Laser boriding of 100CrMnSi6-4 steel using CaF2 self-lubricating addition

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

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2015.6.22

Warianty tytułu

PL

Laserowe borowanie stali 100CrMnSi6-4 z zastosowaniem dodatku samosmarującego CaF2

• 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 diffusion process, the laser boriding was used in order to produce boride layer on this material. The two types of alloying materials were applied. First, the surface of base material was coated by paste including amorphous boron only. The second alloying material consisted of the mixture of amorphous boron and CaF2 as a self-lubricating addition. Next, the surface was remelted by laser beam with using TRUMPF TLF 2600 Turbo CO2 laser. The continuous laser-borided layers were obtained at the surface. They were uniform in respect of the thickness because of the high overlapping used during the laser treatment (86%). The laser-borided layers were significantly thicker than that reported for diffusion boriding. The increased hardness was observed in remelted zone and in heat-affected zone. The significant increase in wear resistance of laser-borided layer was caused by CaF2 self-lubricating addition.

PL

Stal 100CrMnSi6-4 jako wysokowęglowa stal chromowa ze zwiększoną zawartością manganu i krzemu jest powszechnie stosowana w przemyśle łożyskowym jako standardowy materiał. Stal ta jest przede wszystkim stosowana na elementy łożysk tocznych ze względu na jej dobrą odporność na zużycie, jak również dobrą odporność na zmęczenie kontaktowe. Borowanie dyfuzyjne jest obróbką cieplno-chemiczną, która poprawia właściwości tribologiczne tej stali. W pracy zamiast procesu dyfuzyjnego zastosowano borowanie laserowe w celu wytworzenia warstwy borków na tym materiale. Zastosowano dwa rodzaje materiałów stopujących. Najpierw powierzchnia materiału podstawowego została pokryta pastą zawierającą wyłącznie bor amorficzny. Drugi materiał stopujący składał się z mieszaniny amorficznego boru i CaF2 jako dodatku samosmarującego. Następnie powierzchnię przetapiano wiązką laserową. Do laserowego stopowania stosowano laser CO2 TRUMPF TLF 2600 Turbo. Przy powierzchni powstała ciągła warstwa borowana laserowo. Otrzymane warstwy były jednorodne pod względem grubości dzięki zastosowaniu zachodzenia na siebie ścieżek laserowych na poziomie 86%. Warstwy borowane laserowo były znacznie grubsze niż otrzymywane w przypadku borowania dyfuzyjnego. Strefa przetopiona oraz strefa wpływu ciepła charakteryzowały się znacznie większą twardością w porównaniu z materiałem podłoża. Dodatek samosmarujący w postaci CaF2 powodował zwiększenie odporności na zużycie warstwy borowanej laserowo.

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: 2015
• Tom: Vol. 36, nr 6
• Strony: 459--463
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Piasecki A.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

