Selección de materiales de los sustratos y de los recubrimientos duros.

Como se ha mencionado, el desgaste por Fatiga de Contacto por Rodadura, es un fenómeno que se encuentra presente en elementos mecánicos tales como: engranes, levas, rueda riel y rodamientos. La industria manufacturera de rodamientos ha usado el acero SAE 52100 como un material normalizado desde el año 1920 [2] [3]. Este es un acero al cromo con alto contenido de carbono y contiene además pequeñas cantidades de Mn, Si, Ni y Mo. Sobre los materiales más utilizados para fabricar rodamientos se encontró que además del acero SAE 52100, también suelen utilizarse aceros como AISI 4320, AISI 4360, AISI 8620.

Para casos de altas temperaturas (hasta 320oC), se recomiendan aceros al molibdeno, conocidos como aceros de alta velocidad o aceros grado herramienta, entre ellos están los aceros M-1, M-2 y M-50. Para aplicaciones en ambientes corrosivos, se utiliza principalmente el acero inoxidable AISI 440C. Actualmente diversos grupos de investigación en todo el mundo están proponiendo materiales cerámicos (Si3N4, Al2O3, SiC) para fabricar las pistas de los rodamientos. Por último mencionar también el uso de los polímeros para la manufactura de pistas y otros componentes mecánicos que soportan poco esfuerzo.

Para la selección de los materiales a utilizar, se tomó como base lo que indican diferentes fabricantes de rodamientos, entre ellos SKF, TimKen, FAG, etc., y de acuerdo a las normas ASTM A295, A485, A534, A535 y A866. Como ejemplo de los materiales que cumplen con estas normas están: 52100, 1070, 4118, 4140, 4320, 4820, 5120, 8620 [4] [5] [6] [7] [8].

Este estudio tiene como uno de sus objetivos el aportar conocimiento basado en experimentación sobre nuevas opciones de materiales base y recubrimientos superficiales para la fabricación de pistas de rodamientos. Por tal motivo y por lo que se ha comentado sobre los materiales más comunes, se seleccionan los aceros AISI 4320, AISI 8620, AISI 4140 y AISI O1. En cada uno de ellos se aplicarán diferentes recubrimientos superficiales para ver su comportamiento en los ensayos experimentales.

Acero AISI 4140

Este material es un acero grado maquinaria al cromo molibdeno con el siguiente porcentaje de elementos:

C Si Mn P máx. S máx. Cr Mo

0.38-0.43 % 0.15-0.35 % 0.75-1.00 % 0.35 % 0.040 % 0.80-1.10 % 0.15-0.25 % El acero 4140, es uno de los materiales de baja aleación más populares, por su espectro amplio de propiedades útiles en piezas que se someten a esfuerzo, con relación a su bajo costo. Al templarlo adquiere una gran dureza en todo su volumen, teniendo además un comportamiento muy homogéneo; también puede ser nitrurado o recubierto con cromo duro, lográndose una buena resistencia al

desgaste. Generalmente, se emplea para la manufactura de cigüeñales, engranes, ejes, mesas rotatorias, válvulas y ruedas dentadas. También es utilizado en piezas forjadas, como herramientas, llaves de mano y destornilladores, árboles de levas, flechas de mecanismos hidráulicos, etc.

Acero AISI 8620

Este material es un acero grado maquinaria de baja aleación al níquel-cromo- molibdeno, con el siguiente porcentaje de elementos:

C Si Mn P máx. S máx. Cr Mo Ni

0.18-0.23

% 0.15-0.35 % 0.70-0.90 % 0.035 % 0.040 % 0.40-0.60 % 0.15-0.25 % 0.40-0.70 % Este acero es típico para cementación y para templar superficialmente manteniendo una gran tenacidad en el núcleo. Se puede soldar por métodos comunes. Se utiliza en la fabricación de engranes, piñones, árboles de levas, moldes para la industria del plástico, mordazas, coronas y satélites, entre otros. Acero AISI 4320

Este material es un acero grado maquinaria de baja aleación al níquel-cromo- molibdeno, con el siguiente porcentaje de elementos:

C % Si % Mn % P máx. % S máx. % Cr % Mo % Ni %

0.17-0.22 0.15-0.35 0.45-0.65 0.035 0.040 0.40-0.60 0.20-0.30 1.65-2.00

El acero 4320, es un material de baja aleación muy útil para cementación cuando la resistencia del núcleo se requiera incrementar mediante temple. Se utiliza en piezas de dimensiones medias que deben presentar resistencia y tenacidad muy elevadas después de haber sido cementadas y templadas; tales como: engranes, coronas y grupos diferenciales, entre otros.

