50 Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 21, N° 1, 2001,

MICROESTRUCTURA DE MATERIALES COMPUESTOSWC-Co/ Ni-W-Cr RECUBIERTOS POR HVOF(Microstructure o/ HVOF wC-Co / Ni- W-Cr composite coatings)

G. Castro', F. Arenas', M. Rodriguez", A. Scagni"

l. Departamento de Tecnología de los Materiales. Instituto Universitario de Tecnología -Región Capital. Caracas. Venezuela. E-mail:fredaren@telcel.net.ve

2. Escuela de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela,Los Chaguaramos, Caracas, Venezuela

--- 3. Plasmatec Ingenieros, Km. 13 Carretera Caracas - Guarenas. Venezuela.Resumen

El presente trabajo estudió la evolución microestructural de un recubrimiento 50% en peso WC-12%Co / 50% en pesoColmonoy (aleación de base Ni-Cr) aplicado por rociado térmico HVOF (High Velocity Oxigen Fuel) sobre una acero 4140.Las variables experimentales fueron: el tiempo de mezclado de las materias primas y la influencia del tratamiento térmicocon llama de soplete al recubrimiento. Para el estudio se utilizó Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), EspectroscopíaEDX, análisis de fases por segmentación de imágenes composicionales obtenidas por MEB-BSE y el ensayo de Microdureza.La mezcla de los polvos de WC-12% Co y Colmonoy se realizó en una jarra de acero revestida internamente con WC-Co, atiempos diferentes de 1, 3, 5 Y 8 horas. La microscopía electrónica permitió detectar una distribución zonificada de las fasesde WC y de los compuestos bi y tri metálicos en la matriz de Colmonoy. El tratamiento térmico realizado permitió lahomogenización en la distribución de las fases, producto de una dispersión de las partículas prismáticas de WC conjuntamentecon las partículas bi y tri metálicas presentes en el Colmonoy, debido posiblemente a un proceso de solución-reprecipitación.Estos resultados permiten concluir que el tiempo de mezclado de los polvos no influye sobre la distribución de las fases demanera tan efectiva corno el tratamiento térmico.

Palabras Clave: Rociado Térmico, Tratamiento Térmico, Recubrimientos duros

Abstract

The microstructural evolution of a 50/50 in wt% WC-Co / Ni-Cr alloy (Colmonoy) HVOF thermal sprayed coating on a4140 steel has been evaluated by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), phase volumefraction determined by the segmentation technique and hardness. The experimental variables were powder mixing time andthermal treatment. The powder mixing was performed in an internal surface WC coated steel.jar at 1,3,5 and 8 hours. TheSEM images of the as-thermal sprayed microstructures allowed to detect segregation of the WC and bi and trimetallic phasesin the Ni-Cr alloy matrix. The post-heat treatment promoted a homogeneously dispersed finer microstructure induced by asolution-reprecipitation process. The results obtained allowed to state that the influence of the powder mixing time is insig-nificant on the phases distribution if compared to the post heat treatrnent.

Keywords: High velocity oxy-fuel thermal spray, heat treatment, hard coatings

1. Introducción.

Los procesos de rociado térmico son altamentesofisticados y especializados, con una amplia utilizaciónen los campos de mantenimiento reconstructivo, deprotección y manufactura. Son un grupo de procesos(Rociado por Plasma, Alambre por Arco, Rociado porLlama, Pistola de Detonación y HVOF entre otros) en loscuales materiales superficiales metálicos en condiciónfundida o semifundida son depositados en forma de rociadosobre un substrato previamente preparado. Los materialesaplicados superficialmente por estos procesos deben estaren forma de varillas, alambre o polvos. [1]

Uno de los procesos más usados a nivel industrial es el deHVOF(High Velocity Oxygen Fueh, lo que se traduce comoun proceso diseñado para acelerar las partículas fundidas avelocidades sumamente altas debido a que su combustióntiene lugar en una pequeña cámara, dando como resultadouna descarga de gases de Dióxido de Carbono, vapor deagua y una expansión térmica por el agotamiento de estosgases. Debido a la alta presión que se crea en la cámara dela combustión, los gases generan velocidades supersónicas(se han observado velocidades de gas de 2000 mis),acelerando las partículas fundidas. Aunque las partículasno alcanzan la velocidad generada por los gases, ellasalcanzan velocidades muy altas (750 mis aprox.). [2]

G. Castro y col. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

Entre los materiales más utilizados para su aplicaciónpor rociado térmico se encuentran el WC-Co y las aleacionesde Níquel. El primero de ellos permite generarrecubrimientos con una buena resistencia al desgasteabrasivo atribuida a las características microestructurales yfísicas: tamaño y distribución de partícula del carburo,dureza y tenacidad de la matriz. Por otro lado, losrecubrimiento s de aleaciones de Ni poseen buena resistenciaa la corrosión y erosión. Ambos polvos se usan de maneraindependiente en válvulas, compresores, calderas,componentes de turbinas, cigüeñales, bombas centrífugas,termocuplas entre otras. [3-7]