autor

Kotkowiak M.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

autor

Kulka M.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

autor

Dziarski P.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

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 behaviour 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 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] 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.
• [7] Zhan-Feng X., Xiu-Bo L., Jia R., Jian L., Shi-Hong S., Yao C., Gao-Lian S., Shao-Hua W.: Investigation of laser cladding high temperature antiwear composite coatings on Ti6Al4V alloy with the addition of self-lubricant CaF2. Appl. Surf. Sci. 313 (2014) 243÷250.
• [8] Yuan J., Zhu Y., Ji H., Zheng X., Ruan Q., Niu Y., Liu Z., Zeng Y.: Microstructures and tribological properties of plasma sprayed WC–Co–Cu– BaF2/CaF2 self-lubricating wear resistant coatings. Appl. Surf. Sci. 256 (2010) 4938÷4944.
• [9] Yan H., Zhang J., Zhang P., Yu Z., Li C., Xu P., Lu Y..: 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.
• [10] Yan H., Zhang P., Yu Z., Lu Q., Yang S., Li C.: Microstructure and tribological properties of laser-clad Ni–Cr/TiB2 composite coatings on copper with the addition of CaF2. Surf. Coat. Technol. 206 (2012) 4046÷4053.
• [11] Kobayashi T., Maruyama T., Yasuda T.: Sliding properties of composite sprayed coating between bronze powder and solid lubricant. Mater. Trans. 44 (5) (2003) 1024÷1028.
• [12] Konopka K., Roik T. A., Gavrish A. P., Vitsuk Yu. Yu., Mazan T.: Effect of CaF2 surface layers on the friction behaviour of copper-base composite. Powder Metall. Metal C. 51 (5-6) (2012) 363÷367.
• [13] Zuomin L., Childs T. H. C.: The study of wear characteristics of sintered high speed steels containing CaF2, MnS and TiC additives at elevated temperature. Wear 257 (2004) 435÷440.
• [14] Cai B., Tan Y.-F., He L., Tan H., Wang X.-L.: Tribological behaviour and mechanisms of graphite/CaF2/TiC/Ni-base alloy composite coatings. T. Nonferr. Metal. Soc. 23 (2013) 392÷399.
• [15] Zhang X.-F., Zhang X.-L., Wang A.-H., Huang Z.-W.: Microstructure and properties of HVOF sprayed Ni-based submicron WS2/CaF2 self-lubricating composite coating. T. Nonferr. Metal. Soc. 19 (2009) 85÷92.
• [16] Deng J., Cao T.: Self-lubricating mechanisms via the in situ formed tribofilm of sintered ceramics with CaF2 additions when sliding against hardened steel. Int. J. Refract. Met. H. 25 (2007) 189÷197.
• [17] Liu W.-G., Liu X.-B., Zhang Z.-G., Guo J.: Development and characterization of composite Ni–Cr–C–CaF2 laser cladding on TiAl intermetallic alloy. J. Alloy. Compd. 470 (2009) L25÷L28.
• [18] Deng J., Cao T., Yang X., Liu J.: Self-lubrication of sintered ceramic tools with CaF2 additions in dry cutting. Int. J. Mach. Tool. Manu. 46 (2006) 957÷963.
• [19] Wang H. M., Yu Y. L., Li S. Q.: Microstructure and tribological properties of laser clad CaF2/Al2O3 self-lubrication wear-resistant ceramic matrix composite coatings. Scripta Mater. 47 (2002) 57÷61.
• [20] Deng J., Liu L., Yang X., Liu J., Sun J., Zhao J.: Self-lubrication of Al2O3/ TiC/CaF2 ceramic composites in sliding wear tests and in machining processes. Mater. Design 28 (2007) 757÷764.
• [21] 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.
• [22] Ouyang H., Sasaki S., Murakami T., Umeda K.: The synergistic effects of CaF2 and Au lubricants on tribological properties of spark-plasma-sintered ZrO2(Y2O3) matrix composites. Mater. Sci. Eng. A 386 (2004) 234÷243.
• [23] Huang C., Lu D., Zhang W.: Friction and wear characteristics of plasmasprayed self-lubrication coating with clad powder at elevated temperatures up to 800°C. J. Therm. Spray Techn. 23 (2014) 463÷469.
• [24] Muthuraja A., Senthilvelan S.: Development of tungsten carbide based self-lubricant cutting tool material: preliminary investigation. Int. J. Refract. Met. H. 48 (2015) 89÷96.
• [25] Kong L., Zhu S., Bi Q., Qiao Z., Yang J., Liu W.: Friction and wear behavior of self-lubricating ZrO2(Y2O3)–CaF2–Mo–graphite composite from 20°C to 1000°C. Ceram. Int. 40 (2014) 10787÷10792.
• [26] 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. Mater. Design 53 (2014) 620÷633.
• [27] Song P., Yang X., Wang S., Yang L.: Tribological properties of self-lubricating laminated ceramic materials. Journal of Wuhan University of Technology — Mater. Sci. Ed. Oct. (2014) 906÷911.
• [28] Kulka M., Makuch N., Pertek A.: Microstructure and properties of laserborided 41Cr4 steel. Opt. Laser Technol. 45 (2013) 308÷318.
• [29] Kulka M., Makuch N., Dziarski P., Mikołajczak D., Przestacki D.: Gradient boride layers formed by diffusion carburizing and laser boriding. Opt. Laser. Eng. 67 (2015) 163÷175.