Electron beam hardening of nanobainitic steels

• Autorzy: Śliwiński Piotr , Węglowski Marek St. , Pikuła Janusz , Tański Tomasz , Wieczorek Andrzej N. , Skołek Emilia

Identyfikatory

DOI

10.17729/ebis.2023.2/3

Warianty tytułu

PL

Hartowanie stali nanobainitycznych wiązką elektronów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Because of the unique combination of their properties, nanobainitic steels containing Si are particularly attractive materials for use in gear manufacturing. However, in order to achieve desired results, it is first necessary to obtain a surface of sufficient hardness (i.e. to increase the hardness of the surface layer using surface hardening techniques). One of such techniques is electron beam hardening. Due to the high power of electron beam welding machines and properties of the electron beam itself, the above-named technology makes it possible to harden workpieces within a wide range of thicknesses. Research-related tests discussed in the article involved the hardening of blocks made of nanobainitic steel (30 mm × 150 mm × 20 mm) using the oscillation-deflected electron beam. Test specimens were subjected to surface hardening with the electron beam using different beam settings. Surface hardening techniques involved both moving the specimen relative to the heat source and quenching only with beam oscillation. As part of the study, finite element simulations were performed along with the validation of results. The test specimens were then subjected to Vickers hardness tests as well as to light microscopic and microstructural tests (using scanning electron microscopy). The test results revealed that the electron beam hardening method made it possible to obtain hardened layers having a thicknesses of up to 1.9 mm. The distribution of hardness in the hardened zone was uniform, whereas the specimens hardened without movement were characterized by a higher average hardness of 674 HV0.1. The average hardness value of the hardened layer amounted to 626 HV0.1 in terms of the sample hardened at a speed of 250 mm/min. The results of the FEM numerical calculations were consistent with the results of the actual measurements, indicating that the assumptions and boundary conditions in the FEM modelling of the electron beam quenching process were defined correctly.

PL

Ze względu na niezwykle korzystne połączenie właściwości, stale nanobainityczne zawierające Si są szczególnie atrakcyjnym materiałem do wykorzystania w produkcji kół zębatych. Aby jednak osiągnąć pożądane rezultaty, należy najpierw wytworzyć powierzchnię o odpowiedniej twardości. Konieczne jest więc zwiększenie twardości warstwy wierzchniej za pomocą technik hartowania powierzchniowego. Jedną z nich jest metoda hartowania wiązką elektronów. Dzięki niej możliwe jest hartowanie przedmiotów o szerokim zakresie grubości warstwy zahartowanej ze względu na dużą moc spawarek elektronowych oraz właściwości samej wiązki elektronów. W niniejszym artykule bloki ze stali nanobainitycznej o wymiarach 30×150×20 mm hartowano za pomocą odchylanej oscylacyjnie wiązki elektronów. Próbki poddano hartowaniu powierzchniowemu wiązką elektronów, przy różnych ustawieniach wiązki. Jako techniki hartowania powierzchniowego stosowano zarówno przemieszczanie próbki względem źródła ciepła, jak i hartowanie jedynie za pomocą oscylacji wiązki. W ramach badań przeprowadzono symulację metodą elementów skończonych wraz z walidacją uzyskanych wyników. Otrzymane próbki poddano następnie badaniom twardości metodą Vickersa, mikroskopii świetlnej oraz badaniom mikrostruktury metodą skaningowej mikroskopii elektronowej. Wyniki pokazały, że metoda hartowania wiązką elektronów umożliwia uzyskanie warstw zahartowanych o grubości dochodzącej do 1,9 mm. Rozkład twardości w strefie zahartowania był równomierny, natomiast próbki hartowane bez ruchu charakteryzowały się większą średnią twardością warstwy, wynoszącą 674 HV0,1. Średnie wartości twardości warstwy zahartowanej były równe 626 HV0,1 dla próbki hartowanej z prędkością 250 mm/min. Wyniki obliczeń numerycznych MES charakteryzowały się zgodnością z wynikami pomiarów rzeczywistych, co wskazuje na prawidłowe zdefiniowanie założeń i warunków brzegowych w modelowaniu MES procesu hartowania wiązką elektronów.

Słowa kluczowe

EN

electron beam hardening; gear manufacturing; sufficient hardness

PL

utwardzanie wiązką elektronów; produkcja przekładni; wystarczająca twardość

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Górnośląski Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 67, No. 2
• Strony: 24--37
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Śliwiński Piotr

• Sieć Badawcza Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny (Łukasiewicz Research Network – Upper Silesian Institute of Technology, Centre of Welding)

autor

Węglowski Marek St.

• Sieć Badawcza Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny (Łukasiewicz Research Network – Upper Silesian Institute of Technology, Centre of Welding)

autor

Pikuła Janusz

• Sieć Badawcza Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny (Łukasiewicz Research Network – Upper Silesian Institute of Technology, Centre of Welding)

autor

Tański Tomasz

• Politechnika Śląska, Wydział Mechaniczny Technologiczny (Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering)

autor

Wieczorek Andrzej N.

