Laser-modified boride layer formed on 100CrMnSi6-4 steel

• Autorzy: Makuch N. , Kulka M.

Warianty tytułu

PL

Modyfikowana laserowo warstwa borkowa wytworzona na stali 100CrMnSi6-4

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Laser modification with remelting, instead of the typical heat treatment (through hardening), was proposed for boride layer formed on 100CrMnSi6-4 steel. First, gas boriding was carried out in H2-BCl3 atmosphere with the usage of devices presented in Figure 1. Then, laser tracks were arranged with remelting as multiple tracks formed in the shape of helical line (Fig. 2). The laser-heat treatment (LHT) was carried out by the Trumpf TLF 2600 Turbo CO2-laser of the nominal power 2.6 kW operated with the following parameters: power P = 1.17 kW and scanning rate vl = 2.88 m/min. Typical heat treatment was also carried out after diffusion boriding. The specimens were through hardened: quenched in oil from 850°C (1123 K) and tempered at 150°C (423 K). The microstructure and properties of these layers were investigated. The diffusion borided and through hardened layer was characterized by typical microstructure (Fig. 4): 1 – iron borides (FeB + Fe2B) and 2 – hardened substrate (martensite and alloyed cementite). The microstructure of laser-modified layer consisted of the following zones (Fig. 5): 1 – remelted zone (eutectic mixture of borides and the martensite), 2 – heat affected zone HAZ (martensite and alloyed cementite) and 3 – the substrate without heat treatment. The SEM image of remelted zone was presented in Figure 6. The remelted zone of the laser-modified boride layer was characterized by a lower microhardness in comparison with the diffusion borided layer, reducing the hardness gradient of the diffusion layer to the substrate (Fig. 7). The abrasive wear resistance of the laser-modified boride layer was comparable to this obtained in case of typical heat treatment (through hardening) applied after boriding (Fig. 8). Therefore, there is a possibility that the laser modification with remelting can be used instead of typical heat treatment during the formation of boride layers of high abrasive wear resistance.

PL

Zamiast typowej obróbki cieplnej (utwardzanie cieplne) zaproponowano dla warstwy borkowej wytworzonej na stali 100CrMnSi6-4 laserową modyfikację z przetopieniem. Najpierw przeprowadzono borowanie gazowe w atmosferze H2-BCl3 na stanowisku badawczym przedstawionym na rysunku 1. Następnie przeprowadzono laserową modyfikację z przetopieniem prowadząc ścieżki laserowe wielokrotne po linii śrubowej (rys. 2). Obróbkę laserową prowadzono za pomocą lasera CO2 Trumpf TLF 2600 Turbo o mocy nominalnej 2,6 kW, stosując następujące parametry: moc P = 1,17 kW i szybkość skanowania vl = 2,88 m/min. Przeprowadzono także konwencjonalną obróbkę cieplną po borowaniu. Próbki były hartowane w oleju z temperatury 850°C (1123 K) i odpuszczane w temperaturze 150°C (423 K). Badano mikrostrukturę i właściwości wytworzonych warstw. Warstwa borowana dyfuzyjnie i utwardzona cieplnie charakteryzowała się typową mikrostrukturą (rys. 4): 1 – borki żelaza (FeB + Fe2B) i 2 – utwardzone cieplnie podłoże (martenzyt i cementyt stopowy). Mikrostruktura warstwy modyfikowanej laserowo składała się z trzech stref (rys. 5): 1 – strefy przetopionej (mieszanina eutektyczna borków żelaza i martenzytu), 2 – strefy wpływu ciepła (martenzyt i cementyt stopowy) oraz 3 – podłoża bez obróbki cieplnej. Obraz SEM strefy przetopionej zaprezentowano na rysunku 6. Strefa przetopiona warstwy borkowej modyfikowanej laserowo charakteryzowała się mniejszą mikrotwardością w porównaniu z warstwą borowaną dyfuzyjnie, zapewniając łagodniejszy spadek twardości w kierunku rdzenia (rys. 7). Odporność na ścieranie modyfikowanej laserowo warstwy borków była porównywalna z otrzymaną w przypadku typowej obróbki cieplnej (utwardzanie cieplne) przeprowadzonej po borowaniu (rys. 8). Laserowa modyfikacja z przetopieniem może być zatem stosowana po borowaniu zamiast tradycyjnej obróbki cieplnej w celu otrzymywania warstw borkowych o dużej odporności na ścieranie.

