Evaluación de erosión por partículas sólidas del sistema capa/substrato de un acero AISI 4140T borurado, empleando la norma ASTM G76-13.

Abstract

En el presente trabajo de investigación se evalúa la erosión en la superficie de un acero AISI 4140T sometido al tratamiento termoquímico de borurización en polvo y al proceso de recocido por difusión. La erosión es la pérdida de material en la superficie, debido a repetidos impactos de pequeñas partículas sólidas. El tratamiento termoquímico de borurización se realizó a una temperatura de 1273 K con un tiempo de exposición de 6 h. Posteriormente se realizó un tratamiento de recocido por difusión para eliminar la capa FeB con las mismas condiciones de tiempo y temperatura. Mediante microscopía óptica se determinó el espesor total de las capas (FeB+ Fe₂B y Fe₂B) para ambas condiciones de tratamiento, las cuales presentaron una morfología aserrada. La microestructura y la composición química de las capas de boruros formadas en la superficie del acero AISI 4140T fueron verificadas mediante las técnicas de difracción de rayos X (DRX) y espectroscopía por dispersión de energía (EDE), mostrando la formación cualitativa y cuantitativa de capas de boruros FeB, Fe₂B y la zona de difusión para el borurado y Fe₂B y la zona de difusión para el proceso de recocido por difusión. En cuanto a la caracterización mecánica se realizó por medio de indentación instrumentada Berkovich, teniendo como resultados dureza y módulo de elasticidad a lo largo de la sección transversal. Con estos parámetros se hizo la estimación del límite a la deformación elástica (H/E) y parámetro de resistencia plástica (H3/E2). La evaluación a la erosión por partículas sólidas se llevó a cabo variando el ángulo de impacto de la partícula erosiva (30°, 60° y 90°) y teniendo tres diferentes partículas erosivas: alúmina, carburo de silicio y granalla de acero. La tasa de erosión se determinó evaluando la pérdida de masa en la superficie cada 60 segundos de prueba durante 3 minutos. Para lo cual se utilizó la máquina de erosión del Grupo Ingeniería de Superficies® así como una balanza analítica. Se estimó la pérdida de masa, tasa de erosión; se identificaron los mecanismos de desgaste y profundidades residuales para cada parámetro experimental del proceso de borurización y posterior al proceso de recocido por difusión. Los mecanismos de desgaste erosivo observados mediante microscopía electrónica de barrido (MEB) fueron: arado, debris, incrustaciones, labios, cuarteaduras, picaduras. Finalmente, los resultados obtenidos en la evaluación de erosión por partículas sólidas, y las propiedades mecánicas resultantes en el acero AISI 4140T con y sin endurecimiento superficial, proporcionan información para la calidad en la disminución y cambio al desgaste del acero debido al ser sometido al proceso termoquímico de borurización. ABSTRACT In the present research work is evaluated erosion on the surface of a steel AISI 4140T subjected to thermochemical treatment of borided powder and the diffusion annealing process. Erosion is the loss of material on the surface due to repeated impacts of small solid particles. Boronizing thermochemical treatment was performed at a temperature of 1273 K with an exposure time of 6 h. Subsequently, an annealing treatment was conducted by diffusion to eliminate FeB layer with the same conditions of time and temperature. By optical microscopy the total thickness of the layers (Feb + Fe₂B and Fe₂B) was determined for both treatment conditions, which had a sawn morphology. The microstructure and chemical composition of the layers of borides formed in the surface of the steel AISI 4140T were verified using techniques XRD (XRD) spectroscopy and energy dispersive (EDE), showing the qualitative and quantitative Layering borides Feb, Fe₂B and the diffusion zone for boriding and Fe₂B and the diffusion zone for the diffusion annealing process. As for the mechanical characterization was performed using instrumented indentation Berkovich, with the results hardness and modulus of elasticity along the cross section. With these parameters the boundary estimate to elastic deformation (H / E) and plastic resistance parameter (H3 / E2) was made. The evaluation to erosion by solid particles was carried out by varying the angle of impact of erosive particle (30 °, 60 ° and 90 °) and having three different erosive particles: alumina, silicon carbide and steel shot. The erosion rate was determined by evaluating the mass loss on the surface test every 60 seconds for 3 minutes. For which erosion machine Engineering Group Superficies® and an analytical balance was used mass loss, erosion rate was estimated; wear mechanisms and after the diffusion annealing process residual depths for each experimental boriding process parameter and identified. The erosive wear mechanisms observed by scanning electron microscopy (SEM) were: plow, debris, scale, lips, cracks, pinholes. Finally , the results obtained in the evaluation of erosion by solid particles , and the resultant mechanical properties of the steel AISI 4140T with and without surface hardening , provide information for quality decrease and change wear steel due to being subjected to the process thermochemical of boronizing.