Javier García Molleja             Director: Jorge Feugeas          Consejera: Mª Dolores CalzadaTesis presentada para opta...
   El acero   Tratamiento de superficies   El plasma
   El acero es una combinación de hierro y    carbono (< 2 %) junto con la adición de otros    elementos a la aleación. ...
La presencia de carbono en el acero puede dar lugar al desarrollo decarburos, que cambian las propiedades del conjunto.L...
   En    particular,   los    aceros   inoxidables    contienen un mínimo de 11 % de cromo para    formar en su superfici...
   El acero austenítico presenta una estructura    cristalina fcc (cúbica centrada en las caras).   Esta estructura es e...
   La modificación superficial puede llevarse a    cabo de varias formas.   Una     de   ellas   es    la     implantaci...
   La cementación y la nitruración iónicas son    métodos utilizados en la modificación de    superficies, principalmente...
   Los        tratamientos       de    modificación superficial se    llevan     a   cabo    mediante    plasmas.   Una ...
En la descarga glow existirán zonas oscuras y luminosas.En la región catódica se da la mayor caída de potencial. En esta...
   Reactores utilizados   Instrumentos y principios físicos para la    caracterización
  Se emplearon alternativamente dos reactores.1.   Consta de una cámara de 8,8 L con dos ventanas. El     cátodo tiene un...
   Vacío previo (bomba mecánica) de ~10-2 mbar.   Limpieza de las superficies a tratar: plasma de    hidrógeno durante 1...
   Para comparar la cementación con la    nitruración se realizan tratamientos de esta    última técnica. Composición de ...
   Microscopía Óptica: microscopio OLYMPUS    MG     (perteneciente   al   Laboratorio de    Metalurgia del IMAE).   Dif...
   Microindentación      Vickers:    microdurómetro    SHIMAZDU HMV-2 (perteneciente al IMAE). La    punta es de diamante...
Observando la sección de la huellase conoce el valor de desgastesufrido a través del volumeneliminado por unidad de longi...
   Corrosión: Inmersión durante 60 días de las    probetas más una de material base en un litro    de agua con una concen...
   Haz Iónico Focalizado (FIB): se recurre a un    haz de iones de galio a 30 kV y 10 pA en un    dispositivo FEI Helios ...
   Conceptos sobre la austenita expandida   Estudio sobre el material base   Estudio     sobre     los      aceros  tra...
   Los resultados experimentales muestran que    tanto el C como el N se alojan en la red por    difusión rápida alcanzan...
   El acero inoxidable austenítico tiene una    estructura cristalina fcc, que presenta huecos    intersticiales tetraédr...
   La austenita expandida permite una mayor    concentración de carbono en la red que su    máxima solubilidad en un diag...
   Los iones de carbono creados por el plasma    se implantarán en la red, difundiéndose    según las leyes de Fick.   L...
   Llevando a cabo cálculos del camino libre    medio del ión de carbono y las propiedades    del plasma se puede determi...
   Mediante      GIXRD     se    determina el parámetro    de red aplicando la ley de    Bragg a los tres picos    princi...
   Con cargas de 25 y 300 g determinamos que    la dureza del material base es de 264 HV, o    2,589 GPa.   Con las cond...
Los datos experimentales para C50- son los siguientes:Probeta      Tiempo     Presión     Tensión     Corriente    Temper...
   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....
Con Microscopía Óptica se analiza lasección transversal de las probetas.Se observa que a mayor tiempo detratamiento se a...
   Mediante FIB se observa la zona superior transversal de la    austenita expandida. No se observan carburos de Hägg.  ...
   Los difractogramas a 10º de    incidencia    muestran     la    estructura   típica   de   la    austenita, con los pl...
Probeta   Parámetro de red (Å)   Expansión (%)C50-030          3,660               2,12C50-060          3,661             ...
   Mediante AES podemos determinar el perfil elemental en    los primeros 156 nm de profundidad (65 minutos de    sputter...
   Para las probetas C80- el Fe va creciendo con la profundidad    hasta un 60 %. El C decrece respecto a su concentració...
   Con AES es posible determinar el estado químico    en el que se encuentra el carbono en la red    austenítica expandid...
   Para los primeros 2000 nm se aplica indentación Berkovich    con diferentes cargas sobre la superficie.   Para la C50...
   A mayor profundidad de 2 m la    técnica anterior deja de ser    válida, por lo que se recurre a    nanoindentaciones ...
   Para mayores profundidades    de 140        m es necesario    aplicar indentaciones Vickers    con cargas de 300 g.  ...
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   En la superficie se observa a simple vista una capa    adjudicada a grafito.   Para las probetas C50- se observan reg...
   Se analizan probetas cementadas y nitruradas    de acero AISI 316L ante la irradiación con    haces de iones ligeros e...
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Nitrurada, 1 descarga de D                   Nitrurada, 10 descargas de He   En el caso de las probetas nitruradas tampoc...
Cementada, 1 pulso de He   Cementada, 5 pulsos de D    Nitrurada, 5 pulsos de D   Los análisis de FIB/SEM utilizando Ga+ ...
