Caracterización de austenita expandida generada por cementación iónica de aceros inoxidables....
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expandida generada por cementación iónica de aceros inoxidables. Estudio de la estabilidad frente a la irradiación con haces de iones ligeros energéticos Javier García Molleja Director: Jorge Feugeas Consejera: Mª Dolores Calzada Tesis presentada para optar al grado de Doctor en Física
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Caracterización de austenita expandida generada por
cementación iónica de aceros inoxidables. Estudio de la
estabilidad frente a la irradiación con haces de iones ligeros
energéticosJavier García Molleja
Director: Jorge FeugeasConsejera: Mª Dolores Calzada
Tesis presentada para optar al grado de Doctor en Física
El acero Tratamiento de superficies El plasma
INTRODUCCIÓN
El acero es una combinación de hierro y carbono (< 2 %) junto con la adición de otros elementos a la aleación.
El diagrama Fe-C presenta una zona de interés cuando la concentración de carbono es pequeña.
Se dan fases cristalinas estables bajo diferentes temperaturas, además de localizarse un punto eutéctico.
El acero
El acero
La presencia de carbono en el acero puede dar lugar al desarrollo de carburos, que cambian las propiedades del conjunto.Los elementos aleantes también juegan un papel importante en cuanto a las propiedades finales.Las propiedades relevantes en los aceros son eléctricas, magnéticas, térmicas y nucleares.
En particular, los aceros inoxidables contienen un mínimo de 11 % de cromo para formar en su superficie una película pasivante que impida la entrada de oxígeno a la estructura.
Se caracterizan por presentar gran resistencia a la corrosión, a temperaturas elevadas y a muy bajas temperaturas.
Algunos contienen molibdeno, elemento que le confiere resistencia a las picaduras.
El acero
El acero austenítico presenta una estructura cristalina fcc (cúbica centrada en las caras).
Esta estructura es estable a altas temperaturas o cuando el acero está fuertemente aleado con níquel (3,5-22 %).
Los aceros austeníticos tienen alta resistencia a la corrosión, son soldables, con buen factor higiene-limpieza, se utilizan en un amplio rango de temperaturas, no son endurecibles por tratamiento térmico y son de alta aplicabilidad.
Uno de los aceros inoxidables austeníticos más empleados es el AISI 316L, que es el que utilizamos en esta tesis.
El acero
La modificación superficial puede llevarse a cabo de varias formas.
Una de ellas es la implantación iónica, proceso en el que iones de altas energías penetran en la superficie virtualmente como proyectiles.
Otra es la difusión atómica, en donde los átomos difunden al interior siguiendo la ley de Fick.
Tratamiento de superficies
La cementación y la nitruración iónicas son métodos utilizados en la modificación de superficies, principalmente de aceros.
Estos procesos se basan en la generación de especies activas de C o N a través de la formación de un plasma mediante una descarga eléctrica en donde la superficie a tratar se halla a potencial negativo.
Tratamiento de superficies
Los tratamientos de modificación superficial se llevan a cabo mediante plasmas.
Una descarga DC a baja presión presenta una curva de tensión-corriente como la de la figura.
Trabajamos en la región de luminiscencia, denominada glow.
En esta región las temperaturas de las especies variarán mucho, en especial, la temperatura electrónica será elevada, lo que ayuda a llevar a cabo procesos a temperaturas del gas más bajas, evitando degradaciones.
Los átomos neutros se excitarán por colisiones, emitiendo radiación visible.
El plasma
El plasma
En la descarga glow existirán zonas oscuras y luminosas.En la región catódica se da la mayor caída de potencial. En esta zona los iones positivos mayoritarios de la región son acelerados hacia el cátodo y los electrones ganan energía para producir multitud de ionizaciones y colisiones en la región del glow negativo. Es una zona de alta intensidad lumínica y de densidad volumétrica de electrones.
Reactores utilizados Instrumentos y principios físicos para la
caracterización
EXPERIMENTO
Se emplearon alternativamente dos reactores.1. Consta de una cámara de 8,8 L con dos ventanas. El
cátodo tiene una superficie de 164 cm2.2. Consta de una cámara de 5,1 L con una única ventana
en la parte superior. Posee un cátodo de 265 cm2, donde se pueden encastrar probetas de 2 cm de diámetro y 6 mm de longitud.
