Laser alloying of 316L steel with boron using CaF2 self-lubricating addition

• Autorzy: Mikołajczak D. , Piasecki A. , Kulka M. , Makuch N.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2016.1.1

Warianty tytułu

PL

Laserowe stopowanie stali 316L borem z dodatkiem samosmarującym CaF2

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Good resistance to corrosion and oxidation of austenitic 316L steel is well-known. Therefore, this material is often used wherever corrosive media or high temperature are to be expected. However, under conditions of appreciable mechanical wear (adhesive or abrasive), this steel have to characterize by suitable wear protection. The diffusion boronizing can improve the tribological properties of 316L steel. However, the small thickness of diffusion layer causes the limited applications of such a treatment. In this study, instead of diffusion process, the laser boriding was used. The external cylindrical surface of base material was coated by paste including amorphous boron and CaF2 as a self-lubricating addition. Then the surface was remelted by laser beam. TRUMPF TLF 2600 Turbo CO2 laser was used for laser alloying. The microstructure of remelted zone consisted of hard ceramic phases (iron, chromium and nickel borides) located in soft austenite. The layer was uniform in respect of the thickness because of the high overlapping used during the laser treatment (86%). The obtained composite layer was significantly thicker than that-obtained in case of diffusion boriding. The remelted zone was characterized by higher hardness in comparison with the base material. The significant increase in wear resistance of laser-borided layer was observed in comparison with 316L austenitic steel which was laser-alloyed without CaF2.

PL

Stal austenityczna 316L jest znana z dużej odporności na korozję i utlenianie. Dlatego materiał ten jest stosowany często tam, gdzie jest spodziewane agresywne środowisko lub wysoka temperatura. Jednakże w warunkach znacznego zużycia mechanicznego (ściernego czy adhezyjnego) materiał ten powinien charakteryzować się odpowiednią odpornością na zużycie. Celem pracy było przeprowadzenie stopowania laserowego stali 316L z zastosowaniem materiału stopującego w postaci mieszaniny amorficznego boru i dodatku samosmarującego CaF2. Bor amorficzny miał prowadzić do wytworzenia w strefie przetopionej twardych borków żelaza, chromu i niklu — podstawowych pierwiastków występujących w stali 316L. Spodziewano się znacznego zwiększenia twardości oraz odporności na zużycie przez tarcie wytworzonej warstwy powierzchniowej w porównaniu ze stalą 316L nie poddaną żadnej obróbce. Zastosowanie dodatku samosmarującego w postaci fluorku wapnia miało prowadzić do jeszcze większej odporności na zużycie dzięki wytworzeniu na żużywającej się powierzchni tribofilmu.

Słowa kluczowe

EN

laser boriding; self-lubricating addition; microstructure; hardness; wear resistance

PL

borowanie laserowe; dodatek samosmarujący; mikrostruktura; twardość; odporność na zużycie

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 37, nr 1
• Strony: 4--9
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Mikołajczak D.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

