Wpływ stanu strukturalnego na skutki obróbki laserowej stali o różnym składzie chemicznym. Cz. 3, Stale narzędziowe

Praca stanowi trzecią część większej całości, przyczynkowych badań w zakresie technologii laserowych stali o różnym składzie chemicznym. W pierwszych dwóch częściach omówiono skutki obróbki laserowej stali węglowych [1] i konstrukcyjnych stopowych [2]. W pierwszej części pracy wykazano, że wzrost zawartości węgla powoduje wyraźny wzrost twardości zahartowanej laserowo stali, wpływa na kształt warstwy oraz na charakter nieciągłości powstałych w strefie przetopionej. W badaniach pro-wadzonych w części drugiej potwierdzono znaczenie udziału węgla oraz oceniono wpływ składników stopowych na odpuszczalność stali. Wykazano ponadto, że obróbka laserowa niszczy warstwę dyfuzyjną, azotowaną. Badania, których wyniki zawiera niniejsza praca są owocem współpracy trzech ośrodków badawczych: Instytutu Fraunhofera IPT – Aachen, Instytutu Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej oraz Instytutu Obróbki Plastycznej w Poznaniu. Praca zawiera wyniki badań skutków obróbki laserowej stali NC11LV w stanie wyjściowym (wyżarzonym) i zahartowanym z różnej temperatury, także w warstwach położonych w różnej od siebie odległości. Ponadto praca zawiera ocenę jakości stopowania, z pomocą proszków o różnej zawartości składników stopowych stali przeznaczonej na narzędzia kuźnicze. Struktura wyjściowa stali NC11LV była martenzytyczna z niewielką ilością austenitu szczątkowego po hartowaniu z temperatury 1020oC oraz zawierającą austenit z niewielką ilością węglików po hartowaniu z temperatury 1150oC. Stwierdzono, że twardość stali w strefie przetopionej (około 500 HV0,1) jest zbliżona do twardości stali NC11LV zahartowanej z temperatury 1150oC, a w strefie przejściowej rozrzut wyników pomiarów twardości jest nieregularny; bardziej w strefie hartowania wstępnego z temperatury 1020oC. Natomiast wpływ prędkości przemieszczania się wiązki światła lasera na stan strefy przypowierzchniowej próbki jest podobny jak w pracach [1–2]; wzrost prędkości powoduje zmniejszenie „parametrów” warstwy. Z badań wynika, że obróbka laserowa niezależnie od stanu wyjściowego (temperatury hartowania) nie po-woduje korzystnych zmian warstwy wierzchniej stali NC11LV. Pozytywne rezultaty uzyskano natomiast w badaniach nad technologią stopowania narzędzi kuźniczych ze stali WCL. W próbkach stopowanych z pomocą proszku Mo/VC wyznaczono temperaturę odpuszczania stopowanych warstw (600oC), wyższą od temperatury odpuszczania stali szybkotnących. W badaniach nad doborem technologii oceniono piętnaście wariantów, w których zastosowano trzy grupy proszków o różnym składzie chemicznym WC/Co, WC/Co/Cr i Mo/VC w odpowiednim stosunku składników i wielkości dozowania. Przeprowadzono badania strukturalne otrzymanych warstw. Na podstawie oceny właściwości uzyskanych podczas pomiarów twardości, własności mechanicznych (próby zginania i badań zmęczeniowych) oraz badań odporności na zużycie ścierne, wybrano warunki najlepszej technologii. Zastosowane w badaniach azotowanie – podobnie jak poprzednio – spowodowało pogorszenie jakości warstwy stopowanej.

This article is the third in a series of studies concerning laser treatment technologies applied to steel with different chemical compositions. The effects of laser treatment of carbon steels [1] and constructional alloy steels [2] are discussed in the first two articles. In the first one, it is demonstrated that increasing carbon content results in clear growth of the hardness of laser-hardened steel, affects the shape of the layer and the character of discontinuities forming in the melted zone. In the second, the significance of carbon share was confirmed and the influence of alloying elements on temperability of steel was evaluated. Moreover, it was demonstrated that laser treatment destroys the diffusive, nitrided layer. The test results found here are the fruit of collaboration between three research centers: Fraunhofer Institute for Production Technology IPT – Aachen, Insti-tute of Industrial Machinery and Transportation of Poznań University of Technology and the Metal Forming Institute in Poznań. This article contains results of laser treat-ment tests performed on NC11LV steel in its initial (annealed) state and hardened at different temperatures, including in layers situated at varying distances from one an-other. Furthermore, the article provides an evaluation of the quality of alloying by means of powders with varying contents of alloying ingredients of the steel intended for forging tools. The initial structure of NC11LV steel was martensitic with a small amount of residual austenite after hardening at 1020oC, and containing austenite with a small amount of carbides after hardening at 1150oC. It was determined that the hardness of steel in the melted zone (approx. 500 HV0.1) is similar to the hardness of NC11LV steel hardened at 1150oC, and in the transitional zone, the dispersion of hardness measure-ment results is irregular; more so in the initial hardening zone at 1020 oC. The influence of laser beam travel speed on the state of the specimen’s near-surface layer is similar as in articles [1–2]; increasing travel speed reduces the layer’s “parameters”. Tests show that, regardless of the initial state (hardening temperature), laser treatment does not result in beneficial changes of the surface layer of NC11LV steel. However, positive re-sults were obtained in tests of alloying technology for forging tools made of WCL steel. In specimens alloyed using Mo/VC powder, tempering temperature of the alloyed layers was determined (600oC), higher than the tempering temperature of high-speed tool steels. Fifteen variants were evaluated in tests on the selection of technology, in which three groups of powders with different chemical compositions were applied: WC/Co, WC/Co/Cr and Mo/VC, in the appropriate proportion of ingredients and doses. Struc-tural tests of the layers obtained were carried out. Based on evaluation of properties obtained during hardness measurements, tests of mechanical properties (bending and fatigue tests) as well as abrasion resistance tests, the conditions of the best technology were selected. Nitriding applied in the tests caused the quality of the nitrided layer to deteriorate - similarly as before.