Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

The effect of laser treatment parameters on temperature distribution and thickness of laser-alloyed layers produced on Nimonic 80A-alloy

Makuch N., Dziarski P., Kulka M.

Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering

|

2017

|

Vol. 83, nr 2

67--78

EN

Purpose: The aim of this paper was to determine the influence of laser treatment parameters on temperature distribution and thickness of laser-alloyed layers produced on Nimonic 80A-alloy. Design/methodology/approach: In this paper laser alloying was used in order to produce layers on Nimonic 80A-alloy surface. The three types of the alloying materials were applied: B, B+Nb and B+Mo. Microstructure observations were carried out using an optical microscope. The hardness measurements were performed using a Vickers method under a load of 0.981 N. For evaluation of temperature distribution the equations developed by Ashby and Esterling were used. Findings: The produced layers consisted of re-melted zone only and were characterized by high hardness (up to 1431 HV0.1). The increase in laser beam power caused an increase in thickness and decrease in hardness of re-melted zones. The temperature distribution was strongly dependent on laser treatment parameters and physical properties of alloying material. The higher laser beam power, used during laser alloying with boron, caused an increase in layer thickness and temperature on the treated surface. The addition of Mo or Nb for alloying paste caused changes in melting conditions. Research limitations/implications: The obtained results confirmed that laser beam power used for laser alloying influenced the thickness and hardness of the produced layers. Moreover, the role of type of alloying material and its thermal properties on melting condition was confirmed. Practical implications: Laser alloying is the promising method which can be used in order to form very thick and hard layers on the surface of Ni-base alloys. The obtained microstructure, thickness and properties strongly dependent on laser processing parameters such as laser beam diameter, laser beam power, scanning rate as well as on the type of alloying material and its thickness, or type of substrate material. Originality/value: In this paper the influence of alloying material on temperature distribution, thickness and hardness of the laser-alloyed layers was in details analyzed.

2

Laser alloying of 316L steel with boron and nickel

Mikołajczak D., Kulka M., Makuch N., Dziarski P.

Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering

|

2017

|

Vol. 84, nr 1

32--40

EN

Purpose: The aim of the study was to improve the hardness and tribological properties of austenitic 316L steel by laser alloying with boron and nickel. Design/methodology/approach: The relatively low wear resistance of austenitic 316L steel could be improved by an adequate surface treatment. Laser alloying was developed as an alternative for time- and energy-consuming thermo-chemical treatment, e.g. diffusion boriding. In the present study, laser alloying of 316L steel with boron and nickel was carried out as the two-stage process. Firstly, the outer surface of the sample was coated with the paste, consisting of the mixture of boron and nickel powders, blended with a diluted polyvinyl alcohol solution. Second stage consisted in laser re-melting of the paste coating together with the base material. Laser treatment was carried out with the use of the TRUMPF TLF 2600 Turbo CO2 laser. The multiple laser tracks were formed on the surface. The microstructure was observed with the use of an optical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM) Tescan Vega 5135. The phase analysis was carried out by PANalytical EMPYREAN X-ray diffractometer using Cu Ka radiation. Hardness profile was determined along the axis of laser track. Wear resistance was studied using MBT-01 tester. Findings: The use of the adequate laser processing parameters (laser beam power, scanning rate, overlapping) caused that free of cracks and gas pores and the uniform laseralloyed layer in respect of the thickness was produced. In the microstructure, only two zones were observed: laser re-melted zone (MZ) and the substrate. There were no effects of heat treatment below MZ. Heat-affected zone (HAZ) was invisible because the austenitic steel could not be hardened by typical heat treatment (austenitizing and quenching). The produced laser-alloyed layer was characterized by improved hardness and wear resistance compared to the base material. Research limitations/implications: The application of proposed surface treatment in industry will require the appropriate corrosion resistance. In the future research, the corrosion behaviour of the produced layer should be examined and compared to the behaviour of 316L steel without surface layer. Practical implications: The proposed layer could be applied in order to improve the hardness and tribological properties of austenitic steels. Originality/value: This work is related to the new conception of surface treatment of austenitic steels, consisting in laser alloying with boron and some metallic elements.

3

Laser alloying of 316L steel with boron and Stellite-6

Mikołajczak D., Kulka M., Makuch N., Dziarski P.

