Introduction. Residual austenite is an austenitic phase that persists in steel after its incomplete transformation into martensite/bainite/ferrite. The presence of residual austenite in steel can cause positive or negative changes depending on its proportion. Therefore, the finished products must have an appropriate range of residual austenite content. In the process of traditional chemical and thermal treatment of metals by carburizing, residual austenite is an unacceptable defect in the process. Very few papers have been devoted to this issue in the processes of surface treatment of metals with concentrated energy sources. The purpose of this work is to reduce the residual austenite in the carburized layer after laser hardening using additional cryogenic treatment. Materials and methods. Laser carburizing of 0.2% C steel was performed with a continuous-wave ytterbium fiber laser (LS-16, 1.5 kW, IPG Photonics, Oxford, MA, USA) emitting at a wavelength of 1.07 µm. The carbon content in the carburized layer was determined by glow discharge optical emission spectrometry (GD-Profiler 2TM). Hardness was measured using a semi-automatic Vickers hardness tester with a load of 500 g and an indentation pitch of 0.25 mm. X-ray diffraction patterns were recorded using a SmartLab 9KW diffractometer with a Cu–Kα target (λ = 1.5406 Å). The scanning angle range of 2θ ranged from 40 to 100°, and the scanning speed was 2°/min. Quantitative analysis of the volume fraction of residual austenite was carried out in accordance with the recommendations specified in ASTM E975-13. Cryogenic treatment was carried out at a temperature of –196 °C. Results and discussion. Different graphite contents in the laser carburizing pastes lead to the formation of different structures and phases (cementite, ledeburite, martensite, residual austenite) in the surface layer. Microstructural examination of the surface layer showed that the structure of the original material (0.2% C steel) consists of soft and ductile ferrite with hard pearlite. The thermal gradient on the surface of the molten carbon-containing mixture, created by the laser beam, transformed the original microstructure into martensite by dissolving the carbonaceous mixture and solidifying the austenitic phase into martensite through rapid cooling. At the same time, residual austenite is formed in the surface layer due to rapid cooling. It was shown that laser carburizing leads to the formation of a modified surface layer consisting of carbon-saturated martensite, residual austenite and carbides. Cryogenic and tempering treatments additionally transform residual austenite in the carburized layer into martensite, which increases the hardness of the carburized layer.
Введение. Остаточный аустенит представляет собой аустенитную фазу, сохраняющуюся в стали после ее неполного превращения в мартенсит/бейнит/феррит. Присутствие остаточного аустенита в стали может вызывать положительные или отрицательные изменения в зависимости от его доли. Следовательно, в готовых изделиях должен быть соответствующий диапазон содержания остаточного аустенита. В процессе традиционной химико-термической обработки металлов цементацией остаточный аустенит является недопустимым дефектом процесса. В сфере поверхностной обработки металлов концентрированными источниками энергии этому вопросу посвящено очень мало работ. Цель работы – снижение остаточного аустенита в цементируемом слое после лазерного упрочнения с использованием дополнительной криогенной обработки Материалы и методы исследований. Лазерную цементацию стали 20 проводили волоконным лазером непрерывного действия на основе иттербия (LS-16, 1,5 кВт, IPG Photonics, Оксфорд, Массачусетс, США), излучающим на длине волны 1,07 мкм. Содержание углерода в заданном науглероженном слое определяли методом оптической эмиссионной спектрометрии тлеющего разряда (GD-Profiler 2™). Твердость измеряли с помощью полуавтоматического твердомера Виккерса с нагрузкой 500 г и шагом вдавливания 0,25 мм. Рентгенодифракционные спектры регистрировали с помощью прибора SmartLab 9KW с медной мишенью Cu-Kα и длиной волны рентгеновского излучения (λ) 1,5406 Å. Диапазон угла сканирования 2θ составлял от 40 до 100°, скорость сканирования – 2° в минуту. Количественный анализ объемной доли остаточного аустенита проводился в соответствии с рекомендациями, указанными в ASTM E975-13. Криогенную обработку осуществляли при температуре –196 °С. Результаты исследований. Различное содержание графита в составе паст для лазерной цементации приводит к формированию разных структур и фаз (цементита, ледебурита, мартенсита, остаточного аустенита) в поверхностном слое. Исследование микроструктурного состояния поверхностного слоя показало, что структура исходного материала стали 20 состоит из мягкого и пластичного феррита с твердым перлитом. Тепловой градиент на поверхности расплавленной углеродосодержащей смеси, создаваемый лазерным лучом, трансформировал исходную микроструктуру в мартенсит путем растворения углеродного состава смеси и затвердевания аустенитной фазы в мартенсит посредством быстрого охлаждения. При этом из-за быстрого охлаждения поверхностного слоя формируется остаточный аустенит. В работе показано, что лазерная цементация приводит к образованию модифицированного поверхностного слоя, состоящего из насыщенного углеродом мартенсита, остаточного аустенита и карбидов. Криогенная и отпускная обработка дополнительно преобразуют остаточный аустенит в цементированном слое в мартенсит, что повышает твердость цементированного слоя.