Optimización Del Tratamiento Termoquimico de Nitruración

Captulo

2Optimizacin del tratamientotermoqumico de nitruracin

2.1 INTRODUCCIN

Este captulo detalla la labor experimental realizadapara hallar los parmetros ptimos para realizar el tra-tamiento termoqumico de nitruracin del titanio cp ydel Ti6Al4V en cuanto a su aplicacin como biomate-riales. Se revisan los aspectos prcticos del tratamien-to, la seleccin de variables de estudio, as como elcriterio utilizado para cuantificar la optimizacin, ba-sado en el estudio del incremento de dureza logradocon el tratamiento y de la mejora de las propiedadestribolgicas, aspectos bsicos de la aplicacin tecnol-gica de este tratamiento de nitruracin.

2.1.1 El tratamiento termoqumico de nitru-racin

Dentro de los diferentes tratamientos de nitruracinexistentes, el tratamiento termoqumico de nitruracines el que requiere un equipamiento menor y ms bara-to. Un aspecto poco considerado en la mayora de tra-bajos citados en el captulo 1, sin embargo, es lanecesidad de controlar de modo impecable los elemen-tos utilizados para realizar los tratamientos, para evi-tar la contaminacin de dichos elementos o de lasmuestras tratadas. La necesidad de conocer de formaprecisa la variacin de propiedades de los materialestratados oblig a realizar estudios experimentales paraoptimizar el tratamiento para su aplicacin industrial.

2.1.2 Criterio de optimizacin

El criterio de optimizacin que se ha utilizado se basaen tres puntos:

a) Obtener el mximo incremento de dureza compa-tible con el mantenimiento de las propiedadesmecnicas, de corrosin y de biocompatibilidad.

b) Obtener la mxima disminucin del desgaste com-patible con el mantenimiento de las propiedadesmecnicas, de corrosin y de biocompatibilidad.

c) Minimizar el coste industrial del tratamiento, me-diante la eleccin de la temperatura y tiempo detratamiento ms reducidos que permitan alcan-zar los puntos anteriores.

Para ello, se han obtenido los coeficientes de varia-cin de la dureza y de la disminucin del desgaste res-pecto a la temperatura y tiempo del tratamiento. Apartir del estudio de los valores normalizados se hanlocalizado los puntos o regiones donde se cumplen losrequisitos indicados, dentro de las limitaciones de tipoeconmico impuestas, esto es, con las menores tempe-raturas y tiempos de tratamiento.

2.1.3 El desgaste en sistemas tribolgicos deaplicacin biomdica

Existen diferentes mecanismos de desgaste, relacio-nados con diversos sistemas tribolgicos. En el caso es-tudiado, los mecanismos de desgaste ms habitualesdurante el uso de las aleaciones de titanio son la abra-sin, el desgaste adhesivooxidativo y la delaminacin,y a veces el desgaste por fatiga, que est bastante liga-do a la delaminacin.

La susceptibilidad de las aleaciones de titanio al des-gaste por abrasin se debe a la reducida dureza de di-chos materiales, lo que facilita la deformacin delmaterial y la formacin de partculas de titanio al fric-cionar con partculas ms duras.

En el caso del desgaste adhesivooxidativo, el tita-nio sufre una combinacin de dichos tipos de desgaste,ya que al friccionar con otro material se libera la capasuperficial de xido de titanio, quedando al descubier-to el material base. Dada la alta reactividad del titanio,ste reacciona con el material contra el que fricciona,producindose un desgaste adhesivo. Tras cesar elcontacto, la capa de xido se renueva, reinicindose elciclo de desgaste.

24 CAPTULO 2 OPTIMIZACIN DEL TRATAMIENTO TERMOQUMICO DE NITRURACIN

La elevada deformabilidad del titanio y sus aleacio-nes favorece la existencia de desgaste por delamina-cin. Este mecanismo de desgaste se debe a la aparicinde fuertes tensiones de cizalla subsuperficiales, que danlugar a una deformacin subsuperficial. Si las fuerzasque crean estas deformaciones se repiten, las sucesivasdeformaciones dan lugar a la formacin de microgrie-tas, que con el ciclado aumentan de tamao, hasta lle-gar a ser macroscpicas y provocar la prdida de unalmina de material superficial [Rig78, Suh77].

En los ensayos realizados con otros mtodos denitruracin, como la implantacin inica, se ha obser-vado que este tratamiento no evita la deformacin pls-tica subsuperficial, aunque reduce el coeficiente defriccin y el arranque de material, debido a la modifi-cacin de los planos de deslizamiento preferencialesdel material, pasando de un plano prismtico [1010] aun plano basal, con una tensin de cizalladura crticamucho menor. La nitruracin tambin presenta un co-eficiente de desgaste bajo ( = 0,12) y adems eliminala delaminacin debido al mayor espesor de la capa denitruros [She82].

Ensayos de prtesis de titanio nitruradas con implan-tacin inica en simulador de cadera en suero bovinocontra acetbulo de UHMWPE, mostraron una mejoraen las propiedades tribolgicas, si bien la capa nitrura-da se desgasta en un par de aos de uso. El desgastedel UHMWPE se mantuvo, si bien se redujo de formaconsiderable la liberacin de iones [McK90, Lau91,Rs89].

Por el contrario, ensayos realizados con muestras tra-tadas mediante nitruracin por plasma, realizados ensimulador de rodilla, mostraron que este tipo de nitru-racin reduce considerablemente el desgaste [Pet88].

Adems, los estudios realizados del comportamientoin vivo de las prtesis de cadera muestran que el des-gaste del UHMWPE, causante de la enfermedad de laspartculas, slo se reduce ligeramente con el uso demetales tratados superficialmente, por lo que se hanconsiderado otras posibilidades. Como se ha visto enla figura 1.15, el uso de superficies de contactometal-metal reduce en un orden de magnitud el volu-men de material de desgaste producido, en la lnea delas prtesis de McKee o Mller [Sem97]. Ensayos clni-cos de siete aos de los contactos metal-metal mostra-ron resultados comparables a los datos de laboratorio[Str96].

Otro punto que es necesario considerar es el efectodel fluido en que funcionar el sistema tribolgico es-tudiado. En el caso de las articulaciones y otras zonasdel cuerpo con presencia de friccin, el desgaste se vereducido por la adsorcin superficial de protenas pre-sentes en el suero y fluido sinovial del cuerpo, como elhialuronato sdico o la gamma-globulina. Esta adsor-cin crea un efecto de lubricacin por capa lmite su-perficial, el cual disminuye de manera efectiva eldesgaste [Mur98].

Por ltimo, cabe destacar la existencia de discrepan-cias en los estudios realizados. Ensayos realizados ensimulador de cadera de cabezas femorales de 47 mmde dimetro de Ti6Al4V nitrurado mediante PVD enagua destilada contra UWMWPE mostraron una eli-minacin casi total (98%) del desgaste abrasivo y dela-minacin en el polietileno durante una simulacin de48 millones de ciclos, equivalente a 25 aos de uso[Pap95]. La capa nitrurada slo estaba ligeramente des-gastada debido a la accin de partculas contaminan-tes de xido de aluminio. Por el contrario, la nicareferencia existente sobre el estudio de un caso clnicode uso de una prtesis de cadera de Ti6Al4V nitruradamediante PVD contra acetbulo de polietileno seala-ba que, tras un ao de implantacin, se observ un li-gero desgaste en la capa nitrurada, que presentaba unasuperficie pulida y pequeas regiones circulares de capadislocada [Har97]. El rendimiento observado fue me-nor al predicho por los ensayos in vitro [Pap95]. El ace-tbulo presentaba delaminacin y marcas de desgasteabrasivo, lo que refuerza la idea ya indicada de reivin-dicar el uso de contactos metal-metal para este tipo deaplicaciones.

Por todo ello, debido a estas discrepancias se ha con-siderado necesario realizar un estudio de la reduccindel desgaste obtenida mediante la nitruracin termo-qumica, as como las variaciones de los mecanismosde desgaste debidas al tratamiento de nitruracin. Elpresente estudio se centra en evaluar el comportamien-to de los metales estudiados en rozamiento contra elmismo material, a fin de simular en lo posible uncontacto metal-metal, tanto en aire como en mediofisiolgico.

2.2 MATERIALES Y MTODOS

2.2.1 Material utilizado

El material usado en este estudio es titanio cp yTi6Al4V comercial. Se us material proveniente del mis-mo lote para todos los ensayos del mismo tipo. En to-dos los casos el material cumpla la norma establecidapor los fabricantes europeos relativa al tamao de gra-no mximo permitido, as como la norma referente a latexturacin mxima permisible del material.

El titanio usado fue titanio cp de grado 3, con la com-posicin indicada en la tabla 2.1. El material se recibien dos lotes, uno en barra de 12,7 mm de dimetro, yotro en forma de barra de 2,5 mm de dimetro. En am-bos casos, la microestructura en recepcin era equiaxial,con un tamao de grano de 1,55 mm2 para la barra de12,7 mm y de 1,02 mm2 para la barra de 2,5 mm dedimetro. La composicin qumica y las microestruc-turas se ajustan a la norma ASTM F67 para su aplica-cin en implantes quirrgicos.

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La aleacin Ti6Al4V se recibi tambin en dos lotes,uno en barra de 12,7 mm de dimetro, y otro en formade barra de 2,5 mm de dimetro, con la composicinindicada en la tabla 2.1. La microestructura en recep-cin era mill-annealed, ligeramente texturizada en el casode la barra de 2,5 mm de dimetro, con un tamao degrano de 31,9 mm2 para la barra de 12,7 mm de dimetroy de 13,8 mm2 para la barra de 2,5 mm de dimetro. Lacomposicin qumica y las microestructuras se ajustana la norma ASTM F136 para su aplicacin en implantesquirrgicos.

Tanto en el caso del titanio como de la aleacinTi6Al4V, el procesado del material recibido para pre-parar las probetas usadas en los ensayos fue el mismo.La barra de 12,7 mm se mecaniz hasta obtener un ci-lindro de 10 mm de dimetro. A partir de dicho cilin-dro se cortaron discos cilndricos de 10 mm de dimetroy 5 mm de espesor con una cortadora de diamante Iso-met. Estos discos se utilizaron en los ensayos de dure-za y desgaste abrasivo.

A partir de la barra de 2,5 mm de dimetro se prepa-raron las muestras con las que se realizaron los ensayosde desgaste en pin-on-disk. Para ello se cortaron trozosde barra de 10 mm de longitud, a los cuales se les dioun acabado hemisfrico en uno de los extremos.