Inżynieria Materiałowa

|

2017

|

Vol. 38, nr 6

259--265

EN

Austenitic 316L steel belongs to one of the most numerous groups of alloys with special properties. It is well-known for its most effective balance of carbon, chromium, nickel and molybdenum concentrations for corrosion resistance. However, under conditions of appreciable mechanical wear (adhesive or abrasive), this steel should be characterized by suitable wear protection. Diffusion boronizing and laser alloying with boron were often used in order to improve tribological properties of 316L steel. In this study, the method of laser alloying was modified in this way that alloying material contained the mixture of amorphous boron and Stellite-6 powders. The coated surface was remelted by the laser beam using TRUMPF TLF 2600 Turbo CO2 laser. After the laser alloying process, the composite surface layer was produced. Only two zones occurred in the laser-alloyed 316L steel: remelted zone and the substrate (base material). Heat-affected zone was invisible because the austenitic steel could not be hardened by typical heat treatment. The remelted zone consisted of hard ceramic phases (iron, chromium and nickel borides) in the soft austenitic matrix with the increased concentration of cobalt. Some properties of this layer were investigated and compared to the laser-alloyed layer with boron only. The produced layer was characterized by a compact microstructure which was free of cracks and gas pores. The layer was also uniform in respect of the thickness because of the high overlapping used during the laser treatment (86%). The obtained thickness was significantly higher than that obtained in case of diffusion boriding. In spite of the lower hardness of remelted zone, the increase in wear resistance of the proposed surface layer was observed in comparison with laser-alloyed 316L austenitic steel with boron only.

PL

Stal 316L jest powszechnie stosowanym materiałem odpornym na korozję i żaroodpornym. Te korzystne właściwości zawdzięcza jednofazowej, austenitycznej mikrostrukturze i odpowiedniej zawartości węgla, chromu, niklu i molibdenu. To sprawia, że materiał ten jest stosowany często tam, gdzie jest spodziewane agresywne środowisko lub wysoka temperatura. Celem pracy było przeprowadzenie stopowania laserowego stali 316L z zastosowaniem materiału stopującego w postaci mieszaniny amorficznego boru i proszku Stellite-6. Bor amorficzny miał prowadzić do wytworzenia w strefie przetopionej twardych borków żelaza, chromu i niklu, podstawowych pierwiastków występujących w stali 316L. Dodatek kobaltu, głównego składnika proszku Stellite-6, miał powodować ograniczenie udziału borków w mikrostrukturze i sprzyjać jego odporności korozyjnej. Spodziewano się znacznego zwiększenia twardości oraz odporności na zużycie przez tarcie wytworzonej warstwy powierzchniowej w porównaniu ze stalą 316L nie poddaną żadnej obróbce.

4

Corrosion resistance of laser-borided Inconel 600 alloy

Dziarski P., Kulka M., Makuch N., Mikołajczak D.

Inżynieria Materiałowa

|

2017

|

Vol. 38, nr 3

149--156

EN

Inconel 600 alloy is used extensively for a variety of industrial applications involving high temperature and aggressive environments. However, under conditions of appreciable mechanical wear (adhesive or abrasive), this material has to be characterized by suitable wear protection. The diffusion boronizing efficiently improved the tribological properties of this alloy. Nevertheless, the long duration of this process was necessary in order to obtain the layers of the thickness up to about 100 μm. In this study, instead of the diffusion process, the laser alloying with boron was used for producing a boride layer on Inconel 600 alloy. During this process, the external cylindrical surface of base material was coated by paste, including amorphous boron, and remelted by a laser beam. In the remelted zone, the three areas were observed: compact borides zone consisting of nickel and chromium borides (close to the surface), zone of increased percentage of Ni–Cr–Fe matrix (appearing in the greater distance from the surface) and zone of dominant percentage of Ni–Cr–Fe matrix (at the end of the layer). The hardness was comparable to that-obtained in case of diffusion boriding. Simultaneously, the laser-borided layer was significantly thicker. In order to evaluate the corrosion behaviour, the immersion corrosion test in a boiling solution of H2O, H2SO4 and Fe2(SO4)3 was used. As a consequence of selective laser alloying, the difference in electrochemical potentials between the layer and base material caused the accelerated corrosion of the substrate in areas without laser-borided layer. The results showed that laser-borided Inconel 600 alloy could be characterized by the excellent corrosion resistance in such corrosive solution if the whole surface would be covered with laser-alloyed layer.

