BADANIA STRUKTURY I WŁAŚCIWOŚCI BOROWANEJ STALI KONSTRUKCYJNEJ 41Cr4 I NARZĘDZIOWEJ 102Cr6

KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 26 nr 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2006 ALEKSANDRA PERTEK-OWSIANNA, MICHAŁ KULKA, MARIAN JANKOWIAK BADANIA STRUKTURY I WŁAŚCIWOŚCI BOROWANEJ STALI KONSTRUKCYJNEJ 41Cr4 I NARZĘDZIOWEJ 102Cr6 Zbadano wpływ zawartości węgla w stali oraz obróbki cieplnej po borowaniu (objętościowa hartowanie i odpuszczanie, powierzchniowa laserowa) na strukturę i właściwości borowanych stali 41Cr4 i 102Cr6. Zmierzono mikrotwardość oraz odporność na zużycie przez tarcie wytworzonych warstw wierzchnich. Wykazano, że właściwości borowanej stali zależą od zawartości węgla w stali oraz rodzaju zastosowanej obróbki cieplnej po borowaniu. Borowana stal o wyższej zawartości węgla (102Cr6) wykazuje wyższą odporność na zużycie przez tarcie od stali 41Cr4. Stwierdzono korzystny wpływ obróbki laserowej w porównaniu z objętościową na obniżenie zużycia warstw wierzchnich stali. Słowa kluczowe: borowanie, laserowa i objętościowa obróbka cieplna, mikrotwardość, odporność na zużycie przez tarcie 1. WPROWADZENIE Warstwy borowane wytwarzane na żelazie i stali mają bardzo dobre właściwości użytkowe: wysoką twardość dochodzącą do 2000HV i wysoką odporność na zużycie przez tarcie oraz na korozję gazową i chemiczną [9,12]. Przy tak wysokich walorach użytkowych borki żelaza cechuje pewna kruchość i porowatość, które mogą być przyczyną zmniejszonej ciągliwości warstwy i jej odpryskiwania od podłoża [4,8]. Te niekorzystne właściwości można zmniejszać przez: 1 wytwarzane jednofazowych warstw borowanych Fe 2 B; 2 regulowanie zawartości węgla pod borkami żelaza; 3 laserową obróbkę cieplną warstw borowanych. Dr hab.inż. Dr inż. Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Poznańskiej Dr.inż. Instytut Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej

2 A. Pertek-Owsianna,, M. Kulka, M. Jankowiak Jednofazowe warstwy borowane i ich właściwości przedstawione zostały w monografii [9]. W drugim sposobie zawartość węgla pod borkami zależy od składu chemicznego stali lub od nawęglania poprzedzającego borowanie [6,10,13]. Laserowa obróbka cieplna warstwy wierzchniej jest również w ostatnich latach przedmiotem wielu prac badawczych [1-3, 5, 7, 10-12]. 2. METODYKA BADAŃ Do badań zastosowano dwie stale chromowe 41Cr4 (40H wg PN) i 102Cr6 (NC4 wg PN) o średniej i wysokiej zawartości węgla, a ich składy chemiczne przedstawione są w tablicy 1. Skład chemiczny próbek stosowanych w badaniach (w %wag.). TABLICA 1 Stal %C %Mn %Si %P %S %Cr %Ni %Cu %V %Mo 41Cr4 0,37 0,56 0,25 0,009 0,014 0,89 0,14 0,110 0,004 0,03 102Cr6 1,00 0,31 0,21 - - 1,44 0,16 - - - Ze stali wykonano próbki w kształcie pierścienia o wymiarach: średnica zewnętrzna 20mm, średnica wewnętrzna 12mm, wysokość 12mm. Borowanie zostało przeprowadzone metodą gazowo-kontaktową w mieszaninie boru amorficznego, sadzy i KBF 4 w temperaturze 950 o C w czasie 2 godzin. Parametry te dobrano na podstawie badań kinetycznych dla stali 41Cr4 i 102Cr6. Badane stale poddano laserowej względnie objętościowej obróbce cieplnej, tzn. hartowaniu i odpuszczaniu. Zastosowano hartowanie z temperatury 850 o C w oleju oraz odpuszczanie w temperaturze 150 o C w czasie 1 godziny. Do laserowej obróbki cieplnej borowanych stali użyto laser technologiczny CO 2 firmy TRUMPH (typ TLF 2600 Turbo) o mocy znamionowej 2600 W. Zastosowano zmienne parametry gęstości mocy q oraz prędkości przesuwu wiązki laserowej v l. [10]. Badane stale zostały poddane obróbce laserowej przy następujących parametrach obróbki: gęstość mocy wiązki q od 3,68 do 49,7 kw/cm 2, prędkość przesuwu wiązki laserowej v l w przedziale od 0,17 do 5,76 m/min, średnica wiązki 2mm, odległość ogniska soczewki od powierzchni przedmiotu Δl = 108 mm (rys.1). Przy wysokiej gęstości mocy i małych prędkościach przesuwu wiązki laserowej uzyskiwano przetopienie powierzchni. Dla najmniejszych wartości v l i wysokich wartości q występuje nadtopienie materiału i z tym związana wysoka chropowatość powierzchni, które dyskwalifikują je do zastosowań praktycznych. Im większa moc wiązki i im wolniejszy jej przesuw, tym większy obszar zmian strukturalnych, większe wymiary ścieżek i niższa twardość [10,11].

