Wpływ stanu strukturalnego na skutki obróbki laserowej stali o różnym składzie chemicznym. Część I: Stale węglowe

Obróbka Plastyczna Metali vol. XXIX nr 2 (2018), s. 127 138 Metal Forming vol. XXIX no. 2 (2018), pp. 127 138 Inżynieria materiałowa w obróbce plastycznej Material engineering in metal forming Oryginalny artykuł naukowy Original Scientific Article Wpływ stanu strukturalnego na skutki obróbki laserowej stali o różnym składzie chemicznym. Część I: Stale węglowe Influence of structural state on the effects of laser treatment of steel with different chemical compositions. Part I: Carbon steels Leopold Berkowski* Instytut Obróbki Plastycznej, ul. Jana Pawła II 14, 61-139 Poznań, Poland Informacje o artykule Zgłoszenie: 19.02.2018 Recenzja: 20.03.2018 Akceptacja: 20.06.2018 Article info Received: 19.02.2018 Reviewed: 20.03.2018 Accepted: 20.06.2018 Streszczenie Obróbka laserowa, zwłaszcza hartowanie laserowe, wykorzystuje dużą energię promieniowania laserowego do grzania niewielkich powierzchni obrabianego materiału oraz jego przewodność cieplną, celem uzyskania szybkiego ochłodzenia podgrzanego obszaru. Specyficzne warunki i efekty stosowania obróbki sprawiają, że technologia stała się w wielu przypadkach bardzo atrakcyjna. W niniejszym opracowaniu podjęto próbę oceny wpływu stanu strukturalnego stali, związanego ze składem chemicznym, na skutki obróbki laserowej. W pierwszej części oceniono stale węglowe w różnej zawartości węgla i obrabianych w miarę ustalonych warunkach; badania przeprowadzono na jednym urządzeniu (laser technologiczny CO 2 firmy TRUMPF), przy zmieniającej się prędkości przesuwania się wiązki światła lasera 16, 24, 32 i 64 mm/s. Metodą pomiaru twardości HV0,1 wyznaczono parametry warstwy (głębokość i szerokość na głębokości 0,3 mm), przeprowadzono obserwację struktury stali E04j, 15, 35, 45, 55, N7E i N8E z pomocą mikroskopu świetlnego. Spodziewano się określić wpływ zawartości węgla w stali oraz wpływ intensywności grzania wiązką światła lasera na strukturę i właściwości warstwy zahartowanej z przetopieniem stali węglowej, także po tradycyjnym odpuszczaniu. Badania wykazały, że wzrost zawartości węgla w stalach węglowych w przedziale 0,04 0,70% C (stale E04J, 15, 35, 55 i N7E) powoduje wzrost twardości po hartowaniu laserowym odpowiednio od 314 HV0,1 do 1054 HV0,1 (po odpuszczaniu twardość została proporcjonalnie obniżona), lecz nie wpływa istotnie na tzw. parametry warstwy (głębokość i szerokość na głębokości 0,03 mm). Wpływa natomiast na jej kształt: stosunek głębokości do szerokości warstwy, który dla stali E04J, 45 i N8E wynosił odpowiednio 1,16; 0,97 i 0,69. Zawartość węgla wpłynęła również na charakter nieciągłości, w strefie zahartowanej po przetopieniu; w stalach o mniejszej zawartości C pojawiły się pęcherze, o większej szczeliny. Badania wykazały ponadto, że zwiększenie prędkości przemieszczania się wiązki światła lasera powoduje zmniejszenie głębokości zahartowanej warstwy. Słowa kluczowe: stal węglowa, obróbka laserowa, obróbka cieplna, mikrostruktura, parametry procesu Abstract Laser treatment, particularly laser hardening, utilizes the high energy of laser radiation to heat small surfaces of the treated material as well as the material s thermal conductivity in order to achieve rapid cooling of the heated area. Specific conditions and effects of applying such treatment have made this technology attractive in many cases. This paper undertakes to assess the influence of the structural state of steel related to chemical composition on the effects of laser treatment. The first part contains an assessment of carbon steel with varying carbon content, treated under relatively stable conditions; tests were performed on one machine (technological CO 2 laser from TRUMPF), at a changing laser beam travel speed 16, 24, 32 and 64 mm/s. The method of HV0.1 hardness mea- * Autor do korespondencji. Tel.: +48 61 657 05 55; fax: +48 61 657 07 21; e-mail: inop@inop.poznan.pl * Corresponding author. Tel.: +48 61 657 05 55; fax: +48 61 657 07 21; e-mail: inop@inop.poznan.pl

128 Wpływ stanu strukturalnego na skutki obróbki laserowej stali... surement was used to determine the layer s parameters (depth and width at 0.3 mm depth), and observations of the structure of E04J, 15, 35, 45, 55, N7E and N8E steels were conducted under a light microscope. It was expected to determine the influence of carbon content in steel and the influence of laser beam heating intensity on the structure and properties of the layer hardened with melting of carbon steel, including after traditional tempering. Tests showed that increasing carbon content in carbon steels within the range of 0.04 0.70% C (E04J, 15, 35, 55 and N7E steels) increases hardness after laser hardening respectively by 314 HV0.1 to 1054 HV0.1 (after tempering, hardness was reduced proportionally), however it does not have a significant impact on the so-called layer parameters (depth and width at 0.03 mm depth). It does, however, affect its shape; the layer s depth to width ratio was, respectively for E04J, 45 and N8E steels 1.16; 0.97 and 0.69. Carbon content also affected the nature of discontinuities in the hardened zone after melting; bubbles appeared in steels with lower C content, and crevices in steels with higher C content. Tests also revealed that increasing laser beam travel speed reduces the