PL

Celem pracy było wytworzenie warstwy borków na stopie niklu Inconel 600 z zastosowaniem laserowego stopowania borem oraz ocena odporności korozyjnej stopu z wytworzoną warstwą. Warstwa ta powinna charakteryzować się zwiększoną odpornością na zużycie mechaniczne (adhezyjne lub ścierne) oraz wykazywać znaczną odporność na działanie agresywnego środowiska. Borowanie dyfuzyjne skutecznie poprawia właściwości tribologiczne tego stopu, jednak do uzyskania warstwy o grubości ok. 100 μm dotychczas był potrzebny długi czas procesu. Zamiast tradycyjnego procesu dyfuzyjnego w pracy do wytworzenia warstwy borków na stopie Inconel 600 zastosowano nowoczesną, bardziej ekologiczną metodę laserowego stopowania borem.

5

Influence of gas boriding on corrosion resistance of Inconel 600-alloy

Dziarski P., Makuch N., Kulka M.

Archives of Materials Science and Engineering

|

2017

|

Vol. 84, nr 1

23--33

EN

Purpose: The aim of this study was to analyse the corrosion behaviour of gas-borided layers produced on Inconel 600-alloy. Two types of the borided layers were produced: fully borided and partially borided layer. The results obtained for gas-borided specimens were compared to untreated Inconel 600-alloy. Design/methodology/approach: In this paper, gas boriding in N2-H2-BCl3 atmosphere was applied to produce the boride layers on Inconel 600-alloy. This process was carried out at 910°C (1193 K) for 2 h. Microstructure observations were carried out using a light microscope. The hardness measurements were performed using a Vickers method under a load of 0.981 N. In order to evaluate the corrosion resistance, the immersion corrosion test in a boiling solution of H2O, H2SO4 and Fe2(SO4)3 was used. Findings: The gas-borided layers consisted of a mixture of nickel borides (Ni3B, Ni2B, Ni4B3, NiB) and chromium borides (CrB, Cr2B). The high thickness of compact boride layer (76-79 μm) as well as high hardness (up to 2061 HV) were obtained. Based on corrosion resistance tests it was found that in case of untreated sample the strong intergrannular attack was observed. Whereas the corrosion behavior ofgas-borided Inconel 600-alloy was more complicated and resulted from the surface condition. Research limitations/implications: The obtained results indicated that gas-boriding in N2-H2-BCl3 atmosphere could be a suitable corrosion protection if the whole surface would be covered with boride layer. Practical implications: The parameters of gas boriding in N2-H2-BCl3 atmosphere used in this study (temperature of 910°C for 2 h) allowed to produced layers of a higher thickness in comparison with other acceptable method of boriding e.g. powder-pack boriding. Originality/value: Based on the results it was found that gas-boriding in N2-H2-BCl3 atmosphere is a suitable method to protect Inconel 600-alloy from corrosion.

6

Fracture toughness of gas borided Nimonic 80A alloy

Makuch N., Kulka M., Dziarski P.

Inżynieria Materiałowa

|

2016

|

Vol. 37, nr 1

10--15

EN

Ni-based superalloys are often used in many industrial applications, for example in chemical, petrochemical, aeronautics, nuclear or space industries. These alloys are characterized by a unique combination of low thermal expansion coefficient, high temperature strength, high resistance to oxidation and high corrosion resistance. However, due to their low microhardness and sensitivity to abrasive, erosive and adhesive wear, their application is limited. The boriding process is the appropriate treatment, which will provide high hardness and high wear resistance of Ni-based alloys. Unfortunately, the use of boride layers is limited by their sensibility to cracking under mechanical stresses. Therefore, in this paper the microstructure, microhardness and fracture toughness of gas-borided layer produced on Nimonic 80A alloy were studied. Gas boriding in N2–H2–BCl3 atmosphere was proposed to produce the hard boride layer on Nimonic 80A alloy. This process was carried out at 920°C (1193 K) for 2 hours. The carrier gas consisted of 75 vol.% N2 and 25 vol.% H2. Proposed gas boriding accelerated the diffusion of boron into the surface in comparison with other acceptable diffusion methods. The comparable thickness of boride layer was obtained after considerably shorter duration.

