Depósito, caracterización y desempeño de películas delgadas de óxido de cromo en la protección de aleaciones ferrosas en atmósferas carburizantes

Abstract

RESUMEN El metal dusting o la carburización catastrófica es la desintegración de metales y aleaciones a un polvo de partículas metálicas, óxidos y grafito en forma de picaduras o ataque general. Esto ocurre a altas temperaturas en atmósferas carburizantes y ataca a aleaciones base Fe, Ni y Co. Este tipo de corrosión causa falla de componentes en diversos procesos, lo que representa pérdidas económicas en diferentes industrias como la petroquímica y la de reducción directa de hierro. Una de las vías para incrementar la resistencia a la corrosión es la modificación superficial del metal mediante el uso de recubrimientos protectores. En el caso de metal dusting, las capas de óxido de cromo, principalmente, detienen la difusión de carbono a la matriz. En este trabajo se propone un método para prevenir y/o disminuir el metal dusting a través del depósito de capas protectoras obtenidas por Depósito Físico de Vapores utilizando la técnica “Reactive Magnetron Sputtering” (RMS). Entre las ventajas de este método se destacan: la posibilidad de controlar las características de las capas (densidad, morfología, composición) y por lo tanto su resistencia al metal dusting. Se pretende encontrar los valores de las variables de proceso para optimizar la estructura de recubrimientos de óxido de cromo protectores contra el metal dusting: en particular aumentar la densidad, la adherencia y disminuir los esfuerzos residuales que se traducen en fractura del recubrimiento y desprendimiento de las mismas. Se caracterizarán microestructural y mecánicamente los recubrimientos por MO, MEB+EDS, DRX, Nanoindentación y scratch tester; así como evaluar el desempeño protector de los recubrimientos por termogravimetría en atmosferas carburizantes en aceros HK40, 304 y 316. En resultados previos se ha observado una mejor densidad en las películas depositadas con la aplicación de un Voltaje Bias así como una disminución de la presencia de grietas o ampollas en películas depositadas con un flujo de oxígeno más lento. Finalmente se realizó un análisis por TG para muestras sin recubrir en tiempos cortos para indagar a cerca del proceso de corrosión. ABSTRACT: The metal dusting or carburization is catastrophic disintegration of metals and alloys with a powder of metal particles, oxides and graphite in the form of pitting and general attack. This occurs at high temperature in carburizing atmospheres and attacks based alloys Fe, Ni and Co. This type of corrosion cause component failure in various processes, representing economic losses in different industries like petrochemicals and direct reduced iron. One way to increase the corrosion resistance is the surface modification of the metal by the use of protective coatings. In the case of metal dusting, the chromium oxide layer mainly suppress the carbon diffusion into the matrix. This paper proposes a method to prevent and/or reduce metal dusting via deposition of protective layers obtained by Physical Vapor Deposit using the technique "Reactive Magnetron Sputtering" (RMS). Among the advantages of this method are: the possibility of controlling the properties of the layers (density, morphology, composition) and therefore its resistance to metal dusting. It aims to find the values of the process variables to optimize the structure of protective oxide coatings on metal dusting chromium: in particular increase the density, adhesion and reduce the residual stresses that result in fracture and spalling of the coating same. Microstructural and mechanical coatings were characterized by MO, SEM + EDS, XRD, nanoindentation and scratch tester; and evaluate the protective performance of the coatings by thermogravimetry in carburizing atmospheres in steel HK40, 304 and 316. on previous studies it has been found better density in the films deposited with the application of a bias voltage and a decrease in the presence of cracks or blisters in films deposited with oxygen slower flow. Finally, an analysis by TG for uncoated samples was performed in a short time to inquire about the process of corrosion.