Reactores utilizados
Vacío previo (bomba mecánica) de ~10-2 mbar. Limpieza de las superficies a tratar: plasma de
hidrógeno durante 15 minutos a 1,484 mbar. La presión de trabajo durante la cementación
fue de 5 mbar a temperaturas entre 400 y 410 ºC.
Mezcla de gases en la cementación:◦ C50-: Consta de 50 % de Ar, 45 % de H2 y 5 % de CH4.
◦ C80-: Consta de 80 % de Ar, 15 % de H2 y 5 % de CH4. Tiempos de tratamiento utilizado:30, 60 o 120
minutos.
Reactores utilizados
Para comparar la cementación con la nitruración se realizan tratamientos de esta última técnica. Composición de la mezcla gaseosa:◦ 80 % de H2 y 20 % de N2.
Tiempo de tratamiento: 80 minutos.
Reactores utilizados
Microscopía Óptica: microscopio OLYMPUS MG (perteneciente al Laboratorio de Metalurgia del IMAE).
Difracción de Rayos X en Ángulo Rasante (GIXRD): difractómetro PHILIPS X’Pert. Con una fuente de Cu Ka a 40 kV y 30 mA. El rayo incidente es un haz paralelo de 4x4 mm2.
Ángulos de incidencia utilizados: 2 o 10º (0,7-3 mm de profundidad). Barrido entre 30 y 80º. Pasos de 0,03º y 1 s.
Instrumental
Microindentación Vickers: microdurómetro SHIMAZDU HMV-2 (perteneciente al IMAE). La punta es de diamante con base rectangular formando un ángulo de 136º entre caras opuestas. Se aplican distintas cargas durante 10-15 s.
Tribología: método ball-on-disc. Tribómetro TRM100 Dr.Ing. GEORG WAZAU. Bola de alúmina de 5 mm de radio, velocidad lineal de 0,1 m/s, 8842 revoluciones y huella a 9 mm del centro de la probeta. Estas condiciones implican una distancia de recorrido de 500 m. La carga fue de 10 N. No existe lubricación.
Instrumental
Instrumental
Observando la sección de la huella se conoce el valor de desgaste sufrido a través del volumen eliminado por unidad de longitud:
)sen(2
1 2 rS
El ángulo se obtiene al conocer el diámetro de la huella, D, y el radio r de la bola:
2
2
21cos arc
r
D
Corrosión: Inmersión durante 60 días de las probetas más una de material base en un litro de agua con una concentración de NaCl de 5,85 % de peso en volumen.
Espectroscopia Electrónica de Auger (AES): dispositivo PERKIN ELMER (perteneciente al INTEC, Santa Fe). Sputtering con iones de Ar a 4 keV con una corriente de 15 mA. El cañón electrónico es de 2 keV y 2 mA de corriente. Presión de trabajo 5,33·10-8 mbar.
Instrumental
Haz Iónico Focalizado (FIB): se recurre a un haz de iones de galio a 30 kV y 10 pA en un dispositivo FEI Helios NanoLab™ 600 - (Dualbeam), perteneciente a la Universidad de Roma Tre, Italia. Un detector recoge electrones e iones secundarios. El dispositivo puede funcionar también como SEM (Microscopio Electrónico de Barrido). Se pueden alcanzar aumentos de 350000X.
Instrumental
Conceptos sobre la austenita expandida Estudio sobre el material base Estudio sobre los aceros tratados superficialmente
◦ Estudio Auger◦ Estudio de dureza◦ Estudio de desgaste◦ Estudio de corrosión
Resistencia de la austenita expandida a la irradiación y temperatura◦ Resistencia de la austenita expandida a la irradiación
Resistencia de la austenita expandida a la irradiación: efecto sobre la dureza
◦ Resistencia de la austenita expandida a la temperatura
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los resultados experimentales muestran que tanto el C como el N se alojan en la red por difusión rápida alcanzando porcentajes de hasta 38 % de N y 28 % de C sin apreciarse precipitados.
Esta Supersaturación Colosal de estos elementos en la austenita dan lugar a lo que se conoce como austenita expandida, que puede obtenerse a partir de un 12 % de concentración de C o N.