A.Pertek, P.Wasilewicz, M.Kulka, R.Marcinkowski

4 A. Pertek-Owsianna,, M. Kulka, M. Jankowiak Zmniejszenie gęstości mocy, przy jednoczesnym wzroście prędkości przesuwu wiązki lasera względem powierzchni pozwala na przeprowadzenie hartowania bez przetopienia. Przy małej gęstości mocy niezależnie od v l brak efektów umocnienia nagrzewanej powierzchni za pomocą lasera (rys.1). q [kw/cm 2 ] 60 50 40 30 20 LOC z przetopieniem brak efektu LOC LOC bez przetopienia 10 0 0 1 2 3 4 5 6 v l [m/min] Rys. 1. Zakres parametrów LOC borowanej stali 41Cr4 (q: gęstość mocy, v l : prędkość przesuwu wiązki laserowej) Fig. 1. The parameters of LHT borided 41Cr4 steel (q: power density, v l : scanning rate) Na rys. 2a przedstawiony jest schematycznie sposób przeprowadzenia laserowej obróbki cieplnej na powierzchni próbki i rozmieszczenia pojedynczych ścieżek laserowych wzdłuż tworzącej powierzchni walcowej, a na rys. 2b po linii śrubowej. a) 1-15 numery ścieżek (numbers of tracks) b) Rys. 2. Metoda wytwarzania ścieżek laserowych: a) pojedynczych prowadzonych po linii prostej, b) wielokrotnych prowadzonych po linii śrubowej Fig. 2. The method of laser tracks producing: a) single tracks formed in the shape of straight line, b) multiple tracks formed in the shape of helical line