Tras obtener la geometra deseada, las muestras sepulieron con papel abrasivo de tamao de grano de-creciente y finalmente con suspensiones de almina(Al2O3) de 1 y 0,05 m de tamao de partcula respecti-vamente, hasta obtener un acabado superficialhomogneo, con una rugosidad media aritmtica(Ra) < 0,05 m.

2.2.2 Tratamiento termoqumico de nitruracin

En este apartado se tratan los aspectos prcticos delos tratamientos termoqumicos realizados durante esteestudio. La revisin de la informacin existente y delos trabajos en los que se ha estudiado este tipo de tra-tamiento se detallan en el apartado 1.4.

2.2.2.1 Elementos usados

HornoTodos los tratamientos termoqumicos de nitruracin

realizados a lo largo de esta tesis se han realizado enun horno elctrico tubular Hern ST13 (figura 2.1). Elrango temperatura alcanzado por este horno es de 20a 1300 C. En todos los casos se han usado tubos dealmina para la realizacin de los tratamientos, con undimetro interior del tubo de 20 mm.

Las ventajas debidas al uso de este tipo de hornoson el buen control de la atmsfera existente en el hor-no durante el tratamiento, y el hecho de que el uso detubos de cermica, que tienen una baja adsorcin y semantienen razonablemente limpios tras los trata-mientos.Adems, al trabajar con un horno tubular, sepueden acoplar conectores para el control del flujo degas a ambos lados del tubo de almina, lo que permiteun excelente control de la atmsfera presente duranteel tratamiento.

Gas nitrgenoEl nitrgeno usado en los tratamientos termoqu-

micos ha sido en todos los casos un nitrgeno de eleva-da pureza (denominacin: nitrgeno 5.0) y con controlde las impurezas presentes (tabla 2.2).

El suministro de este gas se ha llevado a cabo encilindros de 15,5 l de capacidad, de la empresaAbell-Linde.

Tabla 2.1 Composicin qumica de los materiales estudiados.

Figura 2.1 Horno tubular ST13.

Tabla 2.2 Impurezas del nitrgeno usado en los tratamientostrmicos.

Apartado 2.2 Materiales y mtodos

elemento concentracin [ppm]O2 3

H2O 2CnHm 0,2

Material ComposicinAl V Fe C O N H Ti

Ti cp 2,5mm 0,05 0,02 0,09 0,010 0,0018 bal.Ti cp 12,7mm 0,05 0,01 0,17 0,007 0,0024 bal.

ASTM F67 0,25 0,10 0,20 0,05 0,015 bal.Ti6Al4V 2,5mm 6,0 4,0 0,15 0,02 0,12 0,012 0,0015 bal.Ti6Al4V 12,7mm 6,0 4,0 0,14 0,01 0,15 0,010 0,0017 bal.

ASTM F136 5,56,5 3,54,5 0,25 0,08 0,13 0,05 0,012 bal.


Control de la atmsferaMantener controlada la pureza de la atmsfera de ni-

trgeno usada, y garantizar la estanqueidad del sistema,son puntos sumamente importantes del tratamiento denitruracin. Los tratamientos realizados se han llevado acabo con un flujo continuo de nitrgeno, que circula porlos elementos indicados en la figura 2.1.

Para evitar la presencia de gases que pudieran conta-minar el tratamiento, se ha trabajado con un circuito enflujo continuo de gas nitrgeno a una sobrepresin de 0,025atm conseguida mediante el recurso de mantener la sali-da del circuito del gas en un nivel sumergido de agua. Lasobrepresin as conseguida evita la entrada de la atms-fera en la zona de atmsfera controlada.

El flujo de trabajo de nitrgeno se ha intentado manteneren todos los tratamientos entorno a un valor de 0,5 l/h.Experimentos previos no han mostrado diferencias signifi-cativas debidas al uso de un flujo mayor o menor del indi-cado, de forma que por comodidad se ha establecido elflujo indicado de 0,5 l/h como flujo nominal.

2.2.2.2 Preparacin de las muestras a tratar

Las muestras a nitrurar fueron limpiadas medianteultrasonidos en un bao de alcohol durante 10 minu-tos, y posteriormente en otro bao de acetona durante20 minutos, tras los cuales se secaron mediante una co-rriente de aire.

2.2.2.3 Procedimiento de tratamiento

En todos los tratamientos de nitruracin se estable-ci un protocolo de tratamiento, para mantener cons-tantes variables no controladas. En general, se intentevitar variabilidad en la fase de carga y de enfriamien-to de la muestra, y en la pureza de la atmsfera usada.

Preparacin inicial del sistemaEn un primer momento, se programa el termostato

del horno a la temperatura requerida por el tratamien-to, con una rampa que permita llegar a la temperaturadeseada en una hora. Durante el perodo que se requierepara alcanzar la temperatura deseada, se purga laatmsfera contenida en el horno haciendo circular unelevado caudal de nitrgeno, hasta haber hecho circu-lar un mnimo de cien veces el volumen contenido enel horno. Estos valores nominales se adaptaron de losusados en los tratamientos con atmsfera controladarealizados en la industria [Mar97]. La circulacin deeste volumen de nitrgeno durante la fase de calenta-miento del horno asegura la purga de la atmsfera exis-tente en el horno y la eliminacin de la humedadadsorbida en el tubo de cermica.

Una vez purgada la atmsfera, se reduce el flujo denitrgeno hasta alcanzar el valor nominal fijado en elapartado 2.2.2.1.

Introduccin de la muestraDurante la fase de calentamiento del horno, la mues-

tra a tratar se introduce en el horno, pero fuera de lazona caliente, dentro de una naveta de almina quepermite manipular dicha muestra. La naveta, cuandono est en uso, se mantiene guardada en un desecadorpara reducir al mnimo la absorcin de humedad porparte de la cermica.

El hecho de introducir la muestra en el horno du-rante el calentamiento permite aprovechar el flujo denitrgeno para evaporar la humedad adsorbida en lamuestra y en la naveta, as como eliminar cualquierresiduo que haya quedado de los procesos de limpiezaa los que se ha sometido la muestra.

Fase de tratamientoTras alcanzar la estabilidad trmica a la temperatura

requerida para realizar el tratamiento termoqumico,se desplaza la muestra a la zona de temperatura con-trolada del horno tubular. Mediante el control del flujode gas se consigue realizar este paso sin contaminar laatmsfera del horno.

Una vez posicionada la muestra a tratar, se vuelve aregular el flujo de gas a su valor nominal, y comienza acontar el tiempo de tratamiento.

Enfriamiento de la muestraTranscurrido el tiempo fijado de tratamiento, se apa-

ga el horno para permitir su enfriamiento, y se retira lamuestra de la zona caliente del horno depositndolaen la zona de precarga, para permitir un enfriamientorpido, pero siempre envuelta por una atmsfera con-trolada para evitar la contaminacin superficial pro-ducida por los gases del aire. Una vez pasado un tiempoprudencial, entre 30 y 60 minutos, la muestra se en-cuentra a una temperatura inferior a 100 C, lo que per-mite su extraccin sin riesgo de oxidacin u otrosprocesos de contaminacin.

2.2.2.4 Control de calidad del tratamiento de nitruracin

El control del xito de tratamiento es inmediato, yaque una nitruracin correcta genera una capa superfi-cial de color amarillo o dorado, como se muestra en lafigura 2.5, mientras que una muestra contaminada poroxgeno o vapor de agua presenta una superficie grismate o una capa blanca de xido de titanio, sumamen-te frgil y fcilmente reconocible.

2.2.3 Variables estudiadas

En este trabajo, se han mantenido fijadas las varia-bles presin y flujo del gas nitrgeno en el horno, y lavelocidad de enfriamiento de la muestra. Las variablesobjeto de estudio se han reducido a dos: la temperatu-ra y el tiempo de tratamiento. Esto ha sido necesario

27

para reducir el amplio nmero de variables presentesa un conjunto manejable. An as, ha sido necesariorealizar diseos fraccionales de experimentos para re-ducir el nmero de ensayos a realizar a un nmeromanejable.

2.2.4 Diseo factorial de experimentos

Las variables objeto de estudio fueron la temperatu-ra y el tiempo de tratamiento, con experimentos reali-zados a 3 niveles diferentes (diseo 32, 2 variables a 3niveles). An con este reducido conjunto de variables,ha sido necesario realizar un diseo factorial fraccio-nal de experimentos para reducir el nmero de ensa-yos a realizar a un nmero manejable [Box93]. Se optpor un diseo 22+2 (un diseo 22 con un punto centraly una muestra no tratada) para el estudio de las carac-tersticas de dureza y el estudio de las propiedades tri-bolgicas de desgaste abrasivo (figura 2.2).

A fin de simplificar las referencias a una muestradada, a lo largo de esta tesis se usar la codificacinindicada en la figura 2.2 para referirse a una muestra.La codificacin Ti_NT se refiere a la muestra de titanio(Ti) no tratado (NT), mientras que el cdigo Ti64_900_1se refiere a la muestra de la aleacin Ti6Al4V nitruradatermoqumicamente a 900 C durante 1 hora.

Para el estudio del desgaste adhesivo, oxidativo ypor fatiga para cada material mediante una mquinade ensayos pin-on-disk el diseo de experimentos ante-rior ha sido replicado para estudiar otras dos variables,la friccin contra un material tratado o no tratado, y elestudio del desgaste en aire o en medio fisiolgico. Es-tas replicaciones dan lugar a un diseo de experimentosde (22+2)*2*2 (un diseo 22 con punto central y mate-rial no tratado por dos sistemas de friccin por 2 me-dios de estudio). En total, se estudiaron 24 sistemas dedesgaste para cada material.

(Las nicas excepciones en cuanto al uso del diseode experimentos para la determinacin del nmero de

muestras a estudiar en este trabajo fueron el estudio debiocompatibilidad, que por su elevado coste se tuvoque reducir al estudio de un conjunto dado de parme-tros del Ti6Al4V, y las mediciones realizadas medianteespectroscopia Auger, que fueron restringidas al anli-sis del titanio cp tratado debido a su alto costo y a pro-blemas tcnicos surgidos con el anlisis de la aleacinTi6Al4V).

2.2.5 Medicin de la dureza

La medicin de durezas de las muestras tratadas yde control se realiz tanto en la superficie de las mues-tras como en su seccin transversal. Para ello se prepa-raron cortes transversales de las muestras, en los quese realizaron mediciones de dureza a diferentes distan-cias de la superficie tratada de la muestra.

La medicin se realiz con un microdurmetrosemiautomtico Matzusawa. Este equipo realiza unaimpresin en la muestra a medir con un indentadorVickers, a la cual se le aplica una carga dada.

