Characterization and boriding kinetics of C38 carbon steel: effect of the process time

Caractérisation et cinétique de boruration de l’acier au carbone C38 : influence du temps de traitement

¹ Département de Chimie, Faculté des sciences, Université Mouloud Mammeri, 15000 Tizi-Ouzou, Algérie
² Laboratoire de Technologie des Matériaux, Département de Sciences des Matériaux, Faculté de Génie Mécanique et Génie des Procédés, USTHB, BP 32, 16111 El-Alia, Bab-Ezzouar, Alger, Algérie
e-mail : keddam@yahoo.fr
³ Laboratoire de Génie des Procédés, Université Amar Tellidji de Laghouat, BP 37 G, 03000, Algérie

Received: 3 February 2012
Accepted: 2 April 2012

Abstract

This present work investigates the effect of the time duration on the boriding kinetics of C38 steel. The pack-boriding treatment was carried out at 1000 °C for 0.5, 1, 2, 4 and 8 h using a powdery mixture consisting of 5%B₄C, 5%NaBF₄ and 90% SiC. The boride layers were characterized by the following experimental techniques: (Scanning electron microscopy, X-ray diffraction analysis, Vickers microhardness tester and measurement of the mass gain). The observations by scanning electron microscope revealed that the Fe₂B layer was formed after a short time (0.5 or 1 h). The boride layers were composed of FeB and Fe₂B phases for a treatment time exceeding 2 h. The surface roughness of the borided samples was increased with the boriding time. The mass gain due to the boriding was investigated and its evolution was described by a parabolic law. In addition, the experimental boride layers thicknesses were compared to those predicted by the diffusion model. A good agreement was obtained between the simulation results and the experimental data. Finally, contour plots that describe the evolution of the boride layers formed on the borided C38 steel were established. The iso-thickness diagrams can be used as a tool to select the boride layer thickness in relation with its practical use.

Résumé

Ce présent travail s’intéresse à l’effet du temps de traitement sur la cinétique de boruration de l’acier C38. La boruration en caisse a été ainsi effectuée à 1000 °C pour des temps de 0,5, 1, 2, 4 et 8 h en utilisant un mélange de poudres constitué de 5 %B₄C, 5 %NaBF₄ et 90 % SiC. Les couches borurées ont été caractérisées par les techniques expérimentales suivantes : (microscopie électronique à balayage, diffraction des rayons X, le test de microdureté Vickers et la mesure du gain de masse). Les observations au MEB ont montré que la couche Fe₂B apparaît pour des temps de traitement de 0,5 et 1 h. La couche borurée est biphasée (FeB +Fe₂B) pour un temps de traitement de plus de 2 h. La rugosité en surface des échantillons borurés augmente avec le temps de traitement. Le gain de masse dû au traitement de boruration suit une loi de type parabolique. De plus, les épaisseurs expérimentales des couches borurées ont été comparées aux valeurs simulées par le modèle de diffusion. Un bon accord a été obtenu entre les résultats de simulation et les données expérimentales. Enfin, des diagrammes iso-épaisseurs ont été établis pour être utilisés comme un outil de prédiction des épaisseurs des couches borurées, en relation avec la pratique industrielle.