Cementación, 1 descarga de He   Cementación, 5 descargas de D   Nitruración, 5 descargas de D    La sección transversal m...
   La formación de cristalitas se    da mayoritariamente a los tres    micrómetros de profundidad.   La elevación de tem...
   Mediante GIXRD incidiendo a 2 y 10º se puede    analizar la estructura cristalina de las probetas    bombardeadas, que...
   Se analiza únicamente el pico (111), aunque el    comportamiento es idéntico para los picos (200) y (202).   A número...
Cementada, con pulsos de He    Nitrurada, con pulsos de He   En estos dos casos se vuelve a advertir la pérdida de expans...
Tratamiento de cementación sobre acero AISI 316LDisparos     Deuterio (Å)   Expansión (%)    Helio (Å)   Expansión (%)   0...
   Para iones ligeros, el efecto de la irradiación    parece no depender de la masa iónica.   El efecto es dependiente (...
   Mediante indentaciones Vickers con cargas de    25 g se puede determinar la dureza    superficial.                    ...
   Los valores de la AE se realizaron sobre la zona    oculta por la lámina. Los valores son semejantes    a antes de lle...
   Los choques térmicos hacen desplazar el pico    (111) a mayores ángulos, ya que se reactivan    los procesos difusivos...
   La deposición se lleva a cabo mediante sputtering por    magnetrón, en su modo reactivo.   Se usa un magnetrón con bl...
   Bajo estas condiciones la tasa de deposición    es de 11 nm/min, por lo que alcanzamos un    espesor total de 330 nm t...
   Mediante GIXRD a 2º de    incidencia    analizamos   una    probeta cementada con capa    superior de AlN y otra sin e...
   Los análisis se llevan a cabo en los    picos     (111),    puesto    que     el    comportamiento es análogo en los  ...
Muestra de acero austenítico inoxidable AISI 316L cementadosometido a tratamientos de alta temperatura durante tiemposprol...
   En el caso de tratamientos    térmicos       en       probetas    nitruradas los análisis GIXRD a    10º          mues...
Probeta de acero AISI 316L nitrurada sometida a altas temperaturasy tiempos prolongados. Antes del experimento térmico sup...
   Se investigó la modificación superficial del    acero AISI 316L mediante nitruración y    cementación mediante plasma ...
   La austenita original del acero sufre una    rápida expansión en los primeros 30 minutos    de proceso.   La    estru...
   La dureza es mayor que la del material base    hasta los 0,7 mm de profundidad, alcanzando    un valor máximo en la su...
   Bajo irradiación iónica con D y He se aprecia    mayor resistencia de la austenita expandida    por cementación que po...
   La estructura cristalina se degrada a altas    temperaturas y tiempos prolongados.   Una capa depositada de AlN evita...
   La austenita expandida induce sobre la superficie    de los aceros inoxidables austeníticos una alta    dureza y una a...
   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...
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Thesis oral defense at Universidad Nacional de Rosario (Argentina) in 2012. Director: J.N. Feugeas, Advisor: M.D. Calzada Canalejo. Jury: O.A. de Sanctis, M.M. Milanese, R.R. Koropecki

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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 energéticos

  1. 1. Javier García Molleja Director: Jorge Feugeas Consejera: Mª Dolores CalzadaTesis presentada para optar al grado de Doctor en Física
  2. 2.  El acero Tratamiento de superficies El plasma
  3. 3.  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.
  4. 4. La presencia de carbono en el acero puede dar lugar al desarrollo decarburos, que cambian las propiedades del conjunto.Los elementos aleantes también juegan un papel importante encuanto a las propiedades finales.Las propiedades relevantes en los aceros son eléctricas, magnéticas,térmicas y nucleares.
  5. 5.  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.
  6. 6.  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.
  7. 7.  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.
  8. 8.  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.
  9. 9.  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.
  10. 10. En la descarga glow existirán zonas oscuras y luminosas.En la región catódica se da la mayor caída de potencial. En esta zonalos iones positivos mayoritarios de la región son acelerados hacia elcátodo y los electrones ganan energía para producir multitud deionizaciones y colisiones en la región del glow negativo. Es una zonade alta intensidad lumínica y de densidad volumétrica de electrones.
  11. 11.  Reactores utilizados Instrumentos y principios físicos para la caracterización
  12. 12.  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.
  13. 13.  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.
  14. 14.  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.
  15. 15.  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 K 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 m de profundidad). Barrido entre 30 y 80º. Pasos de 0,03º y 1 s.
  16. 16.  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.
  17. 17. Observando la sección de la huellase conoce el valor de desgastesufrido a través del volumeneliminado por unidad de longitud: 1 2 S r ( sen ) 2 El ángulo se obtiene al conocer el diámetro de la huella, D, y el radio r de la bola: 2 D arc cos 1 2 2r
  18. 18.  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 A de corriente. Presión de trabajo 5,33·10-8 mbar.
  19. 19.  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.
  20. 20.  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
  21. 21.  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.