depth of the hardened layer. Keywords: carbon steel, laser treatment, heat treatment, microstructure, process parameters 1. WPROWADZENIE Laserowa obróbka cieplna obejmuje zabiegi wykonywane za pomocą wiązki promieniowania laserowego jako źródła ciepła, celem lokalnej zmiany struktury i właściwości materiału. W porównaniu do obróbki cieplnej tradycyjnej (np. hartowanie z grzaniem w piecach oporowych lub indukcyjnie) w obróbce laserowej wykorzystane jest szybkie grzanie cienkiej warstwy do temperatury austenityzowania i intensywne chłodzenie, z wykorzystaniem przewodności cieplnej hartowanego materiału. Skutkiem tego odmienny jest przebieg mechanizmów umocnienia i przemian fazowych. W obróbce laserowej stali wyróżnia się [1, 2]: obróbkę cieplną laserową w stanie stałym, obróbkę laserową z przetopieniem warstwy wierzchniej materiału. W pierwszym przypadku następuje nagrzewanie do temperatury poniżej solidusu i chłodzenia (z chwilą przerwania dostarczania energii), skutkiem odprowadzania ciepła do nienagrzanej części materiału. Duże szybkości laserowego nagrzewania wpływają na kinetykę zmian, powodując powstanie gradientu temperatury i wzrost naprężeń własnych, a ponadto na zdeformowanie struktury i rozdrobnienie ziaren. Korzystne zmiany strukturalne powodują polepszenie właściwości warstwy wierzchniej wyrobu, zwłaszcza jego cech użytkowych. 1. INTRODUCTION Laser heat treatment covers treatments performed by using a beam of laser radiation as a heat source in order to cause a local change in the material s structure and properties. Compared to traditional heat treatment (e.g. hardening with heating in resistance furnaces or by induction), laser treatment utilizes rapid heating of a thin layer up to austenitization temperature and intensive cooling thanks to the hardened material s thermal conductivity. A divergent evolution of hardening mechanisms and phase transformations is a consequence of this. The following are distinguished in laser treatment of steel [1, 2]: laser heat treatment in solid state, laser treatment with melting of material s surface layer. In the first case, the material is heated to a temperature below the solidus line and cooled (with a break in energy supply) by carrying off the heat to the unheated part of the material. The high rates of laser heating affect the kinetics of changes, causing a temperature gradient to form and internal stresses to increase, as well as deforming the structure and refining grains. Beneficial structural changes improve the properties of the product s surface layer, particularly its functional features. Berkowski Leopold. 2018. Wpływ stanu strukturalnego na skutki obróbki laserowej stali o różnym składzie chemicznym. Część I: Stale węglowe. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (2): 127 138.

Influence of structural state on the effects of laser treatment of steel... 129 Obróbkę laserową z przetopieniem warstwy wierzchniej prowadzi się celem polepszenia właściwości użytkowych materiału, np. odporności na korozję lub zużycie ścierne. Podczas przetapiania następuje również mieszanie materiału skutkiem ruchów konwekcyjnych, wywołanych dużym gradientem temperatury pomiędzy cieczą a materiałem jeszcze nieprzetopionym. Kierunkowe odprowadzenie ciepła podczas krzepnięcia powoduje powstanie struktury złożonej z drobnych kryształów kolumnowych lub dendrytów. Podobne zmiany strukturalne można uzyskać podczas stopowania laserowego: stapianie warstwy wierzchniej stali z dodatkami stopowymi, np. doprowadzonymi w postaci proszku. W Instytucie Obróbki Plastycznej wspólnie z Instytutem Fraunhofera (Fraunhofer Institut für Productionstechnologie ITP, Aachen) przeprowadzono ocenę skutków stopowania stali narzędziowej do obróbki plastycznej na gorąco WCL [3, 4]. Przy zastosowaniu wielu mieszanek węglikowych uzyskano warstwy wierzchnie odporne na zużycie ścierne, o składzie chemicznym zbliżonym do składu chemicznego stali szybkotnącej. Mniej popularne, choć możliwe, jest wyżarzanie lub odpuszczanie laserowe [2]. Wyżarzanie laserowe stosuje się do precyzyjnej obróbki elementów drobnych, także z materiałów półprzewodnikowych. W takich przypadkach szybkość chłodzenia winna być mniejsza od krytycznej. Natomiast odpuszczanie polega na nagrzaniu stali poniżej temperatury eutektoidalnej celem poprawy odporności na pękanie, kosztem zmniejszenia twardości. Obróbka laserowa stali węglowych pozwala na otrzymanie właściwości porównywalnych do właściwości stali stopowych. Podgrzewanie laserowe twardych materiałów tuż przed zabiegami kształtującymi (np. przed skrawaniem) umożliwia obróbkę ubytkową nawet węglików spiekanych i materiałów ceramicznych [5, 6]. W ramach prac realizowanych w Instytucie Obróbki Plastycznej i Instytucie Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych Politechniki Poznańskiej przeprowadzono badania przyczynkowe, opisane w trzech częściach niniejszej pracy, obejmujących: obróbkę laserową stali węglowych, Laser treatment with melting of the surface layer is performed in order to improve the material s functional properties, e.g. corrosion resistance or resistance to abrasive wear. During melting, the material is also mixed by convection induced by the high temperature gradient between the liquid and still unmelted material. Directional heat removal during solidification results in the formation of a structure