Efecto de las adiciones de boro y carbono en la microestructura y resistencia al desgaste de una aleación Co-Cr-Mo

Abstract

The present study analyzes the effect of boron and carbon additions on the microstructure and wear performance of a Co-30Cr-5Mo alloy. This alloy was initially based on the chemical composition of the ASTM F75 alloy which is frequently used in gas turbine and high temperature applications subject to wear. Hardness of these alloys has been improved by alloying with C, B, N and carbide forming elements such as Cr yW. For this study a 0.5 wt% B and C additions were used to modify the microstructure and obtain a 36.7 vol.% of reinforcing phases composed by M23C6 carbides and M3B2 borides. The microstructure of this alloy showed a network formed by the reinforcing phases similarly to the microstructure observed in the Co-30Cr-8.5W alloys which is exhibits hardness values between 43-48 HRC and excellent wear properties. Characterization was made through optical and electronic microscopy and X ray diffraction for phase identification in the as-cast and after heat treatment at 1200° C for 3 hours. Hardness and microhardness were measured in both conditions in Rockwell C and Vickers scales respectively. Sliding wear test based on G77 standard were undertaken with 50 and 100 N of load during 5 km of sliding distance. Friction coefficient was monitored during the tests by measuring the normal and tangential forces. Wear depth, surface roughness and volume wear losses were measured by using a non-contact 3D profiler. Results show an increase on the hardness and the reduction of the wear losses, in the alloy with the simultaneous addition of 0.5% wt of B and 0.5% wt of C.

El presente estudio analiza el efecto de las adiciones de boro y carbono sobre la microestructura y el comportamiento frente al desgaste de una aleación de Co-30Cr-5Mo. Esta aleación se basó inicialmente en la composición química de la aleación ASTM F75, que se usa con frecuencia en turbinas de gas y aplicaciones de alta temperatura sujetas a desgaste. La dureza de estas aleaciones se ha mejorado aleando con C, B, N y elementos formadores de carburo como Cr y W. Para este estudio se utilizaron adiciones de 0.5% en peso de boro y carbono para modificar la microestructura y obtener un 36%vol. de fases reforzantes compuestas por carburos M23C6 y boruros M3B2. La microestructura de esta aleación mostró una red formada por las fases de refuerzo similar a la microestructura observada en las aleaciones Co-30Cr-8.5W que exhibe valores de dureza entre 43-48 HRC y excelentes propiedades de desgaste. La caracterización se realizó mediante microscopía óptica, electrónica y difracción de rayos X para la identificación de fases en condición de colada y después del tratamiento térmico a 1200°C durante 3 horas. La dureza y la microdureza se midieron en ambas condiciones en las escalas Rockwell C y Vickers respectivamente. Se realizaron pruebas de desgaste por deslizamiento basadas en el estándar G77 con 50 y 100 N de carga durante 5 km de distancia de deslizamiento. El coeficiente de fricción se controló durante las pruebas midiendo las fuerzas normales y tangenciales. La profundidad de desgaste, la rugosidad de la superficie y las pérdidas por desgaste de volumen se midieron utilizando un perfilador 3D sin contacto. Los resultados muestran un aumento en la dureza y la reducción de las pérdidas por desgaste en la aleación con la adición simultánea de 0,5% en peso de B y 0,5% en peso de C.