  22. 22.  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.
  23. 23.  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.
  24. 24.  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.
  25. 25.  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.
  26. 26.  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( )·cos ( ) y determinar el intercepto) tenemos que a= 3,584 Å.
  27. 27.  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.
  28. 28. Los datos experimentales para C50- son los siguientes:Probeta Tiempo Presión Tensión Corriente Temperatura (min) (mbar) (V) (A) (ºC)C50-030 30 4,985 572 1,14 401C50-060 60 5,001 545 1,08 406C50-120 120 4,982 549 1,35 411 Los datos de las sesiones C80- se consignan en la siguiente tabla:Probeta Tiempo Presión Tensión Corriente Temperatura (min) (mbar) (V) (A) (ºC)C80-030 30 4,993 415 1,43 409C80-060 60 4,993 455 1,39 404C80-120 120 4,984 520 1,36 406
  29. 29.  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.
  30. 30. Con Microscopía Óptica se analiza lasección transversal de las probetas.Se observa que a mayor tiempo detratamiento se alcanza un mayor espesorde la capa de austenita expandida.El espesor de la probeta C50-030 es de14 m (arriba), mientras que el de laprobeta C80-120 es de 27 m (abajo).La interfase resulta bien definida.La capa de austenita expandida esresistente al ataque corrosivo con ácidooxálico.
  31. 31.  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 m 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 m. La parte más superficial es resultado del proceso de pulido.
  32. 32.  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.
  33. 33. Probeta Parámetro de red (Å) Expansión (%)C50-030 3,660 2,12C50-060 3,661 2,15C50-120 3,666 2,29Probeta Parámetro de red (Å) Expansión (%)C80-030 3,654 1,95C80-060 3,669 2,37C80-120 3,659 2,09
  34. 34.  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.
  35. 35.  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.
  36. 36.  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).
  37. 37.  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.
  38. 38.  A mayor profundidad de 2 m 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 m 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 m de profundidad, manteniendo un valor constante de 5,2 GPa de dureza hasta la máxima profundidad analizada.
  39. 39.  Para mayores profundidades de 140 m 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.
  40. 40. Rv
  41. 41.  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. 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
  42. 42.  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 m de diámetro, que son en realidad agrupaciones de picaduras de 5 m de diámetro. Fuera de las agrupaciones tienen un tamaño de 0,5 m. 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.
  43. 43.  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.
  44. 44.  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.
  45. 45.  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 F): 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.
  46. 46. Cementada, 1 descarga de D Cementada, 10 descargas de He 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.
  47. 47. Nitrurada, 1 descarga de D Nitrurada, 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.
  48. 48. Cementada, 1 pulso de He Cementada, 5 pulsos de D Nitrurada, 5 pulsos de D 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.
  49. 49. Cementación, 1 descarga de He Cementación, 5 descargas de D Nitruración, 5 descargas 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 m 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.
  50. 50.  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.
  51. 51.  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 m, respectivamente. La parte oculta presenta un difractograma semejante al que tiene antes de llevar la probeta al plasma focus. Cementada, con pulsos de D Nitrurada, con pulsos de D
  52. 52.  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 m de material. Este valor representa un parámetro de red de 3,6163 Å, con una expansión relativa de 0,90 %.
  53. 53. Cementada, con pulsos de He Nitrurada, con pulsos de He 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.
  54. 54. Tratamiento de cementación sobre acero AISI 316LDisparos 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 Tratamiento de nitruración sobre acero AISI 316LDisparos 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
  55. 55.  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.
  56. 56.  Mediante indentaciones Vickers con cargas de 25 g se puede determinar la dureza superficial. Acero AISI 316L nitrurado Disparos Deuterio (HV) Helio (HV) 0 999±51 965±61 1 827±34 815±34 10 --- --- Acero AISI316L cementado Disparos Deuterio (HV) Helio (HV) 0 461±25 443±34 1 364±34 293±6 10 366±16 367±14
  57. 57.  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.
  58. 58.  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.
  59. 59.  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.
  60. 60.  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.
  61. 61.  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.
  62. 62.  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.
  63. 63. Muestra de acero austenítico inoxidable AISI 316L cementadosometido a tratamientos de alta temperatura durante tiemposprolongados. Previamente, su parámetro de red se calculó en3,6880 Å, que equivale a una expansión relativa de 2,90 %. Temperatura Tiempo Parámetro de red Expansión (ºC) (h) (Å) (%) 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
  64. 64.  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.
  65. 65. Probeta de acero AISI 316L nitrurada sometida a altas temperaturasy tiempos prolongados. Antes del experimento térmico suparámetro de red fue de 3,7082 Å, que equivale a una expansiónde3,46 %. Temperatura Tiempo Parámetro de red Expansión (ºC) (h) (Å) (%) 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
  66. 66.  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.
  67. 67.  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.
  68. 68.  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).
  69. 69.  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.
  70. 70.  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.
  71. 71.  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.
  72. 72.  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.
  73. 73.  19 de marzo. ¡Viva la Pepa!

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