Se aplicaron cargas de 50 g, si bien en las ocasionesen las que la indentacin resultante era muy pequease increment dicha carga. Se tomaron diez medidasde dureza superficial para cada muestra para podereliminar los valores mnimo y mximo y calcular losvalores estadsticos de las medidas restantes. Se reali-zaron anlisis estadsticos de la variancia de las mues-tras tratadas mediante el mtodo de Dunnett paradeterminar si las variaciones de dureza eran significa-tivas. Dicho mtodo estadstico permite realizar com-paraciones de diversas medidas con una medidaescogida como control, que en este caso se trata de losvalores obtenidos de las muestras no tratadas.

A partir de las mediciones realizadas se obtuvo ladureza superficial de cada muestra, as como una cur-va de la evolucin de la dureza con la distancia a lasuperficie tratada. Tras obtener cada curva, se aplicuna regresin con un modelo de decrecimiento

Figura 2.2 Diseo factorial de experimentos para el estudio de las caractersticas de dureza y desgaste abrasivo de las muestrastratadas.

750 800 850

Ti_850_1

Ti_850_8

Ti_800_4

Ti_750_1

Ti_750_8

a) Temperatura de tratamiento [C]

Du

raci

n d

el tra

tam

ien

to [h]

8

4

1

750

Ti64_900_1

Ti64_900_8

Ti64_850_4

Ti64_750_8

Ti64_750_8

900850

b) Temperatura de tratamiento [C]

Du

raci

n d

el tra

tam

ien

to [h

] 8

4

1

Apartado 2.2 Materiales y mtodos


exponencial para obtener las constantes de ajuste, enaplicacin del modelo terico propuesto en el aparta-do 2.4.1.1 para explicar la variacin con la distancia ala superficie en el incremento de la dureza. Se realiza-ron comparaciones estadsticas entre tratamientos me-diante la distribucin t-Student para determinar si lasvariaciones de la dureza son estadsticamente signifi-cativas.

2.2.6 Estudio de las propiedades tribolgicas

2.2.6.1 Desgaste abrasivo

El estudio de desgaste abrasivo se ha realizado se-gn la norma DIN53516, que regula dicho tipo de en-sayos. Los experimentos se realizaron mediante unaparato de desgaste de seccin cilndrica recubierto decarburo de silicio con un tamao de grano de grit 60, ycontra el que se produce el rozamiento de la muestra(figura 2.3).

Las muestras estudiadas fueron discos de titanio yde Ti6Al4V de 10 mm de dimetro y 5 mm de espesor,con los parmetros de tratamiento trmico de nitrura-cin indicados en el apartado 2.2.4. Los experimentosse han realizado a una velocidad lineal de desgastebaja (v = 0,25 m/s) para evitar desgastes oxidativos. Lacarga aplicada fue de 1 kg. Debido a la dureza y tama-o de los granos de carburo de silicio empleados, laspresiones puntuales sobre el material son muy eleva-das, produciendo un desgaste casi totalmente abrasi-vo. El diseo de experimentos utilizado ha sido un 22+2por cada material, tal y como de detalla en el apartado2.2.4.

La prdida de peso se evalu a diferentes tiemposde experimentacin hasta el momento en que la capanitrurada se haba desgastado. Tras obtener cada cur-va, se aplic una regresin para ajustar el desgaste abra-sivo a alguno de los modelos de desgaste existentes.Tras obtener las constantes para cada tratamiento serealizaron comparaciones estadsticas entre tratamien-

tos mediante el estadstico t-Student para determinar silas variaciones en el coeficiente de desgaste abrasivoeran significativas.

2.2.6.2 Estudio del desgaste mediante ensayospin-on-disk

Los ensayos de las muestras nitruradas se han reali-zado con una mquina de ensayos tipo pin-on-disk (fi-gura 2.4), segn la norma ASTM G99.

Se usaron pins hemisfricos de titanio y Ti6Al4V, alos que se les puli la hemiesfera hasta alcanzar unarugosidad superficial Ra < 0,05 m. Los pins se han en-sayado contra discos de Ti6Al4V.

La mquina de ensayos pin-on-disk usada tiene unoslmites de trabajo, tanto de carga aplicada (120 N)como de velocidad de deslizamiento (00,9 m/s). Lacarga aplicada fue de 6 N, con una velocidad lineal dedeslizamiento establecida en 0,2 m/s.

Dentro de los rangos indicados, se decidi emplearuna carga de 6 N sobre la base de los resultados obteni-dos con la teora hertziana del contacto. Dado el radiode curvatura existente en el extremo de la superficiehemisfrica tras el pulido final (aproximadamente6 mm) y la hiptesis de que se trabaja con dos mate-riales similares, con las propiedades del titanio(E = 100 GPa), se obtuvo como resultado que para ob-tener una presin de contacto inferior al lmite elsti-co, se tena que usar una carga igual o inferior a 6 N.Con una carga de 6 N, la presin mxima alcanzada esde unos 400 MPa [Bay94b]. Comparadas con las pre-siones tpicas en una articulacin (515 MPa) [Kur97,Max96, McG97], estos valores garantizan unas condi-ciones de ensayo bastante rigurosas, con lo que los en-sayos no se alargan excesivamente.

La velocidad de deslizamiento escogida es de 0,2 m/s, lacual es una velocidad media tpica del deslizamiento exis-tente en prtesis humanas de cadera o rodilla [Ate97].

Tal y como se detalla en el apartado 2.2.4, el diseo deexperimentos usado es un (22+2)*2*2 para cada material,

Figura 2.3 Esquema del aparato de ensayo de desgaste abrasivo. Figura 2.4 Aparato de ensayo de desgaste pin-on-disk.

29

a fin de realizar ensayos contra material tratado y sin tratary tanto en medio seco (aire) como con lubricacin. Se usa-ron muestras nitruradas con los parmetros de tratamientotrmico de nitruracin indicados en el apartado 2.2.4. Losdiscos de Ti6Al4V usados fueron tanto nitrurados (du-rante 1 hora a 900 C) como sin nitrurar.

El fluido usado en los ensayos en medio hmedo fueSBF (Simulated Body Fluid), un fluido desarrollado porKokubo et al que simula las concentraciones inicas exis-tentes en los fluidos del cuerpo humano, as como elpH [Kok90]. Su composicin se indica en la tabla 2.3.Este fluido fue fabricado antes de cada ensayo segn elprocedimiento indicado por Kokubo et al [Kok90]. ElpH fue controlado mediante un pHmetro Me-trohm-691. En todos los experimentos de desgaste rea-lizados, los ensayos se realizaron a temperaturaambiente.

Durante los ensayos se registr el coeficiente de fric-cin del sistema () durante todo el ensayo. Tambinse midi la prdida de peso, tanto del pin como deldisco, en diversos incrementos de distancia de roza-miento, hasta detectar el desgaste o rotura de la capanitrurada. Diferentes muestras fueron examinadasmediante microscopia electrnica de barrido tanto du-rante como al acabar los ensayos, a fin de determinarel mecanismo de desgaste predominante.

Tras obtener las diversas curvas de desgaste, se apli-c una regresin a los datos relativos al desgaste de lacapa tratada para ajustarla a alguno de los modelos dedesgaste existentes. Se realizaron comparacionesestadsticas entre tratamientos mediante el estadsticot-Student para determinar si las variaciones del coefi-ciente de desgaste son significativas.

2.3 RESULTADOS

2.3.1 Obtencin de la capa nitrurada

La capa obtenida presenta un aspecto homogneo,con color dorado metlico, muy diferente del color gri-sceo del titanio o de la aleacin Ti6Al4V. Tal y como seha indicado en el apartado 2.2.2.4, el resultado de unabuena nitruracin es la obtencin de una capa superfi-cial en el titanio o el Ti6Al4V tratados. Esta capa es deun color dorado, con un tono ms ligero o ms oscurosegn la temperatura y tiempo de tratamiento, comose muestra en la figura 2.5. La capa presenta una bue-na adhesin con el substrato.


Los resultados de las medidas de microdureza reali-zados en las muestras tratadas (tablas 2.4 y 2.5) mues-tran un elevado incremento de la dureza respecto a losvalores nominales de los materiales tratados.

Los intervalos de confianza resultantes de los anli-sis de varianza realizados mediante el estadstico deDunnett se muestran en las figuras 2.6 y 2.7.

Los resultados de dureza en seccin transversal semuestran en la figura 2.8 para el titanio y en la figura2.9 para el Ti6Al4V.

Tabla 2.3 Composicin del SBF.

Figura 2.5 Aspecto de muestras tratadas de titanio.

Apartado 2.3 Resultados

concentraciones [mM]buffer

Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Cl- HCO3- HPO42- (CH2OH)3CNH2 HCl pHSBF 142,0 5,0 1,5 2,5 148,8 4,2 1,0 50 45 7,25Plasma Humanoa 142,0 5,0 1,5 2,5 103,0 27,0 1,0 variablea[Li94]


Los datos muestran un incremento exponencial dela dureza de las muestras tratadas desde el interior dela muestra hasta la superficie, tanto para el titanio comopara el Ti6Al4V. Las muestras no tratadas no muestran

Tabla 2.4 Durezas superficiales de las muestras de titanio. --+-----+-----+-----+-Ti_ NT (-*-)Ti_750_1 (-*-)Ti_750_8 (-*-)Ti_800_4 (-*-)Ti_850_1 (-*-)Ti_850_8 (-*-)

--+-----+-----+-----+-

350 700 1050 1400

Figura 2.6 Intervalos de confianza del 95% de la durezasuperficial de muestras de titanio(estadstico de Dunnett).

----+-----+-----+----

Ti64_NT (-*-)Ti64_750_1 (-*-)Ti64_750_8 (-*-)Ti64_850_4 (-*-)Ti64_900_1 (-*-)Ti64_900_8 (-*)

----+-----+-----+----

600 900 1200

Figura 2.7 Intervalos de confianza del 95% de la durezasuperficial de muestras de Ti6Al4V (estadstico de Dunnett).

Figura 2.8 Dureza en seccin transversal del titanio cp: a) Ti_750_1; b) Ti_750_8; c) Ti_800_4; d) Ti_850_1.

0 25 50 75 100200

300

400

500

600

a)

lmite capa TiN + Ti2N

Dureza [HV]

dist. superficie [m]

0 25 50 75 100 125200

400

600

800

b)


Dureza [HV]


0 25 50 75 100200

400

600

800

1000

1200

c)


Dureza [HV]


0 25 50 75 100200

300

400

500

600

700

800

900

1000

d)


Dureza [HV]


esta variacin, sino que presentan un valor de durezaaproximadamente constante, con un ligero endureci-miento en la superficie.