PL

Stopy na bazie Ni są często stosowane w przemyśle ze względu na unikatowe połączenie właściwości: dużej żarowytrzymałości, dobrej odporności na utlenianie i korozję. Jednakże ze względu na ich małą twardość i wrażliwość na zużycie przez tarcie ich zastosowanie jest ograniczone. Proces borowania jest obróbką zapewniającą dużą twardość i odporność na zużycie stopów na bazie Ni. Niestety, zastosowanie warstw borowanych jest ograniczone z powodu ich wrażliwości na pękanie. Celem pracy było określenie odporności na kruche pękanie warstw borowanych gazowo wytworzonych na stopie Nimonic 80A. Ze względu na skład fazowy tych warstw (borki niklu i borki chromu) pomiary odporności na kruche pękanie przeprowadzono na prostopadłym przekroju warstwy, w różnych odległościach od powierzchni. Ponadto przeprowadzono badania mikrostruktury i wyznaczono profil mikrotwardości.

7

Laser-borided composite layer produced on austenitic 316L steel

Mikołajczak D., Kulka M., Makuch N., Dziarski P.

Archives of Mechanical Technology and Materials

|

2016

|

Vol. 36

35--39

EN

Austenitic 316L steel is well-known for its good resistance to corrosion and oxidation. Therefore, this material is often used wherever corrosive media or high temperatures are to be expected. The main drawback of this material is very low hardness and low resistance to mechanical wear. In this study, the laser boriding was used in order to improve the wear behavior of this material. As a consequence, a composite surface layer was produced. The microstructure of laser-borided steel was characterized by only two zones: re-melted zone and base material. In the re-melted zone, a composite microstructure, consisting of hard ceramic phases (borides) and a soft austenitic matrix, was observed. A significant increase in hardness and wear resistance of such a layer was obtained.

8

Low-cycle fatigue strength of borocarburized 15NiCr13 steel

Dziarski P., Makuch N., Kulka M., Mikołajczak D.

Inżynieria Materiałowa

|

2015

|

Vol. 36, nr 2

69--73

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.

9

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

Piasecki A., Kotkowiak M., Kulka M., Dziarski P.

Inżynieria Materiałowa

|

2015

|

Vol. 36, nr 6

459--463

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.

10

Gas boriding of Nimonic 80A alloy

Makuch N., Kulka M., Dziarski P.

Inżynieria Materiałowa

|

2015

|

Vol. 36, nr 3

124--128

EN

The excellent resistance of Ni-based alloys to corrosion and oxidation has led them being used wherever corrosive media or high temperature are to be expected. However, if Ni-based alloys have to be applied under conditions of appreciable mechanical wear (adhesive or abrasive), these materials require suitable wear protection. Gas boriding in N2–H2–BCl3 atmosphere was proposed to formation of boride layers on Nimonic 80A alloy. This process was carried out at 920°C (1193 K) for 3 hours. The carrier gas consisted of 75 vol. % N2 and 25 vol. % H2. The gases of high purity were used (nitrogen 6.0 and hydrogen 6.0). BCl3 addition was equal to about 1.3 vol. % in relation to the entire atmosphere used (N2–H2–BCl3). The microstructure and some properties of produced layer were studied. Proposed gas boriding accelerated the diffusion of boron into the surface in comparison with other acceptable diffusion methods. The comparable thickness of boride layer was obtained after considerably shorter duration. The significant improvement of hardness was observed as a consequence of gas boriding.

PL

Bardzo dobra odporność stopów niklu na korozję i utlenianie pozwala stosować je tam, gdzie występuje agresywne środowisko lub wysoka temperatura. Jednak stosowanie tych stopów w warunkach znacznego zużycia mechanicznego (adhezyjnego lub ściernego) wymaga odpowiedniego zabezpieczenia. Zaproponowano borowanie gazowe w atmosferze N2–H2–BCl3 do wytworzenia warstwy borków na stopie Nimonic 80A. Proces prowadzono w temperaturze 920°C (1193 K) przez 3 godziny. Gaz nośny zawierał 75% N2 i 25% H2. Stosowano gazy o dużej czystości (azot 6.0 i wodór 6.0). Dodatek BCl3 wynosił około 1,3% w odniesieniu do całej stosowanej atmosfery (N2–H2–BCl3). Podczas pierwszego etapu procesu do atmosfery N2–H2 dodawano BCl3. Badano mikrostrukturę i niektóre właściwości warstwy borowanej. Proponowane borowanie gazowe powodowało przyspieszenie dyfuzji boru do powierzchni w porównaniu z innymi metodami dyfuzyjnymi. Otrzymano porównywalną grubość warstwy borków po znacznie krótszym czasie trwania procesu. Mikroanaliza rentgenowska wykazała zwiększone stężenie boru w warstwie. Zaobserwowano znaczne zwiększenie twardości w wyniku gazowego borowania.

