Análisis de la distribución de WC y su efecto en el comportamiento tribológico de recubrimientos de NiCrBSi+WC plaqueados con láser

Abstract

La presente tesis doctoral estudia la caracterización tribológica de recubrimientos compuestos de NiCrBSi reforzados con distintas concentraciones teóricas en masa (0, 10, 20, 30, 40 y 50%) de partículas esferoidales de carburo de wolframio (WC) realizados mediante plaqueado con láser de CO2. Los recubrimientos finales obtenidos tras el plaqueado láser presentan baja porosidad y dilución, sin grietas y un espesor en torno a 1 mm de altura. El mecanizado superficial posterior de estos recubrimientos hace que su espesor sea de 800 micras o menos. Su comportamiento tribológico debería ser independiente de su espesor si la distribución de las partículas de WC fuera homogénea por todo el recubrimiento. Sin embargo, la distribución de esas partículas no es homogénea porque tienden a precipitar hacia el fondo del recubrimiento ocasionando un gradiente de concentración. Así, la mayor concentración de partículas de WC está en la zona próxima al sustrato y en las zonas de solapamiento entre cordones, y esta concentración va descendiendo paulatinamente conforme la distancia al sustrato se hace cada vez mayor. Como consecuencia, la concentración de partículas de WC en la superficie del recubrimiento va a ser diferente de la teórica. Esto afecta al comportamiento tribológico del recubrimiento, que dependerá del espesor de recubrimiento que quede tras su mecanizado. Una de las aportaciones novedosas de esta tesis es que, para cada porcentaje teórico en masa de WC, introducido en el alimentador de polvo, se estudia en detalle la distribución de las partículas de WC a lo largo del espesor de los recubrimientos, con el fin de establecer un modelo de distribución de dichas partículas. Disponer de este modelo, y su validación, puede resultar muy interesante para el diseño de recubrimientos de NiCrBSi + WC, ya que con él se podrá estimar la concentración real de partículas de WC a cualquier altura del recubrimiento sabiendo la concentración teórica de WC introducida en el alimentador de polvo. Otra de las aportaciones de esta tesis es que se analizan los resultados de fricción y desgaste en función de la concentración de WC que realmente hay en la superficie del recubrimiento sometida a ensayo de desgaste, en vez de hacerlo en función de la concentración teórica introducida en el alimentador de polvo, como se ha hecho habitualmente. Esta concentración en superficie ha sido medida en cada ensayo. Se han realizado ensayos de desgaste en seco de tipo bola-placa reciprocante (adaptación de ASTM G133-05) así como ensayos de tipo bola-disco (adaptación de ASTM G99-05). De este modo se estudian tanto movimiento alternativo, como movimiento unidireccional a velocidad constante. Los resultados de desgaste con ambos tipos de ensayo son semejantes. Se observa cómo el desgaste disminuye exponencialmente con el incremento del porcentaje en masa de partículas de WC en la superficie del recubrimiento hasta aproximadamente un 30% en masa de WC. A partir de este porcentaje, la mejora en el desgaste sigue produciéndose, pero es poco significativa. Por otro lado, el coeficiente de fricción no presenta una correlación clara con el porcentaje en masa de partículas de WC en la superficie, siendo la variación de éste poco significativa. La unión de los modelos de distribución de partículas de WC en altura del recubrimiento, junto con la relación exponencial de resistencia al desgaste en función del porcentaje real en masa de partículas de WC, permite deducir una muy interesante cualidad: a medida que un determinado recubrimiento se va desgastando, éste va perdiendo espesor, y, en consecuencia, el porcentaje en masa de WC expuesto en la superficie de contacto va aumentando. Esto conlleva que se espere una tasa de deterioro del recubrimiento decreciente, es decir, el recubrimiento es más resistente al desgaste cuanto más se desgasta.