consisting of fine column crystals or dendrites. Similar structural changes can be achieved during laser alloying; melting of the surface layer of steel with alloying ingredients, e.g. introduced in the form of powder. At the Metal Forming Institute, together with the Fraunhofer Institute (Fraunhofer Institut für Productionstechnologie ITP, Aachen), the effects of alloying WCL hot-work tool steel were assessed [3, 4]. Surface layers resistant to abrasive wear and with a chemical composition similar to the chemical composition of high-speed steel were obtained with the application of many carbide mixtures. Laser annealing or tempering are less popular, but possible [2]. Laser annealing is applied for precision treatment of small parts, including those made from semi-conductor materials. In such cases, the cooling rate should be lower than critical. Meanwhile, tempering is based on heating steel below eutectoid temperature in order to improve resistance to cracking at the expense of hardness. Laser treatment of carbon steels makes it possible to obtain properties comparable to the properties of alloy steels. Laser heating of hard materials just before forming operations (e.g. before machining) enables removal machining of even sintered carbides and ceramic materials [5, 6]. As part of work performed at the Metal Forming Institute and the Institute of Machinery and Motor Vehicles of the Poznań University of Science and Technology, contributing studies were conducted, described in the three parts of this paper, covering: laser treatment of carbon steels, Berkowski Leopold. 2018. Influence of structural state on the effects of laser treatment of steel with different chemical compositions. Part I: Carbon steels. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (2): 127 138.

130 Wpływ stanu strukturalnego na skutki obróbki laserowej stali... obróbkę laserową stali konstrukcyjnych stopowych, obróbkę laserową stali narzędziowych stopowych, także ze stopowaniem. laser treatment of constructional alloy steels, laser treatment of alloy tool steels, including by alloying. 2. WPŁYW WARUNKÓW PROMIENIOWA- NIA NA SKUTKI OBRÓBKI LASEROWEJ STALI O RÓŻNEJ ZAWARTOŚCI WĘGLA W niniejszej części pracy przeprowadzono ocenę wpływu zawartości węgla na skutki obróbki laserowej stali węglowej. Do badań wybrano siedem gatunków stali o różnej zawartości węgla. Próbki z tych stali naświetlane były za pomocą lasera przy różnych prędkościach przemieszczania się wiązki. Badania miały dać odpowiedź na następujące pytania: czy i jak wpływa zawartość węgla na właściwości stali po obróbce laserowej; jaki jest wpływ czasu naświetlania laserowego (prędkości przemieszczania się wiązki światła lasera) na właściwości obrobionego fragmentu stali. 2.1. Materiał badany, warunki obróbki i sposób prowadzenia badań Badania prowadzono w dwóch seriach: w pierwszej badano stale węglowe EO4J, 45 i N8E [7], w drugiej stale E04J, 15, 35, 55 i N7E [8]. Oceniano materiał w stanie wyżarzonym hutniczo i po zahartowaniu laserowym, w drugiej serii także po odpuszczaniu Obróbkę laserową przeprowadzono za pomocą lasera technologicznego firmy TRUMPF w Laboratorium Techniki Laserowej Politechniki Poznańskiej, stosując moc i szerokość wiązki laserowej, odpowiednio 1300 W i 1 mm, oraz cztery prędkości przesuwu tej wiązki: 16, 24, 32 i 64 mm/s. Skutki obróbki laserowej oceniano metodą pomiaru twardości HV0,1, mierząc szerokość i głębokość ścieżki stref grzania laserowego; szerokość na głębokości 0,03 mm od powierzchni. Ponadto prowadzono obserwacje tych warstw za pomocą mikroskopu świetlnego. 2. INFLUENCE OF RADIATION CONDITIONS ON THE EFFECTS OF LASER TREATMENT OF STEELS WITH VARIOUS CARBON CONTENT This part of the paper gives an assessment of the influence of carbon content on the effects of laser treatment of carbon steel. Seven grades of steel with different carbon contents were selected for tests. Specimens made of these steels were illuminated by the laser at different beam speeds. Tests were to provide an answer to the following questions: does carbon content affect the properties of steel after laser treatment and how; what is the influence of laser illumination time (travel speed of the laser beam) on the properties of the treated area of steel. 2.1. Tested material, treatment conditions and testing method Tests were conducted in two series; in the first, EO4J, 45 and N8E carbon steels were tested [7], and in the second E04J, 15, 35, 55 and N7E steels [8]. The material was also assessed in millannealed state and after laser hardening, and also after tempering in the second series. Laser treatment was performed by means of a technological laser from TRUMPF at the Laser Technology Laboratory of Poznań University of Science and Technology, using laser beam power and width of, respectively, 1300 W and 1 mm, as well as four beam travel speeds: 16, 24, 32 and 64 mm/s. The effects of laser treatment were assessed using the HV0.1 hardness measurement method by measuring width and depth on the path of laser heating zones; width at a depth of 0.03 mm from the surface. Furthermore, these layers were observed under a light microscope. Berkowski Leopold. 2018. Wpływ stanu strukturalnego na skutki obróbki laserowej stali o różnym składzie chemicznym. Część I: Stale węglowe. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (2): 127 138.

