Evaluation of the Mechanical Behaviour of Al2o3 and Al2o3 -Tio2 Coatings Using a Bench Drill

Abstract

RESUMEN: Las propiedades mecánicas de recubrimientos cerámicos medidas por micro-indentación Vickers y Knoop a partir de las huellas residuales fueron relacionadas con los resultados de perforación usando una broca sin rotación. Tres polvos micrométricos fueron utilizados para elaborar los recubrimientos: el primero de ellos fue de Al2O3 Sulzer-Metco 105 SPFTM , el segundo fue de Al2O3 -13 % en peso de TiO2 Saint Gobain 107TM , y el último fue de Al2O3 -43 % en peso de TiO2 Saint Gobain 109TM. Los recubrimientos fueron elaborados por proyección térmica con llama de oxi-combustible sobre sustratos de acero AISI-SAE 1020, usando una torcha Terodyn 2000 modificada. Los ensayos de perforación fueron realizados con una broca con punta piramidal de carburo de tungsteno montada en un taladro, que aplicó lentamente una fuerza gradual hasta una carga máxima de aproximadamente 100 N y luego la fuerza fue reducida hasta cero, para obtener una curva de hystéresis (fuerza versus profundidad deindentación), siendo la velocidad de carga y descarga de 0.15 mm/s. Los resultados muestran una buena correlación entre las propiedades mecánicas medidas por ensayos de micro-indentación Knoop y los obtenidos a partir de la curva de hystéresis, permitiendo concluir que la dureza y el módulo de Young de los recubrimientos cerámicos elaborados por proyección térmica podrían ser determinados a partir de ensayos de perforación.

ABSTRACT: The mechanical properties of ceramic coatings measured by Vickers and Knoop microindentation from residual tracks were correlated with the results of indentation depth measured using a non-rotary drill bit. Three micrometric feedstock powders were used to manufacture coatings: the first one was Al2O3 Sulzer-Metco 105 SPFTM, the second one was Al2O3 -13 wt.% TiO2 Saint Gobain 107TM and the last one was Al2O3 -43 wt.% TiO2 Saint Gobain 109TM. Coatings were elaborated by oxy-fuel flame spraying process onto AISI-SAE 1020 steel substrates using a modified Terodyn 2000 torch. The drill tests were realized with a pyramidal tungsten carbide drill bit using a instrumented bench drill, which applied slowly an incremental force to a maximal load (approximately 100 N) and then the force was decreased to zero (being the load and unload speed 0.15 mm/s), in order to obtain the hysteresis graphics (Force Vs Indentation Depth). The results show a good relationship between mechanical properties measured by Knoop micro indentation tests and the force vs indentation depth ratio, obtained from hysteresis graphics, allowing to conclude that the hardness and Young’s modulus of thermal sprayed ceramic coatings can be predicted from drilling tests.