Conceptos sobre la austenita expandida
El acero inoxidable austenítico tiene una estructura cristalina fcc, que presenta huecos intersticiales tetraédricos y octaédricos.
Considerando a la red como constituida por solo Fe con el C alojado en los huecos, la red se expandirá 33,6 pm si se localiza en un octaédrico y 86,8 pm si lo hace en un tetraédrico.
Conceptos sobre la austenita expandida
La austenita expandida permite una mayor concentración de carbono en la red que su máxima solubilidad en un diagrama Fe-C.
El C tiene menos solubilidad que el N (por menor afinidad con el Cr), por lo que la concentración será menor, así como la expansión, pero el espesor de la capa será mayor.
La estructura de la austenita expandida es fcc tensionada y con defectos, aunque hay autores que indican que puede ser triclínica o tetragonal.
Conceptos sobre la austenita expandida
Los iones de carbono creados por el plasma se implantarán en la red, difundiéndose según las leyes de Fick.
La formación de una solución estable o un compuesto dependerán de las energías libres de Gibbs involucradas en el proceso.
La difusión, por tanto, es un proceso térmicamente activado.
Conceptos sobre la austenita expandida
Llevando a cabo cálculos del camino libre medio del ión de carbono y las propiedades del plasma se puede determinar que se implantará en la red a 5 Å de profundidad al llegar con una energía de 55 eV (estimación teniendo en cuenta el tamaño de la caída catódica y la densidad en el medio).
Debido a sus bajas energías los iones se neutralizan rápidamente en la red.
Conceptos sobre la austenita expandida
Mediante GIXRD se determina el parámetro de red aplicando la ley de Bragg a los tres picos principales.
Utilizando el método de Nelson-Riley (representar los parámetros de red frente a cotag(q)·cos (q) y determinar el intercepto) tenemos que a= 3,584 Å.
Estudio sobre el material base
Con cargas de 25 y 300 g determinamos que la dureza del material base es de 264 HV, o 2,589 GPa.
Con las condiciones experimentales para la sesión de desgaste obtenemos un valor de S= 2,23·10-8 m3/m.
El ataque corrosivo en solución de cloruros no muestra picaduras ni agresión externa, propiedad típica del acero AISI 316L.
Estudio sobre el material base
Probeta Tiempo (min)
Presión (mbar)
Tensión (V)
Corriente (A)
Temperatura (ºC)
C50-030 30 4,985 572 1,14 401
C50-060 60 5,001 545 1,08 406
C50-120 120 4,982 549 1,35 411
Estudio sobre los aceros tratados superficialmente
Probeta Tiempo (min)
Presión (mbar)
Tensión (V)
Corriente (A)
Temperatura (ºC)
C80-030 30 4,993 415 1,43 409
C80-060 60 4,993 455 1,39 404
C80-120 120 4,984 520 1,36 406
Los datos experimentales para C50- son los siguientes:
Los datos de las sesiones C80- se consignan en la siguiente tabla:
La densidad de corriente para las sesiones C50- fue de 7,0 mA/cm2, mientras que para las C80- fue de 8,1 mA/cm2.
Se aprecia una película externa de grafito compuesta por carbono que no ha podido entrar dentro de la estructura. Con una proporción de metano menor a 5 % se evita la aparición de hollín.
Estudio sobre los aceros tratados superficialmente
Estudio sobre los aceros tratados superficialmente
Con Microscopía Óptica se analiza la sección transversal de las probetas.Se observa que a mayor tiempo de tratamiento se alcanza un mayor espesor de la capa de austenita expandida.El espesor de la probeta C50-030 es de 14 mm (arriba), mientras que el de la probeta C80-120 es de 27 mm (abajo).La interfase resulta bien definida.La capa de austenita expandida es resistente al ataque corrosivo con ácido oxálico.
Mediante FIB se observa la zona superior transversal de la austenita expandida. No se observan carburos de Hägg.
a) muestra las diferentes orientaciones cristalográficas del material base, con anchura entre 2-5 mm y b) muestra la cantidad de defectos y fallos de apilamiento de la probeta C50-030, con anchura de las maclas entre 0,5-2 mm.
La parte más superficial es resultado del proceso de pulido.
