Tesis para optar al título de Doctor en Ciencia y Tecnología, Mención Materiales, 2014.

Directora: Dra. Sonia BRÜHL. UTN FR Concepción del Uruguay - Argentina.

Codirector; Dr. Amado CABO. IONAR S.A. - Argentina

Lugar de realización: Grupo de Ingeniería en Superficies - Universidad Tecnológica Nacional FR Concepción del Uruguay - Argentina.

Fecha Defensa: 30/05/2014.

Jurado: Dr. Ricardo César DOMMARCO. UNMdP, CONICET - Argentina.
Dr. Héctor Juan KELLY. UBA, CONICET - Argentina.
Dr. Raúl Antonio VERSACI. CNEA, UNSAM, UTN - Argentina.

Los aceros inoxidables son de uso masivo en la industria donde se requieren buenas propiedades mecánicas, bajo coeficiente de fricción y resistencia a la corrosión. Para modificar las propiedades superficiales e incrementar la perfomance de estos materiales, sin afectar sus propiedades másicas, se pueden utilizar técnicas asistidas por plasma que consumen poca energía, no son contaminantes, ofrecen máxima seguridad operativa; y permiten obtener rendimientos no alcanzables por otros medios. Estas técnicas pueden ser de dos tipos: modificación superficial por difusión o deposición de recubrimientos, y se pueden aplicar en forma individual o combinadas, en los procesos llamados “dúplex”. El objetivo de este trabajo fue generar conocimiento científico y tecnológico que permitiera diseñar procesos de tratamiento de superficie de componentes fabricados en aceros inoxidables de uso industrial, considerando en forma individual o combinada, procesos de difusión termoquímica asistidos por plasma, como la nitruración iónica y recubrimientos finos producidos por la técnica de PACVD (“Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition”) para lograr óptima resistencia al desgaste y a la corrosión simultáneamente. En este trabajo se estudiaron procesos aplicados sobre tres tipos de aceros inoxidables diferentes: austeníticos, martensíticos y endurecibles por precipitación (PH). Se realizaron procesos individuales de nitruración modificando el porcentaje de nitrógeno en la mezcla gaseosa y la temperatura sobre aceros inoxidables endurecibles por precipitación, y se estudió en profundidad la capa nitrurada formada en los aceros inoxidables austeníticos. También se llevaron a cabo procesos combinados de deposición de recubrimientos con tratamientos previos de difusión (nitruración) en cada uno de los aceros. El acero inoxidable martensítico AISI 420 fue recubierto con carbono amorfo hidrogenado tipo DLC (“Diamond-like carbon”), en tres condiciones previas: nitrurado, nitrurado y oxidado y sin nitrurar. Este mismo acero fue recubierto con un DLC de tipo “hard”, previamente nitrurado con dos terminaciones superficiales diferentes. El acero endurecible por precipitación fue recubierto con oxinitruro de silicio, en dos condiciones previas: nitrurado y sólo envejecido. En estas mismas condiciones también este acero fue recubierto con DLC tipo hard. El acero austenítico AISI 316L fue nitrurado a alta temperatura, nitrurado y oxidado y posteriormente recubierto con DLC hard. También fue nitrurado a baja temperatura y recubierto con DLC soft. En todos los casos se realizó un análisis microestructural de las capas modificadas y de los recubrimientos utilizando diversas técnicas como SEM, EDS, TEM; Raman, GDOES, SIMS, SEM-FIB, entre otras. Se evaluó el comportamiento al desgaste en ensayos de deslizamiento, fretting, abrasión y erosión, y se evaluó el comportamiento a la corrosión y la adhesión. Para el caso del acero Corrax, se encontró que cuando el proceso de nitruración se realiza con bajo porcentaje de nitrógeno y a baja temperatura (20% N2 y 390 ºC) se logra una capa nitrurada sin precipitación de compuestos, resistente al desgaste y a la corrosión. Se ha concluido que la deposición de los recubrimientos duros y frágiles sobre el acero sin nitrurar no resultó conveniente. La combinación de la nitruración con este tipo de recubrimientos es recomendable debido a que permite disminuir el coeficiente de fricción, aumentar la resistencia al desgaste, mejorar la adhesión y la resistencia a la corrosión. Los recubrimientos duros pero con alto módulo elástico o gruesos tipo soft resultaron mecánicamente resistentes en las condiciones ensayadas independientemente del tratamiento previo a la deposición de los mismos. El pretratamiento sí tuvo influencia en la adhesión y en situaciones de desgaste por deslizamiento severas o abrasión. Finalmente, con respecto a la terminación superficial, en los aceros inoxidables martensíticos, se determinó que el pulido previo de las superficies de las muestras mejoró el proceso de difusión del nitrógeno y la adhesión de los recubrimientos.

English version:
Stainless steels are widely used in the industry where good mechanical properties, low friction coefficient and corrosion resistance are required. In order to enhance their performance by modifying surface properties without affecting bulk properties, plasma assisted techniques can be used. These techniques reduce the energy consumption, are environmentally friendly, offer maximum operational safety and provide better performance than other methods. Plasma-assisted surface modification techniques or coatings can be applied individually or combined, in so called “duplex treatments”. The aim of this research was to generate scientific and technological knowledge to design surface modification processes on stainless steels using plasma-based deposition techniques and/or plasma assisted thermochemical diffusion treatments to achieve good wear and corrosion resistance. In this work, surface processes on three different stainless steels such as martensitic, austenitic and precipitation hardening (PH) steels were studied. Single processes as ion nitriding were carried out modifying nitrogen percent and temperature on precipitation hardening stainless steels and austenitic stainless steels, where the nitrided layer was studied in depth. Also, combined processes including coating deposition and diffusion process were carried out on each of the steels. AISI 420 martensitic stainless steel was coated with hydrogenated amorphous carbon named DLC (""Diamond-like carbon "") in three previous conditions: nitrided, nitrided and oxidized and without nitriding. This steel was also coated with DLC previously nitrided with two different surface finishing. The precipitation hardening stainless steel was coated with silicon oxynitride and hard DLC in two previous conditions: only aged and aged plus nitrided. AISI 316L austenitic stainless steel was nitrided at high temperature, nitrided and oxidized and then coated with DLC hard. Moreover, this steel was nitrided at low temperature and coated with DLC soft. In all cases, the modified layers and coating microstructure were analyzed, using techniques as SEM, EDS, TEM; Raman, GDOES, SIMS, SEM-FIB, among others. The wear behavior was evaluated in several tests under sliding, fretting, abrasion and erosion conditions. Additionally, the corrosion behavior and the adhesion were evaluated. Regarding the nitriding conditions, for PH stainless steel, it was confirmed that low temperatures, about 390ºC, and low nitrogen partial pressure (20%) allow the formation of nitrided layers with no compound precipitation regions and also wear and corrosion resistant. It was also found that the deposition of hard and brittle coatings such as silicon oxynitride, directly on the stainless steels surface, is not suitable. The combination of nitriding and the hard coating is recommendable to reduce the friction coefficient, increase the wear resistance and improve the adhesion and corrosion resistance. It was concluded that the hard coatings with high Young’s modulus or the soft and thick coatings had a good load bearing capacity in fairly all wear test conditions regardless of the surface pre-treatment, but the nitriding pre-treatment did have influence in the adhesion and in situations of severe sliding wear or abrasion, i.e. at very high loads. Finally, with respect to the surface finishing, it ¡t was determined that the polishing prior to deposition improved the adhesion of the coatings and also the nitrogen diffusion process.