Influence of boriding and aluminizing processes on the structure and properties of low-carbon steels

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Boriding and aluminizing are among the effective methods for improving the performance properties (corrosion resistance, heat resistance and wear resistance) of machine parts and tools. Solid-phase methods of carrying out techniques of thermochemical treatment (TCT) require long-term exposure at elevated temperatures, which negatively affects the structure and properties of the base material. From these positions, the selection of reasonable temperature-time parameters of solid-phase boriding and aluminizing processes is an urgent task. The purpose of this work is to assess the effect of low-temperature boriding and aluminizing processes on the structure and microhardness of diffusion layers on the surface of low-carbon steels. The paper considers two grades of steels with a carbon content of up to 0.4%: low-carbon steel St3 and alloy steel 3Cr2W8V. The use of the second steel is due to the need to identify the effect of alloying elements in steel on the thickness of diffusion layers and its composition. Powder mixtures based on boron carbide and aluminum carbide are selected as sources of boron and aluminum. Results and discussions. It is found at a process temperature of 900 °C and holding for 2 hours after boriding, iron borides are formed on the surface of both steels. At the same time, two borides FeB and Fe2B are detected on St3 steel by X-ray phase analysis (XRD), and only the Fe2B phase is detected on 3Cr2W8V steel. After aluminizing, aluminum-containing phases such as Al5Fe2, Na3AlF6 and Al2O3 are formed in both steels. The thickness of the resulting diffusion layer on St3 after boriding is 35 μm, after aluminizing – 65 μm. The thickness of the diffusion layer on 3Cr2W8V steel is equal to 15 μm after boriding and 50 μm after aluminizing, which is significantly less than on carbon steel and is obviously due to the effect of alloying elements. It is established that TCT leads to a significant increase in the microhardness of the samples surface. Thus, the maximum microhardness of St3 steel increased to 2,000 HV, and the maximum microhardness of 3Cr2W8V steel increased to 1,700 HV after boriding. The microhardness after aluminizing is comparable for both steels and is equal to 1,000-1,100 HV. Elemental analysis of the upper sections of the diffusion layers shows that the content of boron (7-9%) and aluminum (50-53%) corresponds to the detected XRD iron borides and aluminides. In all cases, there is a gradual decrease in the diffusing elements in the direction from the surface to the base.

About the authors

P. A. Gulyashinov

Email: gulpasha@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Baikal Institute of Nature Management Siberian branch of the Russian Academy of sciences, 6 Sakhyanovoy str., Ulan-Ude, 670047, Russian Federation, gulpasha@mail.ru

U. L. Mishigdorzhiyn

Email: undrakh@ipms.bscnet.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Physical Material Science of the Siberian Branch of the RAS, 6 Sakhyanovoy str., Ulan-Ude, 670047, Russian Federation, undrakh@ipms.bscnet.ru

N. S. Ulakhanov

Email: nulahanov@mail.ru
1. Institute of Physical Material Science of the Siberian Branch of the RAS, 6 Sakhyanovoy str., Ulan-Ude, 670047, Russian Federation; 2. East Siberia State University of Technology and Management, 40V Kluchevskaya str, Ulan-Ude, 670013, Russian Federation; nulahanov@mail.ru

