Simulation of the growth kinetics of two-phase boride layer formed on Fe during gas boriding

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

Warianty tytułu

PL

Modelowanie kinetyki wzrostu dwufazowej warstwy borków wytworzonej na żelazie podczas borowania gazowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The modelling of the boriding kinetics is considered as a necessary tool to select the suitable process parameters for obtaining boride layer of adequate thickness. Therefore, the simulation of the growth kinetics of boride layers has given much attention to simulate the boriding kinetics for last years. The majority of the published works described the kinetics of process during pack-boriding or paste-boriding. During these processes the composition of boriding atmosphere could not be controlled. In this study the model of growth kinetics of two-phase boride layer (FeB + Fe 2 B) on pure Fe was proposed for gas boriding. Gas boriding ensured a constant composition of the atmosphere, and thus a constant diffusion flux from the boriding medium. The displacement of the two interfaces (FeB/ Fe 2 B and Fe 2 B/substrate) between the corresponding phases, due to a difference of the arrival flux of interstitial boron atoms to one phase, and the departure flux of the boron atoms from this phase to the other phase, was analyzed (Fig. 1). The mass balance equations were formulated. The measurements of the thickness of both zones (FeB and Fe 2 B), for different temperature of boriding, were used for calculations. Basing on the experimental data the parabolic growth constants A FeB and B Fe2B were determined versus the temperature of boriding (Fig. 3). The linear dependences of parabolic growth constants on temperature were accepted. As a consequence, the activation energies (Q FeB and Q Fe2B ) were calculated. The calculated values were comparable with other data derived from gas boriding. The presented model can be applied to predict the thickness of the FeB and Fe 2 B zones (X FeB and Y Fe2B , respectively) formed on pure Fe during gas boriding.

PL

Modelowanie kinetyki borowania jest niezbędnym narzędziem doboru odpowiednich parametrów procesu dla otrzymywania warstw borowanych o określonej grubości. Symulacji kinetyki wzrostu warstw borkowych poświęcano w ostatnich latach wiele uwagi. Większość publikowanych prac opisywała kinetykę procesu podczas borowania proszkowego i w pastach. Podczas tych procesów skład atmosfery borującej nie mógł być kontrolowany. W prezentowanej pracy zaproponowano model kinetyki wzrostu dwufazowej warstwy borkowej (FeB + Fe 2 B) na czystym żelazie w procesie borowania gazowego. Borowanie gazowe zapewniało stały skład atmosfery, a zatem stały strumień dyfuzji z borującego medium. Analizowano przemieszczenie dwóch granic międzyfazowych (FeB/Fe 2 B i Fe 2 B/podłoże) wynikające z różnicy strumienia dyfuzyjnego atomów boru dostarczanego do określonej fazy i strumienia atomów boru przemieszczających się z tej fazy do innej fazy (rys. 1). Sformułowano równania bilansu masy. Do obliczeń wykorzystano pomiary grubości stref FeB i Fe 2 B otrzymane dla różnej temperatury borowania. Na podstawie danych doświadczalnych wyznaczono paraboliczne stałe wzrostu A FeB i B Fe2B (odpowiednio dla borków: FeB i Fe 2 B) w funkcji stosowanej temperatury borowania (rys. 3). Stwierdzono liniowe zależności parabolicznych stałych wzrostu od temperatury. W rezultacie obliczono energie aktywacji ( Q FeB i Q Fe2B ). Otrzymane wartości były porównywalne z innymi danymi pochodzącymi z analizy borowania gazowego. Prezentowany model może być stosowany do prognozowania grubości stref borków FeB i Fe 2 B (odpowiednio: X FeB i Y Fe2B ) na czystym żelazie podczas borowania gazowego.

Słowa kluczowe

EN

gas boriding; two-phase boride layer; growth kinetics of the layer

PL

borowanie gazowe; warstwa borków dwufazowa; kinetyka wzrostu warstwy

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 33, nr 5
• Strony: 444--447
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kulka M.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

autor

Pertek A.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

autor

Małdziński L.

• Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych, Politechnika Poznańska

autor

Makuch N.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

Bibliografia

• [1] Wagner C.: [in] W. Jost: Diffusion in solids, liquids and gases. Academic Press Inc., New York (1960) 71÷72.
• [2] Brakman G., Gommers A. W. J., Mittemeijer E. J.: Boriding of Fe and Fe-C, Fe-Cr and Fe-Ni alloys. Boride-layer growth kinetics. J. Mater. Res. 4 (6) (1989) 1354÷1370.
• [3] Fromm E.: Diffusionskontrolliertes Wachstum Zweiphasiger Deckschichten in binaren Systemen. Z. Metallkd. 57 (1966) 60÷65.
• [4] Hillert M., Waldenstroem M.: Gibbs energy of solid solutions of C, Cr, Mn, Mo and Ni in Fe. Scandinavian Journal of Metallurgy 6 (1977) 211÷218.
• [5] Kidson G. V.: Some aspects of the growth of diffusion layers in binary systems. J. Nucl. Mater. 3 (1961) 21÷29.
• [6] Roy U.: Phase boundary motion and polyphase diffusion in binary metalinterstitial systems. Acta Metall. 16 (1968) 243÷253.
• [7] Sarkhel A. K., Seigle L. L.: Solution of binary multiphase diffusion problems allowing for variable diffusivity, with application to the aluminization of nickel. Metall. Trans. A 7A (1976) 899÷902.
• [8] Shatynski S. R., Hirth J. P., Rapp R. A.: A theory of multiphase binary diffusion. Acta Metall. 24 (1976) 1071÷1078.
• [9] Wagner C.: Evaluation of data obtained with diffusion couples of binary single-phase and multiphase systems. Acta Metall. 17 (1969) 99÷107.
• [10] Wiliams D. S., Rapp R. A., Hirth J. P.: Multilayer diffusional growth in silver-zinc alloys. Metall. Trans. A 12A (1981) 639÷652.
• [11] Keddam M., Chentouf S. M.: A diffusion model for describing the bilayer growth (FeB/Fe2B) during the iron powder-pack boriding. Appl. Surf. Sci. 252 (2005) 393÷399.
• [12] Keddam M.: Simulation of the growth kinetics of FeB and Fe2B phases on the AISI M2 borided steel: effect of the paste thickness. Int. J. Mater. Res. 100 (2009) 901÷905.
• [13] Kayacan O., Sahin S., Tastan F.: A study for boronizing process with nonextensive thermostatistics. Math. Comput. Appl. 15 (2010) 14÷24.
• [14] Ramdan R. D., Takaki T., Yashiro K., Tomita Y.: The effects of structure orientation on the growth of Fe2B boride by multiphase-field simulation. Mater. Trans. 51 (2010) 62÷67.
• [15] Ramdan R. D., Takaki T., Tomita Y.: Free energy problem for the simulations of the growth of Fe2B phase using phase-field method. Mater. Trans. 49 (2008) 2625÷2631.
• [16] Keddam M.: Growth kinetics of Fe boride layers: application of a diffusion model. Defect Diffus. Forum 273-276 (2008) 318÷322.
• [17] Campos I., Islas M., Ramirez G., Zuniga L., VillaVelazquez C., Mota C.: Growth kinetics of borided layers: artificial neural network and least square approaches. Appl. Surf. Sci. 253 (2007) 6226÷6231.
• [18] Campos I., Ramirez G., Figueroa U., Velazquez C. V.: Paste boriding process: evaluation of boron mobility on borided steels. Surf. Eng. 23 (2007) 216÷222.
• [19] Campos I., Ramirez G., Figueroa U., Martinez J., Morales O.: Evaluation of boron mobility on the phases FeB, Fe2B and diffusion zone in AISI 1045 and M2 steels. Appl. Surf. Sci. 253 (2007) 3469÷3475.