Estudio sobre los aceros tratados superficialmente
Los difractogramas a 10º de incidencia muestran la estructura típica de la austenita, con los planos (111), (200) y (202) pero desplazados a menores ángulos, indicando mayor parámetro de red.
Representando la expansión de las muestras C50- y C80- con el método de Nelson-Riley se observa que la mayor expansión se logra en los primeros 30 minutos, correspondiendo a un 90 % de la expansión total a 120 minutos.
Estudio sobre los aceros tratados superficialmente
Probeta Parámetro de red (Å)
Expansión (%)
C50-030 3,660 2,12
C50-060 3,661 2,15
C50-120 3,666 2,29
Estudio sobre los aceros tratados superficialmente
Probeta Parámetro de red (Å)
Expansión (%)
C80-030 3,654 1,95
C80-060 3,669 2,37
C80-120 3,659 2,09
Mediante AES podemos determinar el perfil elemental en los primeros 156 nm de profundidad (65 minutos de sputtering).
En las C50- la cantidad de Fe crece hasta un valor estacionario (62 %). El C es máximo en la superficie pero cae su concentración al 15 % rápidamente. El O es un contaminante superficial que desaparece en las primeras capas. El Cr va aumentando poco a poco su concentración.
Estudio Auger
Para las probetas C80- el Fe va creciendo con la profundidad hasta un 60 %. El C decrece respecto a su concentración superficial hasta un valor estacionario que crece con el tiempo de tratamiento: a) 15 %, b) 14 % y c) 28 %.
La concentración de Cr va aumentando con la profundidad, aunque a los 5 minutos de sputtering alcanza un máximo de concentración (21 %) conformando una cúpula, que indica un enriquecimiento superficial por sputtering preferencial.
Estudio Auger
Con AES es posible determinar el estado químico en el que se encuentra el carbono en la red austenítica expandida.
La técnica se denomina Análisis de Factor. Se puede determinar la proporción de carbono
ligado químicamente (tipo carburo) y la de carbono disuelto libremente (tipo grafito).
El C carburo está presente en todas las probetas y aumenta con la profundidad. Su origen se debe a las altas densidades superficiales de corriente (> 7,0 mA/cm2).
Estudio Auger
Estudio Auger
Para los primeros 2000 nm se aplica indentación Berkovich con diferentes cargas sobre la superficie.
Para la C50-030 la dureza superficial es de 11,8 GPa y para la C80-030 es de 11,0 GPa. Ambos valores se alcanzan a profundidad de 200 nm.
A la profundidad máxima analizada la dureza decrece de la misma manera en ambas probetas, hasta llegar a 8 GPa.
Estudio de dureza
A mayor profundidad de 2 mm la técnica anterior deja de ser válida, por lo que se recurre a nanoindentaciones Vickers en la sección transversal de la probeta.
La dureza máxima se alcanza a los 10 mm de profundidad, donde C50-030 alcanza 7,5 GPa y C80-030 posee una dureza de 8,8 GPa.
La dureza decrece hasta los 15 mm de profundidad, manteniendo un valor constante de 5,2 GPa de dureza hasta la máxima profundidad analizada.
Estudio de dureza
Para mayores profundidades de 140 mm es necesario aplicar indentaciones Vickers con cargas de 300 g.
Los ensayos se realizan a partir de la interfase austenita expandida-material base hasta profundidades de 6 mm.
La dureza de C50-030 es de 2,84 GPa, mientras que para C80-030 es de 2,70 GPa. A profundidades de 1 mm el valor de dureza disminuye hasta 2,50 GPa, valor cercano al del material base.
Estudio de dureza
Estudio de desgaste
Rv
La austenita expandida es la responsable del aumento de la resistencia al desgaste.
Se observa una mejora de la resistencia al desgaste y una reducción de la fricción a mayor tiempo de tratamiento. Esto se debe a que el carbono libre de tipo grafítico actúa como lubricante sólido.
Estudio de desgaste
Probeta S (m3/m) W%
C50-030 1,34·10-8 60
C50-060 0,15·10-8 7
C50-120 5,22·10-8 234
C80-030 0,36·10-8 16
C80-060 0,34·10-8 15
C80-120 0,16·10-8 7
En la superficie se observa a simple vista una capa adjudicada a grafito.