Acero AISI O1

Es un acero grado maquinaria para trabajo en frió con el siguiente porcentaje de elementos:

C % Si % Mn % P máx. % S máx. % Cr % V max. % W %

0.8-1 0.5 1-1.4 0.03 0.03 0.40-0.60 0.3 0.4-0.6

Tiene una adecuada resistencia al desgaste y a la tenacidad. Presenta indentaciones para dureza, cuyos diámetros son menores a 40 mm. Posee excelente maquinabilidad y buen afilado. Se emplea, principalmente, para la manufactura de matrices para estampar, cortar y punzonar, así como en herramientas de corte que trabajan a baja temperatura. También, se utiliza en instrumentos de precisión, calibres y matrices para plástico, entre otros.

Por otro lado, los recubrimientos superficiales, son tratamientos de endurecimiento y se clasifican en [9] [10]:

Tratamientos térmicos selectivos Tratamientos termoquímicos Tratamientos mecánicos

En relación a los tipos de recubrimientos superficiales a utilizar, de acuerdo a la bibliografía consultada, los más empleados son los tratamientos termoquímicos o cementación, entre los cuales están:

a) Carburación, cuando se adiciona carbono

b) Carbonitruración, cuando se incorpora carbono y nitrógeno c) Nitruración, cuando se incorpora nitrógeno

d) Calorizado, cuando se incorpora aluminio e) Sulfinuzación, cuando se incorpora azufre f) Cromado, cuando se incorpora cromo g) Zincado, cuando se incorpora zinc

El acero con un tratamiento termoquímico, reúne las siguientes propiedades: Poseer una buena resistencia al desgaste y a la abrasión en la superficie de

trabajo, condiciones estrechamente vinculadas con la dureza del producto siderúrgico.

Capacidad para soportar las fuertes presiones específicas en la superficie. Esta propiedad se logra con definidas características de la capa periférica,

basadas en un determinado y uniforme espesor endurecido y resistencia al núcleo.

Adecuada distribución de tensiones superficiales (generadas por la capa endurecida) para obtener una conveniente resistencia a la fatiga.

Núcleo tenaz y resistente para poder, como soporte, satisfacer las exigencias del uso.

Por otra parte, en la actualidad existen nuevos tratamientos térmicos superficiales que a través de tecnologías modernas, se obtienen recubrimientos que alcanzan altas durezas con pequeños espesores de capa. Ejemplo de estos, tenemos: TiN, TiCN, WC/C, CrN, Base cromo, TiAlN, TiAlN+WC/C. Algunas de sus características se muestran el la tabla 4.1 [11]:

Tabla 4.1. Características de los recubrimientos duros

Características Recubrimiento duro

TiN TiCN WC/C CrN Base Cr TiAlN AlCrN Microdureza (HV) 2300 3000 1000 1750 2000 3500 3200 Coeficiente de fricción 0.4 0.4 0.1-0.2 0.5 0.4 0.4 0.25 Espesor μm 3-5 2-5 2-5 2-5 8-10 1-3 2-5 Temperatura máxima de trabajo (oC) 600 400 300 700 700 800 1200

Color Oro Azul

gris Negro gris Plata gris gris violeta Gris Gris azul Temperatura de proceso

(oC) 450 450 250 350 450 450 500

En este trabajo en particular se utilizaran los recubrimientos superficiales de nitruro de titanio (TiN), Nitruro de Cromo (CrN) y carburo de tungsteno con base de carbono (WC/C), los cuales han demostrado tener buen rendimiento bajo condiciones de fatiga por contacto de rodadura, en especial este último por su bajo coeficiente de fricción (0.2).

Los recubrimientos duros se depositaron con la técnica de PVD en una máquina BAI 1200 al alto vacío a una temperatura aproximada de 450 oC, por la empresa Oerlikon Balzers México.