References

  1. Ворошнин Л.Г., Менделеева О.Л., Сметкин В.А. Теория и технология химико-термической обработки. – М.: Новое знание, 2010. – 304 с. – ISBN 978-5-94735-149-1.
  2. Kulka M. Trends in thermochemical techniques of boriding // Kulka M. Current trends in boriding: Techniques. – Cham, Switzerland: Springer, 2019. – P. 17–98. – (Engineering materials). – doi: 10.1007/978-3-030-06782-3_4.
  3. Atul S.C., Adalarasan R., Santhanakumar M. Study on slurry paste boronizing of 410 martensitic stainless steel using taguchi based desirability analysis (TDA) // International Journal of Manufacturing, Materials, and Mechanical Engineering. – 2015. – Vol. 5. – P. 64–77. – doi: 10.4018/IJMMME.2015070104.
  4. Nakajo H, Nishimoto A. Boronizing of CoCrFeMnNi high-entropy alloys using spark plasma sintering // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2022. – Vol. 6. – P. 29. – doi: 10.3390/jmmp6020029.
  5. Campos-Silva I.E., Rodriguez-Castro G.A. Boriding to improve the mechanical properties and corrosion resistance of steels // Thermochemical Surface Engineering of Steels. – 2015. – Vol. 62. – P. 651–702. – doi: 10.1533/9780857096524.5.651.
  6. E?ect of aluminizing and oxidation on the thermal fatigue damage of hot work tool steels for high pressure die casting applications / M. Salem, S. Le Roux, G. Dour, P. Lamesle, K. Choquet, F. Rézaï-Aria // International Journal of Fatigue. – 2019. – Vol. 119. – P. 126–138. – doi: 10.1016/j.ijfatigue.2018.09.018.
  7. Formation and phase transformation of aluminide coating prepared by low-temperature aluminizing process / Y. Sun, J. Dong, P. Zhao, B. Dou // Surface and Coatings Technology. – 2017. – Vol. 330. – P. 234–240. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2017.10.025.
  8. Повышение электрической прочности ускоряющего зазора в источнике электронов с плазменным катодом / В.И. Шин, П.В. Москвин, М.С. Воробьев, В.Н. Девятков, С.Ю. Дорошкевич, Н.Н. Коваль // Приборы и техника эксперимента. – 2021. – № 2. – С. 69–75. – doi: 10.31857/S0032816221020191.
  9. Разработка физических основ комплексного электронно-ионно-плазменного инжиниринга поверхности материалов и изделий / Ю.Ф. Иванов, Н.Н. Коваль, Е.А. Петрикова, О.В. Крысина, В.В. Шугуров, Ю.Х. Ахмадеев, И.В. Лопатин, А.Д. Тересов, О.С. Толкачев // Наукоемкие технологии в проектах РНФ. Сибирь / под ред. С.Г. Псахье, Ю.П. Шаркеева. – Томск, 2017. – Гл. 1. – С. 5–35. – ISBN 978-5-89503-607-5.
  10. Эволюция структуры поверхностного слоя стали, подвергнутой электронно-ионно-плазменным методам обработки / под ред. Н.Н. Коваля, Ю.Ф. Иванова. – Томск: Изд-во НТЛ, 2016. – 298 с. – ISBN 978-5-89503-577-1.
  11. Sizov I.G., Smirnyagina N.N., Semenov A.P. The structure and properties of boride layers obtained as a result of electron-beam chemical-thermal treatment // Metal Science and Heat Treatment. – 2001. – Vol. 11. – P. 45–46.
  12. Zenker R. Electron beam surface technologies // Encyclopedia of Tribology / Q.J. Wang and Y.-W. Chung (Eds.). – Boston, MA: Springer, 2013. – ISBN 978-0-387-92898-2. – doi: 10.1007/978-0-387-92897-5_723.
  13. Microstructural and mechanical properties of B-Cr coatings formed on 145Cr6 tool steel by laser remelting of diffusion borochromized layer using diode laser / A. Bartkowska, D. Bartkowski, D. Przestacki, J. Hajkowski, A. Miklaszewski // Coatings. – 2021. – Vol. 11. – P. 608. – doi: 10.3390/coatings11050608.
  14. Microstructure and wear behavior of tungsten hot-work steel after boriding and boroaluminizing / U. Mishigdorzhiyn, Y. Chen, N. Ulakhanov, H. Liang // Lubricants. – 2020. – Vol. 8, iss. 3. – P. 26. – doi: 10.3390/lubricants8030026.
  15. Гуляшинов П.А., Мишигдоржийн У.Л., Улаханов Н.С. Влияние механоактивации порошковой смеси на структуру и свойства бороалитированных малоуглеродистых сталей // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 4. – С. 151–162. – doi: 10.17212/1994-6309-2020-22.4-151-162.
  16. Рябов В.Р. Алитирование стали. – М.: Металлургия, 1973. – 240 с.
  17. Даненко В.Ф., Гуревич Л.М., Понкратова Г.В. О влиянии алитирования на структуру и свойства стали Ст3 // Известия ВолгГТУ. – 2014. – № 9. – С. 30–34.
  18. Скориков А.В., Ульяновская Э.В. Кинетика процесса поверхностного алитирования порошковых сталей // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. – 2018. – № 3 (199). – С. 134–139. – doi: 10.17213/0321-2653-2018-3-134–139.
  19. Структура и фазовый состав защитных покрытий на стали, полученных методами жидкофазного алитирования / И.Г. Бродова, И.Г. Ширинкина, Ю.П. Зайков, В.А. Ковров, Ю.М. Штефанюк, В.В. Пингин, Д.А. Виноградов, М.В. Голубев, Т.И. Яблонских, В.В. Астафьев // Физика металлов и металловедение. – 2015. – Т. 116, № 9. – С. 928–936. – doi: 10.7868/S0015323015090041.
  20. Jurci P., Hudáková M. Diffusion boronizing of H11 hot work tool steel // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2011. – Vol. 20. – P. 1180–1187. – doi: 10.1007/s11665-010-9750-x.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».