En los materiales rociados térmicamente es difícilestablecer una relación microestructura-propiedades, adiferencia del caso de estructuras producto de un procesd .de sinterizado donde se puede relacionar la dureza con eltamaño de grano, la tenacidad con la contigüidad de la fasecementante o la resistencia mecánica con la conectividadde la fase dura [15]. Aún cuando algunos autores [8-10]han encontrado y reconocen que propiedades comoresistencia al desgaste y corrosión dependenfundamentalmente de la microestructura, se debe tenerpresente las condiciones termo-mecánicas a las que estarásometido el recubrimiento porque se ha encontrado en ciertosestudios [8] que si bien una porosidad fina garantiza unabuena resistencia al desgaste y corrosión, el diseño de unamicroestructura con una redde microgrietas resulta másadecuada cuando se requiere-resistencia al daño por fatigaen condiciones de servicio. Otros investigadores [11]relacionan la resistencia al desgaste con propiedades comola resistencia adhesiva del recubrimiento al substrato la cuala su vez es una función primordialmente del acabado omorfología superficial de ese substrato.

El post-procesamiento de los recubrimiento s se realizafrecuentemente para mejorar esas propiedades de resistenciaal desgaste y/o corrosión [12,13]. Uno de los métodos másusados es el calentamiento por llama que causa una refusióno sinterizado de los depósitos y por ende un cambiomicroestructural, reducción de la porosidad, cambio en lacomposición de las fases, tenacidad, adhesión, etc. [12,14]Recientemente Ilavsky y col. [15] han presentado una seriede resultados donde comparan la microestructura ypropiedades de depósitos de diferentes aleaciones deNiCrAIY. En su trabajo la característica microestructuralque evaluaron fue la porosidad y concluyeron que losdepósitos con mayor contenido de porosidad y óxidosobtenidos por rociado térmico. de llama y de plasmaestabilizada con agua resultaron con mayor resistencia aldesgaste, comportamiento atribuido al fortalecimiento dela microestructura por la formación de una microestructurade material compuesto cerámico -rnetálico. Por el contrario,Dorfman y col. [16] concluyeron que una menor porosidady mayor contigüidad favorecen la resistencia al desgaste enaleaciones de WC-Co.

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La finalidad de esta investigación es evaluar lamicroestructura de recubrimientos rociados térmicamentepor HVOF de WC-12% Co I Colmonoy 88 (50/50) encondiciones como rociado y tratados térmicamente.

2. Procedimiento Experimental.La composición de las materias primas utilizadas en este

trabajo es:

Iabla 1. Composición Química de los polvos, en % en peso

Elemento COLMONOY 88 WC-12% CoNierBSiFeWC

Co

56.415.03.04.03.517.30.8

82.94.0911.61

El mezclado de los polvos de las materias primas serealizó en jarras de acero recubiertas internamente de WC,donde se colocaron partes iguales en peso de Colmonoy,WC-12 % Co y de esferas de WC-Co y 500 rol de etanol,variando los tiempos de mezcla en 1, 3, 5 y 8 h.

La limpieza y preparación superficial de las probetas deacero 4140 se realizó mediante un granallado con lafinalidad de obtener una rugosidad tal que garantizara unabuena adhesión del recubrimiento. Este fue aplicadomediante la técnica de HVOF, con un equipo IP-SOOO,usando los siguientes parámetros de proceso:

Tabla 2: Parámetros de Rociado por HVOF

Parámetro ValorDistancia de rociado 15" (380 mm.)Tasa de rociado 10 Lb/hr (76 g/min.)Espesor del recubrimiento 0.020" (0.508 rnm.) Máx.Velocidad del alimentador 330 rpm.

Presión de la Cámara106 ± 5 psi125 ± 10 psi70 9F (max.)143:!: 10 psí

CombustiónCombustibleAguaOxígeno

El tratamiento térmico se realizó mediante llama desoplete.

Se realizó la caracterización microestructural ycomposicional de las fases presentes, mediante la generaciónde imágenes de electrones retrodispersadas en unmicroscopio electrónico Philips XL30, EspectroscopíaEDXen un equipo EDAX DX4 y el análisis de imágenes se llevóa cabo usando el programa ANALYSIS de Philips.

Tabla 3. Composición Química de las fases encontradas en losrecubrimiento s en estado como rociado, % en peso.