Influence of structural state on the effects of laser treatment of steel... 131 2.2. Wyniki badań 2.2.1. Stale E04J, 45 i N8E Oceniono skutki obróbki laserowej stali węglowych w stanie wyżarzonym o różnej zawartości węgla (w przybliżeniu 0,04%, 0,45% i 0,8% C) [7]. Badania wykazały, że w tym przypadku wzrost zawartości węgla nie spowodował proporcjonalnego wzrostu twardości, jak to miało miejsce w materiale wyjściowym (rys. 1). Mniejsza twardość zahartowanej stali N8E, w porównaniu ze stalą 45, spowodowana była prawdopodobnie pojawieniem się austenitu szczątkowego. 2.2. Test results 2.2.1. E04J, 45 and N8E steels The effects of laser treatment of carbon steels in annealed state with different carbon contents (in approximation 0.04%, 0.45% and 0.8 % C) were assessed [7]. Investigations showed that, in this case, an increase in carbon content did not cause a proportional increase in hardness, as was the case in the starting material Fig. 1. The lower hardness of hardened N8E steel, in comparison to 45 steel, was probably due to the appearance of retained austenite. Twardość, HV0,1 / Hardness, HV0.1 Rys. 1. Twardość stali (o wzrastającej zawartości C) w stanie wyżarzonym i po dodatkowej obróbce laserowej z prędkością przemieszczania wiązki 32 mm/s: W stan wyżarzony, L po obróbce laserowej Fig. 1. Hardness of steel (with increasing C content) in annealed state and after additional laser treatment at beam travel rate 32 mm/s: W annealed state, L after laser treatment Metodą pomiaru twardości wyznaczono parametry warstwy wierzchniej po obróbce laserowej: głębokość (G) i szerokość (S) zahartowanej warstwy. Na rys. 2 pokazano (przykład) zmianę twardości w głąb warstwy wierzchniej materiału G (rys. 2a) i na szerokości ścieżki, w odległości 0,3 0,5 mm od powierzchni S (rys. 2b) stali E04J, po obróbce laserowej z prędkością przemieszczania się wiązki 24 mm/s. Podobnie, lecz przy różnych prędkościach, wyznaczono wartości parametrów G i S, pozostałych badanych materiałów. Badania wykazały, że węgiel, do zawartości węgla do 0,45%, powoduje na ogół wzrost ww. parametrów, a ich zmniejszenie powyżej tej wartości (N8E) podobnie jak w przypadku twardości może być powodowane zmianą właściwości materiału lub zmianą warunków grzania. The parameters of the surface layers after laser treatment as well as the depth (G) and width (S) of the hardened layer were determined by hardness measurement. Fig. 2 shows (an example of) the change in hardness across the depth of the material s surface layer G (Fig. 2a) and across the width of the path, at a distance of 0.3 0.5 mm from the surface S (Fig. 2b), of E04J steel after laser treatment at beam travel speed 24 mm/s. The values of the G and S parameters of other tested materials were determined similarly, but at different speeds. Tests showed that, up to a carbon content of 0.45%, carbon generally causes the aforementioned parameters to rise, and their reduction above this carbon content value (N8E) similarly as in the case of hardness may be due to change of the material s properties or change of heating conditions. Berkowski Leopold. 2018. Influence of structural state on the effects of laser treatment of steel with different chemical compositions. Part I: Carbon steels. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (2): 127 138.

