Estudio de la tenacidad de fractura en recubrimientos microestructurados mejorados con nanotubos de carbono obtenidos por proyección en acero AISI 1020

Abstract

Esta investigación se fundamenta en el estudio de la tenacidad a la fractura sobre el recubrimiento en depósitos micro estructurados de Carburo de Tungsteno con 12% Cobalto reforzados con nanotubos de carbono obtenidos mediante proyección térmica HVOF sobre un acero estructural AISI 1020 con el fin de establecer las propiedades mecánicas que presentan el conjunto sustrato-recubrimiento y presentarlo así como una alternativa válida para el diseño y/o recuperación de elementos mecánicos además de aportar conocimientos fundamentales que nos permitan comprender los mecanismos de falla presentes bajo estas solicitudes. El WC-12%Co se aplicó utilizando un equipo de rociado térmico de la empresa PLASMATEC. El polvo aplicado para la obtención del recubrimiento consiste en una aleación de carburo de tungsteno y cobalto (WC - 12%Co), dichos polvos fueron fabricados por la empresa MK Impex Corp. Ubicada en Ontario Canadá, estos fueron caracterizados morfológicamente mediante microscopía electrónica de barrido (MEB). El tiempo de moliendo empleado fue de 36 horas. Para obtener las propiedades mecánicas del recubrimiento se trabajó la sección transversal de cada muestra, en primer lugar se procedió a realizar indentaciones Vickers para determinar el valor de dureza a una carga máxima sin que se generara grieta alguna, por medio de ensayos Knoop se halló el módulo de elasticidad utilizando el modelo de Lawn-Noma-Marshall, mediante las ecuaciones de Hertz empleadas en mecánica de contacto de determinó el esfuerzo de fluencia y para la tenacidad de fractura se realizaron indentaciones Vickers a una carga mínima en la que aparecen grietas tipo mediana radial, con la aparición de grietas se dispuso a medir las grietas para así determinar si cumplían con el criterio geométrico necesario para emplear la ecuación de KC desarrollada por Lawn, Evans y Marshall y mejorada por Antis. De acuerdo a los resultados obtenidos la heterogeneidad en la distribución del tamaño de partícula debido al proceso de molienda, influyó en la calidad del recubrimiento durante el proceso de deposición, que trajo como consecuencia, que la temperatura de deposición no fuese la idónea para llevar al estado pastoso de las partículas de menor tamaño, por lo cual estas fueron fundidas totalmente, provocando una mayor descarburación en el sistema. Los nanotubos de carbono no afectan necesariamente en la porosidad del recubrimiento. Sin embargo, la disminución del tamaño de partícula juega un papel importante en esta propiedad debido a que se produce una mayor densificación de los recubrimientos por su interacción en la fase aglomerante. Se evidenció un aumento de 25.68% en la dureza de las muestras reforzadas con nanotubos con respecto a las muestras sin nanotubos debido a que al reforzar las muestras con nanotubos de carbono generan uniones más fuertes entre las partículas de WC produciendo un aumento de la dureza. De la misma manera, se evidenció un aumento del módulo de elasticidad de la muestra WC-12%Co + NTC debido a que los nanotubos de carbono poseen un alto módulo de elasticidad ocasionando que se mantengan como resortes extremadamente firmes ante cualquier tipo de esfuerzo y de llegarse a deformar drásticamente vuelven a su forma original. La tendencia que se observó es un aumento del esfuerzo de fluencia en las muestras de WC-12%Co + NTC en un 50% la cual se podría atribuir a la presencia de los nanotubos de carbono que producen una disminución de la porosidad debido a enlaces más fuertes entre las partículas de carburo de tungsteno, que a la vez representa una disminución de los concentradores de esfuerzo en el sólido, traduciéndose en un mejor comportamiento elástico. Comparando ambas condiciones se puede observar un aumento de la tenacidad de fractura para la condición WC-12%Co reforzados con nanotubos de carbono. Debido a que los intervalos de porosidad en ambas condiciones son similares, podemos atribuir el aumento de la tenacidad de fractura a la presencia de los nanotubos de carbono, ya que estos aumentan la fuerza de los enlaces entre las partículas de carburo de tungsteno, y ocasiona que la grieta presente mayor dificultad de propagación.