Low-cycle fatigue strength of borocarburized 15NiCr13 steel

• Autorzy: Dziarski P. , Makuch N. , Kulka M. , Mikołajczak D.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2015.2.4

Warianty tytułu

PL

Niskocyklowa wytrzymałość zmęczeniowa boronawęglanej stali 15NiCr13

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The high fatigue resistance of carburized layers is well known. Simultaneously, there is not much data referring to the fatigue strength of borided layers. Some papers showed the advantageous influence of borocarburizing process on fatigue performance. The resistance of borocarburized layers to the lowcycle fatigue was higher than the one characteristic of typical borided layer formed on medium-carbon steel. In this study, the two-step process: carburizing followed by boriding was used in order to form the borocarburized layer. The investigated material as well as the boriding parameters were adequately selected in order to improve the low-cycle fatigue strength. The borocarburized 15NiCr13 steel was examined. This material was selected because of its advantageous carbon concentration-depth profile beneath iron borides obtained after boriding. The gas boriding in N2–H2–BCl3 atmosphere consisted of two stages: saturation with boron and diffusion annealing, alternately repeated. This treatment was carried out in order to obtain a limited amount of the brittle FeB phase in the boride zone. The low-cycle fatigue strength of through-hardened borocarburized steel was comparable to that obtained in case of throughhardened carburized specimen, which was previously investigated under the same conditions. The advantageous carbon concentration-depth profile as well as limited amount of FeB phase had a positive influence on the low-cycle fatigue strength. Therefore, the fatigue performance of borocarburized layer could approach a limit obtained for carburized layer.

PL

Duża odporność zmęczeniowa warstw nawęglanych jest powszechnie znana. Jednocześnie nie ma zbyt wielu danych dotyczących wytrzymałości zmęczeniowej warstw borowanych. Niektóre prace wskazywały na korzystny wpływ boronawęglania na odporność zmęczeniową. Dla warstw boronawęglanych uzyskiwano większą odporność niż dla typowych warstw borowanych otrzymywanych na stali średniowęglowej. W pracy zastosowano do wytworzenia warstwy boronawęglanej dwustopniowy proces nawęglania i borowania. Badany materiał i parametry procesu borowania zostały odpowiednio dobrane w celu polepszenia niskocyklowej wytrzymałości zmęczeniowej. Do badań użyto boronawęglaną stal 15NiCr13, na której można było otrzymać korzystny profil stężenia węgla pod borkami żelaza po borowaniu. Borowanie gazowe w atmosferze N2–H2–BCl3 składało się z dwóch etapów: nasycania borem i wyżarzania dyfuzyjnego. Celem takiej obróbki było otrzymanie warstwy borków o ograniczonym udziale kruchej fazy FeB. Niskocyklowa wytrzymałość zmęczeniowa boronawęglanej i utwardzonej cieplnie stali 15NiCr13 była porównywalna do osiągniętej dla nawęglanej i utwardzonej cieplnie próbki, którą badano w tych samych warunkach. Korzystny profil stężenia węgla oraz ograniczony udział fazy FeB w strefie borków miały pozytywny wpływ na niskocyklową wytrzymałość zmęczeniową. Właściwości zmęczeniowe boronawęglanej stali mogły się w ten sposób zbliżyć do wartości otrzymywanych dla stali nawęglanych.

Słowa kluczowe

EN

gas boriding; borocarburizing; microstructure; hardness; low-cycle fatigue

PL

borowanie gazowe; boronawęglanie; mikrostruktura; twardość; niskocyklowe zmęczenie

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 36, nr 2
• Strony: 69--73
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Dziarski P.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

autor

Makuch N.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

autor

Kulka M.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

autor

Mikołajczak D.

• 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 behavior of boronized medium carbon steel. Surf. Coat. Technol. 73 (1995) 177÷184.
• [4] Hunger H. J., Trute G.: Boronizing to produce wear-resistant surface layer. 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.: Einfluss der Wärmebehandlung auf die Sprödigkeit von Boridschichten auf Stählen. Härterei-Technische Mitteilungen 35 (1980) 251÷256.
• [8] Yan P. X., Su Y. C.: Metal surface modification by B-C-nitriding in a twotemperature- 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 of precarburizing treatment on morphology of the boride layer. Mater. Manuf. Process 12 (1) (1997) 117÷123.
• [12] 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.
• [13] 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.
• [14] Kulka M., Pertek A.: Gradient formation of boride layers by borocarburizing. Appl. Surf. Sci. 254 (2008) 5281÷5290.
• [15] Kulka M., Pertek A., Makuch N.: The importance of carbon concentrationdepth profile beneath iron borides for low-cycle fatigue strength. Mater. Sci. Eng. A 528 (2011) 8641÷8650.
• [16] Kulka M., Makuch N., Pertek A., Piasecki A.: An alternative method of gas boriding applied to the formation of borocarburized layer. Mater. Charact. 72 (2012) 59÷67.
• [17] Molian P. A., Rajasekhara H. S.: Laser glazing of boronized iron and tool steels. Surf. Eng. 2 (4) (1986) 269.
• [18] Gopalakrishnan P., Shankar P., Subba Rao R. V., Sundar M., Ramakrishnan S. S.: Laser surface modification of low carbon borided steels. Scripta Mater. 44 (2001) 707÷712.
• [19] Przybyłowicz K., Depczyński W., Mola R.: Modification of diffusion coatings structure by laser heat treatment. Inżynieria Materiałowa 4 (1998) 1043÷1046.
• [20] Kulka M., Pertek A.: Microstructure and properties of borided 41Cr4 steel after laser surface modification with remelting. Appl. Surf. Sci. 214 (2003) 278÷288.
• [21] Kulka M., Pertek A.: Laser surface modification of carburized and borocarburized 15CrNi6 steel. Mater. Charact. 58/5 (2007) 461÷470.
• [22] 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.
• [23] Campos-Silva I., Ortiz-Dominguez M., Keddam M., Lopez-Perrusquia N., Carmona-Vargas A., Elias-Espinosa M.: Kinetics of the formation of Fe2B layers in gray cast iron: effects of boron concentration and boride incubation time. Appl. Surf. Sci. 255 (2009) 9290÷9295.
• [24] Campos I., Oseguera J., Figueroa U., Garcia J., Bautista O., Kelemenis G.: Kinetic study of boron diffusion in the paste-boriding process. Mat. Sci. Eng. A 352 (2003) 261÷265.
• [25] Pertek A.: The structure formation and the properties of boronized layers obtained in gaseous boriding process. Dissertation No. 365. Publishing house of Poznan University of Technology, Poznan (2001).
• [26] Vorošnin L. G., Ljachovič L. S.: Borirovanie stali. Metallurgia, Moskva (1978).