The effect of borocoppering duration on the composition, microstructure and microhardness of the surface of carbon and alloy steels

Abstract

Introduction. Borocoppering is one of the methods of thermochemical treatment (TCT) aimed at forming diffusion layers with high physical and mechanical properties on the surface of carbon and alloy steels. The thickness of the diffusion layer is the most important characteristic of the TCT, which determines the depth of hardening. Consequently, the intensity and main characteristics of the TCT (layer thickness, alloying element concentration profile) depend on the process conditions (temperature, duration, and amount of alloying element). The purpose of this work is to determine the temperature-time parameters of diffusion borocoppering, which contribute to the formation of diffusion layers with a maximum thickness. The paper considers the results of surface hardening of carbon and alloy steels (for example, Steel 45 (0.45% C), Steel U10 (1.0% C), and 0.5C-Cr-Ni-Mn steel) by high-temperature soaking in powder mixtures containing boron and copper. Borocoppering was carried out in sealed containers with the powder mixture consisting of boron carbide, copper oxide, and sodium fluoride as an activator at a temperature of 950 °C for 3–5 h. The resulting specimens with a diffusion layer were examined using an optical microscope and a scanning electron microscope (SEM); the microhardness, elemental and phase composition of the layers were also determined, as well as the roughness of the obtained surfaces. Results and discussions. The microstructure of the obtained diffusion layers is studied; diagrams of the changes in the layers’; thickness and the microhardness distribution over the layers’; thickness are shown. It is established that with an increase in the soaking time from 3 to 5 h, the thickness of the diffusion layer increases from 120 to 170 μm on Steel 45 (0.45% C); from 110 to 155 µm on Steel U10 (1.0% C) and from 130 to 230 µm on 0.5C-Cr-Ni-Mn steel. A gradual decrease in the concentration of boron and copper along the layer thickness from 15–16% and 2–3% on the surface, respectively, to zero values at the boundary with the base metal is revealed. It is established that borocoppering to the formation of more thick boride layers on the surface of carbon and alloy steels compared to pure boriding. Moreover, an increase in the duration of soaking during the process contributes to the greatest increase in the thickness of the layer on 0.5C-Cr-Ni-Mn steel. A study of microgeometry is carried out, microtopographies and profilograms of specimens’; surfaces are shown before and after borocoppering. It is established that the roughness after borocoppering increases by 2-3 times compared to the initial one, and an increase in the duration of the process does not have a significant effect on the roughness.

About the authors

S. A. Lysykh

Email: lysyh.stepa@yandex.ru
Institute of Physical Material Science of the Siberian Branch of the RAS, 6 Sakhyanovoy str., Ulan-Ude, 670047, Russian Federation, lysyh.stepa@yandex.ru

V. N. Kornopoltsev

Email: kompo@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, kompo@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

Y. P. Kharaev

Email: kharaev@inbox.ru
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, East Siberia State University of Technology and Management, 40V Kluchevskaya str, Ulan-Ude, 670013, Russian Federation, kharaev@inbox.ru

A. G. Tikhonov

Email: tihonovalex90@mail.ru
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov str., Irkutsk, 664074, Russian Federation, tihonovalex90@mail.ru

V. V. Ivancivsky

Email: ivancivskij@corp.nstu.ru
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, ivancivskij@corp.nstu.ru

N. V. Vakhrushev

Email: vah_nikit@mail.ru
Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, vah_nikit@mail.ru

