The structure, phase composition, and residual stresses of diffusion boride layers formed by thermal-chemical treatment on the die steel surface

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Control and management of technological residual stresses (TRS) are among the most critical mechanical engineering technology tasks. Boriding can provide high physical and mechanical properties of machine parts and tools with minimal impact on the stress state in the surface layers. The purpose of this work is to determine the temperature modes of diffusion boriding, contributing to a favorable distribution of TRS in the surface layer of die steel 3Kh2V8F. The paper considers the results of studies on the TRS determination by the experimental method on the UDION-2 installation in diffusion layers on the studied steel surface. Boriding was carried out in containers with a powder mixture of boron carbide and sodium fluoride as an activator at a temperature of 950 °C and 1050 °C for 2 hours. The obtained samples of steels with a diffusion layer were examined using an optical microscope and a scanning electron microscope (SEM); determined the layers' microhardness, elemental, and phase composition. The experiments resulted in the following findings: as the boriding temperature rose from 950 °C to 1050 °C, the diffusion layer's thickness increased from 20 to 105 μm. The low-temperature mode of thermal-chemical treatment (TCT) led to the formation of iron boride Fe2B with a maximum boron content of 6 % and a microhardness up to 1250 HV. A high-temperature mode resulted in FeB formation with a top boron content of 11 % and a microhardness up to 1880 HV. Results and Discussions. It is found that boriding at 950 °C led to a more favorable distribution of compression TRS in the diffusion layer. However, significant TRS fluctuations in the diffusion layer and the adjacent (transitional) zone could affect the operational properties after TCT at a given temperature. An increase in the TCT temperature led to tensile TRS's appearance in the layer's upper zone at a depth of up to 50 μm from the surface. Despite tensile stresses on the diffusion layer surface after high-temperature TCT, the distribution of TCT is smoother than low-temperature boriding.

About the authors

U. L. Mishigdorzhiyn

Email: undrakh@ipms.bscnet.ru
Ph.D. (Engineering), 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, 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

A. G. Tikhonov

Email: tihonovalex90@mail.ru
1. East Siberia State University of Technology and Management, 40V Kluchevskaya str, Ulan-Ude, 670013, Russian Federation; 2. Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov str., Irkutsk, 664074, Russian Federation, tihonovalex90@mail.ru