132 Wpływ stanu strukturalnego na skutki obróbki laserowej stali... Twardość, HV0,1 / Hardness, HV0.1 Twardość, HV0,1 / Hardness, HV0.1 Odległość od powierzchni, mm / Distance from surface, mm Szerokość ścieżki, mm / Path width, mm a) b) Rys. 2. Wymiary warstwy zahartowanej stali E04J: a) twardość w odległość od powierzchni, b) twardość na szerokości warstwy, na głębokości 0,03 mm; prędkość przemieszczania się wiązki światła lasera 24 mm/s Fig. 2. Dimensions of hardened layer of E04J steel: a) hardness at distance from surface, b) hardness over width of layer, at a depth of 0.03 mm; laser beam travel speed 24 mm/s Głębokość strefy zahartowanej, mm Depth of hardened zone, mm Prędkość przemieszczania się wiązki, mm/s / Beam travel speed, mm/s Rys. 3. Wpływ prędkości przemieszczania się wiązki światła lasera na głębokość warstwy zahartowanej stali E04J, 45 i N8E Fig. 3. Influence of laser beam travel speed on depth of hardened layer of E04J, 45 and N8 steel Na rys. 3 przedstawiono wpływ prędkości przemieszczania się wiązki światła laserowego na głębokość zahartowanej warstwy badanych stali. Wynika z niego, że zwiększenie tej prędkości i wzrost zawartości węgla powodują zmniejszenie głębokości warstwy zahartowanej stali: najgłębiej hartowała się stal 45. Zmienia się również szerokość zahartowanej warstwy oraz stosunek głębokości do szerokości warstwy mierzonej na głębokości 0,03 mm: średnia wartość tego stosunku dla stali E04J, 45 i N8E wynosi odpowiednio 1,16, 0,97 i 0,69. Fig. 3 presents the influence of laser beam travel speed on the depth of the hardened layer of the tested steels. It shows that increasing this speed and increasing carbon content reduce the depth of the hardened layer of steel: 45 steel had the deepest hardening. The width of the hardened layer and layer depth to width ratio measured at a depth of 0.03 mm also change; the mean values of this ratio for E04J, 45 and N8E steels are, respectively 1.16, 0.97 and 0.69. Berkowski Leopold. 2018. Wpływ stanu strukturalnego na skutki obróbki laserowej stali o różnym składzie chemicznym. Część I: Stale węglowe. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (2): 127 138.

Influence of structural state on the effects of laser treatment of steel... 133 a) b) c) Rys. 4. Struktura warstwy wierzchniej po obróbce laserowej stali: a) E04J, b) 45, c) N8E; prędkość przemieszczania się wiązki światła lasera 32 mm/s, pow. 100 x Fig. 4. Structure of surface layer after laser treatment of steel: a) E04J, b) 45, c) N8E; laser beam travel speed 32 mm/s, mag. 100 x Rys. 4 przestawia strukturę warstwy zahartowanej laserowo stali E04J, 45 i N8E z widocznymi strefami przetopienia i ulegającej przemianie w stanie stałym. W stali E04J (rys. 4a) widoczna jest ciemna strefa przetopiona przed ochłodzeniem, otoczona obszarem nieprzetopionym, w którym widoczne są mocniej trawiące się nieliczne ziarna zahartowane jako skutek różnej zawartości węgla. W strefie przetopionej zaobserwowano także pęcherz powstały prawdopodobnie w wyniku skurczu warstwy i pozostałych w niej gazów. W pozostałych warstwach stali E04J takich nieciągłości nie zaobserwowano. W przypadku stali 45 (rys. 4b) w przetopionej i zahartowanej części warstwy widać również niewielką nieciągłość, w dolnej jej części. W obszarze otaczającym część przetopioną struktura zawiera ziarna martenzytu na tle ferrytycznej osnowy. Widać ponadto, że ziarna w tej strefie zachowały wielkość jaką miały przed obróbką laserową. W zahartowanej laserowo stali N8E (rys. 4c) warstwy przejściowej nie zaobserwowano, zmienił się natomiast jej kształt (stosunek grubości do szerokości warstwy). Fig. 4 presents the structure of the laserhardened layer of E04J, 45 and N8E steel, with visible melting zones and zones undergoing transformation in solid state. A dark zone melted prior to cooling is visible in E04J steel (Fig. 4a), surrounded by an unmelted area in which sparse hardened grains are visible, which undergo greater etching, as a result of differing carbon content. A bubble was also observed in the melted zone, probably formed as a result of contraction of the layer and the gases remaining therein. No such discontinuities were observed in the other layers of E04J steel. In the case of 45 steel (Fig. 4b), a small discontinuity is also found in the lower part of the melted and hardened zone of the layer. In the area surrounding the melted part, the structure contains martensite grains in a ferritic matrix. It can also be seen that grains in this zone maintained the size that they had before laser treatment. In laser-hardened N8E steel (Fig. 4c), no transitional layer was observed, however its shape (layer thickness to width ratio) changed. Berkowski Leopold. 2018. Influence of structural state on the effects of laser treatment of steel with different chemical compositions. Part I: Carbon steels. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (2): 127 138.

