Recubrimientos de superficies de sellado de válvulas de bola resistentes al desgaste a altas temperaturas (Parte dos)

4. El análisis de los resultados de las pruebas
4.1 La morfología de la sección transversal microscópica de la superficie del recubrimiento.
La morfología de la sección transversal de la superficie está estrechamente relacionada con las propiedades de adaptación, la resistencia al desgaste, la resistencia a la fatiga, la rigidez de contacto, la vibración y el ruido de las piezas mecánicas, y tiene un impacto importante en la vida útil y la confiabilidad de las piezas. Por lo tanto, se observaron los tres recubrimientos con un microscopio electrónico de barrido, y los resultados de la comparación se muestran en las Figuras 2 y 3. La Figura 2 muestra la morfología superficial del recubrimiento: la superficie del recubrimiento de CrN es la más densa; la calidad de conformado es buena y presenta pequeños agujeros; la superficie del recubrimiento de Cr₃C₂-NiCr presenta una gran cantidad de agujeros; la superficie del recubrimiento de NiCr es relativamente rugosa, con pocos agujeros, y la película de recubrimiento de CrN no puede cubrir completamente los poros del recubrimiento de Cr₃C₂-NiCr.
 
La Figura 3 muestra la morfología transversal del recubrimiento, donde el recubrimiento de CrN está bien adherido al sustrato sin defectos. El espesor promedio del recubrimiento es de aproximadamente 3,8 µm; el recubrimiento de Cr₃C₂-NiCr está bien adherido al sustrato, con un espesor promedio de 285 µm; la capa de CrN del recubrimiento de CrN/Cr₃C₂-NiCr está bien integrada con la capa intermedia de Cr₃C₂-NiCr, presentando pequeños agujeros. La densidad del recubrimiento es reducida, con un espesor promedio de aproximadamente 3,4 µm.
 

Figura 2. Comparación de la morfología de la superficie del recubrimiento mediante microscopios.


Figura 3. Comparación de la sección transversal de la superficie del recubrimiento mediante microscopios.
 

Figura 4 El recubrimiento
 
4.2 El análisis de la fase del recubrimiento
Se analizaron las fases de los recubrimientos de CrN, Cr₃C₂-NiCr y CrN/Cr₃C₂-NiCrCrN. Los patrones de difracción de rayos X (DRX) se muestran en la Figura 4. Los resultados muestran que el recubrimiento de CrN está compuesto principalmente de fcc-CrN. El recubrimiento de Cr₃C₂-CrNi está compuesto principalmente de Ni, Cr₃C₂ y Cr₃C₂, y la superficie del recubrimiento compuesto de CrN/Cr₃C₂-CrNi también está compuesta de fcc-CrN; no se encontraron otras fases constituyentes.
 
4.3 Una comparación de parámetros de recubrimientos
La dureza, el módulo elástico y el factor elastoplástico de los recubrimientos de CrN y CrN/Cr₃C₂-NiCr se muestran en la Tabla 1. La relación H/E entre la dureza y el módulo elástico es el factor elástico. Cuanto mayor sea esta relación, mejor será la resistencia al desgaste y al impacto. H₃/E₂ es el factor plástico. Cuanto mayor sea esta relación, mejor será la capacidad de resistir la deformación plástica. En comparación, el factor elastoplástico del recubrimiento de CrN/Cr₃C₂-NiCr es relativamente alto, lo que indica que el recubrimiento presenta una mejor resistencia al desgaste y tenacidad a la fractura.
 
Tabla 1 Comparación de recubrimientos de CrN, CrN/Cr3C2-NiCr

 
4.4 Capacidad de carga y tenacidad a la fractura
Se analizó la dureza de los recubrimientos de CrN y CrN/Cr3C2-NiCr bajo diferentes cargas, como se muestra en la Figura 5. A medida que aumentaba la carga de indentación, la dureza superficial disminuía. En la Figura 5 se puede observar que la dureza superficial de los recubrimientos de CrN/Cr3C2-NiCr es mucho mayor que la de los recubrimientos de CrN. La Figura 6 muestra las imágenes OM de las indentaciones superficiales bajo diferentes cargas. Se puede observar que aparecen grietas en el recubrimiento de CrN bajo todas las cargas. Aparecieron grietas en los recubrimientos de CrN/Cr3C2-NiCr bajo cargas de 300 g, 500 g y 1000 g, pero no aparecieron grietas bajo cargas de indentación de 100 g y 200 g. Por lo tanto, la capacidad de carga y la tenacidad de CrN/Cr3C2-NiCr son superiores a las de CrN.
 