Para las probetas C50- se observan regiones con manchas grisáceas de 80 mm de diámetro, que son en realidad agrupaciones de picaduras de 5 mm de diámetro. Fuera de las agrupaciones tienen un tamaño de 0,5 mm.
La mayor concentración de picaduras se da en los bordes de grano y en las bandas de deslizamiento, por ser centros de alta energía creados por la precipitación de Cr, que se liga al C.
Se pierde la calidad del acero base ante la corrosión, pero es un efecto únicamente superficial.
Para las probetas C80- la corrosión es generalizada y se observa una penetración cercana a los 2 mm.
Estudio de corrosión
Estudio de corrosión
Se analizan probetas cementadas y nitruradas de acero AISI 316L ante la irradiación con haces de iones ligeros energéticos y su comportamiento ante tratamientos térmicos prolongados donde la superficie puede estar recubierta por nitruro de aluminio.
Resistencia de la AE a la irradiación y temperatura
Las probetas utilizadas para este estudio fueron tratadas con temperaturas que oscilaron entre 400-410 ºC, con un tiempo de 80 minutos.
Para la cementación se usa una mezcla de 50 % de Ar, 45 % de H2 y 5 % de CH4.
Para la nitruración se usa una mezcla de 80 % de H2 y 20 % de N2.
Para la nitruración la densidad de corriente fue de 1,55 mA/cm2 y para la cementación fue de 2,08 mA/cm2.
Resistencia de la AE a la irradiación y temperatura
El proceso de bombardeo con iones ligeros se lleva a cabo mediante un dispositivo de plasma focus de 2 kJ tipo Mather con un ánodo de 40 mm de diámetro.
Vacío previo (limpieza): 0,013 mbar. Presión de trabajo: 1,6 mbar de
deuterio (D) o helio (He). Tensión de carga del banco de
condensadores (4 mF): 31 kV. La probeta se coloca a 82 mm del
ánodo, por lo que la densidad de potencia desarrollada es de 10 MW/cm2.
Se cubre la mitad de la probeta con una lámina de acero.
Número de descargas sobre las probetas 1, 5 y 10 descargas.
Resistencia de la AE a la irradiación
La morfología superficial se analiza mediante Microscopía Óptica a 500X. Las probetas cementadas no presentan efectos diferentes con respecto al tipo
de gas empleado en el bombardeo (D o He). A mayor número de descargas aumenta la densidad de cráteres y eyección
de material. Los fuertes gradientes térmicos (que en las primeras capas se pueden
alcanzar 1500 ºC en los primeros nanosegundos) provocan la creación de bandas de deslizamiento entrecruzadas.
Resistencia de la AE a la irradiación
Cementada, 1 descarga de D Cementada, 10 descargas de He
En el caso de las probetas nitruradas tampoco se observan diferencias al cambiar la naturaleza de los iones.
Sin embargo, se determina que las muestras nitruradas presentan menos resistencia al bombardeo iónico que las cementadas.
Aparecen cráteres y zonas de eyección, junto al descamado superficial por los fuertes gradientes térmicos involucrados.
A mayor número de descargas empieza a observarse la fusión de las primeras capas.
Resistencia de la AE a la irradiación
Nitrurada, 1 descarga de D Nitrurada, 10 descargas de He
Los análisis de FIB/SEM utilizando Ga+ nos sirven para determinar con más detalle la morfología superficial, así como su sección transversal.
Ambos tipos de gases empleados para la irradiación provocan cráteres en la superficie.
En las probetas cementadas se localizan bandas de deslizamiento entrecruzadas. En la probeta nitrurada se localizan grietas y abombamiento por la fusión de las primeras capas.
Resistencia de la AE a la irradiación
Cementada, 1 pulso de He Cementada, 5 pulsos de D Nitrurada, 5 pulsos de D
La sección transversal muestra que existen granos que están tensionados por el proceso de bombardeo.
Las probetas con varios pulsos de gas muestran la fusión y amorfización de las primeras capas del acero.
A 3 mm de profundidad los efectos térmicos no elevan la temperatura hasta el punto de fusión.
También se observa la aparición de cristalitas que pueden ser la nucleación y crecimiento breve de acero austenítico tensionado.