Słowa kluczowe

EN

gas boriding; laser heat treatment; microstructure; hardness; abrasive wear resistance

PL

borowanie gazowe; laserowa obróbka cieplna; mikrostruktura; twardość; odporność na ścieranie

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 33, nr 6
• Strony: 580--583
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Makuch N.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

autor

Kulka M.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

Bibliografia

• [1] Graf von Matuschka A.: Borieren. Carl Hanser Verlag, Munchen, Wien (1977).
• [2] Wierzchoń T.: The role of glow discharge in the formation of a boride layer on steel in the plasma boriding process. Advances in low-temperature plasma chemistry, technology, applications, vol. 2, Technomic Publishing Co. Inc. Lancaster-Basel, USA (1988).
• [3] Venkataraman B., Sundararajan G.: The high speed sliding wear behaviour of boronized medium carbon steel. Surf. Coat. Technol. 73 (1995) 177÷184.
• [4] Hunger H. J., Trute G.: Boronizing to produce wear-resistant surface layers. Heat Treat. Met. 21 (2) (1994) 31÷39.
• [5] Xu C. H., Xi J. K., Gao W.: Improving the mechanical properties of boronized layers by superplastic boronizing. J. Mater. Process. Technol. 65 (1997) 94÷98.
• [6] Pertek A.: Gas boriding condition for the iron borides layers formation. Mater. Sci. Forum 163-165 (1994) 323÷328.
• [7] Liliental W., Tacikowski J.: Einfiuss der Wärmebehandlung auf die Sprödigkeit von Boridschichten auf Stählen. Haerterei Tech. Mitt. 35 (1980) 251÷256.
• [8] Yan P. X., Su Y. C.: Metal surface modification by B-C-nitriding in a two- temperature-stage process. Mater. Chem. Phys. 39 (1995) 304÷308.
• [9] Wierzchoń T., Bieliński P., Sikorski K.: Formation and properties of multicomponent and composite borided layers on steel. Surf. Coat. Technol. 73 (1995) 121÷124.
• [10] Sikorski K., Wierzchoń T., Bieliński P.: X-ray microanalysis and properties of multicomponent plasma-borided layers on steels. J. Mater. Sci. 33 (1998) 811÷815.
• [11] Toroghinezhad M. R., Salehi M., Ashrafizadeh F.: The effect ofprecarburizing treatment on morphology of the boride layer. Mater. Manuf. Process. 12 (1) (1997) 117÷123.
• [12] Pertek A., Kulka M.: Characterization of complex (B ÷ C) diffusion layers formed on chromium and nickel-based low-carbon steel. Appl. Surf. Sci. 202 (2002) 252÷260.
• [13] Pertek A., Kulka M.: Microstructure and properties of composite (B ÷ C) diffusion layers on low-carbon steel. J. Mater. Sci. 38 (2003) 269÷273.
• [14] Pertek A., Kulka M.: Two-step treatment carburizing followed by boriding on medium-carbon steel. Surf. Coat. Technol. 173 (2003) 309÷314.
• [15] Kulka M., Pertek A.: The importance of carbon content beneath iron borides after boriding of chromium and nickel-based low carbon steel. Appl. Surf. Sci. 214 (2003) 161÷171.
• [16] Kulka M., Pertek A., Klimek L.: The influence of carbon content in the borided Fe-alloys on the microstructure of iron borides. Mater. Charact. 56/3 (2006) 232÷240.
• [17] Kulka M., Pertek A: Characterization of complex (B ÷ C ÷ N) diffusion layers formed on chromium and nickel-based low-carbon steel. Appl. Surf. Sci. 218 (2003) 113÷122.