Tabla 2.5 Durezas superficiales de las muestras de Ti6Al4V.

dureza media [HV] (n = 8)Ti_NT 372,6 27,3

Ti_750_1 603,1 122,6Ti_750_8 769,0 111,7Ti_800_4 1.022,0 136,0Ti_850_1 982,4 108,2Ti_850_8 1.287,3 55,3

dureza media [HV] (n = 8)Ti64_NT 448,9 24,1

Ti64_750_1 751,1 72,3Ti64_750_8 1.171,1 86,3Ti64_850_4 1.343,9 99,3Ti64_900_1 1.038,0 56,6Ti64_900_8 1.396,0 109,8

31

Figura 2.9 Dureza en seccin transversal del Ti6Al4V: a) Ti64_750_1; b) Ti64_750_8; c) Ti64_850_4; d) Ti64_900_1; e) Ti64_900_8;f) Ti64_NT.

Figura 2.8 (cont.) Dureza en seccin transversal del titanio cp: e) Ti_850_8; f) Ti_NT.

0 25 50 75 100200

400

600

800

1000

1200

1400

e)


Dureza [HV]

dist. superficie [m]0 10 20 30 40 50

250

275

300

325

350

375

400

f)

Dureza [HV]


0 25 50 75 100 125 150300

400

500

600

700

800

a)


Dureza [HV]


0 50 100 150 200300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

b)


Dureza [HV]


0 20 40 60 80 100250

500

750

1000

1250

1500

c)


Dureza [HV]


0 25 50 75 100 125 150300

400

500

600

700

800

900

d)


Dureza [HV]


0 25 50 75 100 125 150250

500

750

1000

1250

1500

e)


Dureza [HV]


0 25 50 75 100 125 150350

375

400

425

450

475

500

f)

Dureza [HV]




2.3.3 Ensayos tribolgicos

2.3.3.1 Ensayos de desgaste abrasivo

Los resultados de los ensayos de desgaste abrasivorealizados se muestran en las figuras 2.10 y 2.11, en lasque se representa el volumen desgastado respecto a ladistancia de desgaste.

En las grficas se observa una clara disminucin dela velocidad de desgaste (la pendiente) del titanio y delTi6Al4V tratado respecto a las muestras sin tratar.

2.3.3.2 Ensayos de desgaste pin-on-disk

Coeficientes de friccinLos ensayos de desgaste realizados con titanio y

Ti6Al4V no tratado contra disco no tratado han pro-porcionado los valores usuales de coeficiente de fric-cin () para estos materiales, tal y como se ve en lafigura 2.12. El coeficiente de friccin en estos ensayos

ha oscilado en un rango del 0,6 al 0,8, tanto en los ensa-yos en aire como en SBF.

En el caso de los ensayos en los que uno de los dosmateriales haba sido nitrurado, el coeficiente de fric-cin se reduca ligeramente, pero sin descender de = 0,3. Adems, en los ensayos realizados en SBF, sibien al principio el coeficiente era reducido, conformeprogresaba el ensayo el coeficiente de friccin alcanza-ba rpidamente los valores habituales del titanio notratado. Sin embargo, en los ensayos en los que tanto elpin como el disco haban sido nitrurados, el coeficientede friccin se reduca de forma notable. En el intervalode ensayo en que las capas an no se haban desgasta-do, el coeficiente de friccin obtenido oscilaba entre 0,08y 0,18, tanto en medio seco como en SBF, tal y como semuestra en la figura 2.13.

Una vez se desgastaba la capa nitrurada, la friccindel sistema volva lentamente a los valores nominalesdel material sin tratar, como se muestra en la figura 2.14.

Al comparar los registros de datos de los ensayosrealizados con las muestras tratadas contra disco trata-

Figura 2.10 Desgaste abrasivo de las muestras de titanio.

Figura 2.11 Desgaste abrasivo de las muestras de Ti6Al4V.

0 50 100 150 200 2500

2

4

6

8

Distancia [m]

Desgaste [mm3] Ti_750_1 Ti_750_8 Ti_800_4 Ti_850_1 Ti_850_8 Ti_NT

0 200 400 600 8000

2

4

6

Distancia [m]

Desgaste [mm3] Ti64_750_1 Ti64_750_8 Ti64_850_4 Ti64_900_1 Ti64_900_8 Ti64_NT

Figura 2.12 Coeficiente de friccin del ensayo en seco de unpin Ti64_NT contra disco de Ti6Al4V no tratado.

0 2 4 6 8 10

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

distancia [m]

Figura 2.13 Coeficiente de friccin del ensayo en seco de unpin de Ti6Al4V tratado a 900 C durante 8 horas contra dis-co de Ti6Al4V nitrurado 1 hora a 900C.

0 5 10 15 200,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

0,24

distancia [m]

33

do con los ensayos realizados con muestras no trata-das, se registr un claro descenso en el coeficiente defriccin . Adems de reducir la energa necesaria paramantener en movimiento el sistema, este hecho favo-rece de forma notable la resistencia al desgaste de losmateriales tratados.

Coeficientes de desgasteEl desgaste medido en los ensayos realizados en la

mquina de ensayos pin-on-disk se muestran en las fi-guras 2.15 y 2.16, donde se representa el volumen dematerial desgastado respecto a la distancia recorridadurante el ensayo.

Los resultados muestran, en la lnea de los resulta-dos obtenidos del desgaste abrasivo, una clara dismi-nucin de la velocidad de desgaste (la pendiente de lascurvas) del titanio y del Ti6Al4V tratado respecto a lasmuestras sin tratar, dependiente de los parmetros detratamiento. Debido a la falta de sensibilidad de los apa-ratos disponibles fue imposible registrar con la resolu-cin necesaria el desgaste sufrido por los discos dedesgaste, lo que redujo el campo de trabajo a los valo-res obtenidos de las muestras en forma de pin.

Como se puede comprobar en las figuras 2.15 y 2.16,los resultados mostraron la existencia de dos velocida-des de desgaste diferentes en un mismo material trata-do. Esto se debe a que, en cuanto se ha desgastado lacapa superficial nitrurada, el material que se desgastaes material base, con un coeficiente de desgaste similaral del material no tratado.

Figura 2.14 Coeficiente de friccin del ensayo en SBF de unpin de titanio tratado a 750 C durante 1 hora contra discode Ti6Al4V tratado.

0 5 10 15 20 250,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

distancia [m]

Figura 2.15 Desgaste en ensayos pin-on-disk de las muestras de titanio cp: a) contra disco no tratado en seco; b) contra disco notratado en SBF; c) contra disco tratado en seco; d) contra disco tratado en SBF.

0 50 100 150 200 2500,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

a) Distancia [m]


0 50 100 150 200 250 3000,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

b) Distancia [m]


0 50 100 150 2000,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

c) Distancia [m]

Desgaste [mm3]

Ti_750_1 Ti_850_1 Ti_800_4 Ti_750_8 Ti_850_8 Ti_NT

0 25 50 75 1000,00

0,05

0,10

0,15

0,20

d) Distancia [m]




Mecanismos de desgaste observadosLas observaciones con microscopio de las superficies

de desgaste (vase el esquema mostrado en la figura 2.17)exhibieron un mecanismo de desgaste diferente entre lasmuestras tratadas y las no tratadas. En las muestras notratadas, el principal mecanismo de desgaste es el des-gaste adhesivo, mientras que en las muestras tratadas elmecanismo de desgaste es una mezcla de desgaste adhe-sivo combinado con desgaste por fatiga, e incluso algunahuella de desgaste abrasivo, tal y como se observa en lafigura 2.18. Se produce un desgaste de la capa nitruradaque produce partculas muy pequeas, de magnitud in-ferior a la micromtrica.

En los ensayos realizados en SBF, las observaciones dela superficie del pin tras los ensayos (figura 2.19) sugie-ren que el mecanismo de desgaste por fatiga y delamina-cin es el principal tipo de desgaste, posiblemente debidoal efecto del fluido al penetrar en las fracturas formadas.

Figura 2.16 Desgaste en ensayos pin-on-disk de las muestras de Ti6Al4V: a) contra disco no tratado en seco; b) contra disco notratado en SBF; c) contra disco tratado en seco; d) contra disco tratado en SBF.

0 50 100 150 2000,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

a) Distancia [m]


0 50 100 150 200 250 3000,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

c) Distancia [m]


0 50 100 150 2000,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

b) Distancia [m]


0 25 50 75 1000,00

0,05

0,10

0,15

0,20

d) Distancia [m]


Figura 2.17 Esquema de las figuras 2.18 y 2.19.

35

2.4 DISCUSIN


2.4.1.1 Modelo terico del incremento de la dureza

La dureza obtenida con el tratamiento trmico denitruracin es proporcional a la temperatura y tiempode tratamiento. Dado que la nitruracin del titanio seproduce por difusin del nitrgeno en la matriz slidade titanio [Enf97], la difusin del nitrgeno en el mate-rial sigue la ley de Fick. Por otro lado, se sabe que ladeformacin de la red cristalogrfica de la fase deltitanio es proporcional con la concentracin de nitr-geno presente [Wri87]. A partir de estos datos, si se con-sidera la hiptesis de que el incremento de dureza esproporcional al contenido en nitrgeno, tal y como in-dican diversos estudios [Bla93], entonces el modelo aseguir para la descripcin de la variacin de la durezadel material con la distancia a la superficie es una leyde regresin exponencial, del tipo:

y = A1 exp [-x/t1] [2.1]

siendo y el incremento de dureza en el punto estudia-do, A1 un factor indicativo del incremento de durezaobtenido y t1 el ratio de disminucin de la dureza conla distancia x.

2.4.1.2 Incremento de dureza

La representacin de los datos de dureza superficialen una representacin de curvas de nivel ayuda a com-prender el anlisis estadstico del diseo de experimen-tos realizado. Tanto la representacin de los datos delas muestras de titanio (figura 2.20) como de las mues-tras de Ti6Al4V (figura 2.21) indican un efecto positivode las variables temperatura y tiempo, con un mayorefecto de esta ltima sobre la dureza superficial.

Dada la ecuacin que modela la cintica de nitrura-cin:

Figura 2.20 Representacin por curvas de nivel de la durezasuperficial del titanio cp tratado.

Figura 2.21 Representacin por curvas de nivel de la durezasuperficial del Ti6Al4V tratado.

