2. REVISIÓN TEÓRICA 2.1 Microestructura y propiedades de los aceros inoxidables AISI 304 y AISI 420 La principal característica de los aceros inoxidables es su notable resistencia a la corrosión comparada con otros aceros. Esta particularidad proviene de su alto contenido de cromo (superior al 10.5%), el cual según las teorías clásicas, forma una capa de óxido de cromo sobre la superficie, cuyas propiedades le permiten mantener aislado el metal del medio químicamente agresivo. El cromo tiene gran afinidad por el carbono, por lo que forma carburos complejos de Fe-Cr, además es un elemento alfágeno que logra eliminar por completo el campo austenítico en una aleación Fe-Cr con un porcentaje del 13%. Otros elementos aleantes contribuyen también a aumentar la resistencia a la corrosión o permiten alterar diversas características útiles para la conformabilidad y el desempeño de las piezas. El níquel es un elemento gamágeno, por lo que es un aleante primordial en los aceros austeníticos, no es un formador de ca rburos, pues tiene mayor afinidad por el hierro que por el carbono. Por otro lado este elemento aumenta la templabilidad y mejora la tenacidad y la ductilidad aún con aumentos de resistencia y dureza, además mejora la resistencia de la película de óxido de cromo en medios fuertemente ácidos. El silicio actúa al igual que en los demás aceros como desoxidante, mejora un poco la templabilidad, las propiedades mecánicas y puede ayudar en la resistencia a la corrosión en alta temperatura, mejora el comportamiento en baños nítricos muy oxidantes y disminuye la susceptibilidad a la corrosión bajo tensión en ciertos medios salinos. Finalmente, entre los aleantes más utilizados en los aceros inoxidables se encuentra el molibdeno, que es un elemento alfágeno con fuerte tendencia a formar carburos , incrementa fuertemente la templabilidad y mejora la resistencia a la picadura.

2.1.1 Acero Inoxidable AISI 304 Los aceros inoxidables austeníticos conservan la estructura austenítica a temperatura ambiente debido fundamentalmente al efecto del níquel y el carbono, que por ser elementos gamágenos promueven la desaparición del campo alfágeno. Los aceros austeníticos tienen mejor resistencia a la corrosión que los aceros ferríticos y martensíticos, son susceptibles de endurecimiento sólo por deformación en frío, pues el efecto del tratamiento térmico sobre el endurecimiento es prácticamente nulo, por esto son materiales muy dúctiles y con propiedades mecánicas moderadas respecto a un acero inoxidable martensítico. En estado recocido, todos son no magnéticos, aunque puede presentarse algún comportamiento magnético después de ser trabajados en frío por aparición de pequeñas zonas martensíticas, tienen alta resistencia al impacto y en general son difíciles de maquinar [Peckner-Bernstein, 1977].

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Los aceros austeníticos pueden sufrir sensitización, precipitación de carburos de cromo y carbono en los límites de grano, esto provoca la disminución del cromo en las vecindades del límite y por tanto una disminución de la resistencia a la corrosión en estas áreas, dando lugar a corrosión intergranular. Este fenómeno, excepto en los casos de contenidos de carbono muy bajos, aparece por el enfriamiento o calentamiento del acero entre 430 y 900ºC en procesos como soldadura y alivio de tensiones, el grado de sensitización dependerá del tiempo y la temperatura de permanencia. El tipo de acero inoxidable austenítico más común es el AISI 304, cuya composición se muestra en la tabla 2.1. Es una modificación del AISI 302, aleación base de los inoxidables austeníticos, bajando su composición de carbono de 0.15 a 0.08, fundamentalmente para restringir la precipitación de carburos y mejorar la soldabilidad. Se utiliza comúnmente en equipos de procesamiento de alimentos y de químicos, instrumental médico, cocinas y contenedores. Tabla 2.1. Composición nominal del acero AISI 304 [Washko-Aggen, 1992]. C máx Cr Ni Mn máx Si máx P máx 0.08 18-20 8-12 2 1 0.045

S 0.03

Estructura El acero AISI 304 presenta una estructura después de recocido como se muestra en la figura 2.1, compuesta de granos poligonales y maclas.

