Evaluation of the surface layer mikrostructure of high carbon alloy steel after laser modification

This paper refers to surface layer microstructure of high carbon steel strengthened by laser heat treatment. The aim of this research was to evaluate the influence of the laser heat treatment conditions on microstructure and hardness of the surface layer of high carbon alloy steel. Laser modification consist in alloying the surface layer with boron. Molecular CO2 continuous Triumph laser type 7/)Wwith 2,6 kW output power and TEM0,1 mode was used. Laser beam power density from 160 to 900 W/mm2 and laser beam velocity from 4,5 to 22,7 mm/s were applied during treatment. The research results allow to state, that boron average atomic concentration in the alloyed zone was 13% and did not exceed 20%. Nevertheless, it is enough for appearing the eutectic mixture (α+Fe2B). The alloyed zone was almost entirely homogenous and very fine-crystalline, especially near the surface. Areas with dendritic microstructure were found also. The thickness of the alloyed zone increased from 0,15 to 0,4 mm with increasing laser beam power density from 160 to 850 W/mm2 and decreased from 0,25 to 0,1 mm with increasing laser beam velocity from 4,5 to 22,7 mm/s. The average hardness of alloyed zone was in range of: 1100÷1600 HV 65. The average hardness of the hardened zone from the solid state did not exceed 1000 HV 65. The strengthen of alloyed (boronized) zone by the hardened zone from the solid state in the surface layer of high carbon alloy steel was observed to approx. 1 mm from surface. Existence of the hardened zone from the solid state after laser boronizing (as opposite to diffusion boronizing) should favor gentle changes of the internal stresses in the cross section of the surface layer of treated steel, which has a great importance in case of durability and reliability of the particular machine part.

Artykuł dotyczy umocnionej za pomocą laserowej obróbki cieplnej mikrostruktury warstwy wierzchniej stali wysokowęglowej. Celem tych badań była ocena wpływu warunków laserowej obróbki cieplnej na mikrostrukturę i twardość warstwy wierzchniej wysokowęglowej stali stopowej. Modyfikacja laserowa polegała na stopowaniu warstwy wierzchniej borem. Do badań wykorzystano laser molekularny CO2 typ 7/)Wo maksymalnej mocy 2,6 kW i modzie TEM0,1. Podczas obróbki zastosowano gęstość mocy wiązki laserowej od 160 do 900 W/mm2 oraz prędkość jej posuwu od 4,5 do 22,7 mm/s. Wyniki badań pozwoliły stwierdzić, że średnia atomowa zawartość boru w strefie stopowanej wynosiła 13% (zawartość boru nie przekraczała 20%). Niemniej jednak, jest to wystarczająco dużo, aby powstała mieszanina eutektyczna (α+Fe2B). Strefa stopowana charakteryzowała się (prawie całkowicie) jednorodną mikrostrukturą i była bardzo drobnokrystaliczna, w szczególności przy powierzchni. Zaobserwowano również obszary z dendrytami. Grubość strefy stopowanej zwiększała się od 0,15 do 0,4 mm wraz ze wzrostem zastosowanej gęstości mocy wiązki laserowej od 160 do 850 W/mm2 oraz zmniejszała się od 0,25 do 0,1 mm wraz ze zwiększaniem prędkości wiązki laserowej od 4,5 do 22,7 mm/s. Średnia twardość strefy stopowanej była w zakresie od 1100 do 1600 HV 65. Średnia twardość strefy zahartowanej ze stanu stałego nie przekraczała 1000 HV 65. Umocnienie strefy stopowanej (borowanej) przez zahartowaną strefę ze stanu stałego w warstwy wierzchniej wysokowęglowej stali stopowe wnosiła ok. 1 mm od powierzchni. Obecność strefy zahartowanej ze stanu stałego po borowaniu laserowym (w przeciwieństwie do borowania dyfuzyjnego) sprzyjać powinna występowaniu łagodnych zmian naprężeń własnych na przekroju poprzecznym warstwy wierzchniej obrabianej stali, co szczególnie jest ważne w przypadku trwałości i niezawodności części maszyn.