P. A. Gulyashinov

Email: gulpasha@mail.ru
Ph.D. (Engineering), 1. East Siberia State University of Technology and Management, 40V Kluchevskaya str, Ulan-Ude, 670013, Russian Federation; 2. Baikal Institute of Nature Management Siberian branch of the Russian Academy of sciences, 6 Sakhyanovoy str., Ulan-Ude, 670047 Russian Federation, gulpasha@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. Krukovich M.G., Prusakov B.A., Sizov I.G. Plasticity of boronized layers // Springer Series in Materials Science. – 2016. – Vol. 237. – P. 111–227. – doi: 10.1007/978-3-319-40012-9.
  3. Kulka M. Trends in thermochemical techniques of boriding // Kulka M. Current trends in boriding: Techniques. – Cham, Switzerland: Springer, 2019. – P. 17–98. – doi: 10.1007/978-3-030-06782-3_4. – (Engineering materials).
  4. Химико-термическая обработка инструментальных материалов / Е.И. Бельский, М.В. Ситкевич, Е.И. Понкратин, В.А. Стефанович; под ред. Р.И. Томилина. – Минск: Наука и техника, 1986. – 247 с.
  5. Буркин С.И.,  Шимов Г.В., Андрюкова Е.А. Металлургия. Остаточные напряжения в металлопродукции. – М.; Екатеринбург: Юрайт, 2018. – 247 с. – ISBN 978-5-534-06500-8.
  6. Пищов М.Н., Бельский С.Е. Анализ остаточных напряжений в упрочненном слое зубчатых колес трелевочного трактора после проведения химико-термической обработки // Труды БГТУ. Серия 2, Лесная и деревообрабатывающая промышленность. – 2010. – Вып. 18. – С. 294–298.
  7. Оценка влияния химико-термической обработки на сопротивление усталости образцов при нормальной и повышенной температурах / В.Ф. Павлов, В.С. Вакулюк, О.С. Афанасьева, А.С. Букатый // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. – 2012. – № 5 (36). – С. 113–119.
  8. Sawicki J., Kruszynski B., Wójcik R. The influence of grinding conditions on the distribution of residual stress in the surface layer of 17CrNi6-6 steel after carburizing // Advances in Science and Technology Research Journal. – 2017. – Vol. 11 (2). – P. 17–22. – doi: 10.12913/22998624/67671.
  9. Surface processing technology in improving operational properties of hot-work tool steel / N.S. Ulakhanov, U.L. Mishigdorzhiyn, A.D. Greshilov, A.G. Tikhonov, I.N. Ryzhikov // AER-Advances in Engineering Research. – 2019. – Vol. 188. – P. 362–366. – doi: 10.2991/aviaent-19.2019.67.
  10. Влияние ультразвуковой обработки на физико-механические свойства борированного слоя / Л.М. Нечаев, Н.Б. Фомичева, И.Ю. Канунникова, Е.В. Маркова // Современные наукоемкие технологии. – 2008. – № 9. – С. 16–19.
  11. Остаточные напряжения после ХТО и БУФО / Н.И. Федотов, Ю.П. Хараев, А.Д. Грешилов, Л.А. Куркина // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2011. – Т. 8, № 4. – С. 37–39.
  12. Sizov I.G.; Mishigdorzhiyn U.L.; Polyansky I.P. Boroaluminized carbon steel // Encyclopedia of Iron, Steel and Their Alloys / ed. by R. Colás, G.E. Totten. – New York: Taylor and Francis, 2016. – P. 346–357. – doi: 10.1081/e-eisa-120049887.
  13. Патент 2121666 Российская Федерация, МКИ 3 G 01 L 1/06. Способ определения остаточных напряжений / Замащиков Ю.И. – № 96107536/28; заявл. 18.04.96, опубл. 10.11.98, Бюл. № 31.
  14. Tikhonov A.G., Pashkov A.E. Comparative study of residual stresses when turning HSS-5 steel with varying feed // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 632. – P. 012113. – doi: 10.1088/1757-899X/632/1/012113.
  15. Программный модуль расчета остаточных напряжений по данным, полученным методом удаления слоев: свидетельство о гос. регистрации программ для ЭВМ № 2015663438 / Замащиков Ю.И., Толстихин К.В. – № 2015619838; заявл. 16.10.15, опубл. 20.01.16, Бюл. № 2.
  16. Zamashchikov Yu.I. Surface residual stress measurements by layer removal method // International Journal of Machining and Machinability of Materials. – 2014. – Vol. 16 (3–4). – P. 187–211. – doi: 10.1504/IJMMM.2014.067307.
  17. Lentz L., Röttger A., Theisen W. Hardness and modulus of Fe2B, Fe3(C,B), and Fe23(C,B)6 borides and carboborides in the Fe?C?B system // Materials Characterization. – 2018. – Vo1. 35. – P. 192–202. – doi: 10.1002/srin.201000255.
  18. Технология экспериментальных исследований. В 2 кн. Кн. 2 / под ред. С.А. Зайдеса. – Иркутск: Изд-во Иркут. гос. техн. ун-та, 2011. – С. 121–158. – ISBN 978-5-8038-0719-3.
  19. Ворошнин Л.Г. Борирование промышленных сталей и чугунов: справочное пособие. – Минск: Беларусь, 1981. – 205 c.
  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.
  21. Tribocorrosion and cytotoxicity of FeB?Fe2B layers on AISI 316 L steel / I. Campos-Silva, M. Palomar-Pardavé, R. Pérez Pastén-Borja, O. Kahvecioglu Feridun, D. Bravo-Bárcenas, C. López-García, R. Reyes-Helguera // Surface and Coatings Technology. – 2018. – Vol. 349. – P. 986–997. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.05.085.
  22. The growth of single Fe2B phase on low carbon steel via phase homogenization in electrochemical boriding (PHEB) / G. Kartal, S. Timur, V. Sista, O.L. Eryilmaz, A. Erdemir // Surface and Coatings Technology. – 2011. – Vol. 206. – P. 2005–2011. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2011.08.049.

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».