Resistencia de la AE a la irradiación
Cementación, 1 descarga de He Cementación, 5 descargas de D Nitruración, 5 descargas de D
La formación de cristalitas se da mayoritariamente a los tres micrómetros de profundidad.
La elevación de temperatura provoca el reinicio de los procesos difusivos, dejando esta zona sin elementos expansores (C o N).
El rápido descenso de temperatura frena el crecimiento de cristalitas de acero inoxidable austenítico, formando gotas de 36 nm de diámetro o agregados de estas.
La matriz amorfa inducirá las fuertes tensiones residuales.
Resistencia de la AE a la irradiación
Mediante GIXRD incidiendo a 2 y 10º se puede analizar la estructura cristalina de las probetas bombardeadas, que corresponden a profundidades de sondeo de 0,7 y 3 mm, respectivamente.
La parte oculta presenta un difractograma semejante al que tiene antes de llevar la probeta al plasma focus.
Resistencia de la AE a la irradiación
Cementada, con pulsos de D Nitrurada, con pulsos de D
Se analiza únicamente el pico (111), aunque el comportamiento es idéntico para los picos (200) y (202).
A número creciente de disparos el pico se va desplazando a mayores valores angulares, es decir, a menores parámetros de red.
Existe otro pico que aparece siempre en la posición angular de 43,3º.
En combinación con FIB/SEM, el desplazamiento de picos puede estar relacionado con el aumento de temperatura y la difusión de N o C hacia el interior, perdiendo gradualmente la expansión de la red fcc.
El pico anclado a 43,3º puede estar originado por las cristalitas presentes en los primeros 3 mm de material. Este valor representa un parámetro de red de 3,6163 Å, con una expansión relativa de 0,90 %.
Resistencia de la AE a la irradiación
En estos dos casos se vuelve a advertir la pérdida de expansión austenítica con un número creciente de pulsos.
Para la probeta cementada no aparece el pico fijo en 43,3º, coincidiendo con la ausencia de cristalitas analizadas mediante FIB/SEM.
Para la muestra nitrurada sí aparece dicho pico. Al estar superpuesto se intuye que la pérdida de expansión se dará hasta que el parámetro de red coincida con el del pico anclado en 43,3º.
Resistencia de la AE a la irradiación
Cementada, con pulsos de He Nitrurada, con pulsos de He
Disparos Deuterio (Å)
Expansión (%)
Helio (Å) Expansión (%)
0 3,6696 2,39 3,6779 2,62
1 3,6545 1,97 3,6529 1,92
5 3,6491 1,82 3,6557 2,00
10 3,6429 1,64 3,6504 1,85
Resistencia de la AE a la irradiación
Disparos Deuterio (Å)
Expansión (%)
Helio (Å) Expansión (%)
0 3,8073 6,23 3,7984 5,98
1 3,7491 4,61 3,7415 4,39
5 3,6691 2,37 3,6743 2,52
10 3,6468 1,75 3,6556 2,00
Tratamiento de cementación sobre acero AISI 316L
Tratamiento de nitruración sobre acero AISI 316L
Para iones ligeros, el efecto de la irradiación parece no depender de la masa iónica.
El efecto es dependiente (acumulativo) del número de descargas.
La mayor expansión de la red (AE) se logra mediante la nitruración, pero la degradación de la expansión es del mismo nivel en ambos tratamientos cuando sufre la superficie un número elevado de descargas.
Resistencia de la AE a la irradiación
Mediante indentaciones Vickers con cargas de 25 g se puede determinar la dureza superficial.
Resistencia de la AE a la irradiación: efecto sobre la dureza
Disparos Deuterio (HV) Helio (HV)
0 999±51 965±61
1 827±34 815±34
10 --- ---
Disparos Deuterio (HV) Helio (HV)
0 461±25 443±34
1 364±34 293±6
10 366±16 367±14
Acero AISI 316L nitrurado
Acero AISI316L cementado
Los valores de la AE se realizaron sobre la zona oculta por la lámina. Los valores son semejantes a antes de llevar la probeta al plasma focus.
La dureza de las probetas nitruradas es mayor que la de las cementadas.
