Laser boriding of 100CrMnSi6–4 steel using BaF2 self-lubricating addition

• Autorzy: Piasecki A. , Kotkowiak M. , Kulka M.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2017.3.6

Warianty tytułu

PL

Laserowe borowanie stali 100CrMnSi6–4 z zastosowaniem dodatku samosmarującego BaF2

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

100CrMnSi6–4 steel, being a high carbon chromium steel with increased content of manganese and silicon, is commonly used in the bearing industry as a standard material. This material is predominantly applied to elements of rolling bearings taking into consideration its good wearability as well as good resistance to contact fatigue. The diffusion boronizing was a thermochemical treatment which improved tribological properties of this steel. In this study, instead of the diffusion process, the laser boriding was used in order to produce a boride layer on this material. The two-step process was used during laser alloying. First, the surface of the specimen was coated by a paste with alloying material. The alloying material consisted of the mixture of amorphous boron and BaF2 as a self-lubricating addition. Next, the surface was remelted by a laser beam using TRUMPF TLF 2600 Turbo CO2 laser. The microstructure of the layer consisted of the remelted zone with eutectic mixture of iron borides, borocementite and martensite as well as the heat-affected zone with martensite, bainite and retained austenite. The continuous laser-borided layer was obtained at the surface. It was uniform in respect of the thickness because of the high overlapping used during the laser treatment (86%). The hardness decreasing was observed in remelted zone compared to the laser-alloyed layer with boron only. However, the significant increase in wear resistance of laser-borided layer was caused by BaF2 self-lubricating addition. The formation of tribofilm on the worn surface was the reason for improved tribological properties of the self-lubricating layer.

PL

Celem pracy było wytworzenie warstw stopowanych borem i fluorkiem baru charakteryzujących się zwiększoną odpornością na zużycie przez tarcie. Wśród wielu metod zmniejszenia współczynnika tarcia w parze trącej istotne znaczenie ma stosowanie olejów. Jednak ze względu na problem z nimi związany, na każdym etapie użytkowania, od produkcji po utylizację, duże znaczenie zyskują lubrykanty stałe. Substancje te można podzielić m.in. na: metale, tlenki, fluorki, siarczki, siarczany, wolframiany. Wśród tych związków na szczególną uwagę zasługują fluorki CaF2 i BaF2, które mogą pracować w wysokiej temperaturze, zapewniając zmniejszenie współczynnika tarcia. Fluorek baru charakteryzuje się małą twardością i bardzo dobrymi właściwościami smarnymi. W niniejszej pracy wytworzono warstwę stopowaną laserowo borem i fluorkiem baru, w wyniku czego spodziewano się uzyskać warstwę o większej odporności na zużycie przez tarcie, nawet przy zmniejszonej twardości w porównaniu z warstwą stopowaną laserowo wyłącznie borem. Warstwy powierzchniowe wytworzono na stali łożyskowej 100CrMnSi6–4. Stal ta charakteryzuje się zwiększoną hartownością oraz należy do stosunkowo tanich materiałów.

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: 2017
• Tom: Vol. 38, nr 3
• Strony: 143--148
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Piasecki A.

• Institute of Materials Science and Engineering, Poznan University of Technology, Poznan

autor

Kotkowiak M.

• Institute of Materials Science and Engineering, Poznan University of Technology, Poznan

autor

Kulka M.

• Institute of Materials Science and Engineering, Poznan University of Technology, Poznan