11

Laser alloying of 316L steel with boron

Kulka M., Mikołajczak D., Makuch N., Dziarski P.

Inżynieria Materiałowa

|

2014

|

Vol. 35, nr 6

512--515

EN

Austenitic 316L steel is known for its good resistance to corrosion and oxidation. Therefore, this material is often used wherever corrosive media or high temperature are to be expected. However, under conditions of appreciable mechanical wear (adhesive or abrasive), this steel have to characterize by suitable wear protection. The diffusion boronizing is the thermochemical treatment, which improves tribological properties of 316L steel. In this study, instead of diffusion process, the laser boriding was used in order to produce boride layer on this material. The external cylindrical surface of base material was coated by paste including amorphous boron. Then the surface was remelted by laser beam. TRUMPF TLF 2600 Turbo CO2 laser was used for laser alloying. The microstructure and properties of this layer were investigated. The continuous laser-borided layer was obtained at the surface. The layer was uniform in respect of the thickness because of the high overlapping used during the laser treatment (86%). The laser-borided layer was significantly thicker than that-obtained in case of diffusion boriding. The remelted zone was characterized by higher hardness in comparison with the base material. The significant increase in wear resistance of laser-borided layer was observed in comparison with 316L austenitic steel without the treatment.

PL

Stal austenityczna 316L jest znana z dużej odporności na korozję i utlenianie. Dlatego materiał ten jest stosowany często tam, gdzie spodziewane jest agresywne środowisko lub wysoka temperatura. Jednakże w warunkach znacznego zużycia mechanicznego (ściernego, czy adhezyjnego) materiał ten powinien charakteryzować się odpowiednią odpornością na zużycie. Borowanie dyfuzyjne jest obróbką cieplno-chemiczną, która poprawia właściwości tribologiczne stali 316L. W pracy zamiast procesu dyfuzyjnego zastosowano borowanie laserowe w celu wytworzenia warstwy borków na tej stali. Zewnętrzną, walcową powierzchnię próbek pokryto pastą zawierającą bor amorficzny. Następnie powierzchnię przetapiano wiązką laserową. Do laserowego stopowania stosowano laser CO2 TRUMPF TLF 2600 Turbo. Badano mikrostrukturę i właściwości wytworzonej warstwy. Przy powierzchni powstała ciągła warstwa borowana laserowo. Otrzymana warstwa była jednorodna pod względem grubości dzięki zastosowaniu zachodzenia na siebie ścieżek laserowych na poziomie 86%. Warstwa borowana laserowo była znacznie grubsza niż otrzymywane w przypadku borowania dyfuzyjnego. Strefa przetopiona charakteryzowała się znacznie większą twardością w porównaniu z materiałem podłoża. Zaobserwowano znaczny wzrost odporności na zużycie w porównaniu z austenityczną stalą 316L bez obróbki.

12

Wear resistance improvement of pure titanium by laser boriding

Dziarski P., Makuch N., Kulka M.

Inżynieria Materiałowa

|

2013

|

Vol. 34, nr 6

678--681

EN

Titanium and its alloys are known for their exceptional properties: very good strength-to-weight ratio (even at high temperature), high stiffness, low elastic modulus, excellent biocompatibility and corrosion resistance. The poor wear resistance, as an important disadvantage, causes the limited using of these alloys. The diffusion boronizing could be the thermochemical treatment, which improves tribological properties of titanium but the use of these methods is limited owing to relatively long processing times, and only a thin layer is produced. In this study, instead of diffusion-boriding, laser-boriding was proposed to formation of boride layers on commercially pure titanium. Two-step treatment was applied. At first, the surface of substrate material (titanium Grade 2) was coated by paste including amorphous boron. Then the surface was remelted by laser beam. Laser tracks were arranged on the cylindrical surface by CO2 laser as multiple tracks formed in the shape of helical line. The obtained microstructure consisted of the following zones: remelted zone, heat affected zone and the substrate. The remelted zone was characterized by uniform thickness and high hardness (1300÷2100 HV). The abrasive wear resistance of this layer was also investigated and was compared to that obtained in case of pure titanium without treatment. The significant improvement of wear behaviour was observed as a consequence of laser boriding. The laser-borided specimens caused the catastrophic wear of the counterspecimens. Probably, the separated particles of counter-specimen, especially WC and TiC, caused the accelerated wear of the laser-borided layer. In case of pure titanium, the considerable higher relative mass loss of the specimen was observed, and the wear of the counter-specimen was small.