134 Wpływ stanu strukturalnego na skutki obróbki laserowej stali... a) b) c) Rys. 5. Struktura przetopionego laserowo i zahartowanego obszaru warstwy stali: a) E04J, b) 45, c) N8E; prędkość przemieszczania się wiązki światła lasera 16 mm/s, pow. 500 x Fig. 5. Structure of laser-melted and hardened area of steel layer: a) - E04J, b) 45, c) N8E; laser beam travel speed 16 mm/s, mag. 500 x Na rys. 5 pokazano struktury przetopionego i zahartowanego obszaru warstwy badanych stali. Na mikrofotografiach zgładów trawionych w jednakowych warunkach widać wyraźne różnice struktur po zahartowaniu stali o różnej zawartości węgla. W stali E04J (rys. 5a) o zawartości około 0,04% C widoczne są obszary niskowęglowego martenzytu. W stali 45 (rys. 5b) martenzyt występuje w całym obszarze, a w stali N8E (rys. 5c) warstwa zahartowana nie ulegała trawieniu. Można przypuszczać, że struktura stali N8E, w przetopionym i zahartowanym obszarze warstwy, zawiera martenzyt z dużą ilością austenitu szczątkowego. Na mikrofotografii zauważyć można ponadto słabo zarysowaną strukturę dendrytyczną. 2.2.2. Stale E04J, 15, 35, 55 i N7E W drugiej serii badań oceniono skutki obróbki laserowej stali węglowych o zawartości (w przybliżeniu): 0,04%, 0,15%, 0,35%, 0,55% i 0,70% C. Stale hartowano według warunków jak poprzednio, lecz w tym przypadku po zahartowaniu laserowym zastosowano dodatkowo Fig. 5 shows the structures of the melted and hardened area of the layer of the tested steels. Microphotographs of specimens etched under identical conditions reveal clear differences in structure after hardening of steels with different carbon content. Areas of low-carbon martensite are visible in E04J steel (Fig. 5a), which has a carbon content of approx. 0.04 % C. In 45 steel (Fig. 5b), martensite is present throughout the entire area, and in N8E steel (Fig. 5c), the hardened layer did not undergo etching. It can be presumed that the structure of N8E steel in the melted and hardened area of the layer contains martensite with a large amount of retained austenite. Furthermore, a weak outline of the dendritic structure can be observed on the microphotograph. 2.2.2. E04J, 15, 35, 55 and N7E steels In the second series of tests, the effects of laser treatment of carbon steels with the following (approximate) contents were assessed: 0.04%, 0.15%, 0.35%, 0.55% and 0.70% C. Steels were hardened under the same conditions as before, but in this case after laser hardening traditional temper- Berkowski Leopold. 2018. Wpływ stanu strukturalnego na skutki obróbki laserowej stali o różnym składzie chemicznym. Część I: Stale węglowe. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (2): 127 138.

Influence of structural state on the effects of laser treatment of steel... 135 tradycyjne odpuszczanie próbek w temperaturze 450 o C w ciągu jednej godziny. Badania wykazały (rys. 6), że średnia twardość zahartowanej warstwy stali E04J, 15, 35, 55 i N7E wzrasta w całym przedziale zawartości węgla 0,04 0,70% od 314 HV0,1 dla stali E04J do 1064 HV0,1 dla stali N7E. Odpuszczanie spowodowało, również wzrastająco, zmniejszenie twardości o 50 jednostek HV0,1 dla stali E04J do około 450 takich jednostek w przypadku stali N7E. ing of specimens at a temperature of 450 o C over one hour was additionally applied. Tests showed (Fig. 6) that the mean hardness of the hardened layer of E04J, 15, 35, 55 and N7E steel increases within the entire range of carbon content 0.04 0.70%, from 314 HV0.1 for E04J steel to 1064 HV0.1 for N7E steel. Tempering also caused reduction of hardness ranging from 50 HV0.1 for E04J steel to approx. 450 HV0.1 in the case of N7E steel. Rys. 6. Twardość HV0,1 stali E04J, 15, 35, 55 i N7E po zahartowaniu laserowym (H) i po zahartowaniu z dodatkowym odpuszczaniem w temperaturze 450 o C w ciągu jednej godziny (H+O) Fig. 6. HV0.1 hardness of E04J, 15, 35, 55 and N7E steel after laser hardening (H) and after hardening with additional tempering at 450 o C over one hour (H+O) Podobnie jak poprzednio mierzono parametry (głębokość i szerokość) laserowo zahartowanej warstwy. Na rys. 7 przedstawiono wpływ prędkości przemieszczania się wiązki światła lasera i zawartości węgla związanego z gatunkiem stali (E04J do N7E) na głębokość zahartowanej warstwy. Z rysunku wynika, że wpływ prędkości jest wyraźny; powoduje zmniejszenie głębokości warstwy. Natomiast różnice w zawartości węgla nie miały w tym przypadku istotnego znaczenia. Similarly, as before, the parameters (depth and width) of the laser-hardened layer were measured. Fig. 7 presents the influence of laser beam travel speed and carbon content, related to the steel grade (E04J to N7E) on the depth of the hardened layer. The drawing shows that the influence of speed is clear; it reduces the depth of the layer as it increases. Meanwhile, differences in carbon content were not significant in this case. Głebokość strefy zahartowanej, mm Depth of the hardened zone, mm Twardość, HV0,1 / Hardness, HV0.1 Rys. 7. Głębokość strefy zahartowanej warstwy dla różnych prędkości przesuwania się wiązki lasera (mm/s) stali E04J, 15, 35, 55 i N7E Fig. 7. Depth of the hardened zone of the layer for different laser beam travel speeds (mm/s) in E04J, 15, 35, 55 and N7E steels Berkowski Leopold. 2018. Influence of structural state on the effects of laser treatment of steel with different chemical compositions. Part I: Carbon steels. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (2): 127 138.