Badania struktury i właściwości... 5 Na podstawie jakości i wymiarów ścieżek pojedynczych, pomiarów mikrotwardości i badań strukturalnych dokonano wyboru najkorzystniejszych parametrów obróbki laserowej. Dla tych parametrów nagrzewano powierzchnię wzdłuż linii śrubowej (rys. 2b) stosując odstęp ścieżek f d (ścieżki przylegające do siebie). Badane próbki w kształcie walca nagrzewano w trakcie ruchu obrotowego z prędkością obrotową n i prostoliniowego wzdłuż osi próbki z prędkością v f, której miarą był posuw na obrót f [mm/obr]. Badania mikrostruktury przeprowadzono za pomocą mikroskopu optycznego Carl Zeiss Jena oraz mikroskopu elektronowego Philips XL30. Obserwacje metalograficzne prowadzono na zgładach poprzecznych szlifowanych i trawionych 2% azotalem. Pomiary mikrotwardości wytworzonych warstw dyfuzyjnych wykonano na mikrotwardościomierzu ZWICK 3212 pod obciążeniem 100G. Zużycie przez tarcie badano na maszynie badawczej typu Amsler MBT- 01. Miarą zużycia próbki był ubytek wagowy materiału w jednostce czasu, mg przypadający na jednostkę powierzchni, określany jako Δm Iz = cm 2 h, F τ gdzie: Iz wskaźnik intensywności zużycia wagowego, Δm ubytek masy [mg], F powierzchnia tarcia [cm 2 ], t czas tarcia [h]. Próbka do badań o kształcie pierścienia była poddana borowaniu, a przeciwpróbkę stanowiła płytka z węglika spiekanego S20S o twardości 1430HV. Badania intensywności zużycia przeprowadzone zostały przy obciążeniu 147N i prędkości obrotowej 250 obr/min w warunkach tarcia suchego. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH OMÓWIENIE 3.1. Badania struktury Mikrostruktury warstw borowanych wytworzonych na stalach 41Cr4 i 102Cr6 po objętościowej obróbce cieplnej (hartowanie i niskie odpuszczanie) przedstawione są na rysunku 3. W badanych stalach tworzy się dwufazowa warstwa dyfuzyjna składająca się z borków żelaza: FeB (przy powierzchni) i głębiej znajdującego się Fe 2 B. W rdzeniu występuje struktura martenzytyczno-bainityczna. Warstwa borowana ma charakterystyczną iglastą budowę, przy czym iglastość struktury borków na stali 102Cr6 jest wyraźnie niższa, z uwagi na wyższą zawartość węgla i chromu w tej stali, hamujących dyfuzję boru. Z tych samych przyczyn grubość warstwy borowanej na stali 41Cr4 jest wyższa. Do badań zastosowano warstwy borowane wytworzone na stali 41Cr4 o grubości ok. 95 μm i ok. 80 μm na stali 102Cr6.

6 A. Pertek-Owsianna,, M. Kulka, M. Jankowiak a) b) Rys. 3. Mikrostruktura borowanej stali: a) 41Cr4, Fig. 3. Microstructure of borided steel: a) 41Cr4, b) 102Cr6 b) 102Cr6 Rysunek 4 przedstawia mikrostruktury borowanych stali 41Cr4 i 102Cr6NC4 po laserowej obróbce cieplnej bez przetopienia wraz z trzema strefami: 1- warstwa borków żelaza; 2- strefa wpływu ciepła; 3- rdzeń. a) b) Rys. 4. a Mikrostruktura borowanej stali 41Cr4 (ścieżka pojedyncza) po LOC bez przetopienia; Parametry LOC: q=37,3kw/cm 2, v =2,88m/min; l b Mikrostruktura borowanej stali 102Cr6 (ścieżka pojedyncza) po laserowej obróbce cieplnej bez przetopienia. Parametry LOC: q=24,84kw/cm 2, v l =2,88m/min. Fig.4. a Microstructure of borided 41Cr4 steel (single track) after LHT without re-melting; The parameters of LHT: q=37,3kw/cm 2, v =2,88m/min.; l b Microstructure of borided 102Cr6 steel (single track) after LHT without re-melting. The parameters of LHT: q=24,84kw/cm 2, v =2,88m/min. l Po laserowej obróbce bez przetopienia grubość warstwy borków nie zmienia się, natomiast pod borkami powstaje strefa zahartowana o grubości ok. 0,2 do 0,35 mm i szerokości zależnej od parametrów LOC i strukturze martenzytyczno-bainityczno-perlitycznej [10]. W strefie borków żelaza