Figura 2.1. Aspecto de un acero inoxidable AISI 304 recocido 5 y 2 minutos respectivamente a 1065º C y enfriado al aire. La estructura está compuesta de granos de austenita equiaxiales y maclas de recocido. a) 250x, b) 100x [Washko-Aggen, 1992]

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Propiedades físicas Existen relativamente pocas aplicaciones para los aceros inoxidables donde las propiedades físicas son factores determinantes en la selección del material. Sin embargo, hay muchas aplicaciones en las que es importante considerarlas, un ejemplo claro de la importancia de estas propiedades es el caso de la aplicación de un recubrimiento cerámico, pues en estos casos las diferencias en los coeficientes de expansión térmica generan esfuerzos adicionales que inciden directamente en el desempeño del material recubierto. Tabla 2.2. Propiedades físicas del acero AISI 304 [Peckner-Bernstein, 1977]. Densidad 8000 kg/m 3 Calor específico 0.29 cal/g º C Resistividad eléctrica 70 µohmios/cm Coeficiente de expansión media 18.2 µm/m º C 20-425º C Módulo elástico 20 x 104 MPa

Propiedades Mecánicas En la tabla 2.3 se muestran los valores de propiedades mecánicas obtenidas mediante el ensayo de tracción. El límite elástico de los aceros austeníticos está a menudo mal definido, la curva de tracción no presenta un punto de inflexión muy claro, por tanto, es difícil de determinar. Se considera el límite que corresponde a un alargamiento permanente de 0.2%. Tabla 2.3. Propiedades mecánicas mínimas a temperatura ambiente del acero inoxidable austenítico AISI 304 [Washko-Agüen, 1992] Estado Resistencia a la 0.2% Resistencia Elongación Reducción tracción [Mpa] a la cedencia [Mpa] % en área % Acabado en frío y 515 205 40 50 recocido Acabado en frío 620 310 30 40

2. 1.2 Acero inoxidable Martensítico AISI 420 Los aceros inoxidables martensíticos son materiales endurecibles por tratamiento térmico y son magnéticos, son resistentes a la corrosión en medios medianamente agresivos, tienen buena ductilidad y tenacidad y pueden maquinarse con facilidad. Estos aceros son susceptibles de decarburación superficial durante el tratamiento térmico si la atmósfera del horno no está apropiadamente controlada , sin embargo su alto contenido de Cr los hace menos susceptibles que muchos aceros de herramientas de baja aleación. El acero inoxidable AISI 420 es una modificación del contenido de carbono del AISI 410. Esta aleación contiene entre 12 y 14% de cromo y otros elementos estabilizantes de la austenita como carbono y manganeso para expandir el campo de la austenita y permitir el tratamiento térmico, se usa comúnmente para cuchillería, instrumentos quirúrgicos y válvulas. Su composición se muestra en la tabla 2.4.

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Tabla 2.4. Composición nominal del acero AISI 420 [Washko-Agüen, 1992]. C Cr Ni Mn Si P 0.15 min 12-14 --1 1 0.04

S 0.03

Estructura La apariencia de la martensita en estos aceros depende del contenido de carbono, con el incremento en este elemento se vuelve más fina, cambiando de listones a formas en placa. La figura 2.2 muestra la apariencia de un acero inoxidable martensítico templado y revenido

(a)

(b)

Figura 2.2 Aspecto de un acero inoxidable AISI 420 templado y revenido. a). La estructura está compuesta de martensita revenida 100x. b) estructura templada y revenida con inclusiones de sulfuros resultado de la adición de azufre para mejorar la maquinabilidad. 100x [Washko-Agüen, 1992]

Propiedades físicas La densidad, el coeficiente de dilatación, el calor específico y el módulo de elasticidad difieren un poco de los de un acero de mediana aleación. La presencia de cromo por ejemplo, disminuye mucho la conductividad calorífica, por lo que es preciso tener en cuenta la importancia de este descenso de conductividad cuando se trata de operaciones en las que existe un intercambio de calor con el ambiente. Por su parte, la resistividad eléctrica aumenta, siendo 5 a 6 veces superior que la del acero común. Los aceros de este tipo son ferromagnéticos, conservando esta propiedad después de todos los tratamientos térmicos.