PL

Tytan i jego stopy są znane z ich wyjątkowych właściwości: bardzo dobrej wytrzymałości względnej (nawet w wysokiej temperaturze), dużej sztywności, małego modułu sprężystości wzdłużnej, doskonałej biokompatybilności i odporności na korozję. Dość mała odporność na zużycie, jako istotna wada, powoduje ograniczone stosowanie tych stopów. Borowanie dyfuzyjne mogłoby być obróbką cieplno-chemiczną, która poprawia właściwości tribologiczne tytanu, ale jego stosowanie ogranicza długi czas procesów, w następstwie których otrzymuje się jedynie cienką warstwę borowaną. W prezentowanej pracy zamiast borowania dyfuzyjnego do wytwarzania warstw borkowych na technicznie czystym tytanie zaproponowano borowanie laserowe. Zastosowano obróbkę dwustopniową. Najpierw powierzchnia materiału podłoża (tytan Grade 2) została pokryta pastą zawierającą bor amorficzny. Następnie powierzchnię przetapiano wiązką laserową. Ścieżki laserowe wytwarzano na powierzchni walcowej próbki za pomocą lasera CO2 jako ścieżki wielokrotne po linii śrubowej. Otrzymana mikrostruktura składała się z następujących stref: strefa przetopiona, strefa wpływu ciepła i podłoże. Strefa przetopiona charakteryzowała się jednolitą grubością i dużą twardością (1300÷2100 HV). Zbadano odporność na ścieranie warstw borowanych laserowo i porównano ją do odporności czystego tytanu. Zaobserwowano znaczną poprawę odporności na zużycie w efekcie borowania laserowego. Laserowo borowane próbki powodowały katastroficzne zużycie przeciwpróbki. Prawdopodobnie oddzielone cząstki przeciwpróbki, zwłaszcza węgliki WC i TiC, powodowały przyspieszone zużycie warstw borowanych laserowo. W przypadku czystego tytanu zaobserwowano znacznie większy względny ubytek masy próbki, a zużycie przeciwpróbki było niewielkie.

13

Laser-borided layer formed on Inconel 600 alloy

Kulka M., Makuch N., Dziarski P., Przestacki D.

Inżynieria Materiałowa

|

2013

|

Vol. 34, nr 6

733--736

EN

Nickel and its alloys are known for their excellent resistance to corrosion and oxidation. Therefore, these materials are often used wherever corrosive media or high temperature are to be expected. However, under conditions of appreciable mechanical wear (adhesive or abrasive), these materials have to characterize by suitable wear protection. The diffusion boronizing is the thermochemical treatment, which improves tribological properties of nickel and its alloys. In this study, instead of diffusion process, the laser boriding was used in order to produce boride layer on Inconel 600 alloy. The external cylindrical surface of base material was coated by paste including amorphous boron. Then the surface was remelted by laser beam. TRUMPF TLF 2600 Turbo CO2 laser was used for laser alloying. The microstructure and properties of this layer were investigated. The continuous laser-borided layer was obtained at the surface. The layer was uniform in respect of the thickness. Laser remelted zone, heat affected zone and the substrate characterized the microstructure. The laser-borided layers were significantly thicker (350÷470 μm depending on the laser power used) than those obtained in case of diffusion boriding. The remelted zone was characterized by hardness of about 1100÷1900 HV. The significant increase in abrasive wear resistance of laser-borided layers was observed in comparison with pure Inconel 600 alloy.