Badania struktury i właściwości... 7 występuje szkliwienie warstwy wierzchniej, powodujące zamykanie porów w borkach, a tym samym zmniejszenie kruchości warstwy, przy czym borki w strefie przylegającej do podłoża zmieniają swój kształt z iglastego w globularny. Pod borkami i strefą wpływu ciepła znajduje się nieobrobiony cieplnie materiał rdzenia o strukturze perlityczno-ferrytycznej [10]. 3.2. Badania mikrotwardości i odporności na zużycie przez tarcie Zmierzone mikrotwardości po borowaniu i obróbce cieplnej stali 41Cr4 i 102Cr6 przedstawiono na rysunkach 5 i 6. W obu stalach uzyskano podobne wartości mikrotwardości dla borków żelaza FeB i Fe 2 B (ok. 1300-1900HV) zarówno po objętościowej jak i powierzchniowej obróbce cieplnej. Po borowaniu i obróbce cieplnej objętościowej mikrotwardość stali 41Cr4 pod borkami i w rdzeniu jest stała i wynosi ok. 750HV (rys. 5). Po zahartowaniu laserowym w tej stali pod borkami uzyskuje się mikrotwardość ok. 850HV w całym zakresie strefy wpływu ciepła o grubości ok. 0,3 mm, po czym następuje spadek mikrotwardości do ok. 250HV w rdzeniu. Badania mikrotwardości stali 102Cr6 przedstawiono na rys. 6. Po zahartowaniu laserowym i objętościowym mikrotwardość pod borkami w przybliżeniu jest taka sama i osiąga wartość ok. 950 HV. W przypadku obróbki cieplnej objętościowej twardość utrzymuje się na stałym poziomie w całym obszarze rdzenia, a w przypadku obróbki laserowej ma nie zmienioną wartość w obszarze ścieżki laserowej do głębokości ok. 0,25mm, po czym spada, by w nieobrobionym cieplnie rdzeniu osiągnąć wartość ok. 400HV. Stopniowy spadek twardości borowanych stali od powierzchni do rdzenia po laserowej obróbce cieplnej w porównaniu ze stalą borowaną i hartowaną objętościowo w zależności od temperatury odpuszczania jest bardzo korzystny z punktu widzenia właściwości użytkowych.

8 A. Pertek-Owsianna,, M. Kulka, M. Jankowiak mikrotwardość; HV0,1 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 borowana i hartowana borowana i LOC stal 41Cr4 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 odległość od powierzchni; x [mm] Rys. 5. Profile zmian mikrotwardości borowanej stali 41Cr4 po hartowaniu i odpuszczaniu oraz po laserowej obróbce cieplnej Fig.5. Microhardness profiles of borided 41Cr4 steel after hardening and tempering and after laser heat treatment mikrotwardość; HV0,1 2000 1800 1600 borowana i LOC 1400 borowana i hartowana 1200 1000 800 600 400 stal 102Cr6 200 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 odległość od powierzchni; x [mm] Rys. 6. Profile zmian mikrotwardości borowanej stali 102Cr6 po hartowaniu i odpuszczaniu oraz po laserowej obróbce cieplnej Fig.6. Microhardness profiles of borided 102Cr6 steel after hardening and tempering and after laser heat treatment