A diez pulsos en la nitruración se produce la fusión superficial y su amorfización. No se pudo medir el valor de dureza. No se observan diferencias al cambiar de gas para bombardeo.
Para la cementación los valores de dureza al utilizar D no cambian mucho, pero sí para el He.
Resistencia de la AE a la irradiación: efecto sobre la dureza
Los choques térmicos hacen desplazar el pico (111) a mayores ángulos, ya que se reactivan los procesos difusivos.
Para determinar los mecanismos de este proceso se llevaron a cabo tratamientos térmicos prolongados.
Se recurrió a la deposición de una lámina de nitruro de aluminio (AlN) para comprobar sus propiedades como barrera contra la oxidación.
Resistencia de la AE a la temperatura
La deposición se lleva a cabo mediante sputtering por magnetrón, en su modo reactivo.
Se usa un magnetrón con blanco de Al de alta pureza y se aplica una tensión de 260 V en modo DC y una corriente de 154 mA. La densidad de potencia es de 5,01 W/cm2. Previamente se hizo a cabo una limpieza con Ar e H2 durante 15 minutos y se colocó un obturador 20 minutos para que la descarga sea estable.
El proceso se lleva a cabo en un reactor de 94,03 L tras hacer un vacío de 9,60·10-5 mbar y purgar con Ar.
La atmósfera de trabajo es de 50 % de Ar y 50 % de N2 a 6,65·10–3 mbar y flujo de 12,0 mL/min.
La probeta se coloca a 3 cm del blanco.
Resistencia de la AE a la temperatura
Bajo estas condiciones la tasa de deposición es de 11 nm/min, por lo que alcanzamos un espesor total de 330 nm tras 30 minutos de deposición.
La capa no posee estructura cristalina al ser la rugosidad del sustrato (el acero austenítico nitrurado o cementado) muy elevada.
Las muestras nitruradas o cementadas con capas de AlN, y sin ella, fueron sometidas a un horno a temperaturas de 225, 325, 405 y 504 ºC durante tiempos de 20, 40 y 60 horas.
Resistencia de la AE a la temperatura
Mediante GIXRD a 2º de incidencia analizamos una probeta cementada con capa superior de AlN y otra sin ella. Ambas fueron tratadas durante 60 horas a 405 ºC.
Se observa que la capa de AlN evita la entrada de oxígeno en la estructura, puesto que se reducen en gran cantidad los picos adjudicados a α-Fe2 O3.
El resto de picos que aparecen junto a los de óxido y austenita expandida pueden ser adjudicados a la existencia de Cr3C2, por lo que la presencia de AlN no influye en los procesos que se dan de por sí en la austenita expandida.
Resistencia de la AE a la temperatura
Los análisis se llevan a cabo en los picos (111), puesto que el comportamiento es análogo en los (200) y (202).
El análisis es independiente de si existe o no capa superior de AlN.
Para la muestra cementada se realizan análisis mediante GIXRD a 10º.
Para 225 y 325 ºC no se observa desplazamiento acusado del pico a mayores valores angulares respecto a la muestra cementada antes de llevar al horno. Puede que existan fenómenos de reacomodamiento.
El tiempo parece no tener efecto en la reducción del parámetro de red.
A 405 y 504 ºC se observa mayor grado de desplazamiento, debido a que se ha superado en mayor medida el umbral de activación de los procesos difusivos.
Resistencia de la AE a la temperatura
Temperatura (ºC)
Tiempo (h)
Parámetro de red (Å)
Expansión (%)
225 20 3,6858 2,84
225 40 3,6841 2,79
325 20 3,6800 2,68
405 20 3,6594 2,10
405 40 3,6531 1,93
405 60 3,6521 1,90
504 20 3,6318 1,33
Resistencia de la AE a la temperatura
Muestra de acero austenítico inoxidable AISI 316L cementado sometido a tratamientos de alta temperatura durante tiempos prolongados. Previamente, su parámetro de red se calculó en 3,6880 Å, que equivale a una expansión relativa de 2,90 %.
En el caso de tratamientos térmicos en probetas nitruradas los análisis GIXRD a 10º muestra un comportamiento similar.
La activación de los fenómenos de difusión tiene lugar a partir de 300 ºC, pero la fuerza de conducción aún es pequeña.