• Politechnika Śląska, Wydział Górnictwa, Inżynierii Bezpieczeństwa i Automatyki Przemysłowej (Silesian University of Technology, Faculty of Mining, Safety Engineering and Industrial Automation)

autor

Skołek Emilia

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej (Silesian University of Technology, Faculty of Materials Engineering)

Bibliografia

• [1] Ríos-Diez O., Aristizábal-Sierra R., Serna-Giraldo C., Eres-Castellanos A., García-Mateo C.: Wear behavior of nanostructured carbo-austempered cast steels under rolling-sliding conditions. Journal of Materials Research and Technology, 2021, no. 11, 1343. DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.01.094.
• [2] Leiro A., Vuorinen E., Sundin K.G., Prakash B., Sourmail T., Smanio V., Caballero F.G., Garcia-Mateo C., Roberto E.: Wear of nano-structured carbide-free bainitic steels under dry rolling–sliding conditions. Wear, 2013, vol. 298–299, pp. 42–47. DOI: 10.1016/j.wear.2012.11.064.
• [3] Solano-Alvarez W., Pickering E.J., Bhadeshia H.K.D.H.: Degradation of nanostructured bainitic steel under rolling contact fatigue. Materials Science and Engineering: A 2014, vol. 617, 156. DOI: 10.1016/j.msea2014.08.071.
• [4] Popelyukh A.I., Veselov S.V., Munkueva D.D.: Properties of Steel with Nanobainitic Structure. Metal Science and Heat Treatment, 2022, vol. 63, no. 4, 655. DOI: 10.1007/s11041-022-00751-8.
• [5] Yurchenko A.N., Simonova Y.N.: Microstructural features, mechanical properties and heat treatment of bainitic steels. Vest. Permsk. Nats. Issled. Politekh. Univ, 2015, vol. 18, no. 3, pp. 160.
• [6] Sidhu G., Bhole S.D., Essadiqi E. et al.: Characterization of Isothermally Heat-Treated High Carbon Nanobainitic Steels. Journal of Materials Engineering and Performance, 2013, vol. 22, no. 10, 3070. DOI: 10.1007/s11665-013-0581-4.
• [7] Ríos-Diez O., Aristizábal-Sierra R., Serna-Giraldo C., Jimenez J.A., Garcia-Mateo C.: Development of Nanobainitic Microstructures in Carbo-Austempered Cast Steels: Heat Treatment, Microstructure and Properties. Metals, 2020, vol. 10, no. 5, 635. DOI: 10.3390/met10050635.
• [8] Sourmail T., Smanio V., Ziegel C. et al.: Novel Nanostructured Bainitic Steel Grades to Answer the Need for High-Performance Steel Components (NANOBAIN). European Commission, Directorate-General for Research and Innovation 2013. DOI: 10.2777/958.
• [9] Śliwiński P., Węglowski M.S., Kwieciński K., Wieczorek A.: Electron beam surface hardening – an overview. Institute of Welding Bulletin, 2022, no. 1, pp. 9. DOI: 10.17729/ebis.2022.1/1.
• [10] Pilarczyk J., Węglowski M.S.: Coating generation and surface modification using electron beam in welding engineering. Welding Technology Review, 2015, vol. 87. DOI: 10.26628/ps.v87i9.449.
• [11] Valkov S., Ormanova M., Petrov P.: Electron-Beam Surface Treatment of Metals and Alloys: Techniques and Trends. Metals, 2020, vol. 10, no. 9, 1219.
• [12] Petrov P.: Optimization of carbon steel electron-beam hardening. Journal of Physics Conference Series, 2010, 223.
• [13] Friedel K.P., Felba J., Wymyslowski A., Pobol I.: A systematic method for optimizing the electron beam hardening process. Vacuum, 1996, vol. 47, no. 11, 1317.
• [14] Katsuyuki M., Shiroh U., Takayuki H., Masahiko K.: Electron beam hardening. International Journal of Materials and Product Technology, 1990, vol. 5, no. 3.
• [15] Matlák J., Dlouhý I.: Properties of Electron Beam Hardened Layers made by Different Beam Deflection. Manufacturing Technology, 2018, vol. 18, no. 2, pp. 279–284.
• [16] Jie Y., Rong W., Deqiang W., Chenggong M., Hui W.: Effect of different scanning modes on the surface properties of continuous electron beam treated 40CrMn steel. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B Beam Interactions with Materials and Atoms, 2020, vol. 467, pp. 102–107.
• [17] Song R.G., Kepeng Z., Guangliang C.: Electron beam surface treatment. Part I: surface hardening of AISI D3 tool steel. Vacuum, 2003, vol. 69, no. 4, pp. 513– 516.
• [18] Świątnicki W., Radowski P., Dudzińska K., Wasiak K.: Method for heat treatment of steel. The Patent Office of the Republic of Poland. PAT No. 234490.
• [19] Joshi S., Hildebrand J., Abdulkareem S. Aloraier, Rabczuk T.: Characterization of material properties and heat source parameters in welding simulation of two overlapping beads on a substrate plate. Computational Materials Science, 2013, vol. 69, pp. 559–565.
• [20] SYSWORLD 2013 Technical Description of Capabilities.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).