PL

Nikiel i jego stopy są znane z bardzo dobrej odporności na korozję i utlenianie. Dlatego materiały te są stosowane często tam, gdzie spodziewane jest agresywne środowisko lub wysoka temperatura. Jednakże w warunkach znacznego zużycia mechanicznego (ściernego czy adhezyjnego) materiały te muszą się charakteryzować odpowiednią odpornością na zużycie. Borowanie dyfuzyjne jest obróbką cieplno-chemiczną, która poprawia właściwości tribologiczne niklu i jego stopów. W prezentowanej pracy zamiast procesu dyfuzyjnego zastosowano borowanie laserowe w celu wytworzenia warstwy borków na stopie Inconel 600. Zewnętrzną, walcową powierzchnię próbek pokryto pastą zawierającą bor amorficzny. Następnie powierzchnię przetapiano wiązką laserową. Do laserowego stopowania stosowano laser CO2 TRUMPF TLF 2600 Turbo. Badano mikrostrukturę i właściwości wytworzonej warstwy. Przy powierzchni powstała ciągła warstwa borowana laserowo. Otrzymana warstwa była jednorodna pod względem grubości. Mikrostruktura składała się ze strefy przetopionej laserowo, strefy wpływu ciepła oraz podłoża. Warstwy borowane laserowo były znacznie grubsze (350÷470 μm, zależnie od mocy wiązki laserowej) niż otrzymywane w przypadku borowania dyfuzyjnego. Strefa przetopiona charakteryzowała się twardością 1100÷1900 HV. Stwierdzono znaczne zwiększenie odporności na ścieranie warstwy borowanej laserowo w porównaniu z czystym stopem Inconel 600.

14

Gas boriding of Inconel 600 alloy

Makuch N., Kulka M., Dziarski P.

Inżynieria Materiałowa

|

2013

|

Vol. 34, nr 6

745--748

EN

The excellent resistance of Ni-based alloys to corrosion and oxidation has led them being used wherever corrosive media or high temperature are to be expected. However, if Ni-based alloys have to be applied under conditions of appreciable mechanical wear (adhesive or abrasive), these materials require suitable wear protection. Gas boriding in N2-H2-BCl3 atmosphere was proposed to formation of boride layers on Inconel 600 alloy. The process consisted in two stages, which were alternately repeated: saturation by boron and diffusion annealing. During first step BCl3 was added to N2-H2 atmosphere. Second step consisted in diffusion annealing while an addition of BCl3 was switched off. The process proved to be more economical in BCl3 consumption. The microstructure and some properties of produced layer were studied. Proposed gas boriding accelerated the diffusion of boron into the surface in comparison with other acceptable diffusion methods. The comparable thickness of boride layer was obtained after considerably shorter duration. X-ray microanalysis indicated the increased boron concentration in the layer. The occurrence of nickel borides (Ni2B, Ni3B and Ni4B3) as well as chromium or iron borides was expected in the boride layer. The significant improvement of hardness (up to 1400÷2200 HV) and abrasive wear resistance was observed as a consequence of gas boriding.

PL

Bardzo dobra odporność stopów niklu na korozję i utlenianie pozwala stosować je wszędzie tam, gdzie jest spodziewane agresywne środowisko lub wysoka temperatura. Jednak stosowanie tych stopów w warunkach znacznego zużycia mechanicznego (adhezyjnego lub ściernego) wymaga odpowiedniego zabezpieczenia. Borowanie gazowe w atmosferze N2-H2-BCl3 zaproponowano do wytwarzania warstwy borków na stopie Inconel 600. Proces składał się z dwóch etapów powtarzanych na przemian: nasycania borem i wyżarzania dyfuzyjnego. Podczas pierwszego etapu do atmosfery N2-H2 dodawano BCl3. Drugi etap polegał na wyżarzaniu, podczas którego dodawanie BCl3 wstrzymywano. Proces był bardziej ekonomiczny ze względu na ilość zużywanego BCl3. Badano mikrostrukturę i niektóre właściwości warstwy borowanej. Proponowane borowanie gazowe powodowało przyspieszenie dyfuzji boru do powierzchni w porównaniu z innymi metodami dyfuzyjnymi. Otrzymano porównywalną grubość warstwy borków po znacznie krótszym czasie trwania procesu. Mikroanaliza rentgenowska wskazała na zwiększone stężenie boru w warstwie. Prawdopodobnie w warstwie występują borki niklu (Ni2B, Ni3B i Ni4B3), jak również borki chromu lub żelaza. Zaobserwowano znaczne zwiększenie twardości (do 1400÷2200 HV) i odporności na ścieranie w wyniku gazowego borowania.