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3. Discusión de Resultados

La Fig. 1 muestra la morfología esferoidal similar delWC-12%Co (A) y del Colmonoy (B), característica de polvosatomizados. El tamaño de las partículas en ambos casos esinferior a 50 /-lm. La superficie de las partículas de WC-Coes irregular debido a la fase prismática del carburo y elmenor contenido de fase metálica. Se puede observar lafragmentación de las partículas de WC-Co, producto delmezclado de alta energía utilizado.

Fig. l. Morfología de las materias primas rociadas por HVOF.

Las imágenes MEB de las secciones transversales de losrecubrimientos en condición como rociado (Fig. 2) muestranque la homogeneidad microestructural y densidad aumentancon el tiempo de mezclado de las materias primas. Esto sepodría explicar por la mayor fragmentación que ocurre alas partículas de WC-Co lo cual induce a una fusión máscompleta del material rociado y mejor distribución llenandoespacios vacíos que pueda dejar la fase del Colmonoy.

La Fig. 3 detalla la morfología de la fase prismática delWC (A) y las fases finas bi y trimetálicas del Colmonoy.Según el grado de fusión de las partículas, estas últimas sedistribuyen en la matriz en forma laminar (B) o quedanagregadas (C). En la matriz se pueden observar dos tonosde gris diferentes (D) y (E), indicativo en este tipo de imagenque existen gradientes de composición química. La fase duradel WC, de tamaño promedio inferior a 2 /-lm, no presentaalta conectividad que es lo que garantiza una buenaresistencia mecánica del material.

La similitud de los análisis químicos de las fases bi ytrimetálicas con la fase gris oscura de la matriz es productode que el análisis fue realizado en área selecta y no puntualdebido a la fineza de dichas fases.

er 14.79 35.70 15.27BSiFe 3.60 3.04 3.82W 21.77 39.84 23.62C

Fig. 2. Recubrimientos HVOF de una mezcla 50/50 en peso deColmonoy (Ni - Cr - W - Si - B) YWC- Co.

G. Castro y col. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

Fig. 3. Morfología de las fases presentes en el recubrimientocomo rociado. El análisis general de la composición química(EDS) expresada en % atómico es: 17.68 % Cr, 4.09% Fe, 8.34% Co, 50.04 % Ni, Y 19.85 % W.

El calentamiento del recubrimiento por llama de sopleteo "post-tratamiento térmico", promovió una distribuciónhomogénea de las fases en el recubrimiento. El tiempo decalentamiento fue excesivo en aquellos recubrimientos cu-yas materias fueron mezcladas durante 1 y 8 horas (Fig. 4).Esto provocó una mayor penetración del frente de fusiónen el substrato que produjo una interfase entre el recubri-miento y el acero más ancha, con una estructura eutécticarica en W y un enriquecimiento del recubrimiento en Fe(Tabla

3h

Fig. 4. Vista general de las intercaras recubrimiento/aceromostrando la descomposición térmica y formación de una interfaserica en W por exceso de calentamiento en el post-tratamientotérmico.

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Tabla 4. Variación de la composición química (en % en peso) delos recubrimientos de rociado y tratados térmicamente en funciónde la formación de la estructura eutéctica en la intercara.

% en peso del % en peso delElemento recubrimiento sin el recubrimiento con

·eutéctico el eutécticoNi 34.39 24.56Cr 10.57 8.5BSiFe 1.79 lí.06W 41.71 38.98C

Co 5.25 5.07

El efecto del sobrecalentamiento del recubrimiento de 1y 8 h sobre el WC se evidencia en la Fig. 5. De acuerdo a Liy col. [17], el uso de una irradiación excesiva por láser enpost-tratamientos térmicos ha producido que la fase decarburo de tungsteno se descomponga térmicamente primeroen W2C y luego esta en W y C. Sin embargo, cuando esadescomposición del WC ocurre por su oxidación durante elrociado en condiciones poco reductoras, la descomposiciónocurre directamente a W. Como en este caso no se observóla formación de la estructura típica faceteada del W2C, sepodría decir que ocurrió una decarburización del WC poroxidación durante el tratamiento térmico.

Fig. 5. Efecto del sobrecalentamiento por tratamiento tér-mico posterior sobre la descomposición del WC en un re-cubrimiento HVOF de WC-Co/Ni-W-Cr. La fase clara co-rresponde al carburo.

Un análisis químico y morfológico (Fig. 6) más detalladode la interfase creada por la fusión parcial del substratopermitió distinguir tres zonas de diferente composición: lazona 1que pertenece al substrato de acero, la intercara (zonaII) donde se encuentra la estructura eutéctica de composiciónen porcentaje atómico: 14Cr35Fe5ColONi36W en unamatriz equi-atómica de Fe y Ni. Finalmente la zona ID dondeel recubrimiento es similar al de las muestras originalespero con la variante de un aumento en el contenido de Fe.