Figura 5 Dureza de los recubrimientos de CrN, CrN Cr3C2-NiCr bajo diferentes cargas


Figura 6 Fotografías ópticas de la indentación de recubrimientos bajo diferentes cargas
 
4.5 Fuerza de unión
La resistencia de adhesión se refiere a la fuerza necesaria para separar el recubrimiento metálico del metal base o del recubrimiento intermedio. La resistencia de adhesión de las dos películas se comprobó mediante rayado y la señal acústica se registró simultáneamente durante el proceso de detección. Los resultados se muestran en la Figura 7. La resistencia de adhesión de un solo recubrimiento de CrN es de 10,0 N, mientras que la de los recubrimientos de CrN/Cr₃C₂-NiCr es de 37,0 N. La introducción de la capa intermedia de Cr₃C₂-NiCr mejora la resistencia a la deformación plástica del sustrato, mejorando así la adhesión del recubrimiento de CrN.
 

Figura 7 Fuerza de adhesión de los recubrimientos
 

Figura 8 Morfología de la superficie de los recubrimientos después de 20 ciclos de choque térmico


Figura 9 Morfologías de la sección transversal de los recubrimientos después de 20 ciclos de choque térmico.
 
4.6 Rendimiento de los recubrimientos frente al choque térmico
La superficie y la morfología transversal del recubrimiento después de 20 ciclos de choque térmico se muestran en la Figura 8 y la Figura 9. Se puede ver en la Figura 8 que aparecen grandes grietas reticulares en la superficie de los recubrimientos de Cr3C2-NiCr, y también aparecen grietas reticulares en la superficie de los recubrimientos de CrN/Cr3C2-NiCr. No hay grietas obvias en la superficie de los recubrimientos de CrN. Las grietas solo son visibles con gran aumento. De la morfología transversal de Cr3C2-NiCr y CrN/Cr3C2-NiCr en la Figura 9, largas grietas verticales penetran el recubrimiento en la capa intermedia de Cr3C2-NiCr, y aparecen grietas típicas en la interfaz con el sustrato. La capa intermedia tiene una gran influencia en la resistencia al choque térmico del recubrimiento compuesto.
 
4.7 Fricción y desgaste
Se utilizó la máquina de ensayos de fricción reciprocante de alta temperatura UMT para evaluar las propiedades tribológicas del recubrimiento a temperaturas de gradiente de 25 °C, 150 °C, 250 °C, 350 °C, 450 °C y 550 °C. El recorrido de deslizamiento es de 5 mm; la carga normal es de 3 N y la frecuencia es de 2 Hz. El tiempo de ensayo es de 15 minutos. El par de fricción es una pequeña bola de WC de 6 mm. Se utilizó el perfilador de superficie tridimensional Micro MAX™ para caracterizar el perfil de la superficie desgastada de la muestra. Para un mejor análisis comparativo, se realizaron ensayos de fricción en los tres recubrimientos.
 

Figura 10 Coeficiente de fricción de los recubrimientos a temperaturas de gradiente
 
La Figura 10 muestra el coeficiente de fricción del recubrimiento a temperatura de gradiente. A medida que la temperatura aumenta, el coeficiente de fricción generalmente disminuye. A 25 °C, los coeficientes de fricción de los tres recubrimientos son relativamente similares, y el recubrimiento de CrN/Cr₃C₂-NiCr es ligeramente superior. A 150 °C, los coeficientes de fricción de los recubrimientos se reducen significativamente, y el recubrimiento de CrN disminuye a un promedio de aproximadamente 0,2, con la mayor caída. El recubrimiento de Cr₃C₂-NiCr fue el que menos disminuyó. El coeficiente de fricción promedio alcanzó 0,42. El coeficiente de fricción del recubrimiento de CrN/Cr₃C₂-NiCr fue pequeño en la etapa inicial, y aumentó bruscamente a los 500 s aproximadamente, lo que indica que el recubrimiento se había perforado. Los coeficientes de fricción de los tres recubrimientos aumentaron en diferentes grados a 250 °C en comparación con 150 °C.
 