Cuando la temperatura llega a la de nitruración utilizada (400 ºC) los procesos difusivos se desencadenan en gran medida, por lo que la reducción del parámetro de red es mucho mayor que a temperaturas más bajas.
Resistencia de la AE a la temperatura
Temperatura (ºC)
Tiempo (h)
Parámetro de red (Å)
Expansión (%)
225 20 3,7308 4,10
225 40 3,7294 4,06
325 20 3,7173 3,72
405 20 3,6801 2,68
405 40 3,6756 2,56
405 60 3,6710 2,43
504 20 3,6398 1,56
Resistencia de la AE a la temperatura
Probeta de acero AISI 316L nitrurada sometida a altas temperaturas y tiempos prolongados. Antes del experimento térmico su parámetro de red fue de 3,7082 Å, que equivale a una expansión de3,46 %.
Se investigó la modificación superficial del acero AISI 316L mediante nitruración y cementación mediante plasma glow a baja presión (5 mbar) con tensión DC. Estos procesos dan lugar a la formación de austenita expandida.
Se investigó la estabilidad de la austenita expandida frente a la irradiación con haces de iones ligeros pulsados y de altas energías, y frente a temperaturas elevadas durante tiempos prolongados.
CONCLUSIONES
La austenita original del acero sufre una rápida expansión en los primeros 30 minutos de proceso.
La estructura generada es austenita expandida, sin precipitados macroscópicos.
Para la cementación iónica (AES), el C ligado se forma en la primera media hora, tras esto se adiciona en forma grafítica.
Las altas densidades de corriente son las que provocan la aparición de carburos.
CONCLUSIONES
La dureza es mayor que la del material base hasta los 0,7 mm de profundidad, alcanzando un valor máximo en la superficie de 12 GPa.
La resistencia al desgaste se mejora a mayor tiempo de tratamiento debido a la actuación del C grafítico como lubricante sólido.
La resistencia a la corrosión presenta desmejoras justo en la superficie (156 nm de profundidad).
CONCLUSIONES
Bajo irradiación iónica con D y He se aprecia mayor resistencia de la austenita expandida por cementación que por nitruración iónica.
Para un tratamiento dado, los efectos son indiferentes a la masa de los iones utilizados con que se irradie.
La estructura se degrada por los choques térmicos que activan la difusión y la fusión y amorfización superficiales.
Aparecen cristalitas de acero austenítico fuertemente tensionado, generando un pico de difracción en 43,3º.
CONCLUSIONES
La estructura cristalina se degrada a altas temperaturas y tiempos prolongados.
Una capa depositada de AlN evita la oxidación superficial.
La degradación no cambia mucho por el tiempo a una temperatura fija.
A partir de 405 ºC, que es la temperatura de trabajo para la generación de la austenita expandida, se acelera el proceso de degradación.
CONCLUSIONES
La austenita expandida induce sobre la superficie de los aceros inoxidables austeníticos una alta dureza y una alta resistencia al desgaste.
En el caso de la cementación iónica, la generación de una capa con C no químicamente combinado (grafítico) aumenta aún más su resistencia al desgaste por su efecto lubricante.
Las propiedades anticorrosivas pueden mantenerse siempre que se remuevan los primeros 156 nm, en donde se desarrollan incipientemente carburos, no presentes por debajo de estos valores.
CONCLUSIONES FINALES
A mis padres, hermano y tía madrina, por su apoyo. A Geo, por su amor y ayuda. A Jorge y Liliana por el afecto y por estar ahí en todo
momento. Al Grupo Física del Plasma, por la amistad e interesantes
conversaciones. A la gente de taller y de electrónica, por los aportes en los
experimentos e ideas de diseño. A los becarios e investigadores de la UNR y de los demás sitios
que colaboraron con nosotros en la creación de este trabajo. A los profesores y amigos de Física de la UCO. Al colectivo hBirra y asociados, por su amistad e integración. A la gente de España, por los buenos reencuentros y
anécdotas. A Horacio por su buena relación con todos los que conocía y
ayuda en los experimentos. No te olvidamos.
AGRADECIMIENTOS
19 de marzo. ¡Viva la Pepa!
Bicentenario de la Constitución de Cádiz (1812-2012)