136 Wpływ stanu strukturalnego na skutki obróbki laserowej stali... Podczas obserwacji warstw po obróbce laserowej nie zauważono różnic w strukturze badanych stali w porównaniu do tych, jakie obserwowano powyżej (2.1). W stalach o zawartości węgla 15, 35 i 55 struktury były podobne do struktur stali 45 (rys. 5b), z taką tylko różnicą, że udział ferrytu w stali 15 był większy, a w stali 55 znikomy, w porównaniu do stali 45. Zaobserwowano natomiast, że udział węgla w stali wpływa na charakter nieciągłości występujący w zahartowanej części warstwy; w stalach o mniejszej zawartości C w dolnej części warstwy stali E04J i 35 występowały pęcherze (rys. 8a), natomiast w stalach 55 i N7E szczeliny (rys. 8b), co wskazywałoby, że w tym przypadku istotne znaczenia miały naprężenia własne, powstające podczas chłodzenia warstwy. W stalach niskowęglowych większe znaczenie miała kumulacja gazów. Stwierdzono ponadto, że wady takie występują przede wszystkim po hartowaniu z mniejszą prędkością przemieszczania się wiązki światła lasera. During observation of layers after laser treatment, no differences in the structures of the tested steels were observed compared to the structures observed before (2.1). In steels with 15, 35 and 55 carbon content, structures were similar to the structures of 45 steel (Fig. 5b), with the only difference being that the share of ferrite was greater in 15 steel and negligible in 55 steel in comparison to 45 steel. It was also observed that carbon content in steel affects the nature of discontinuities occurring in the hardened part of the layer; in steels with lower C content, bubbles were present in the lower part of the layer in E04J and 35 steels (Fig. 8a), while in 55 and N7E steels there are crevices (Fig. 8b), which would indicate that internal stresses occurring during cooling of the layer played a significant role in this case. Gas accumulation was of greater importance in low-carbon steels. It was also determined that such defects occur, above all, after hardening at lower laser beam travel speed. a) b) Rys. 8. Wady w warstwie zahartowanej laserowo stali przy zastosowaniu prędkości przesuwania się wiązki światła lasera 16 mm/s; stale: a) E04J, b) N7E; pow. 100 x Fig. 8. Defects in the laser-hardened layer of steel after application of laser beam travel speed 16 mm/s; steels: a) E04J, b) N7E; mag. 100 x 3. PODSUMOWANIE Ocenę wpływu zawartości węgla oraz prędkości przemieszczania się wiązki światła lasera oceniono w dwóch seriach doświadczenia. W pierwszej zbadano stale E04J, 45 i N8E, w drugiej stale E04J, 15, 35, 55 i N7E. Skutki obróbki laserowej stali (hartowanie oraz hartowanie i odpuszczanie) oceniano, mierząc twardość HV0,1, parametry warstwy (głębokość i szerokość na głębokości 0,03 mm) oraz oceniono strukturę za pomocą mikroskopu świetlnego. 3. SUMMARY Assessment of the influence of carbon content and laser beam travel speed was conducted in two series of the experiment. In the first, E04J, 45 and N8E carbon steels were tested, and in the second E04J, 15, 35, 55 and N7E steels. The effects of laser treatment of steel (hardening as well as hardening and tempering) were assessed by measuring HV0.1 hardness (layer parameters of depth and width at 0.03 mm depth), and the structure was assessed under a light microscope. Berkowski Leopold. 2018. Wpływ stanu strukturalnego na skutki obróbki laserowej stali o różnym składzie chemicznym. Część I: Stale węglowe. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (2): 127 138.

Influence of structural state on the effects of laser treatment of steel... 137 Badania wykazały, że: wzrost zawartość węgla w stali węglowej w przedziale 0,04% do 0,70% C (stale E04J, 15, 35, 55 i N7E) powoduje wzrost twardości stali odpowiednio od 314 do 1054 HV0,1; po odpuszczaniu twardość warstwy została obniżona, choć tendencja zmian została nadal utrzymana (rys. 6); w pierwszej serii badań (rys. 1) zaobserwowano mniejszą twardość zahartowanej stali N8E, o większej zawartości węgla; powodem (prawdopodobnie) była obecność austenitu szczątkowego; wzrost zawartości węgla w stali węglowej nie wpłynął na wartość parametrów zahartowanej części warstwy, na głębokość i szerokość warstwy na głębokości 0,03 mm (rys. 3 i 7); wpłynął natomiast na kształt zahartowanej części warstwy (rys. 4); średnie wartości stosunków głębokości do szerokości warstwy dla stali E04J, 45 i N8E wynosiły odpowiednio 1,16, 0,97 i 0,69; struktura zahartowanej stali w miejscu przetopionym zawierała martenzyt, natomiast w strefach przejściowych zahartowanych w stanie stałym występował martenzyt z pewną ilością ferrytu, malejącą ze wzrostem zawartości węgla (rys. 4 i 5); zawartość węgla w stali wpływa na charakter nieciągłości powstałych w strefie przetopionej (rys. 8); w stalach o mniejszej zawartości C pojawiły się pęcherze, o większej szczeliny; pierwsze były prawdopodobnie skutkiem gromadzenia się gazów w stanie płynnym, drugie skutkiem występowania naprężeń w stanie stałym; wzrost