Bibliografia

• [1] Sri Siva R., Arockia Jaswin M., Mohan Lal D.: Enhancing the wear resistance of 100Cr6 bearing steel using cryogenic treatment. Tribol. T. 55 (2012) 387÷393.
• [2] Polat S., Türedi E., Atapek Ş. H., Köseoğlu M.: Wear behavior of heat treated DIN 100Cr6 steels. International Iron and Steel Symposium Karabük, Türkiye, 2÷4 April (2012) 181÷196.
• [3] Zenker R., Spies H.-J., Buchwalder A., Sacher G.: Combination of thermal surface treatment by high energy beams with thermochemical treatment and hard protective coating — state of the art. Proceedings of the 15th IFHTSE International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering Congress (2006) 214÷219.
• [4] Podgornik B., Vižintin J., Borovšak U., Megušar F.: Tribological properties of DLC coatings in helium. Tribol. Lett. 47 (2) (2012) 223÷230.
• [5] Rasmussen I. L., Guibert M., Belin M., Martin J. M., Mikkelsen N. J., Pedersen H. C., Schou J.: Wear monitoring of protective nitride coatings using image processing. Surf. Coat. Technol. 204 (2010) 1970÷1972.
• [6] Młynarczak A.: Modyfikowanie budowy i właściwości jednoi wieloskładnikowych dyfuzyjnych warstw węglików chromu, wanadu i tytanu wytwarzanych na stalach metodą proszkową. Wyd. Politechniki Poznańskiej (2005).
• [7] Yang J.-F., Jiang Y., Hardell J., Prakash B., Fang Q.-F.: Influence of service temperature on tribological characteristics of self-lubricant coatings: A review Front. Mater. Sci. 7 (1) (2013) 28÷39.
• [8] Allam I. M.: Solid lubricants for applications at elevated temperatures: A review. Journal of Materials Science 26 (15) (1991) 3977÷3984.
• [9] Cui G., Lu L., Wu J., Liu Y., Gao G.: Microstructure and tribological properties of Fe–Cr matrix self-lubricating composites against Si3N4 at high temperature. Journal of Alloys and Compounds 611 (2014) 235÷242.
• [10] Ouyang J. H., Li Y. F., Wang Y. M., Zhou Y., Murakami T., Sasaki S.: Microstructure and tribological properties of ZrO2(Y2O3) matrix composites doped with different solid lubricants from room temperature to 800°C. Wear 267 (2009) 1353÷1360.
• [11] Kim S.-H., Lee S.-W.: Wear and friction behavior of self-lubricating alumina– zirconia–fluoride composites fabricated by the PECS technique. Ceramics International 40 (2014) 779÷790.
• [12] Shi X., Yao J, Xu Z., Zhai W., Song S., Wang M., Zhang Q.: Tribological performance of TiAl matrix self-lubricating composites containing Ag, Ti3SiC2 and BaF2/CaF2 tested from room temperature to 600°C. Materials and Design 53 (2014) 620÷633.
• [13] Huang C., Du L., Zhang W.: Friction and wear characteristics of plasmasprayed self-lubrication coating with clad powder at elevated temperatures up to 800°C. Journal of Thermal Spray Technology 23 (2014) 463÷469.
• [14] Liying Y., Zuomin L.: Microstructure and mechanical properties of Ti–48Al–2Nb–2Cr matrix high temperature self-lubricating composites by addition of 38% CaF2–62% BaF2 eutectic solid lubricants. Journal of Composite Materials 41 (2007) 3079.
• [15] Zhen J., Li F., Zhu S., Ma J., Qiaoa Z., Liu W., Yang J.: Friction and wear behavior of nickel-alloy-based high temperature self-lubricating composites against Si3N4 and Inconel 718. Tribology International 75 (2014) 1÷9.
• [16] Piasecki A., Kotkowiak M., Kulka M., Dziarski P.: Laser boriding of 100CrMnSi6–4 steel using CaF2 self-lubricating addition. Inżynieria Materiałowa 6 (2015) 459÷463.
• [17] Piasecki A., Kulka M., Kotkowiak M.: Wear resistance improvement of 100CrMnSi6–4 bearing steel by laser boriding using CaF2 self-lubricating addition. Tribology International 97 (2016) 173÷191.
• [18] Kotkowiak M., Piasecki A., Kulka M.: Laser alloying of bearing steel with boron and self-lubricating addition. Archives of Mechanical Technology and Materials 36 (2016) 7÷11.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).