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Tabla 2.5. Propiedades físicas del acero AISI 420 [Peckner-Bernstein, 1977]. Densidad 7700 kg/m3 Calor específico 0.36 cal/g º C Resistividad eléctrica 55 µohmios/cm Coeficiente de expansión media 20-425º C 11.5 µm/m º C Módulo elástico 20 x 104 MPa

Propiedades Mecánicas En estos aceros es posible aumentar la resistencia a la tracción por tratamiento térmico, dependiendo fundamentalmente del porcentaje de carbono, el cual puede variar ampliamente en estos grados. Algunas de las propiedades mecánicas se presentan en la tabla 2.6. Tabla 2.6. Propiedades mecánicas mínimas a temperatura ambiente del acero inoxidable martensítico AISI 420 [Washko-Aggen, 1992]. Estado

Revenido 200º C

Resistencia a la tracción [Mpa] 1720

0.2% Resistencia a la cedencia [Mpa] 1480

Elongación % 8

Reducción en área % 25

Dureza HRC 52

En el tratamiento térmico de los aceros inoxidables martensític os, las temperaturas hasta 480ºC se conocen como temperaturas de alivio de tensiones porque los tratamientos hasta esta temperatura alteran muy poco las propiedades de tracción del material templado. Las temperaturas entre 540º C y 650º C se conocen como temperaturas de revenido, y las temperaturas de 650º C a 70º C son temperaturas de recocido. Las curvas de la s figuras 2.3 y 2.4 muestran las propiedades mecánicas del acero AISI 420 en función de la temperatura de revenido después de temple en aceite a 1000º C. La resistencia a la tracción y el límite elástico mantienen valores casi constantes hasta 500ºC, aunque presentan a esta temperatura una ligera tendencia a un endurecimiento secundario, mientras que los revenidos entre 250 y 400ºC presentan un ligero ablandamiento. Por encima de 500ºC la disminución de las propiedades se da de manera drástica. La variación de los alargamientos no presenta ninguna particularidad, pero la resiliencia presenta un mínimo muy marcado cerca de 450º C, después de un aumento notable a partir de 250º C. El aumento de ductilidad que se observa después de un revenido a 250º C, no corresponde a una disminución notable en la dureza. Este revenido, llamado revenido de eliminación de tensiones se emplea frecuentemente para este tipo de aceros.

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Figura 2.3. Variación de la resistencia a la tracción y la elongación del acero AISI420 con la temperatura de revenido

Figura 2.4. Variación de la dureza del acero AISI420 con la temperatura de revenido

2.2 Estructura y Propiedades de recubrimientos de Nitruro de Titanio TiN aplicados por PAPVD 2.2.1 Generalidades El nitruro de titanio (TiN) pertenece al grupo de los nitruros de metales de transición. Éstos se caracterizan por tener un alto punto de fusión, alta dureza y fragilidad, además de alta conductividad eléctrica y térmica. Algunas de las propiedades físicas del nitruro de Titanio se resumen en la tabla 2.7. El nitruro de titanio TiN es un compuesto no estequiométrico con estructura cristalina cúbica B1-NaCl como se muestra en la figura 2.5. Su estructura de enlace consiste de una

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combinación de interacciones localizadas metal-metal y metal- no metal que se asemejan al enlace metálico y covalente [Kingery, 1992].

Figura 2.5. Estructura del TiN tipo NaCl B1 El diagrama de fases de equilibrio del sistema titanio-nitrógeno muestra tres fases sólidas estables. La fase δ-TiN es estable bajo un amplio intervalo de composiciones (0.6