Apartado 2.4 Discusin

750 800 8500

2

4

6

8Duracin [h]

Temperatura [C]

Dureza [HV] 1300 -- 1400 1200 -- 1300 1100 -- 1200 1000 -- 1100 900.0 -- 1000 800.0 -- 900.0 700.0 -- 800.0 600.0 -- 700.0 500.0 -- 600.0 400.0 -- 500.0 300.0 -- 400.0

Figura 2.18 Pin de Ti6Al4V tratado a 900 C durante 8 horas.Se observa desgaste adhesivo en la zona desgastada (a) yabrasivooxidativo en la capa nitrurada (b).

Figura 2.19 Pin de titanio tratado a 750 C durante 8 horas. Seobserva desgaste adhesivo en la zona desgastada (a) y abrasi-vo-oxidativo con delaminacin de la capa nitrurada (b).


m = kt1/2 [2.2]k = exp[-/T] [2.3]

y la hiptesis ya indicada de que la dureza es propor-cional al incremento de nitruracin, tal y como se indi-ca en el apartado anterior, las relaciones esperadas entredureza (D), temperatura y tiempo de tratamiento quecabra esperar son:

D tn [2.4] D exp(-1/T) [2.5]

Si se toman los coeficientes de dureza obtenidos yde representan en una superficie versus temperatura ytiempo de tratamiento, se puede estudiar la relacinentre la variacin de dureza, la temperatura y el tiem-po, del tipo:

ln (D) a + b1/T + b2 ln t [2.6]

siendo: a = ln b1 = - b2 = n

Un estudio estadstico de la regresin de dichos va-lores, mostrado en la tabla 2.6, muestra la existencia deuna relacin entre el logaritmo de la dureza, la inversade la temperatura y el logaritmo del tiempo de trata-miento.

Los valores obtenidos del exponente n que afecta ala relacin de la dureza con el tiempo de tratamientoson la mitad de los que da la teora para la incorpora-cin de nitrgeno. Por tanto, cabe suponer que existeuna relacin potencial con un exponente de valor 0,5entre la incorporacin de nitrgeno y el incremento dela dureza superficial.

En este anlisis se debe tener en cuenta, sin embar-go, que los valores de dureza superficial obtenidos sonvalores lmite inferior respecto al valor real, ya que, apesar de que se han usado cargas de indentacin muypequeas, las indentaciones generalmente penetrabanms de 5 m en el material, lo que, segn el espesor de lacapa de nitruros formada, puede producir el llamadoefecto de capa de hielo, correspondiente a un colapso dela capa, con la consiguiente reduccin de valor en la me-dida obtenida (figura 2.22). Se ha reducido el problemarechazando aquellas medidas de dureza en la que se haobservado la rotura de la capa, aunque el problema no seha eliminado, ya que los valores slo se acercan a los es-perados para los nitruros de la capa ms superficial(1.500-2.000 HV [Soh93]) en los tratamientos ms largos ya mayor temperatura.

La regresin estadstica de los resultados de la durezaen seccin transversal de las muestras tratadas presentauna disminucin de la dureza en el interior de las mues-tras comparada a los valores medidos en el material no

tratado. Esta disminucin se explica por la restauracinque se produce en el material, lo que conlleva la disminu-cin de la acritud y de su efecto sobre la dureza, y aproxi-ma el valor de dureza al nominal para estos materiales.Esta posible explicacin es apoyada por los resultados ob-tenidos en la medicin del incremento de tamao de gra-no, ligeramente inferior al predicho por la teora debido ala restauracin, tal y como se explica en el apartado 3.3.1.4.Este efecto tambin justifica los elevados valores de dure-za superficial medidos del titanio y del Ti6Al4V no trata-do, comparados a los valores habituales (200 HV para eltitanio cp grado 3 y 320 HV para el Ti6Al4V), los cuales sedeben al endurecimiento por acritud provocado en elmaterial durante el proceso de conformado en forma decilindro.

Por otro lado, la variacin exponencial de dureza conla distancia a la superficie del punto en que se ha hecho lamedida est probablemente relacionada con la cinticade difusin del nitrgeno en el material tratado, la cual seestudia en el apartado 3.3.3, y que depende de un factorexponencial. La variabilidad de los valores de regresinobtenidos complica bastante la obtencin de una relacinque una los dos procesos.

En los resultados de dureza en seccin transversal tam-bin se puede observar que existe una importante dife-rencia de dureza de la capa de nitruracin con la zona dematerial base enriquecida con nitrgeno, an con la posi-ble subvaloracin de la dureza superficial. Esta diferen-cia se debe a la transicin desde un substrato enriquecidocon nitrgeno y con un incremento de la dureza propor-cional a la difusin del nitrgeno a una capa superficialformada por nitruros de titanio (TiN y Ti2N) con una du-reza muy superior. Debido a la baja resolucin espacialde las mediciones con microdurmetro, ha sido imposi-ble determinar si existe un incremento de la dureza en elsubstrato hasta alcanzar el valor medido en la capa, o porel contrario se produce un salto en los valores de dureza.Algunas de las medidas, y ciertas observaciones realiza-das con TEM mostrando la presencia de nitruros en elsubstrato (apartado 3.3.2.3) sugieren que no existe tal sal-to, y que la variacin de dureza en el substrato es progre-siva.

Tabla 2.6 Regresin de los valores de dureza obtenidos.

Figura 2.22 Efecto de capa de hielo.

substrato

capa

punto de carga

max

EstadsticosMuestras a (ln ) b1x10-3 (-) b2 (n) R2Titanio 9,19 1,15 -2,13 0,91 0,24 0,03 0,92

Ti6Al4V 7,27 0,38 -0,48 0,31 0,25 0,02 0,98

37

La modelizacin de los datos de dureza transversal ob-tenidos segn la expresin [2.1], expresada en la formaindicada en [2.7], ha proporcionado los valores para losexponentes iniciados en la tabla 2.7, donde tambin seindica el ajuste de la regresin mediante el estadstico 2,que es el sumatorio del cuadrado de las diferencias entrelos valores experimentales y los del ajuste calculado. Elvalor de x0 se ha fijado segn la distancia mnima de laque se dispone de datos, y en algunas ocasiones tambinse ha fijado y0 para mejorar el ajuste de la curva.

y = y0 + A1 exp [-(x-x0)/t1] [2.7]

El valor obtenido de y0 es el valor de dureza del n-cleo de las muestras, que no han sido afectadas por eltratamiento de nitruracin. Sin embargo, el tratamien-to trmico ha producido una disminucin de la dure-za, tanto ms elevada cuanto mayor es el tiempo detratamiento. La dispersin existente en el otro parme-tro obtenido, t1, dificulta la obtencin de alguna infor-macin adicional.

2.4.2 Ensayos tribolgicos

2.4.2.1 Modelo terico del desgaste

No existe un modelo universal del desgaste que per-mita explicar dicho fenmeno. Esto se debe al gran n-mero de parmetros implicados, tanto de base fsicacomo ligados al sistema de estudio. El comportamien-to de los materiales en sistemas tribolgicos depende,entre otros, del tipo de contacto, los niveles de tensio-nes mecnicas aplicadas, la temperatura y la naturale-za del entorno y la geometra del sistema. Por tanto, eldesgaste es esencialmente una propiedad del sistemaestudiado.

En algunas ocasiones aparecen estudios ligando deforma proporcional la dureza de un material con su re-sistencia al desgaste. Si bien la dureza y el desgasteestn muy ligados y en algunos sistemas existe una re-lacin proporcional, la resistencia al desgaste de dosmateriales con la misma dureza pero diferente microes-tructura y composicin pueden ser muy diferentes. Portanto, se debe ser escptico con las generalizaciones enel campo del desgaste.

Adems, pequeas variaciones en la carga, veloci-dad o geometra del sistema pueden dar lugar a transi-ciones en el comportamiento del desgaste. Aunque estoocurre en ciertas condiciones, el sistema exhibe gene-ralmente un comportamiento estable fuera de estaszonas de transicin.

Una posible va para el ordenamiento y anlisis de todaesta complejidad es la construccin de los llamados ma-pas de mecanismos de desgaste. Estos mapas resumendatos y modelos de desgaste, mostrando el mecanismodominante para unas condiciones identificadas, as comola situacin de las zonas de transicin [Lim87]. Si bien sehan construido este tipo de mapas para los metales mscomunes, como el acero (figura 2.23), no se ha encontra-do ninguna referencia a la existencia de este tipo de ma-pas para el titanio o para el Ti6Al4V.

Afortunadamente, existen expresiones que permitendescribir el comportamiento del sistema en las situa-ciones de comportamiento estable. Estas expresionesempricas relacionan el desgaste con parmetros de di-seo, como la carga, la geometra o el recorrido del sis-tema. Al ser expresiones empricas, estas funciones sonla base de diferentes modelos ingenieriles del desgaste.


Tabla 2.7 Regresin de los datos de dureza transversal segn la expresin [2.7].

y0 [HV] x0 [m] A1 t1 2 Ti_750_1 225,0 7,1 1,5 251,4 60,3 4,7 1,0 167,5Ti_750_8 215,5 21,2 1,5 190,6 49,7 6,9 4,1 577,6Ti_800_4 206,8 26,7 2,3 492,2 38,4 16,3 3,6 1.330,4Ti_850_1 292,7 22,0 2,1 735,9 77,4 5,9 1,2 1.168,1Ti_850_8 231,9 9,6 2,1 799,1 85,0 6,4 0,8 262,6

Ti64_750_1 362,7 7,5 1,5 180,4 26,4 8,3 2,1 166,9Ti64_750_8 364,4 8,3 1,5 1.286,9 59,0 7,3 0,4 282,6Ti64_850_4 355,0 1,0 717,2 83,4 15,5 4,4 5.561,4Ti64_900_1 372,3 18,5 1,0 434,7 27,5 19,8 3,2 602,6Ti64_900_8 358,2 36,9 1,0 711,5 63,3 19,1 5,0 2.941,2

Figura 2.23 Mapa de mecanismos de desgaste del ace-ro en ensayos pin-on-disk [Lim87].


Aunque dichos modelos tienen una amplia aplica-bilidad, los coeficientes de las expresiones usadas noson generales, sino que dependen del sistema tribol-gico estudiado. Por ello, dichos coeficientes deben serdeterminados experimentalmente para cada sistema tri-bolgico estudiado, y no pueden obtenerse nicamen-te por consideraciones tericas.

Desgaste abrasivoEl desgaste abrasivo es el caso ms simple de des-

gaste con deslizamiento. Este mecanismo de desgastepuede producirse por la penetracin y arranque dematerial de la superficie de otro material. En el caso deque el material abrasivo se site entre dos superficiesen friccin, el sistema tribolgico se denomina abra-sin por tercer cuerpo.

