Structure and properties of low carbon steel after plasma-jet hard-facing of boron-containing coating

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. One of the effective thermochemical methods for increasing the hardness of steel is boronizing by diffusion of boron atoms into the steel surface at high temperatures. As a result of boronizing, coatings are formed on the steel surface, consisting of columnar crystals of FeB and Fe2B. The volume fraction of phases and the thickness of the coatings depend on the heating temperature and the chemical composition of the base material and the saturating medium. The main disadvantage of these boronized layers is its high brittleness. Boronizing by plasma heating is one of the alternatives to the diffusion boronizing process to minimize the brittleness of the boronized layer. The purpose of the work: to form boride coatings on low-carbon steel using plasma-jet hard-facing. The research methods are: determination of the content of chemical elements using an electron probe micro-analyzer, metallographic studies, analysis of the phase composition of the boronized layer, as well as measurement of the microhardness of the coating after plasma-jet hard-facing. In this work boronized layers obtained on low-carbon steel 20 by plasma-jet hard-facing of a boron-containing coating are studied. Powdered amorphous boron was used as an alloying element. The parameter varied during plasma-jet hard-facing process is the current strength (120 A, 140 A and 160 A). Results and discussions. Based on the studies performed, it is found that it is possible to form boronized layers on the steel surface using plasma-jet hard-facing method. It is noted that the surface layer of the coating of the 1st and 2nd specimens after plasma-jet hard-facing has a heterogeneous structure, consisting of rows of different zones. The first zone has a hypereutectic structure, which consists of primary borides FeB and Fe2B, located in the eutectic, consisting of Fe2B and α-Fe. The second zone above the boundary with the base metal is represented by eutectic colonies composed of Fe2B and α-Fe. The third specimen is characterized by a hypoeutectic structure consisting of boride eutectic and primary dendrites of the α-solid solution of boron in iron. The maximum hardness is fixed on the surface of the first specimen and is 1,575 HV. The depth of the hardened layer increases with increasing current, but the hardness value and boron content decrease after treatment. The slight hardness gradient observed over the depth of the coating, as well as the gradual decrease in hardness due to the presence of the transition zone, are considered favorable for good adhesion of the boronized layer to the surface of the base material.

About the authors

A. E. Balanovsky

Email: fuco.64@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontova st., Irkutsk, 664074, Russian Federation, fuco.64@mail.ru

V. V. Nguyen

Email: nguyenvanvinh190596@gmail.com
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontova st., Irkutsk, 664074, Russian Federation, nguyenvanvinh190596@gmail.com

N. A. Astafeva

Email: anstella@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontova st., Irkutsk, 664074, Russian Federation, anstella@mail.ru

R. Yu. Gusev

Email: deltadota_99@mail.ru
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontova st., Irkutsk, 664074, Russian Federation, deltadota_99@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. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Yan P.X., Su Y.C. Metal surface modification by B-C-nitriding in a two-temperature-stage process // Materials Chemistry and Physics. – 1995. – Vol. 39, iss. 4. – P. 304–308. – doi: 10.1016/0254-0584(94)01444-L.
  6. Structural and strength characterization of steels subjected to bonding thermochemical process / E. Meléndez, I. Campos, E. Rocha, M.A. Barrón // Materials Science and Engineering: A. – 1997. – Vol. 234–236. – P. 900–903. – doi: 10.1016/S0921-5093(97)00389-4.
  7. Bindal C., Üçisik A.H. Characterization of borides formed on impurity-controlled chromium-based low alloy steels // Surface and Coatings Technology. – 1999. – Vol. 122, iss. 2–3. – P. 208–213. – doi: 10.1016/S0257-8972(99)00294-7.
  8. Ворошнин Л.Г. Борирование промышленных сталей и чугунов: справочное пособие. – Минск: Беларусь, 1981. – 205 с.
  9. Lin L., Han K. Optimization of surface properties by flame spray coating and boriding // Surface and Coatings Technology. – 1998. – Vol. 106, iss. 2–3. – P. 100–105. – doi: 10.1016/S0257-8972(98)00501-5.
  10. Kim H.-J., Grossi S., Kweon Y.-G. Wear performance of metamorphic alloy coatings // Wear. – 1999. – Vol. 232, iss. 1. – P. 51–60. – doi: 10.1016/S0043-1648(99)00160-X.
  11. Eroglu M. Boride coatings on steel using shielded metal arc welding electrode: Microstructure and hardness // Surface and Coatings Technology. – 2009. – Vol. 203, iss. 16. – P. 2229–2235. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2009.02.010.
  12. Bourithis L., Papadimitriou G. Boriding a plain carbon steel with the plasma transferred arc process using boron and chromium diboride powders: microstructure and wear properties // Materials Letters. – 2003. – Vol. 57, iss. 12. – P. 1835–1839. – doi: 10.1016/S0167-577X(02)01077-7.
  13. 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.
  14. Characteristics and abrasive wear resistance of plasma alloyed layers based on tin bronze and chromium carbide / A.E. Balanovskiy, Nguyen Van Trieu, Nguyen Van Vinh, N.A. Astafieva // Tribology in Industry. – 2022. – Vol. 44 (3). – P. 518–527. – doi: 10.24874/ti.1274.03.22.06.
  15. Kulka M., Pertek A. Microstructure and properties of borocarburized 15CrNi6 steel after laser surface modification // Applied Surface Science. – 2004. – Vol. 236, iss. 1–4. – P. 98–105. – doi: 10.1016/j.apsusc.2004.04.005.
  16. Glozman A., Bamberger M. Phase transitions and microstructure of a laser-induced steel surface alloying // Metallurgical and materials transactions. A. – 1997. – Vol. 28. – P. 1699–1703. – doi: 10.1007/s11661-997-0261-9.
  17. Laser surface modification of low carbon borided steels / P. Gopalakrishnan, P. Shankar, R.V. Subba Rao, M. Sundar, S.S. Ramakrishnan // Scripta Materialia. – 2001. – Vol. 44, iss. 5. – P. 707–712. – doi: 10.1016/S1359-6462(00)00674-6.
  18. Tayal M., Mukherjee K. Localized boriding of low-carbon steel using a Nd:YAG laser // Journal of Materials Science. – 1994. – Vol. 29, iss. 21. – P. 5699–5702. – doi: 10.1007/BF00349967.
  19. Surface modification of mild steel with Boron Carbide reinforcement by electron beam melting / M. Iqbal, I. Shaukat, A. Mahmood, K. Abbas, M.A. Haq // Vacuum. – 2010. – Vol. 85, iss. 1. – P. 45–47. – doi: 10.1016/j.vacuum.2010.03.009.
  20. Bourithis L., Papaefthymiou S., Papadimitriou G.D. Plasma transferred arc boriding of a low carbon steel: microstructure and wear properties // Applied Surface Science. – 2002. – Vol. 200. – P. 203–218. – doi: 10.1016/S0169-4332(02)00901-7.

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».