• [18] Kulka M., Pertek A.: Gradient formation of boride layers by borocarburizing.App1. Surf. Sci. 254 (2008) 5281÷5290.
• [19] Kulka M., Pertek A., Makuch N.: The importance of carbon concentration- depth profile beneath iron borides for low-cycle fatigue strength. Mater. Sci. Eng. A 528 (2011) 864l÷8650.
• [20] Gopalakrishnan P., Shankar P., Subba Rao R. V., Sundar M., Ramakrishnan S. S.: Laser surface modification oflow carbon borided steels. Scripta Mater. 44 (2001) 707÷712.
• [21] Podczemjajeva I. A.: Formirovanije i svoj stva poverchnostnogo sloja pri kompleksnom lazemom borirovanii uglerodistych stalej. Poroszkovaja Metallurgija 1/2 (1997) 74÷78.
• [22] Safonov A. N.: Osobiennosti borirovanija żeleza i stalej s pomoszczju nieprierywnogo CO,-lazera. Metalovedenije i Termiceskaja Obrabotka Metallov 1 (1998) 5÷9.
• [23] Przybyłowicz K., Depczyński W., Mola R.: Modification ofdiffusion coatings structure by laser heat treatment. Inżynieria Materialowa 4 (1998) 1043÷1046.
• [24] Pertek A., Kulka M.: Characterization of single tracks after laser surface modification of borided 41Cr4 steel. Appl. Surf. Sci. 205 (1-4) (2003) 137÷142.
• [25] Kulka M., Pertek A.: Microstructure and properties of borided 41Cr4 steel after laser surface modification with re-melting. Appl. Surf. Sci. 214 (2003) 278÷288.
• [26] Kulka M., Pertek A.: Microstructure and properties of borocarburized 15CrNi6 steel after laser surface modification. Appl. Surf. Sci. 236 ( 1-4) (2004) 98÷105.
• [27] Kulka M., Pertek A.: Laser surface modification of carburized and borocarlnurized 15CrNi6 steel. Mater. Charact. 58/5 (2007) 461÷470.
• [28] Kulka M., Makuch N., Pertek A., Piasecki A.: Microstructure and properties of borocarburized and laser-modified 17CrNi6-6 steel. Opt. Laser Technol. 44 (2012) 872÷881.
• [29] Molian P. A., Rajasekhara H. S.: Laser glazing of boronized iron and tool steels. Surf. Eng. 2 (4) (1986) 269.
• [30] Goly M., Kusinski J.: Microstructure and properties of the laser treated 30CrMnMo16-8 chromium steel. [in] Problems of modem techniques in aspect of engineering and education, eds. Paweł Kurtyka et al., Monography, Pedagogical University, Cracow, Institute of Technology (2006) 183÷188.
• [31] Major B.: Chapter 7: Laser processing for surface modification by remelting and alloying of metallic systems. [in] Materials Surface Processing by Directed Energy Techniques, ed. by Yves Paleau, Elsevier (2006).
• [32] Bartkowiak K., Waligóra W.: Laser alloying of the construction steel 45 with boron. The scientific conference with foreign participation, TRANS- FER 2001, Trenčin, Slovak Republic, 23-24 October (2001) 175.
• [33] Morimoto J., Ozaki T., Kubohori T., Morimoto S., Abe N., Tsukamoto M.: Some properties of boronized layers on steels with direct diode laser. Vacuum 83 (2009) 185÷189.
• [34] Choudhury A. R., Ezz T., Li L.: Synthesis of hard nanostructured metal matrix composite boride coatings using combined laser and sol-gel technology. Mater. Sci. Eng. A 445-446 (2007) 193÷202.
• [35] Paczkowska M., Ratuszek W., Waligóra W.: Microstructure of laser boronized nodular iron. Surf. Coat. Technol. 205 (2010) 2542÷2545.
• [36] Tayal M., Mukherjee K.: Localized boriding of low-carbon steel using a Nd :YAG laser. J. Mater. Sci. (1994) 5699÷5702.