El desgaste abrasivo es continuo en el tiempo sin pro-ducir modificaciones de las condiciones, lo que da lu-gar a un proceso ms comprensible que el desgasteadhesivooxidativo. Puede producirse tanto en secocomo en presencia de un fluido, y aparece generalmentecuando aparece friccin entre materiales con propie-dades mecnicas diferentes y se producen deformacio-nes elevadas [Hur73].

Si la dureza del material abrasivo es mayor que ladel material estudiado, el comportamiento del desgas-te abrasivo se ajusta a una relacin del tipo:

V = KPS / H [2.8]

siendo V el volumen de material desgastado, P la fuer-za normal aplicada, S la distancia recorrida, K el coefi-ciente de desgaste y H la dureza del material estudiado.El factor con mayor influencia es la dureza del mate-rial estudiado, por lo que a veces es incluido en la ex-presin para eliminar su efecto sobre el coeficiente dedesgaste [Bay94a]. Cuando la dureza del material es-tudiado es menor que la del abrasivo, como es el caso,la relacin de proporcionalidad existente entre el co-eficiente de desgaste y la dureza del material estudia-do es:

K 1 / H [2.9]

Dado que el sistema estudiado se adecua a los factorescitados, el modelo propuesto en la expresin [2.8] ser elmodelo utilizado para el estudio del desgaste abrasivo.

Desgaste adhesivoLos sistemas tribolgicos de dos materiales con des-

lizamiento presentan bsicamente dos tipos de meca-nismos de desgaste, el desgaste adhesivo y el desgastepor fatiga. En condiciones de carga ligera en el sistemapredomina el desgaste por fatiga, mientras que concargas y tensiones elevadas predomina el mecanismode desgaste por adhesin. Por otro lado, si tambinexisten partculas presentes, tambin puede producir-se desgaste por abrasin por tercer cuerpo.

El proceso de desgaste adhesivo da lugar a que dossuperficies se unan mecnicamente, y se identifica por

el desplazamiento o desgarro del material, lo que tam-bin puede dar lugar a la formacin de residuos. Se hademostrado que el desgaste se incrementa sustancial-mente cuando la carga aplicada produce una tensinde compresin equivalente al lmite elstico del mate-rial base. Este punto separa el proceso de desgaste ad-hesivo del desgaste por arranque, mecanismo bsicode la mecanizacin de piezas metlicas [Hur73].En la prctica, el objetivo para controlar este tipo dedesgaste es generar una condicin de equilibrio en lasuperficie, en la cual las condiciones de cizalladura seproduzcan slo en la superficie y no afecten al interiordel material mediante la formacin de una capa de xi-do protectora.

Cuando se usan recubrimientos superficiales, comoes el caso, su resistencia al desgaste se ve afectada porlas propiedades del substrato. El comportamiento tri-bolgico de la capa superficial puede ser consideradoindependiente del substrato slo cuando dicha capapresenta un espesor considerable. Por ejemplo, si elsubstrato es ms blando que la capa, se puede produ-cir deformacin plstica en el substrato con la consi-guiente aparicin de tensiones subsuperficiales, lo quedegrada el rendimiento de la capa, llegando incluso aformarse grietas en capas frgiles. Por tanto, es necesa-rio que el substrato sea lo suficientemente duro comopara evitar la deformacin plstica.

Otro posible problema que puede surgir del uso decapas superficiales es la aparicin de tensiones signifi-cativas en la interficie entre capa y substrato. Si la apa-ricin de tensiones es un proceso tpico, puede dar lugaral fallo de la interfaz, con el consiguiente fallo catastr-fico de la capa por delaminacin.

Los efectos descritos se asocian con capas entre los 5y los 500 m. Para capas ms delgadas aparecen otrosefectos, y para capas con mayor espesor los efectos an-tes mencionados son negligibles.

Otro aspecto a considerar cuando el material estu-diado tiene una recubrimiento superficial es que se debediferenciar entre la velocidad de desgaste de la capa yla vida a desgaste de la capa. En aplicaciones prcticas,es ms interesante disponer de un recubrimiento queposea una larga vida til a desgaste, aunque dicha capase desgaste efectivamente, que disponer de un recubri-miento con una velocidad de desgaste muy baja, perocon un espesor tan reducido que su vida til sea muyreducida. Se debe encontrar un recubrimiento con unavelocidad de desgaste baja, con una larga vida til.

La expresin ms usada para describir el desgasteadhesivo es la frmula de Archard, similar a la ya utili-zada para el caso del desgaste abrasivo:

V = KPS [2.10]

siendo V el volumen de material desgastado, P lafuerza normal aplicada, S la distancia recorrida y K elcoeficiente de desgaste. Esta expresin fue desarrolla-da a partir de consideraciones tericas sobre el desgasteadhesivo. Sin embargo, ensayos posteriores mostraron

39

que la expresin [2.10] no puede describir todos los sis-temas con presencia de desgaste adhesivo.

En sistemas tribolgicos donde el rea de contactocambia con el desgaste, como es el caso estudiado, seobserv que el volumen desgastado no es necesaria-mente constante. Entonces, la expresin que describeel comportamiento del desgaste adhesivo es:

V = K Pm Sn [2.11]

con n 1. Si n = 1, el sistema tribolgico sufre un des-gaste de tipo adhesivo, mientras que si n < 1, el tipo dedesgaste existente es por fatiga. Sin embargo, el valordel exponente n no es concluyente, ya que puede ocu-rrir que sistemas definidos con n = 1 sufran de desgas-te por fatiga [Bay94b].

Una aplicacin de la expresin [2.11] es la obtencindel factor de desgaste K. Para calcularlo, se realizanensayos de desgaste hasta alcanzar un estado estacio-nario de desgaste. Se determina la velocidad de des-gaste en dicho estado, lo que proporciona el valor deK. Una vez obtenido su valor, se pueden establecer com-paraciones entre diferentes materiales.

2.4.2.2 Ensayos de desgaste abrasivo

A partir del modelo de desgaste abrasivo indicadoen el apartado anterior, se calcul el coeficiente de des-gaste K para las distintas muestras estudiadas. Los re-sultados obtenidos se muestran en la tabla 2.8, as comola probabilidad calculada mediante el estadsticot-Student de que la media del coeficiente medido en lasmuestras tratadas sea el mismo que el de la muestra notratada.

Tal y como cabe esperar de las diferentes propieda-des mecnicas del titanio y del Ti6Al4V, ste ltimo sedesgasta mucho menos. Tambin se puede comprobarque el coeficiente K disminuye con la temperatura y eltiempo de tratamiento, y que el producto KH tiende aun valor constante, diferente para cada material. Asi-mismo, el clculo estadstico de igualdad de mediasdemuestra que los coeficientes de desgaste obtenidoson mucho menores al medido en el material sin tratar.

Tal y como expresa de forma implcita el modelo es-cogido, la resistencia al desgaste abrasivo aumenta conla dureza superficial del material. Partculas de huesoo de cemento acrlico puede producir abrasin al intro-ducirse entre dos superficies metlicas en contacto.Aunque, en principio, los tratamientos superficiales deendurecimiento tendran que resolver este problema,no todos los tratamientos lo consiguen. La implanta-cin inica de nitrgeno, por ejemplo, no evita este pro-blema, debido al reducido espesor de la capa nitrurada[Dav94]. Adems, ensayos en pin-on-disk recproco enagua desionizada con partculas abrasivas muestranque la implantacin inica del Ti6Al4V no reduce sig-nificativamente el desgaste del UHMWPE por partcu-las abrasivas, aunque hay una reduccin del desgastedel Ti6Al4V [Pog94].

Los datos obtenidos sobre el comportamiento tribo-lgico del titanio y del Ti6Al4V nitrurado mediante untratamiento termoqumico y su anlisis estadstico me-diante la distribucin de t-Student muestran que, a di-ferencia de la implantacin inica, este tratamientoproduce una clara mejora de la resistencia frente al des-gaste abrasivo. Si se examinan las representaciones gr-ficas de los coeficientes de desgaste K obtenidos (figuras2.24 y 2.25), se comprueba que tanto la temperaturacomo el tiempo de tratamiento influyen positivamenteen la resistencia de la muestra tratada.

El anlisis estadstico de los valores obtenidos (tabla2.8) indica que la resistencia al desgaste abrasivo es pro-porcional a la dureza obtenida, tal y como demuestrala similitud de valores obtenida con el producto VH.La existencia de dicha relacin, y el buen ajuste obtenido(tal y como demuestran los elevados valores del esta-dstico R) en la obtencin de los coeficientes de desgas-te K, demuestran que la proporcionalidad existenteentre la disminucin del desgaste abrasivo y la durezade las muestras, lo que justifica la aplicacin del mode-lo propuesto en el apartado 2.4.2.1.

La relacin entre dureza y mejora del desgaste abra-sivo se puede prolongar un paso ms. Dada la ecua-cin que modela la cintica de nitruracin, indicada enel apartado anterior, y la hiptesis de que la dureza esproporcional al incremento de nitruracin, tal y como


Tabla 2.8 Coeficiente K y KH de desgaste abrasivo de las muestras estudiadas.

EstadsticosK [m3/Nm] (n = 4) R2 KH Pr (K = K0)

Ti_NT (K0) 4,24 0,0651 0,99 1.577,2 0,000Ti_750_1 3,15 0,147 0,99 1.899,4 0,000Ti_750_8 1,74 0,0448 0,99 1.338,0Ti_800_4 2,00 0,0489 0,99 2.044,0 0,000Ti_850_1 1,70 0,0545 0,99 1.670,0 0,000Ti_850_8 1,39 0,0430 0,99 1.789,3 0,000

Ti64_NT (K0) 0,875 0,0045 0,99 392,7 0,000Ti64_750_1 0,521 0,0136 0,99 391,3 0,000Ti64_750_8 0,495 0,0172 0,98 579,6 0,000Ti64_850_4 0,431 0,0225 0,97 579,2 0,000Ti64_900_1 0,387 0,0106 0,99 317,9 0,000Ti64_900_8 0,325 0,0088 0,98 453,7 0,000


se indica en el apartado anterior, cabe suponer enton-ces que la resistencia al desgaste es inversamente pro-porcional. Entonces, las relaciones entre resistencia aldesgaste, temperatura y tiempo de tratamiento que cabeesperar son:

K t-n [2.12]K 1/exp(-1/T) [2.13]

Si se toman los coeficientes de desgaste abrasivo ob-tenidos y de representan en una superficie versus tem-peratura y tiempo de tratamiento, se puede estudiar larelacin entre la variacin de las constantes de desgas-te, la temperatura y el tiempo, del tipo:

ln (K) a + b1/T + b2 ln t [2.14]

siendo: a = ln b1 = b2 = n

Un estudio estadstico de la regresin de dichos va-lores muestran la existencia de una relacin entre elcoeficiente de desgaste, la funcin exponencial de latemperatura y una funcin potencial del tiempo de tra-tamiento con exponente menor de 0,5, tal y como semuestra en la tabla 2.9.