prędkości przemieszczania się wiązki światła lasera powoduje (prawie proporcjonalne) zmniejszenie głębokości warstwy obrobionej laserowo (rys. 3 i 7). Tests showed that: Increasing carbon content in carbon steel within the range of 0.04% to 0.70% C (E04J, 15, 35, 55 and N7E steels) causes growth of steel hardness respectively from 314 to 1054 HV0.1; after tempering, the layer s hardness was reduced, although the tendency of changes was preserved (Fig. 6); In the first series of tests (Fig. 1) lower hardness of hardened N8E steel, which has higher carbon content, was observed; the (probable) reason for this was the presence of retained austenite; increasing carbon content in carbon steel did not affect parameter values of the hardened part of the layer, on the depth of width of the layer at 0.03 mm depth (Fig. 3 and 7); meanwhile, it did affect the shape of the hardened part of the layer (Fig. 4); mean values of layer depth to width ratios for E04J, 45 and N8E steels were, respectively 1.16; 0.97 and 0.69; the structure of hardened steel contained martensite in the melted area, and in transitional areas hardened in solid state martensite was present alongside a certain amount of ferrite, which decreased as carbon content increased (Fig. 4 and 5); carbon content in steel affects the nature of discontinuities formed in the melted zone (Fig. 8); bubbles appeared in steels with lower C content, and crevices in steels with higher C content; the former was probably the result of gas accumulation in the liquid state, and the latter the result of stresses in solid state; increasing laser beam travel rate causes (nearly proportionally) reduction of the thickness of the laser-treated layer (Fig. 3 and 7). PODZIĘKOWANIA Badania zrealizowano w ramach pracy własnej. ACKNOWLEDGEMENTS Research conducted as a part of the Metal Forming Institute Work Program. Berkowski Leopold. 2018. Influence of structural state on the effects of laser treatment of steel with different chemical compositions. Part I: Carbon steels. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (2): 127 138.

138 Wpływ stanu strukturalnego na skutki obróbki laserowej stali... LITERATURA REFERENCES 1. Burakowski T., T. Wierzchoń. 1995. Inżynieria powierzchni metali. Warszawa: WNT. 2. Kusiński J. 2000. Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej. Kraków: Wydawnictwo Naukowe AKAPIT. 3. Berkowski L. 1996. Investigation on the improvement of plastic working tool durability. Part II: Made in Forming Metal Institute. Aachen Poznań. 4. Berkowski L., A. Żaboklicki. 1997. Badania nad zastosowaniem techniki laserowej w obróbce roboczych powierzchni narzędzi kuźniczych. Obróbka Plastyczna Metali 8 (3): 19 26. 5. Kawalec M. i in. 2004. Zastosowanie lasera technologicznego CO 2 do doskonalenia właściwości warstwy wierzchniej stali oraz wspomagania toczenia twardej ceramiki konstrukcyjnej Si 3N 4. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 24 (2): 139 157. 6. Kawalec M. i in. 1999. Wykorzystanie techniki laserowej w technologii i eksploatacji elementów maszyn oraz w fizyce półprzewodników. Praca Politechniki Poznańskiej. Poznań. 7. Kita A. 2001. Obróbka laserowa stopów żelaza o różnej zawartości węgla z wykorzystaniem na elementy pojazdów. Praca dyplomowa. Poznań: Politechnika Poznańska. 8. Tarkowski K. 2001. Wpływ składu chemicznego wybranych stali stosowane na elementy samochodowe na skutki obróbki laserowej. Praca dyplomowa. Poznań: Politechnika Poznańska. 1. Burakowski T., T. Wierzchoń. 1995. Inżynieria powierzchni metali. Warszawa: WNT. 2. Kusiński J. 2000. Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej. Kraków: Wydawnictwo Naukowe AKAPIT. 3. Berkowski L. 1996. Investigation on the improvement of plastic working tool durability. Part II: Made in Forming Metal Institute. Aachen Poznań. 4. Berkowski L., A. Żaboklicki. 1997. Badania nad zastosowaniem techniki laserowej w obróbce roboczych powierzchni narzędzi kuźniczych. Obróbka Plastyczna Metali 8 (3): 19 26. 5. Kawalec M. i in. 2004. Zastosowanie lasera technologicznego CO 2 do doskonalenia właściwości warstwy wierzchniej stali oraz wspomagania toczenia twardej ceramiki konstrukcyjnej Si 3N 4. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 24 (2): 139 157. 6. Kawalec M. i in. 1999. Wykorzystanie techniki laserowej w technologii i eksploatacji elementów maszyn oraz w fizyce półprzewodników. Work of Poznań University of Technology. Poznań. 7. Kita A. 2001. Obróbka laserowa stopów żelaza o różnej zawartości węgla z wykorzystaniem na elementy pojazdów. Thesis. Poznań: Poznań University of Technology. 8. Tarkowski K. 2001. Wpływ składu chemicznego wybranych stali stosowane na elementy samochodowe na skutki obróbki laserowej. Thesis. Poznań: Poznań University of Technology. Berkowski Leopold. 2018. Wpływ stanu strukturalnego na skutki obróbki laserowej stali o różnym składzie chemicznym. Część I: Stale węglowe. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (2): 127 138.