The influence of boron in the surface layer on the structure and the tribological properties of iron alloys

This paper presents two methods of introducing boron into the surface layer of iron alloys, namely diffusion boronizing by means of the powder method and laser alloying with a TRUMPF TLF 2600 Turbo CO2 gas laser. Amorphous boron was used as the chemical element source. As regards diffusion drilling, the influence of temperature and time on the properties of the layer was tested. During the laser alloying, the influence of the thickness of the boriding paste layer as well as the power and laser beam scanning velocity was determined. How the carbon content in steel and alloying elements in the form of chromium and boron influence the structure of the surface layer was tested. To achieve this object, the following grades of steel were used: C45, C90, 41Cr4, 102Cr6, and HARDOX boron steel. The microhardness and wear resistance of the obtained boron-containing surface layers were tested. A Metaval Carl Zeiss Jena light microscope and a Tescan VEGA 5135 scanning electron microscope, a Zwick 3212B microhardness tester, and an Amsler tribotester were used for the tests. The structure of the diffusion- borided layer consists of the needle-like zone of FeB + Fe2B iron borides about 0.15 mm thick, with a good adhesion to the substrate of the steel subjected to hardening and tempering after the boriding process. After the laser alloying, the structure shows paths with dimensions within: width up to 0.60 mm, depth up to 0.35 mm, containing a melted zone with a eutectic mixture of iron borides and martensite, a heat affected zone with a martensitic-bainitic structure and a steel core. The microhardness of both diffusion-borided and laser-borided layers falls within the range of 1000 – 1900 HV0.1, depending on the parameters of the processes. It has been shown that, apart from the structure and thickness of the layer containing boron and microhardness, the frictional wear resistance depends on the state of the steel substrate, i.e. its chemical composition and heat treatment. The results of testing iron alloys in the borided state were compared with those obtained only after the heat treatment.

W pracy przedstawiono dwie metody wprowadzania boru do warstwy wierzchniej stopów żelaza, a mianowicie borowanie dyfuzyjne z zastosowaniem metody proszkowej oraz stopowanie laserowe za pomocą lasera gazowego CO2 TRUMPF TLF2600 Turbo. Jako źródło pierwiastka użyto bor amorficzny. Zbadano w przypadku borowania dyfuzyjnego wpływ temperatury i czasu na właściwości warstwy. Przy stopowaniu laserowym określono oddziaływanie grubości warstwy pasty do borowania oraz mocy i szybkości posuwu wiązki laserowej. Przeanalizowano wpływ zawartości węgla w stali oraz dodatków stopowych w postaci chromu i boru na strukturę warstwy wierzchniej. W tym celu do badań zastosowano stale: C45, C90, 41Cr4, 102Cr6, stal borową HARDOX. Zbadano mikrotwardość oraz odporność na zużycie przez tarcie otrzymanych warstw wierzchnich zawierających bor. Do badań zastosowano mikroskop świetlny Metaval Carl Zeiss Jena i elektronowy mikroskop skaningowy Tescan VEGA 5135, mikrotwardościomierz Zwick 3212B oraz tribotester typu Amsler. Struktura dyfuzyjnej warstwy borowanej składa się z iglastej strefy borków żelaza FeB+Fe2B o grubości do ok. 0,15 mm o dobrej przyczepności z podłożem stali poddanej hartowaniu i odpuszczaniu po procesie borowania. Po stopowaniu laserowym w strukturze występują ścieżki o wymiarach: szerokość do 0,60 mm, głębokość do 0,35 mm, zawierające strefę przetopioną z mieszaniną eutektyczną borków żelaza oraz martenzytu, strefę wpływu ciepła o strukturze martenzytyczno-bainitycznej oraz rdzeń stali. Mikrotwardość warstw borowanych dyfuzyjnie i laserowo mieści się w zakresie 1000÷1900 HV0.1, w zależności od parametrów procesów. Wykazano, że poza strukturą i grubością warstwy zawierającej bor oraz mikrotwardością, odporność na zużycie przez tarcie zależy od stanu podłoża stali, czyli jej składu chemicznego i obróbki cieplnej. Wyniki badań stopów żelaza w stanie borowanym porównano z otrzymanymi tylko po obróbce cieplnej.