Two-stage gas boriding of carburized steel in N2-H2-BCl3 atmosphere

• Autorzy: Kulka M. , Pertek A. , Makuch N.

Warianty tytułu

PL

Dwustopniowy proces borowania gazowego nawęglonej stali w atmosferze N2-H2-BCl3

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Two-stage process of gas boronizing in N2-H2-BCl3 atmosphere was proposed to formation of gradient borocarburized layers. This process consisted in two stages: saturation by boron and diffusion annealing. During first step BCl3 was added to N2-H2 atmosphere. The higher BCl3 to hydrogen ratio than that previously reported was used. Second step consisted in diffusion annealing while an addition of BCl3 was switched off. This cycle was repeated a few times. This process was applied in order to acceleration of saturation by boron and its diffusion and to minimize of FeB phase presence. The microstructure and microhardness of produced layer have been compared to those obtained after earlier used continuous gas boriding in H2-BCl3 atmosphere. After two-stage boriding of carburized steel the microstructure at the surface consists of FeB and Fe2B borides. The darker FeB phase is distinctly visible. After through hardening a thin modified boride zone was visible at the surface. Next, the microstructure consisted of: FeB, Fe2B borides and hardened carburized substrate (martensite and alloyed cementite). The use of borocarburizing process provides the decrease in microhardness gradient between the surface and the substrate in comparison with typical borided layers formed on medium-carbon steels. Austenitizing in N2-H2 atmosphere can cause the tendency towards a loss of FeB phase at the surface. The first objective of two-stage boronizing proces in N2-H2-BCl3 atmosphere consisting in acceleration of boron diffusion has been efficiently realized. During the shorter boronizing process, carried out at lower temperature, about 1.5 times larger iron borides zone has been formed on carburized 17CrNi6-6 steel. Second objective, the elimination of FeB phase, has failed. However, the participation of FeB phase in iron borides zone was small. The longer time of diffusion annealing can help to realize this objective.

PL

Zaproponowano dwustopniowy proces borowania gazowego w atmosferze N2-H2-BCl3 do wytwarzania gradientowych warstw boronawęglanych. Proces składał się z dwóch etapów: nasycania borem oraz dyfuzyjnego wyżarzania. W pierwszym etapie dodawano BCl3 do atmosfery N2-H2. Stosowano większą niż zwykle zawartość BCl3 w porównaniu z wodorem. Drugi etap polegał na dyfuzyjnym wyżarzaniu w atmosferze N2-H2. Cykl powtarzano kilka razy. Proces stosowano w celu przyspieszenia nasycania borem i jego dyfuzji oraz zminimalizowania udziału fazy FeB w strefie borków. Mikrostrukturę i mikrotwardość wytworzonej warstwy porównano z uzyskiwanymi w procesie ciągłego borowania gazowego w atmosferze H2-BCl3. Po dwustopniowym borowaniu nawęglonej stali w mikrostrukturze przy powierzchni występują borki FeB i Fe2B. Ciemniejsza faza FeB jest wyraźnie widoczna. Po utwardzaniu cieplnym przy powierzchni występuje zmodyfikowana strefa borków, pod którą zaobserwowano borki FeB, Fe2B oraz utwardzoną cieplnie warstwę nawęgloną (martenzyt i cementyt stopowy). Zastosowanie procesu boronawęglania zapewnia łagodniejszy spadek mikrotwardości między powierzchnią a podłożem w porównaniu z typową warstwą borowaną wytworzoną na stali średniowęglowej. Austenityzowanie w atmosferze N2-H2 może powodować zanik fazy FeB na powierzchni. Pierwszy cel dwustopniowego procesu borowania w atmosferze N2-H2-BCl3 polegający na przyspieszeniu dyfuzji boru został osiągnięty. Po krótszym procesie borowania, prowadzonym w nieco niższej temperaturze wytworzono warstwę o grubości 1,5 razy większej. Drugi cel w postaci eliminacji fazy FeB z mikrostruktury nie powiódł się, choć udział tej fazy w strefie borków był mały. Do realizacji tego celu potrzebne będzie wydłużenie czasu wyżarzania dyfuzyjnego.

