Grinding effects on surface integrity, flexural strength and contact damage resistance of coated hardmetals

Abstract

En este trabajo se estudia la influencia de la integridad superficial del sustrato sobre diferentes propiedades mecánicas (resistencia tanto a la rotura en flexión como al daño inducido por contacto) y tribológicas (resistencia al rayado así como el comportamiento bajo solicitaciones de indentación Brale) de una calidad fina de metal duro (WC-13%peso Co) recubierta con una capa de TiN. La investigación incluye la consideración de cuatro acabados superficiales: en condiciones de sinterizado (AS), rectificado (G), pulido (P), y rectificado más un tratamiento térmico de recocido (GTT). Los resultados indican que el rectificado induce alteraciones importantes en la integridad superficial: se incrementa la rugosidad y emerge una textura superficial; se evidencia la existencia de microfisuras, anisotrópicamente distribuidas a nivel subsuperficial; se introduce una deformación muy severa, lo cual da lugar a un refinamiento de la microestructura y transformación de fase en el ligante metálico; y finalmente, se inducen tensiones residuales compresivas elevadas. Estas tensiones se ven reducidas durante las etapas subsecuentes de pulverización por bombardeo iónico y deposición de la capa cerámica. Por su parte, las tensiones residuales referidas si son completamente eliminadas en las muestras GTT, aunque sin que el tratamiento posterior al rectificado induzca cambio alguno respecto al daño existente. Éste no es el caso para la fase metálica, donde el tratamiento de recocido conlleva la aparición de una inesperada microporosidad, recristalización microestructural a nivel subsuperficial y la reversión de la transformación de fase inducida durante el rectificado.La operación de rectificado resultó en un incremento significativo de la resistencia a flexión del metal duro. Este efecto positivo se perdió parcialmente al recubrir el material. Por el contrario, la deposición de la capa de TiN promovió un aumento de la resistencia mecánica para la condición GTT. Las variaciones en resistencia a rotura determinadas se explican considerando las tensiones residuales efectivas existentes en cada caso y la ubicación, en la superficie o por debajo de ella, de los defectos críticos responsables de la rotura del material.La carga crítica para la exposición del sustrato en el ensayo de rayado resultó ser Independiente del acabado superficial, para las muestras AS, G y P. Sn embargo, el daño irreversible inducido por el indentador bajo condiciones de contacto y deslizamiento simultáneo fue discreto y localizado para las muestras G, a diferencia de la exposición continua y más pronunciada del sustrato que se evidenció en las condiciones AS y P. Por su parte, las muestras GTT mostraron una carga crítica inferior y cambios relevantes en el mecanismo de fallo correspondiente.El ensayo de indentación Brale de metales duros recubiertos indicó una mayor fragilidad y una menor resistencia a la adhesión para la calidad con menor contenido de ligante metálico. En este marco experimental, y en comparación con el acabado de pulido, se evidenció que el rectificado del sustrato favorece la delaminación, pero también inhibe la aparición de fisuras radiales en metales duros recubiertos. La respuesta observada se analiza y explica sobre las bases de la interacción entre la deformación elasto-plástica impuesta durante la indentación y las alteraciones en integridad superficial resultantes del rectificado.El rectificado del sustrato, previo a la deposición de una capa cerámica, incrementa la resistencia al daño inducido bajo solicitaciones de contacto esférico. Esta influencia positiva se evidencia en términos no solo de la nucleación de fisuras sino también de la subsecuente propagación de ellas dentro del sustrato de metal duro. La principal razón de ello son las elevadas tensiones residuales de compresión introducidas en el proceso de rectificado. Esta afirmación se sustenta por la menor resistencia al daño por contacto que se determinó en las muestras GTT recubierta