Durante el proceso de fricción, el coeficiente de fricción del recubrimiento de CrN presentó grandes fluctuaciones. El coeficiente de fricción promedio fue de 0,57. El coeficiente de fricción promedio de los recubrimientos de Cr3C2-NiCr fue de 0,45, y el de los recubrimientos de CrN/Cr3C2-NiCr alcanzó 0,55. Al alcanzar la temperatura de 350 °C, 450 °C y 550 °C, el coeficiente de fricción de los recubrimientos de CrN disminuyó, alcanzando su valor más bajo de 0,19 a 550 °C; el coeficiente de fricción promedio de los recubrimientos de Cr3C2-NiCr alcanzó su valor más bajo de 0,25 a 550 °C. El coeficiente de fricción promedio del recubrimiento de CrN/Cr3C2-NiCr presentó grandes fluctuaciones, pudiendo perforarse durante el proceso de fricción. El coeficiente de fricción promedio alcanzó 0,25 a 550 °C, el mismo que el del recubrimiento de Cr3C2-NiCr.
 

Figura 11 Contorno abrasivo del recubrimiento a temperatura de gradiente
 
La Figura 11 muestra el perfil de desgaste del recubrimiento a temperaturas de gradiente. El perfil de desgaste del recubrimiento de CrN es más profundo a 250 °C y 350 °C, lo que indica que el recubrimiento se desgasta más seriamente; la profundidad de desgaste de los recubrimientos de Cr3C2-NiCr es la más superficial a 150 °C y se profundiza a 250 °C. Las profundidades de desgaste son cerradas a temperaturas de 350 °C, 450 °C y 550 °C, aproximadamente 3,3 µm. La profundidad de desgaste de los recubrimientos de CrN/Cr3C2-NiCr se profundizó gradualmente con un aumento de temperaturas, alcanzando un máximo de 6,2 µm a 550 °C. El recubrimiento tiene baja resistencia al desgaste. Sin embargo, el ancho de desgaste del recubrimiento de CrN/Cr3C2-NiCr a cada temperatura es más estrecho que el de los recubrimientos de CrN y Cr3C2-NiCr. El recubrimiento compuesto todavía puede proporcionar un buen soporte a altas temperaturas.
 
5. Conclusión
A través del diseño de recubrimientos compuestos CrN/Cr3C2-NiCr para la superficie de sellado de válvulas de bola resistentes al desgaste de alta temperatura y el estudio de sus propiedades mecánicas y tribológicas a altas temperaturas, se llegaron a las siguientes conclusiones:
(1) El recubrimiento compuesto CrN/Cr3C2-NiCr tiene mejor dureza y la introducción de la capa intermedia proporciona un buen soporte para la película superior y mejora la tenacidad a la fractura del recubrimiento.
(2) A medida que aumenta la temperatura, la dureza del revestimiento compuesto disminuye gradualmente, pero todavía tiene una dureza alta a 550 °C.
(3) La resistencia de adhesión del recubrimiento compuesto es alta, y la introducción de la capa intermedia de Cr₃C₂-NiCr mejora la resistencia a la deformación plástica del sustrato, mejorando así la adhesión del CrN. La dureza, el módulo y el coeficiente de expansión térmica del recubrimiento presentan menores diferencias; la adaptación de la interfaz es mejor, y el recubrimiento compuesto presenta una excelente estabilidad térmica.
(4) El coeficiente de fricción del recubrimiento compuesto es bajo y prácticamente no presenta desgaste. Mantiene una alta dureza a altas temperaturas, y sus formas de desgaste son principalmente desgaste adhesivo, desgaste oxidativo y desgaste abrasivo leve.