References

  1. Busby P.E., Warga M.E., Wells C. Diffusions and solubility of boron in iron and steel // JOM. – 1953. – Vol. 5. – P. 1463–1468. – doi: 10.1007/BF03397637.
  2. Boriding of steel: improvement of mechanical properties – a review / M. Prince, G. Surya Raj, D. Yaswanth Kumar, P. Gopalakrishnan // High Temperature Material Processes. – 2022. – Vol. 26 (2). – P. 43–89. – doi: 10.1615/HighTempMatProc.2022041805.
  3. Шевчук Е.П., Плотников В.А., Бектасова Г.С. Диффузия бора при борировании углеродистой стали // Известия Алтайского государственного университета. – 2021. – № 1 (117). – С. 64–65. – doi: 10.14258/izvasu(2021)1-10.
  4. FeB/Fe2B phase transformation during SPS pack-boriding: Boride layer growth kinetics / L.G. Yu, X.J. Chen, K.A. Khor, G. Sundararajan // Acta Materialia. – 2005. – Vol. 53. – P. 2361–2368. – doi: 10.1016/j.actamat.2005.01.043.
  5. A microstructure comparison of Iron borides formed on AISI 1040 and D2 steels / J. Bernal-Ponce, A. Irvin-Martinez, E. Vera-Cardenas, A. Garcia-Barrientos, A. Medina-Flores, L. Bejar-Gomez, S. Borjas-Garcia // Microscopy and Microanalysis. – 2015. – Vol. 21, suppl. 3. – P. 1759–1760. – doi: 10.1017/S1431927615009575.
  6. Мишустин Н.М., Иванайский В.В., Ишков А.В. Состав, структура и свойства износостойких покрытий, полученных на сталях 65Г и 50ХГА при скоростном ТВЧ-борировании // Известия Томского политехнического университета. – 2012. – Т. 320, № 2. – С. 68–72.
  7. Балановский А.Е., Ву В. Плазменная поверхностная цементация с использованием графитового покрытия // Письма о материалах. – 2017. – Т. 7, № 2. – С. 175–179. – doi: 10.22226/2410-3535-2017-2-175-179.
  8. Comparative evaluation of austenite grain in high-strength rail steel during welding, thermal processing and plasma surface hardening / A.D. Kolosov, V.E. Gozbenko, M.G. Shtayger, S.K. Kargapoltsev, A.E. Balanovskiy, A.I. Karlina, A.V. Sivtsov, S.A. Nebogin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560. – doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012185.
  9. Study of matrix and rare elements in ash and slag waste of a thermal power plant concerning the possibility of their extraction / T.G. Cherkasova, E.V. Cherkasova, A.V. Tikhomirova, N.V. Gilyazidinova, R.V. Klyuev, N.V. Martyushev, A.I. Karlina, V.Yu. Skiba // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1324–1330. – doi: 10.1007/s11015-022-01278-2.
  10. Influence of welding regimes on structure and properties of steel 12KH18N10T weld metal in different spatial positions / R.A. Mamadaliev, P.V. Bakhmatov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1255–1264. – doi: 10.1007/s11015-022-01271-9.
  11. Alloying and modification of iron-carbon melts with natural and man-made materials / O.I. Nokhrina, R.A. Gizatulin, M.A. Golodova, I.E. Proshunin, D.V. Valuev, N.V. Martyushev, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1429–1448. – doi: 10.1007/s11015-022-01289-z.
  12. Strengthening of metallurgical equipment parts by plasma surfacing in nitrogen atmosphere / N.N. Malushin, N.V. Martyushev, D.V. Valuev, A.I. Karlina, A.P. Kovalev, R.A. Gizatulin // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1468–1475. – doi: 10.1007/s11015-022-01292-4.
  13. Balanovskiy A.E., Van Huy V. Estimation of wear resistance of plasma-carburized steel surface in conditions of abrasive wear // Journal of Friction and Wear. – 2018. – Vol. 39. – P. 311–318. – doi: 10.3103/S1068366618040025.
  14. Surface hardening of structural steel by cathode spot of welding arc / A.Е. Balanovskiy, M.G. Shtayger, А.I. Karlina, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, Yu.I. Karlina, A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560. – P. 012138. – doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012138.
  15. Nguyen V.T., Astafeva N.A., Balanovskiy A.E. Study of the formation of the alloyed surface layer during plasma heating of mixtures of Cu-Sn CrXCY alloys // Tribology in Industry. – 2021. – Vol. 43. – P. 386–396. – doi: 10.24874/ti.1070.03.21.05.
  16. Non-vacuum electron-beam boriding of low-carbon steel / I.A. Bataev, A.A. Bataev, M.G. Golkovsky, A.Yu. Teplykh, V.G. Burov, S.V. Veselov // Surface and Coatings Technology. – 2012. – Vol. 207. – P. 245–253. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2012.06.081.
  17. Structure of surface layers produced by non-vacuum electron beam boriding / I.A. Bataev, A.A. Bataev, M.G. Golkovski, D.S. Krivizhenko, A.A. Losinskaya, O.G. Lenivtseva // Applied Surface Science. – 2013. – Vol. 284, iss. 2. – P. 472–481. – doi: 10.1016/j.apsusc.2013.07.121.
  18. 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.
  19. 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.
  20. Laser surface modification of boronickelized medium carbon steel / A. Bartkowska, A. Pertek, M. Kulka, L. Klimek // Optics and Laser Technology. – 2015. – Vol. 74. – P. 145–157. – doi: 10.1016/j.optlastec.2015.05.014.
  21. Исследование формирования диффузионных слоев на стали 20 при одновременном насыщении бором и медью / С.А. Лысых, Ю.П. Хараев, В.Н. Корнопольцев, В.А. Бутуханов // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 9. – С. 56–60. – URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37159 (дата обращения: 06.02.2023).
  22. Формирование диффузионных слоев и исследование шероховатости при комплексном насыщении поверхности стали 5ХНМ бором и медью / С.А. Лысых, Ю.П. Хараев, В.Н. Корнопольцев, Х.С. Чжун, Б.Д. Лыгденов, А.М. Гурьев // Ползуновский вестник. – 2020. – № 3. – С. 77–82. – doi: 10.25712/ASTU.2072-8921.2020.03.013.
  23. Хараев Ю.П., Корнопольцев В.Н., Лысых С.А. Определение состава смеси при поверхностном упрочнении стали бором и медью // Ползуновский альманах. – 2016. – № 4. – С. 142–144.
  24. Модификация поверхностного слоя штамповых сталей созданием B-Al-слоев химико-термической обработкой / Н.С. Улаханов, У.Л. Мишигдоржийн, А.Г. Тихонов, А.И. Шустов, А.С. Пятых // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2021. – Т. 1, № 12 (204). – С. 557–564. – doi: 10.36652/1813-1336-2021-17-12-557-564.
  25. Pyatykh A., Savilov A., Timofeev S. Investigation of Hadfield steel machinability in milling operations // Key Engineering Materials. – 2022. – Vol. 910. – P. 123–128. – doi: 10.4028/p-8p4ud2.
  26. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1985. – 256 с.
  27. Лабунец В.Ф., Ворошнин Л.Г., Киндарчук М.В. Износостойкие боридные покрытия. – Киев: Техника, 1989. – 253 с.
  28. Гузанов Б.Н., Косицын С.В., Пугачева Н.Б. Упрочняющие защитные покрытия в машиностроении. – Екатеринбург: УрО РАН, 2004. – 244 с. – ISBN 5-7691-1405-3.
  29. Кайдаш Н.Г., Четверикова Л.Н. Структура и свойства боридосилицидных покрытий на железе и стали // Вестник Черкасского национального университета. Серия: Физико-математические науки. – 2007. – № 114. – С. 89–115.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


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».