• [20] Campos-Silva I., Ortiz-Dominguez M., Keddam M., Lopez-Perrusquia N., Carmona-Vargas A., Elias-Espinosa M.: Kinetics of the formation of Fe2B layers in gray cast iron: effects of boron concentration and boride incubation time. Appl. Surf. Sci. 255 (2009) 9290÷9295.
• [21] Keddam M.: Computer simulation of monolayer growth kinetics of Fe2B phase during the paste-boriding process: influence of the paste thickness. Appl. Surf.Sci. 253 (2006) 757÷761.
• [22] Campos I., Bautista O., Ramirez G., Islas M., de La Parra J., Zuniga L.: Effect of boron paste thickness on the growth kinetics of Fe2B boride layers during the boriding process. Appl. Surf. Sci. 243 (2005) 429÷436.
• [23] Yu L. G., Chen X. J., Khor K. A.: FeB/Fe2B phase transformation during SPS pack-boriding: boride layer growth kinetics. Acta Mater. 53 (2005) 2361÷2368.
• [24] Keddam M.: A kinetic model for the borided layers by the paste-boriding process. Appl. Surf. Sci. 236 (2004) 451÷455.
• [25] Campos I., Oseguera J., Figueroa U., Garcia J. A., Bautista O., Keleminis G.: Kinetic study of boron diffusion in the paste-boriding process. Mater. Sci. Eng. A 352 (2003) 261÷265.
• [26] Kukharev D. S., Fizenko S. P., Shabunya S. I.: Mathematical simulation of borating of iron. II. J. Eng. Phys. Therm. 69 (1996) 187÷193.
• [27] Keddam M.: Simulation of the growth kinetics of the (FeB/Fe2B) bilayer obtained on a borided stainless steel. Applied Surface Science 257 (2011) 2004÷2010.
• [28] Pertek A.: The structure formation and the properties of boronized layers obtained in gaseous boriding process. Poznan University of Technology, Dissertation No. 365, Poznan (2001).
• [29] Pertek A., Kulka M.: Characterization of complex (B+C) diffusion layers formed on chromium and nickel-based low-carbon steel. Appl. Surf. Sci. 202 (2002) 252÷260.
• [30] Pertek A., Kulka M.: Microstructure and properties of composite (B+C) diffusion layers on low-carbon steel. J. Mater. Sci. 38 (2003) 269÷273.
• [31] Pertek A., Kulka M.: Two-step treatment carburizing followed by boriding on medium-carbon steel. Surf. Coat. Technol. 173 (2003) 309÷314.
• [32] Kulka M., Pertek A.: The importance of carbon content beneath iron borides after boriding of chromium and nickel-based low carbon steel. Appl. Surf. Sci. 214 (2003) 161÷171.
• [33] Kulka M., Pertek A., Klimek L.: The influence of carbon content in the borided Fe-alloys on the microstructure of iron borides. Mater. Charact. 56/3 (2006) 232÷240.
• [34] Kulka M., Pertek A.: Characterization of complex (B+C+N) diffusion layers formed on chromium and nickel-based low-carbon steel. Appl. Surf. Sci. 218 (2003) 113÷122.
• [35] Kulka M., Pertek A.: Gradient formation of boride layers by borocarburizing. Appl. Surf. Sci. 254 (2008) 5281÷5290.
• [36] Kulka M., Pertek A., Makuch N.: The importance of carbon concentrationdepth profile beneath iron borides for low-cycle fatigue strength. Mater. Sci. Eng. A 528 (2011) 8641÷8650.
• [37] Plänitz H., Treffer G., König H., Marx G.: Zum Einfluss von Temperatur und Zeit auf die Erzeugung von Eisenboridschichten aus der Gasphase. Neue Hütte 27 (1982) 228÷230.