Słowa kluczowe

EN

gas boriding; borocarburizing; microstructure; microhardness

PL

borowanie gazowe; boronawęglanie; mikrostruktura; mikrotwardość

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 32, nr 4
• Strony: 521--524
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kulka M.

autor

Pertek A.

autor

Makuch N.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska,

Bibliografia

• [1] Graf von Matuschka A.: Borieren. Carl Hanser Verlag, Munchen, Wien (1977).
• [2] Wierzchoń T.: The role of glow discharge in the formation of a boride layer on steel in the plasma boriding process. Advances in low-temperature plasma chemistry, technology, applications, Technomic Publishing Co. INC. Lancaster-Basel, USA (1988), vol. 2.
• [3] Venkataraman B., Sundararajan G.: The high speed sliding wear behaviour of boronized medium carbon steel. Surf. Coat. Technol. 73 (1995) 177÷184.
• [4] Hunger H. J., Trute G.: Boronizing to produce wear-resistant surface layers. Heat Treatment of Metals 21 (2) (1994) 31÷39.
• [5] Xu C. H., Xi J. K., Gao W.: Improving the mechanical properties of boronized layers by superplastic boronizing. J. Mater. Process. Technol. 65 (1997) 94÷98.
• [6] Pertek A.: Gas boriding condition for the iron borides layers formation. Materials Science Forum, Trans Tech Publications, Switzerland, 163-165 (1994) 323÷328.
• [7] Liliental W., Tacikowski J.: Einfluss der Wärmebehandlung auf die Sprödigkeit von Boridschichten auf Stählen. Härterei -Technische Mitteilungen 35 (1980) 251÷256.
• [8] Yan P. X., Su Y. C.: Metal surface modification by B-C-nitriding in a twotemperature- stage process, Materials Chemistry and Physics 39 (1995) 304÷308.
• [9] Wierzchoń T., Bieliński P., Sikorski K.: Formation and properties of multicomponent and composite borided layers on steel. Surf. Coat. Technol. 73 (1995) 121÷124.
• [10] Sikorski K., Wierzchoń T., Bieliński P.: X-ray microanalysis and properties of multicomponent plasma-borided layers on steels. J. Mater. Sci. 33 (1998) 811÷815.
• [11] Toroghinezhad M. R., Salehi M., Ashrafizadeh F.: The effect of precarburizing treatment on morphology of the boride layer. Mater. Manuf. Process. 12 (1) (1997) 117÷123.
• [12] Pertek A., Kulka M.: Characterization of complex (B+C) diffusion layers formed on chromium and nickel-based low-carbon steel. Applied Surface Science 202 (2002) 252÷260.
• [13] Pertek A., Kulka M.: Microstructure and properties of composite (B+C) diffusion layers on low-carbon steel. Journal of Materials Science 38 (2003) 269÷273.
• [14] Pertek A., Kulka M.: Two-step treatment carburizing followed by boriding on medium-carbon steel. Surface and Coatings Technology 173 (2003) 309÷314.
• [15] 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) 161÷171.
• [16] Kulka M., Pertek A., Klimek L.: The influence of carbon content in the borided Fe-alloys on the microstructure of iron borides. Materials Characterization 56/3 (2006) 232÷240.
• [17] Kulka M., Pertek A: Characterization of complex (B+C+N) diffusion layers formed on chromium and nickel-based low-carbon steel. Applied Surface Science 218 (2003) 113÷122.
• [18] Kulka M., Pertek A.: Gradient formation of boride layers by borocarburizing. Applied Surface Science 254 (2008) 5281÷5290.
• [19] Gopalakrishnan P., Shankar P., Subba Rao R. V., Sundar M., Ramakrishnan S. S.: Laser surface modification of low carbon borided steels. Scripta Mater. 44 (2001) 707÷712.
• [20] Podczernjajeva I. A.: Formirovanije i svojstva poverchnostnogo sloja pri kompleksnom lazernom borirovanii uglerodistych stalej. Poroszkovaja Metallurgija 1/2 (1997) 74÷78.
• [21] Safonov A. N.: Osobiennosti borirovanija żeleza i stalej s pomoszczju nieprierywnogo CO2 – lazera. Metalovedenije i Termiceskaja Obrabotka Metallov 1 (1998) 5÷9.
• [22] Przybyłowicz K., Depczyński W., Mola R.: Modification of diffusion coatings structure by laser heat treatment. Inżynieria Materialowa 4 (1998) 1043÷1046.
• [23] Pertek A., Kulka M.: Characterization of single tracks after laser surface modification of borided 41Cr4 steel. Applied Surface Science 205/1-4 (2003) 137÷142.
• [24] Kulka M., Pertek A.: Microstructure and properties of borided 41Cr4 steel after laser surface modification with re-melting. Applied Surface Science 214 (2003) 278÷288.
• [25] Kulka M., Pertek A.: Microstructure and properties of borocarburized 15CrNi6 steel after laser surface modification. Applied Surface Science 236/1-4 (2004) 98÷105
• [26] Kulka M., Pertek A.: Laser surface modification of carburized and borocarburized 15CrNi6 steel. Materials Characterization 58/5 (2007) 461÷470.
• [27] Molian P. A., Rajasekhara H. S.: Laser glazing of boronized iron and tool steels. Surf. Eng. 2 (4) (1986) 269.
• [28] Hegewaldt F., Singheiser L., Tuerk M.: Gasborieren, Haerterei Technische Mitteilungen 39 (1984) 7÷15.