El ajuste obtenido demuestra la existencia de una re-lacin entre la disminucin del desgaste abrasivo y laincorporacin de nitrgeno a la muestra tratada, muysimilares a las obtenidas para la dureza. En este caso,el coeficiente potencial de la funcin del tiempo de trata-miento es ligeramente inferior, de un valor 0,20 en lugardel valor 0,25 obtenido con los incrementos de dureza.Esto implica una relacin casi proporcional entre dure-

EstadsticosMuestras a (-ln ) b1x10-3 () b2 (-n) R2Titanio -1,31 1,01 1,77 8,01 -0,22 0,03 0,92

Ti6Al4V -1,81 0,76 0,98 0,63 -0,19 0,03 0,87

Tabla 2.9 Regresin de la superficie de coeficientes de desgaste abrasivo.

Figura 2.24 Representacin por curvas de nivel del coeficientede desgaste abrasivo de las muestras de titanio.

Figura 2.25 Representacin por curvas de nivel del coeficientede desgaste abrasivo de las muestras de Ti6Al4V.

750 800 8500

2

4

6

8 Coeficiente de desgasteK [m3/Nm]

Temperatura [C]

Duracin [h]

4.500 -- 5.000 4.000 -- 4.500 3.500 -- 4.000 3.000 -- 3.500 2.500 -- 3.000 2.000 -- 2.500 1.500 -- 2.000 1.000 -- 1.500

za y reduccin del desgaste abrasivo, si bien la reduc-cin de ste ltimo progresa a un ritmo ligeramentems lento que la dureza.

2.4.2.3 Ensayos de desgaste pin-on-disk

Los resultados relativos a la reduccin del coeficien-te de friccin con el tratamiento termoqumico denitruracin confirman los resultados publicados refe-rentes a otros tipos de tratamientos de nitruracin. Estoes importante, ya que relaciona la disminucin de lafriccin con la presencia en la superficie del materialde nitruros de titanio, sin importar el mtodo con elque se ha formado o depositado. Por tanto, el efecto dereduccin del desgaste es debido a la sola presencia delos nitruros, y no a su morfologa especfica o al espe-sor de la capa formada, ya que estos parmetros va-ran segn el tratamiento de nitruracin aplicado.

A partir del modelo indicado en el apartado 2.4.2.1,se calcul el coeficiente de desgaste K para las distintasmuestras estudiadas. Los resultados obtenidos se mues-tran en las tablas 2.102.13. Tambin se muestra en di-chas tablas la probabilidad calculada mediante elestadstico tStudent de que la media del coeficientemedido en las muestras tratadas sea superior que el dela muestra no tratada.

Como se puede comprobar, slo en algunos casos,con la muestras que han recibido el tratamiento de ni-truracin menos enrgico, se midieron desgastes simi-lares a los encontrados en el material sin tratar. En todos

41

los dems casos la reduccin del desgaste producidoes evidente, si bien es necesario destacar la existenciade un incremento del coeficiente del desgaste para lasmuestras tratadas a mayores temperaturas y tiempos.Este incremento se cree que es debido a una excesivafragilidad de la capa nitrurada obtenida, lo que conlle-va un incremento del desgaste producido.

Las grficas de los ensayos de desgaste en la mquinapin-on-disk (figuras 2.15 y 2.16) muestran claramente laexistencia de dos pendientes en las curvas de desgastede las muestras tratadas. Este efecto ya era esperado apartir de consideraciones tericas, ya que la pendientemenor corresponde al desgaste de la capa nitrurada,mientras que la pendiente mayor aparece cuando lacapa endurecida ya ha sido desgastada. De hecho, lasegunda pendiente es muy similar en todos los casos ala del material base, como cabra esperar al desgastarmaterial no afectado por el tratamiento.

Los resultados obtenidos de los datos de desgastede la capa nitrurada muestran unas reducciones consi-derables en el desgaste de las muestras tratadas cuandoson comparadas con las muestras sin tratar. El anlisisestadstico de los coeficientes de desgaste K han de-mostrado que son estadsticamente menores que los delmaterial sin tratar. De hecho, algunas de las muestraslogran reducciones de ms de un orden de magnitudrespecto al material no tratado.

Como comparacin, ensayos realizados en medio noacuoso (etanol) en una mquina de ensayos pin-on-diskmostraron una reduccin de dos rdenes de magnituddel desgaste en el Ti6Al4V nitrurado por implantacininica respecto al material no tratado, con una claratransicin al pasar de desgastar la capa superficial adesgastar en material no tratado. La capa present uncoeficiente de friccin prximo a 0,14, con pocas varia-ciones [Hut83].

En principio, si se tiene en cuenta que algunas com-paraciones de las propiedades tribolgicas hechas en-tre implantacin inica de nitrgeno y nitruracinmediante proceso termoqumico mostraron que steltimo es ms efectivo para temperaturas de tratamien-to superiores a 600 C, con un coeficiente de friccinequivalente (si bien la rugosidad superficial es ms ele-vada [Mar85]) no son fcilmente explicables los resul-tados obtenidos. Sin embargo, si se considera la cargaaplicada sobre las muestras, que es mucho ms eleva-da que la utilizada en otros estudios y cercana al lmiteelstico, la discrepancia de resultados se explica fcil-mente por efecto de las diferencias de carga aplicada.Esta explicacin es apoyada por los buenos resultadosobtenidos en ensayos de Ti6Al4V termoqumicamentenitrurado a 600 C en simulador de rodilla contraUHMWPE en suero bovino. Los resultados no mostra-ron evidencia de desgaste tras 3,5106 ciclos, mientrasque el desgaste del polietileno se vea claramente re-ducido en comparacin con el material no tratado ocon muestras de CoCrMo [She96].


Tabla 2.10 Coeficiente K de desgaste en ensayos pin-on-disk delas muestras ensayadas contra disco no tratado en SBF.

Tabla 2.13 Coeficiente K de desgaste en ensayos pin-on-disk delas muestras ensayadas contra disco nitrurado sin lubricacin.

Tabla 2.11 Coeficiente K de desgaste en ensayos pin-on-disk de lasmuestras ensayadas contra disco no tratado sin lubricacin.

Tabla 2.12 Coeficiente K de desgaste en ensayos pin-on-disk delas muestras ensayadas contra disco nitrurado en medio SBF.

EstadsticosK [m3/Nm] R2 Pr (K = K0)

Ti_NT (K0) 6,6310-2 1,8610-3 0,99 Ti_750_1 1,1510-1 3,0810-3 0,95 99,999Ti_750_8 9,1310-2 2,3010-3 0,96 99,990Ti_800_4 1,5710-2 1,7710-3 0,90 0,000Ti_850_1 1,4110-2 1,0710-3 0,88 0,000Ti_850_8 7,2510-3 1,7610-3 0,97 0,000

Ti64_NT (K0) 2,7310-2 1,5210-3 0,97Ti64_750_1 2,4610-2 4,7510-4 0,96 0,070Ti64_750_8 1,5810-2 2,1610-3 0,96 0,002Ti64_850_4 7,7010-3 1,8810-3 0,90 0,000Ti64_900_1 7,9610-3 1,3410-3 0,86 0,000Ti64_900_8 1,7710-3 5,5310-4 0,93 0,000



Ti64_NT (K0) 2,6510-2 5,6910-4 0,95 Ti64_750_1 1,0810-2 2,0510-3 0,88 0,000Ti64_750_8 1,4110-2 3,0310-3 0,97 0,003Ti64_850_4 5,9110-3 2,7610-3 0,94 0,000Ti64_900_1 3,4510-3 8,1710-4 0,94 0,000Ti64_900_8 6,3410-3 2,7310-3 0,91 0,000








Al igual que en el caso del desgaste abrasivo, si setoman los coeficientes de desgaste obtenidos y serepresentan en una superficie versus temperatura ytiempo de tratamiento, se puede estudiar la relacinentre la variacin de las constantes de desgaste, latemperatura y el tiempo. Si se examinan las represen-taciones grficas de los sumatorios de los coeficientesde desgaste K obtenidos para cada punto de tratamiento(figuras 2.26 y 2.27), se comprueba que tanto la tempe-ratura como el tiempo de tratamiento influyen positi-vamente en la resistencia de la muestra tratada, si bienla zona con un mejor comportamiento no est totalmen-te desplazada a la zona de valores mximos de tempe-ratura y tiempo de tratamiento.

Un estudio estadstico de la regresin de dichos va-lores muestra la existencia de una relacin entre el co-eficiente de desgaste, la funcin exponencial de latemperatura y una funcin potencial del tiempo de tra-tamiento con exponente menor del esperado de 0,5, taly como se muestra en la tabla 2.14. La probabilidadcalculada mediante el estadstico t-Student de que elcoeficiente n de los diferentes tipos de ensayo y mate-rial sea diferente a la media para cada material tam-

bin ha sido calculada, dando como resultado que existeuna elevada probabilidad de que el coeficiente n, si bienno sea igual al valor esperado, s que es solamente de-pendiente del material, y no de la temperatura y tiem-po de tratamiento. De hecho, los valores medioshallados para los ensayos realizados con titanio y conTi6Al4V dan un valor de n muy similar, lo que sugierela posibilidad de que la desviacin respecto del valoresperado se deba a la falta de una proporcionalidadrigurosa entre la cintica de difusin del nitrgeno ysu efecto en la resistencia al desgaste.

El ajuste y el estudio estadstico demuestran, al igualque con el desgaste abrasivo, la existencia de una rela-cin entre la disminucin del desgaste en la mquinapin-on-disk y la incorporacin de nitrgeno a la mues-tra tratada, si bien dicha relacin se ve modificada porotros aspectos del sistema tribolgico, como el trata-miento aplicado al disco, el medio de trabajo y la com-plejidad del sistema de desgaste.

En el caso del titanio, se ha obtenido un mejor resul-tado global al ensayar el material contra un disco tra-tado y en los ensayos realizados en aire. Sin embargo,en el caso del Ti6Al4V, el mejor resultado se ha obtenido

Tabla 2.14 Regresin de la superficie de coeficientes de desgaste obtenidos en los ensayos pin-on-disk.

