickness effects. Wear, 194,12-21. 1996.
6. EG&G Princeton Applied Research. Rotating Electrode System. Model 616.
7. H.W.Wang, M.M.Stack, Surface and Coatings Technology 106 (1998) 1-7
8. H.Pulker. Wear and Corrosion Resistant Coatings by CVD and PVD. Expert Verlag,
1989.
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