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Fig. 6. Detalle de interfase rica en W mostrada en la Fig. 4

La realización de análisis lineales en la intercarasubstrato/recubrimiento permitió determinar la inter-difusión entre el Fe del substrato y el Ni de la matriz delrecubrimiento por efecto del tratamiento térmico (Fig. 7).Esta evaluación permite igualmente corroborar que las fasesde partículas grisáceas y claras corresponden a boruros ocarburo s complejos ricos en W y Cr.

(U.A.)1200

800

600

400

200

o 10 30 3.51.5 20 2.5Diriancia.( _ )

Fig.7. Analisis Lineal en intercara de un recubrimiento HVOFde WC-Co/Ni-W-Cr tratado térmicamente.

5

El análisis de porosidad realizado en cinco (5) imágenesde los recubrimiento s tratados térmicamente, reveló que lamayor cantidad de microporos tiene un tamaño entre 0,5 y0,7 micrones. La fracción volumétrica de poros disminuyócon el tiempo de mezclado de las materias primas, desde4,7 hasta 1,8 por ciento. El sobrecalentamiento ocurridoen las muestras de 1 y 8 horas de mezcla de los polvosrociados, promovió un mayor porcentaje de poros entre

·0,9 Y 1,3 ~m que se puede atribuir a la coalescencia deporosidad por la descomposición térmica por oxidación delWc.

En la Tabla 5 se citan los porcentajes promedio obtenidospara ambos recubrimientos, con y sin estructura eutécticaen la interfase.Tabla 5. Distribución del tamaño de poros obtenidos enrecubrimientos HVOF de WC-12%Co / Ni-W-Cr.

Rango de tamañode poros (um)

Recubrimientocon eutéctico

Recubrimientosin eutéctico

0,30 0,500,51- 0,700,71-0,900.91-1,101,11- 1,30

1840201210

20482264

El promedio de diez (10) medidas de microdureza con300g de carga, a las muestras antes y después del tratamientotérmico, se listan en la Tabla 6. El aumento obtenido por eltratamiento térmico puede explicarse por la mayorhomogeneidad microestructural de las fases finas bi ytrimetálicas propias del Ni-W-Cr y, un posibleendurecimiento de la matriz del recubrimiento por suenriquecimiento en W disuelto proveniente del Wc. A títulocomparativo se incluyen los valores obtenidos en otrostrabajos [17-19] donde se han obtenido recubrimientos deWC-12%Co y Colmonoy, bajo las mismas condiciones deoperación y post-tratamiento térmico. Se puede observar elefecto negativo del sobrecalentamiento sobre la dureza delrecubrimiento, correspondiéndose con el mayor porcentajede poros de mayor tamaño y por otro lado el enriquecimientoen Fe del recubrimiento. Por el contrario, la dureza aumentócon el tiempo de mezclado, al comparar los valores obtenidoscon 3 y 5 horas de mezcla, alcanzándose aproximadamente1000 Kg/mm? en la condición tratada térmicamente.

Tabla 6. Microdureza (300 g) obtenida en recubrimientos HVOFde WC-12%Co / Ni-W-Cr.

RecubrimientoHVOF En condición(Tiempode mezcla en comorociadahoras)

En condicióncomorociada y tratada

térmicamente

WC-12%Co 1300 1350

Colrronoy750 920

(Ni-W-Q--Fe-Si-B-C)

WC-QYNi-W-Cr(lh) 768 890

WC-CoINi-W-Cr(3h) 890 925WC-QYNi-W-Cr(5h) 890 995

WC-Co/Ni-W-Cr(8h) 825 925

.. -,

G. Castro y col. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

4. Conclusiones

El uso de MEB, EDS y análisis de imágenes permitióevaluar la microestructura obtenida en recubrimientosrociados térmicamente por la técnica HVOF de mezclas demateriales compuestos de WC-12%Co y una aleación baseNi-W-Cr, procesadas a diferentes tiempos en un atritor. Seencontró que la porosidad del recubrimiento disminuyó conel tiempo de mezclado de los polvos rociados.

El tratamiento térmico realizado permitió lahomogenización en la distribución de las fases, productode una dispersión de la fase prismática de WCconjuntamente con las fases bi y tri metálicas presentes enla aleación de Ni-W-Cr y, debido posiblemente a un procesode solución-reprecipitación el incremento en la fracciónvolumétrica de estas últimas con una morfologíaredondeada, a expensas del Wc. Esta homogenizaciónmicroestructural y disminución de la porosidad inicialprovocó un aumento de la dureza. Desde el punto de vistade resistencia mecánica, el estudio microestructural hechopermite sugerir el uso de mezclas con mayor contenido deWC-Co, para promover una mayor conectividad de la fasedura que conllevaría a una mayor resistencia mecánica y aldesgaste del recubrimiento.

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