Caracterización de acero metaestable con modificación superficial mediante patrones láser

Abstract

En este trabajo final de máster, se pretende modificar las propiedades tribológicas a nivel superficial en un acero metaestaeble TRIP (TRansformation Induced Plasticity). Para ello, se han realizado patrones láser con el objetivo último de poder realizar una modificación homogénea y controlada a lo largo de la superficie de interés del material. A lo largo de este proyecto se han estudiado principalmente dos variables que afectan directamente a la calidad final del patrón láser, la intensidad del láser y el número de pulsos en cada, con el fin de ser capaces de realizar unos patrones homogéneos con una profundidad controlada a la escala micrométrica en los aceros metaestables de estudio. Tanto la microestructura como las propiedades micromecánicas y tribológicas (en seco y utilizando líquido lubricante) en 3 direcciones diferentes de laminación (dirección longitudinal, transversal y a 45º de la dirección de laminación) han sido evaluadas mediante técnicas avanzadas de caracterización, tales como la difracción de rayos-X, espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), microscopía electrónica de barrido, microscopía electrónica de barrido de emisión de campo, haz de iones focalizado, microscopio confocal cromático, microscopio de fuerzas atómicas, microscopio óptico, ensayos de macro-/micro- y nanoindentación, y ensayos tribológicos denanodesgaste y bruñido. Los resultados preliminares después de realizar un Diseño de Experimentos, ponen de manifiesto que se obtienen unos huecos con una geometría tipo cono homogénea con unas dimensiones controladas (25µm de diámetro y una profundidad que oscila entre los 30 y 35µm). Así mismo, se observa a simple vista una modificación superficial tanto a nivel de patrones láser como a nivel composicional, ya que la capa más superficial presenta una tonalidad de color amarillento. Los resultados preliminares de XPS ponen de manifiesto que la capa generada mediante el proceso de modificación está constituida principalmente por zinc, silicio, carbono, oxígeno y nitrógeno. Así mismo, los valores de nanoindentación muestran que dicha capa presenta unos valores de dureza de unos 300-400MPa y una rigidez de 50-80GPa. Los ensayos tribológicos ponen de manifiesto que los patrones actúan como reservorios del líquido lubricante y que el patrón de desgaste es inferior en las muestras lubricadas en comparación con las muestras sin lubricar, en todas las direcciones de estudio.

En aquest treball final de màster, es pretén modificar les propietats tribològiques a nivell superficial en acer metaestable (TRIP) (TRansformation Induced Plasticity). Per això s’han realitzat patrons làser amb l’objectiu últim de poder realitzar una modificació homogènia y controlada al llarg de la superfície d’interès del material. Al llarg d’aquest projecte s’han estudiat principalment dos variables que afecten directament a la qualitat final del patró làser, la intensitat del làser y el número de polsos en cada un, amb la finalitat de ser capaços de realitzar patrons homogenis amb una profunditat controlada a la escala micromètrica en els acers metaestable d’estudi. Tan la microestructura com les propietats micromecàniques com tribològiques (en sec i utilitzant líquid lubricant) en 3 direccions diferents de laminació (direcció longitudinal, transversal i a 45° de la direcció de laminació) han sigut avaluades mitjançant tècniques avançades de caracterització, tals com la difracció de raigs-X, espectroscopi de fotoelectrons de raigs-X (XPS), microscopi electrònic de rastreig, microscopi electrònic de rastreig per emissió de camp, feix de ions focalitzats, microscopi confocal cromàtic, microscopi de forces atòmiques, microscopi òptic, assajos de macro-/micro- y nanoindentació, y assajos tribològics de nanodesgast y brunyit. Els resultats experimentals preliminars després de realitzar el Disseny de Experiments, posen de manifest que s’obté uns punt amb una geometria de tipus con homogeni amb unes dimensions controlades (25µm de diàmetre i una profunditat que oscil·la entre els 30 y 35µm). També s’observa a simple vista una modificació superficial tan a nivell de patrons làser com a nivell composicional, ja que la capa més superficial presenta una tonalitat de color groguenca. Els resultats preliminars de XPS posen de manifest que la capa generada mitjançant el procés de modificació superficial està constituït principalment per zenc, silici, carboni, oxigen y nitrogen. A més, els valors de nanoindentació mostren que aquesta capa presenta uns valors de duresa de entre 300-400MPa i una rigidesa de 50-80GPa. Els assajos tribològics posen de manifest que els patrons actuen com a reservoris del líquid lubricant i que el patró de desgast es inferior en les mostres lubricades que en comparació amb les mostres sense lubricar, en totes les direccions de estudi.

The aim of this final master thesis was to modify the tribological properties at surface level in a TRIP (Transformation-Induced Plasticity) metastable steel. To this end, laser patterns were used to perform a homogeneous and controlled modification along the surface of interest of the material. Throughout this project, two main variables were studied that directly affect the final quality of the laser pattern, the laser intensity and the number of pulses, in order to be able to make homogeneous patterns with a controlled depth at the micrometric scale in the metastable steels under study. Both the microstructure and the micromechanical and tribological properties (in dry conditions and using lubricating liquid) in three different directions of lamination (longitudinal, transversal and at 45º from the direction of lamination) were evaluated by advanced characterization techniques, such as X-ray diffraction, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Scanning Electron Microscopy, Field Emission Scanning Electron Microscopy, Focused Ion Beam, Chromatic Confocal Microscope, Atomic Force Microscope, Optic Microscope, Macro-/Micro- and Nanoindentation Testing, and Tribological Nanowear and Honing Testing. Preliminary results after a Design of Experiments show that homogeneous cone-shaped holes with controlled dimensions (25 mm diameter and a depth between 30 and 35 mm) are obtained. Likewise, a surface modification is observed with the naked eye, both at the level of laser patterns and at the compositional level, since the most superficial layer shows a yellowish color. The preliminary results of XPS show that the layer generated by the modification process is mainly made up of zinc, silicon, carbon, oxygen and nitrogen. Moreover, the nanoindentation values reveal that this layer shows hardness values of about 300-400 MPa and a rigidity of 50-80 GPa. Tribological trials show that the patterns act as reservoirs for the lubricating fluid and that the wear pattern is inferior in lubricated samples than in non-lubricated samples, in all tested directions.