Badania struktury i właściwości... 9 Wyniki badań odporności na zużycie przez tarcie borowanych stali 41Cr4 i 102Cr6 po objętościowej i laserowej obróbce cieplnej przedstawiono na rysunkach 7 i 8. Najwyższe zużycie wagowe wykazuje stal 41Cr4 borowana po hartowaniu i odpuszczaniu; zużycie ma charakter liniowy o stałym współczynniku kątowym w całym badanym zakresie (Iz=1,34). Dla warstw borowanych poddanych laserowej obróbce cieplnej wyniki zużycia wagowego układające się także wzdłuż linii prostej mają dwa różne kąty nachylenia. Najniższą wartością Iz=0,74 charakteryzuje się strefa wpływu laserowej obróbki cieplnej borków żelaza. W tym przypowierzchniowym obszarze znajdują się borki żelaza o właściwej dla nich twardości (ok. 1800HV), ale o zmienionej morfologii i większym zdefektowaniu w wyniku zjawiska szkliwienia. W głębszych strefach warstwy wierzchniej po hartowaniu laserowym stali, intensywność zużycia jest podobna do warstw borowanych poddanych hartowaniu i odpuszczaniu, a jej wskaźnik Iz ma wartość 1,34 [10]. Odporność na zużycie przez tarcie borowanej stali 41Cr4 po LOC wzrasta w strefach warstwy wierzchniej ok. 2-krotnie w porównaniu do stali borowanej i objętościowo obrobionej cieplnie. Wyniki odporności na zużycie przez tarcie stali 102Cr6 przedstawione są na rysunku 8. Stal ta charakteryzuje się bardzo niskim zużyciem wagowym (Iz=0,62-0,79), podobnym w całym badanym zakresie niezależnie od zastosowanej obróbki cieplnej (objętościowa, laserowa). W strefie przypowierzchniowej warstwy borowanej po LOC zaznacza się również szkliwienie będące efektem oddziaływania promieniowania lasera, które obniża przypowierzchniową porowatość, co ma wpływ na zmniejszenie Iz (do 0,62). Dominujący wpływ na odporność na zużycie przez tarcie po borowaniu odgrywa duża twardość rdzenia pod borkami po zahartowaniu (ok. 950HV), wynikająca z wysokiej zawartości węgla w stali. Dlatego dla stali 102Cr6 rodzaj obróbki cieplnej po borowaniu nie odgrywa większej roli. Odporność na zużycie borowanej stali 102Cr6 jest ok. 2-krotnie wyższa w porównaniu do stali nie borowanej.

10 A. Pertek-Owsianna,, M. Kulka, M. Jankowiak 12 m/f [mg/cm 2 ] 10 8 6 4 borowana i hartowana borowana i LOC hartowana Iz = 1.47 Iz=1.34 Iz=1.32 2 0 Iz=0.74 stal 41Cr4 0 2 4 6 8 10 czas; t [h] Rys. 7. Zużycie wagowe stali 41Cr4 po hartowaniu i odpuszczaniu oraz po borowaniu i obróbce cieplnej Fig. 7. Mass loss of 41Cr4 steel after hardening and tempering and after boriding and heat treatment Δm/F [mg/cm 2 ] 8 6 4 2 borowana i hartowana hartowana borowana i LOC Iz = 0.74 Iz = 1.41 Iz = 0.62 Iz = 0.79 stal 102Cr6 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 czas; t[h] Rys. 8. Zużycie wagowe stali 102Cr6 po hartowaniu i odpuszczaniu oraz po borowaniu i obróbce cieplnej Fig. 8. Mass loss of 102Cr6 steel after hardening and tempering and after boriding and heat treatment