autor

Piasecki A.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

autor

Kulka M.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

autor

Makuch N.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

Bibliografia

• [1] Glaeser W. A.: Materials for tribology. Tribology Series, 20, Elsevier (1992).
• [2] Skołek-Stefaniszyn E., Kaminski J., Sobczak J., Wierzchoń T.: Modifying the properties of AISI 316L steel by glow discharge assisted low-temperature nitriding and oxynitriding. Vacuum 85 (2010) 164÷169.
• [3] Skołek-Stefaniszyn E., Burdynska S., Mroz W., Wierzchoń T.: Structure and wear resistance of the composite layers produced by glow discharge nitriding and PLD method on AISI 316L austenitic stainless steel. Vacuum 83 (2009) 1442÷1447.
• [4] Li Y., Wang Z., Wang L.: Surface properties of nitrided layer on AISI 316L austenitic stainless steel produced by high temperature plasma nitriding in short time. Applied Surface Science 298 (2014) 243÷250.
• [5] Frączek T., Olejnik M., Jasiński J., Skuza Z.: Short-term low-temperature glow discharge nitriding of 361L austenitic steel. Metalurgija 50 (3) (2011) 151÷154.
• [6] Sun Y., Li X., Bell T.: Structural characteristics of low temperature plasma carburised austenitic stainless steel. Materials Science and Technology 15 (1999) 1171÷1178.
• [7] García Molleja J., Nosei L., Ferrón J., Bemporad E., Lesage J., Chicot D., Feugeas J.: Characterization of expanded austenite developed on AISI 316L stainless steel by plasma carburization. Surface and Coatings Technology 204 (2010) 3750÷3759.
• [8] Ceschini L., Chiavari C., Lanzoni E., Martini C.: Low-temperature carburized AISI 316L austenitic stainless steel: Wear and corrosion behaviour. Materials and Design 38 (2012) 154÷160.
• [9] Sun Y.: Tribocorrosion behaviour of low temperature plasma carburized stainless steel. Surface and Coatings Technology 228 (2013) S342÷S348.
• [10] Ozdemir O., Omar M. A., Usta M., Zeytin S., Bindal C., Ucisik A. H.: An investigation on boriding kinetics of AISI 316 stainless steel. Vacuum 83 (2009) 175÷179.
• [11] Kayali Y., Büyüksagis A., Günes I., Yalçin Y.: Investigation of corrosion behaviours at different solutions of boronized AISI 316L stainless steel. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces 49 (3) (2013) 348÷358.
• [12] Kayali Y., Büyüksagis A., Yalçin Y.: Corrosion and wear behaviours of boronized AISI 316L stainless steel. Metals and Materials International 19 (5) (2013) 1053÷1061.
• [13] Hsu C. H., Huang K. H., Lin M. R.: Annealing effect on tribological property of arc-deposited TiN film on 316L austenitic stainless steel. Surface and Coatings Technology 259 (2014) 167÷171.
• [14] Zhang L., Yang H., Pang X., Gao K., Tran H. T., Volinsky A. A.: TiNcoating effects on stainless steel tribological behaviour under dry and lubricated conditions. Journal of Materials Engineering and Performance 23 (4) (2014) 1263÷1269.
• [15] Major B.: Chapter 7: Laser processing for surface modification by remelting and alloying of metallic systems. In “Materials Surface Processing by Directed Energy Techniques” Edited by Yves Paleau, Elsevier (2006).
• [16] Goły M., Kusiński J.: Microstructure and properties of the laser treated 30CrMnMo16-8 chromium steel. In: Problems of modern techniques in aspect of engineering and education, eds.: Paweł Kurtyka et al.. Monography, Institute of Technology, Pedagogical University, Cracow (2006) 183÷188.
• [17] Kim T. H., Kim B. C.: Chromium carbide laser-beam surface-alloying treatment on stainless steel. Journal of Materials Science 27 (1992) 2967÷2973.
• [18] Tassin C., Laroudie F., Pons M., Lelait L.: Improvement of the wear resistance of 316L stainless steel by laser surface alloying. Surface and Coatings Technology 80 (1996) 207÷210.
• [19] Kwok C. T., Cheng F. T., Man H. C.: Laser-fabricated Fe–Ni–Co–Cr–B austenitic alloy on steels. Part I. Microstructures and cavitation erosion behaviour. Surface and Coatings Technology 145 (2001) 194÷205.
• [20] Kulka M., Makuch N., Pertek A.: Microstructure and properties of laserborided 41Cr4 steel. Optics & Laser Technology 45 (2013) 308÷318.
• [21] Paczkowska M., Ratuszek W., Waligora W.: Microstructure of laser boronized nodular iron. Surf. Coat. Technol. 205 (2010) 2542÷2545.
• [22] Filip R., Sieniawski J., Pleszakov E.: Formation of surface layers on Ti-6Al-4V titanium alloy by laser alloying. Surf. Eng. 22 (1) (2006) 53÷57.
• [23] Guo C., Zhou J., Zhao J., Guo B., Yu Y., Zhou H., Chen J.: Microstructure and friction and wear behaviour of laser boronizing composite coatings on titanium substrate. Appl. Surf. Sci. 257 (2011) 4398÷4405.
• [24] Kulka M., Makuch N., Dziarski P., Piasecki A., Miklaszewski A.: Microstructure and properties of laser-borided composite layers formed on commercially pure titanium. Optics and Laser Technology 56 (2014) 409÷424.
• [25] Kulka M., Dziarski P., Makuch N., Piasecki A., Miklaszewski A.: Microstructure and properties of laser-borided Inconel 600-alloy. Applied Surface Science 284 (2013) 757÷771.
• [26] Kulka M., Makuch N., Dziarski P., Piasecki A.: A study of nanoindentation for mechanical characterization of chromium and nickel borides’ mixtures formed by laser boriding. Ceram. Int. 40 (4) (2014) 6083÷6094.
• [27] Kulka M., Mikołajczak D., Makuch N., Dziarski P.: Laser alloying of 316L steel with boron. Inżynieria Materiałowa 6 (2014) 512÷515.
• [28] Xu C. H., Wu G. Y., Xiao G. C., Fang B.: Al2O3/(W, Ti)C/CaF2 multicomponent graded self-lubricating ceramic cutting tool material. Int. J. Refract. Met. H. 45 (2014) 125÷129.
• [29] Xiang Z.-F., Liu X.-B., Ren J., Luo J., Shi S.-H., Chen Y., Shi G.-L., Wu S.-H.: Investigation of laser cladding high temperature anti-wear composite coatings on Ti6Al4V alloy with the addition of self-lubricant CaF2. Appl. Surf. Sci. 313 (2014) 243÷250.
• [30] Hua Y., Jie Z., Peilei Z., Zhishui Y., Chonggui L., Peiquan X., Yunlong L.: Laser cladding of Co-based alloy/TiC/CaF2 self-lubricating composite coatings on copper for continuous casting mold. Surf. Coat. Technol. 232 (2013) 362÷369.
• [31] Lingqian K., Shengyu Z., Qinling B., Zhuhui Q., Jun Y., Weimin L.: Friction and wear behaviour of self-lubricating ZrO2(Y2O3)–CaF2–Mo–graphite composite from 20°C to 1000°C. Ceram. Int. 40 (2014) 10787÷10792.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.