EstadsticosMuestras Disco Medio a (-ln ) b1x10-3 () b2 (-n) R2 Pr (K K0)Titanio NTa SBFc -26,8 5,7 17,8 6,1 -0,25 0,13 0,71 0,46Titanio NT aire -19,4 4,7 9,7 5,1 -0,37 0,11 0,77 0,88Titanio TRb SBF -17,4 5,8 9,8 6,2 -0,27 0,13 0,58 0,54Titanio TR aire -18,1 5,4 9,6 5,7 -0,52 0,12 0,81 0,20

media: 0,323Ti6Al4V NT SBF -19,1 3,0 8,3 3,3 -0,37 0,10 0,80 0,46Ti6Al4V NT aire -15,9 3,3 5,0 3,7 -0,29 0,11 0,63 0,98Ti6Al4V TR SBF -18,4 5,9 8,1 6,5 -0,21 0,19 0,35 0,67Ti6Al4V TR aire -23,2 4,8 10,3 5,3 -0,30 0,16 0,60 0,96

media: 0,293a NT: no tratadob TR: tratadoc SBF: simulated body fluid

Figura 2.26 Representacin por curvas de nivel del coeficientede desgaste de los ensayos pinondisk de las muestras de titanio.

750 800 8500

2

4

6

8 Coeficientede desgasteK [m3/Nm]

Temperatura [C]

Duracin [h]

1.100 -- 1.200 1.000 -- 1.100 0.9000 -- 1.000 0.8000 -- 0.9000 0.7000 -- 0.8000 0.6000 -- 0.7000 0.5000 -- 0.6000 0.4000 -- 0.5000 0.3000 -- 0.4000 0.2000 -- 0.3000 0.1000 -- 0.2000

Figura 2.27 Representacin por curvas de nivel del coeficiente dedesgaste de los ensayos pinondisk de las muestras de Ti6Al4V.

43

al ensayar contra un disco no tratado en SBF. Se debetener presente que estos son resultados globales, ya quelos resultados de desgaste obtenidos segn temperatu-ra y tiempo de tratamiento muestra que existen regio-nes de tratamiento, como la delimitada entre lostratamientos realizados a 800 C durante 4 horas en elcaso del titanio, y los realizados a 850 C durante 4 ho-ras en el caso del Ti6Al4V, que han dado reduccionesdel desgaste de ms de un orden de magnitud.

El hecho de que el desgaste observado sea similaren un medio hmedo que en medio seco, si no supe-rior, parece en principio contradictorio con la presen-cia de un lubricante. Sin embargo, diversos estudioshan demostrado que la presencia de un fluido puedellegar a incrementar el desgaste abrasivo en compara-cin con medio seco [Bay94c]. La causa generalmenteaceptada para este comportamiento es que, en medioseco, los residuos de desgaste tienden a acumularse enlas interfaces de desgaste, compartiendo de esta formala carga y protegiendo la superficie de las partculas dedesgaste. En medio hmedo, sin embargo, la presenciade lquido lubricante en la interfaz del sistema ayuda aretirar las partculas de desgaste de la superficie de ro-zamiento, y reduce de forma efectiva el apantallamientodel desgaste que producan, como se muestra en la fi-gura 2.28. Dado que el mecanismo de desgaste obser-vado en la capa nitrurada es principalmente abrasivo,este efecto explicara la reducida diferencia entre losresultados obtenidos en medio seco y medio hmedo.

Las observaciones de los mecanismos de desgasteaparecidos en los ensayos corresponden con los cita-dos por la bibliografa [Har97, Pap95, Pet88, Pog94].En las muestras ensayadas en seco, el mecanismo prin-cipal de desgaste observado en el titanio y el Ti6Al4Vno tratado fue un desgaste adhesivo, con produccinde partculas de desgaste micromtricas y transporte

de material de una superficie del sistema a otra. Por elcontrario, en las muestras tratadas parece que elmecanismo principal de desgaste observado fue unacombinacin de desgaste abrasivo y oxidativo, tal ycomo se observa en la figura 2.18. Sin embargo, en lasmuestras ensayadas en SBF, se observaron algunas di-ferencias. El mecanismo de desgaste de los materialesno tratados fue igualmente un mecanismo adhesivo,pero en la capa, adems de observar la clsica combi-nacin de desgaste abrasivo y oxidativo, tambin seobserv desgaste por fatiga, como se observa en la fi-gura 2.19.

Diversos estudios realizados sobre el desgaste de ma-teriales nitrurados mediante PVD y PAPVD mostraronque el mecanismo de desgaste pasaba de ser un meca-nismo combinado adhesivo y oxidativo en materialesno tratados a un mecanismo combinacin de oxidacin,fatiga y abrasin, de forma similar a los resultados ob-tenidos con el presente trabajo [Wil93, War98].

Figura 2.28 Acumulacin de partculas y su efecto en el desgaste abrasivo.



2.5 OPTIMIZACIN DEL TRATAMIENTO

La optimizacin del tratamiento termoqumico de ni-truracin se basa en tres puntos, el incremento de ladureza superficial, la reduccin del desgaste en los en-sayos realizados, y la minimizacin del coste de pro-duccin.

Los resultados de dureza obtenidos se muestran enlas figuras 2.29 y 2.30 con los valores del de dureza nor-malizados a un valor unitario.

Se comprueba en las figuras que la zona con los ma-yores incrementos de dureza se sita a las mayores tem-peraturas y tiempos de tratamiento. Sin embargo, lostratamientos realizados durante 4 horas ya proporcio-nan ms de un 90% del valor mximo de dureza obte-nido. Esto limita una zona de tratamientos realizadosa ms de 800 C de temperatura y con duraciones detratamiento de hasta 4 horas, tanto para el titanio comoel Ti6Al4V.

Los coeficientes K de desgaste abrasivo normaliza-dos, mostrados en las figuras 2.31 y 2.32, tambinmuestran la existencia de una zona con mejora de pro-piedades tribolgicas.

Al igual que con los datos de incremento de dureza,las grficas muestran que las mximas reducciones deldesgaste abrasivo se sitan a las mayores temperatu-ras y tiempos de tratamiento. Sin embargo, como losvalores de dureza, los tratamientos realizados durante4 horas ya proporcionan ms de un 90% del valor mxi-mo de dureza obtenido. Esto limita una zona de trata-mientos realizados a ms de 800 C de temperatura ycon duraciones de tratamiento de hasta 4 horas para eltitanio, y de 850 C y 4 horas para el Ti6Al4V.

Por su parte, el sumatorio de los coeficientes K dedesgaste normalizados obtenidos con los ensayospin-on-disk se muestran en las figuras 2.33 y 2.34. Seaprecia claramente que, a diferencia de los casos ante-riores, la zona con la mayor reduccin se sita en valo-res de tratamiento cercanos a temperaturas de 850 Cdurante 4 horas para el titanio, y de 900 C durante4 horas para la aleacin Ti6Al4V.

Esto limita la zona de optimizacin para este tipo dedesgaste a tiempos de tratamiento inferiores a las 4horas.

Los factores industriales a considerar son la limita-cin del tiempo de tratamiento, ya que cuanto msdilatado es el perodo de tratamiento, ms elevados sonlos gastos, y la utilizacin de la mnima temperaturaposible, ya que a las elevadas temperaturas de trabajonecesarias, cualquier reduccin de la temperatura repre-senta una elevada reduccin del coste de tratamiento.

Partiendo de estas premisas, y a partir de los datosobtenidos, que muestran que se requieren temperatu-ras de tratamiento superiores a 800 C para la nitrura-cin del titanio, y a 850 C para la nitruracin delTi6Al4V, y que las mejoras de propiedades obtenidaspresentan unos incrementos muy reducidos para tiem-

pos de tratamiento superiores a 4 horas, se delimitaronlas siguientes zonas que optimizan el tratamiento ter-moqumico de nitruracin a partir de los datos de losexperimentos realizados:

Titanio cp:Temperatura y tiempo mnimos de tratamiento:800 C 1hTemperatura y tiempo mximos de tratamiento:850 C 4h

Ti6Al4V:Temperatura y tiempo mnimos de tratamiento:850 C 1hTemperatura y tiempo mximos de tratamiento:900 C 4 h

Es necesario indicar que, si bien se han considerado losaspectos econmicos del tratamiento en la optimiza-cin, en el caso de los materiables implantables ste noes el aspecto prioritario, sino la obtencin de las pro-pieades ms adecuadas para el correcto comportamien-to del biomaterial.

45

Figura 2.33 Representacin por curvas de nivel del coeficientenormalizado K de desgaste en ensayo pin-on-disk de lasmuestras de titanio.

Figura 2.34 Representacin por curvas de nivel del coeficientenormalizado K de desgaste en ensayo pin-on-disk de lasmuestras de Ti6Al4V.

750 800 8500

2

4

6

8

Temperatura [C]

Duracin [h]Coeficientede desgastenormalizado

0.9000 -- 1.000 0.8000 -- 0.9000 0.7000 -- 0.8000 0.6000 -- 0.7000 0.5000 -- 0.6000 0.4000 -- 0.5000 0.3000 -- 0.4000 0.2000 -- 0.3000 0.1000 -- 0.2000

Figura 2.29 Representacin por curvas de nivel de los incremen-tos de dureza normalizados de las muestras de titanio.

Figura 2.30 Representacin por curvas de nivel de los incremen-tos de dureza normalizados de las muestras de Ti6Al4V.

750 800 8500

2

4

6

8 Durezanormalizada

Temperatura [C]

Duracin [h]

0.9000 -- 1.000 0.8000 -- 0.9000 0.7000 -- 0.8000 0.6000 -- 0.7000 0.5000 -- 0.6000 0.4000 -- 0.5000 0.3000 -- 0.4000 0.2000 -- 0.3000

Figura 2.31 Representacin por curvas de nivel del coeficientenormalizado K de desgaste abrasivo de las muestras de titanio.

Figura 2.32 Representacin por curvas de nivel del coeficientenormalizado K de desgaste abrasivo de las muestras de Ti6Al4V.

750 800 8500

2

4

6

8Duracin [h]

Temperatura [C]

Coeficiente de desgasteabrasivo normalizado

0.9000 -- 1.000 0.8000 -- 0.9000 0.7000 -- 0.8000 0.6000 -- 0.7000 0.5000 -- 0.6000 0.4000 -- 0.5000 0.3000 -- 0.4000

Apartado 2.5 Optimizacin del tratamiento


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Optimización Del Tratamiento Termoquimico de Nitruración