Badania struktury i właściwości... 11 4. WNIOSKI I PODSUMOWANIE 1. Struktura i właściwości borowanej stali zależą od zawartości węgla w stali oraz rodzaju zastosowanej obróbki cieplnej po borowaniu (objętościowa lub laserowa). 2. Po obróbce cieplnej (hartowanie i odpuszczanie) mikrostruktura borków żelaza FeB+Fe 2 B nie ulega zmianie. Warstwy mają charakterystyczny kształt iglasty o nie zmienionej twardości. Laserowa obróbka cieplna powoduje szkliwienie stref warstwy wierzchniej, pod wpływem którego następuje zamykanie porów, a tym samym zmniejszenie kruchości warstwy oraz zmianę kształtu borków z iglastego w globularny. 3. Wzrost zawartość węgla w stali wpływa na wzrost twardości rdzenia pod borkami żelaza w wyniku przeprowadzonej obróbki cieplnej. W efekcie maleje gradient twardości między warstwą borowaną a rdzeniem. 4. Niższym zużyciem przez tarcie charakteryzują się stale o mniejszym gradiencie twardości między warstwą borków a utwardzoną strefą pod borkami. Laserowa obróbka cieplna zmniejsza w większym stopniu gradient twardości między warstwą borków a rdzeniem stali niż objętościowa obróbka cieplna. Gradient twardości maleje także wraz ze wzrostem zawartości węgla w stali. Badania finansowano w ramach: DPB-22-090/00/-BW i DPB-22-116/01/-BW. LITERATURA [1]Bartkowiak K., Waligóra W. Laser alloing of the construction steel 45 with boron. The scientific conference with foreign participation, TRANSFER 2001, 23-24 October 2001, Trenčin, Slovak Republic. [2]Burakowski T., Wierzchoń T. Inżynieria powierzchni metali. WNT, Warszawa, 1995. [3]Gopalakrishnan P., Shankar P., Subba Rao R.V., Sundar M., Ramakrishnan S.S. Laser surface modification of low carbon borided steels. Scripta Materialia, 044, (2001),707-712. [4]Karpenko G.W. i in. Influence of diffusion coatings on strenght of steel. Freund Publ. House, Israel, 1979. [5]Kulka M., Pertek A. Microstructure and properties of borided 41Cr4 steel after laser surface modification with re-melting. Applied Surface Science, 214, 2003, pp. 278-288.

12 A. Pertek-Owsianna,, M. Kulka, M. Jankowiak [6]Kulka M., Pertek A. The importance of carbon content beneath iron borides after boriding of chromium and nickel-based low carbon steel. Applied Surface Science, 214, 2003, p. 161-171. [7]Kusiński J. Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej. Wyd. Naukowe 214 (2003) pp. 161-171. Wyd. Akapit, Kraków, 2000. [8]Liliental W., Tacikowski J., Einfluss der Wärmebehandlung auf die Sprődigkeit von Boridschichten auf Stählen. Härterei-Technische Mitteilungen, 1980, 35, z. 5, s. 251-256. [9]Pertek A. Kształtowanie struktury i właściwości warstw borków żelaza otrzymywanych w procesie borowania gazowego. Monografia, Seria: Rozprawy, nr 365, Wyd. Pol. Poznańskiej, Poznań, 2001. [10]Pertek A., Jankowiak M., Jóźwiak K., Kulka M., Nowak I. Wpływ obróbki laserowej po borowaniu i boronawęglaniu na strukturę i właściwości stali konstrukcyjnej i narzędziowej. Zastosowanie techniki laserowej do kształtowania właściwości warstwy wierzchniej elementów maszyn i pojazdów, Wydziałowy Program Badawczy pod kierunkiem M. Kawalca, Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Mechanicznej, PB-22-138/02/-BW, 2002. [11]Pertek A., Kulka M. Characterization of single tracs after laser surface modification of borided 41Cr4 steel. Applied Surface Science, 205, 2003, pp. 137-142. [12]Przybyłowicz K. Borowanie teoria i praktyka. Wyd. Pol. Świętokrzyskiej, 2000. [13]Toroqhinezhad M.R., Salehi M., Ashrafizadeh F. The effect of precarburizing treatment on morphology of the boride layer. Materials and Manufacturing Processes, 1997, vol. 12, No1. THE INVESTIGATION OF THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF BORIDED MACHINERY STEEL 41Cr4 AND TOOL STEEL NC4 S u m m a r y In this paper the influence of carbon content and type of heat treatment on the structure and properties of borided 41Cr4 and 102Cr6 steels has been presented. The effects of the typical heat treatment (hardening and tempering) and laser heat treatment have been compared. The microhardness and friction wear resistance have been determined. The steel of higher carbon content (102Cr6) is characterized by higher wear resistance. The laser heat treatment reduces the wear of borided layers in comparison with typical heat treatment. Key words: boriding, laser and typical heat treatment, microhardness, wear