En el presente trabajo se evalúa la adhesión de sistemas (capa substrato) en el acero
inoxidable 316L endurecida superficialmente por difusión de boro. El endurecimiento superficial se realizó por medio del proceso de borurización en polvo de manera continua e interrumpida para tiempos de exposición de 2 y 4 horas a una temperatura constante de 900℃, con la finalidad de obtener sistemas monofásicos y bifásicos en la superficie del material substrato.
La caracterización de las capas formadas se realizó por medio de microscopia óptica y microscopia atómica de barrido, cuyos resultados muestran una morfología con tendencia plana y espesores que van desde 2.46 a 2.76 μm para los tratamientos interrumpidos y de 8.46 a 12.44 μm para los tratamientos continuos. Para la caracterización físico-química se llevaron a cabo los análisis de Difracción de rayos X y Espectroscopia de energía Dispersiva con el fin de identificar la presencia de los compuestos característicos formados después del tratamiento. Para la caracterización mecánica se utilizó la técnica de indentación instrumentada, con un indentador Berckovich, con la cual se obtuvieron la dureza de las capas y módulos de elasticidad, los cuales fueron utilizados en el cálculo de las curvas plásticas y esfuerzos residuales.
La prueba de adhesión se llevó a cabo siguiendo la metodología y los criterios de la norma VDI 3198. El desarrollo experimental se llevó a cabo en dos partes. La primera consistió realizar una serie de indentaciones en la superficie de las probetas tratadas termoquímicamente a cargas que van desde 10 a 140N con incrementos de 10N para evaluar el daño progresivo de los sistemas. Para la segunda parte se desarrolló la prueba según lo menciona la norma, con el uso de un durómetro Rockwell-C a fin de determinar la carga critica para uno de los 4 sistemas formados.
A través del uso de microscopia óptica y del uso de un perfilometro se determinó la adherencia aceptable o pobre y la profundidad máxima de indentación respectivamente. Los resultados de adhesión según los ensayos experimentales indican que para las 4 condiciones presenta adhesión aceptable para la carga de 150 KgF, sin embargo los sistemas con recubrimiento bicapa presentan desprendimiento en las periferias de la huella de indentación al contrario de los sistemas monocapa que presentan adhesión suficiente sin desprendimiento.
Con la finalidad de complementar los resultados obtenidos experimentalmente, se desarrolló un modelo numérico a de la prueba de adhesión por indentación Rockwell-C en el programa de elemento finito ABAQUS 6.11. Las simulaciones se llevaron a cabo tomando en cuenta los siguientes datos:
Para los tratamientos continuos e interrumpidos se consideró la presencia de la capa 𝐹𝑒𝐵,𝐹𝑒2𝐵, zona de difusión, substrato, coeficiente de fricción y la aplicación de una carga controlada aplicada por un indentador al cual se le considera un sólido analíticamente rígido. Los resultados obtenidos de la simulación presentan una buena correlación con los datos experimentales teniendo una aproximación entre el 92 y 93% con respecto a la profundidad residual de indentación.
A pesar de que en la literatura se presentan diversos trabajos que involucran la simulación de indentaciones con diferentes tipos de indentador sobre sistemas con recubrimientos duros, el presente trabajo presenta un aporte innovador ya que para el caso de aceros borurados no se encuentran antecedentes y mucho menos sobre sistemas monocapa. Los resultados del análisis numérico ayudan a resaltar las diferencias entre los dos sistemas, que de otro modo presentarían según los criterios de falla un comportamiento similar.
ABSTRACT
In the following work, the adhesion of the film system formed on the surface of the stainless steel 316L was evaluated. The hardening process was performed by means of the powder-pack boriding in continuous an interrupted in two different exposure times (2 and 4 hours) and constant temperatures of 900°C, in order to obtain monolayer and multilayer whit different thicknesses.
Optical microscopy and Scanning Electron Microscope was used to characterize the boride layer, the results showed a plane interface and total thicknesses in the range of 2.46 to 2.76 μm by the interrupted process and the 8.46 to 12.44 μm to continuum . For characterization physicochemical they were conducted Diffraction analysis and X-ray energy dispersive spectroscopy in order to identify the presence of characteristic compounds formed after treatment. Instrumented indentation technique was used, with an indenter Berckovich, with which the hardness of the layers and moduli of elasticity were obtained, which were used in the calculation of the residual stress and plastic curves for the mechanical characterization.
The adhesion test was carried out following the methodology and criteria of the standard VDI 3198. The experimental development was conducted in two parts. The first it consisted of a series of indentations in the surface of the treated sample, loads ranging from 10 to 10N 140N increments to assess progressive damage specimens systems. For the second part of the test it was developed as mentioned standard, with the use of a Rockwell-C hardness tester to determine the critical load to one of the 4 systems formed
Through the use of optical microscopy and use profilometer acceptable or poor adherence and the maximum indentation depth it was determined respectively. The adhesion results by experimental tests indicate that the 4 conditions presented acceptable to the load of 150 KgF, however systems with two-layer coating present detachment in the peripheries footprint indentation in contrast to the monolayer systems with adhesion sufficient without detachment.
In order to complement the results obtained experimentally, a numerical model of the adhesion test indentation Rockwell-C was developed in the ABAQUS finite element program 6.11.
The simulations were carried out taking into account the following assumption: For continuous and interrupted treatment the presence of 𝐹𝑒𝐵,𝐹𝑒2𝐵 layer, diffusion zone, substrate, coefficient of friction and the application of a controlled load applied by an indenter which is considered a solid is considered analytically rigid . The results of the simulation show good correlation with experimental data taking an approximation between 92 and 93% with respect to the residual indentation depth.
Although in the literature several studies involving the simulation of indentations with different indenter on systems with hard coatings, this study presents an innovative contribution as in the case of borurados steels no antecedents are much less present on monolayer systems. The results of numerical analysis help to highlight differences between the two systems, which otherwise would present as the failure criteria similar behavior.
