Simulation of the boriding kinetics of Fe₂B layers on iron substrate by two approaches

Simulation de la cinétique de croissance des couches Fe₂B sur un substrat en fer en utilisant deux approches

¹ Laboratoire de Technologie des Matériaux, Département de Sciences des Matériaux, Faculté de Génie Mécanique et Génie des Procédés, USTHB, B.P No. 32, 16111, El-Alia, Bab-Ezzouar, Alger, Algérie
e-mail: keddam@yahoo.fr
² Département de Chimie, Faculté des sciences, Université Mouloud Mammeri, 15000, Tizi-Ouzou, Algérie

Received: 8 February 2012
Accepted: 5 September 2012

Abstract

The present work evaluates, using the two approaches, the growth kinetics of Fe₂B boride layers generated at the surface of iron via the paste-boriding for different temperatures (1223, 1253,1273 and 1323 K) and a variable treatment time : (1, 2, 4 and 6 h). Using the mass balance equation at the (Fe₂B/substrate) interface under certain assumptions and considering the effect of the boride incubation time, it was possible to estimate the value of parabolic growth constant at the (Fe₂B/substrate) interface. As a second approach, the dimensional analysis, based on the Buckingham- Pi theorem, was also used to study the boriding kinetics of Fe₂B layers. A good agreement was observed between the experimental parabolic growth constants and the predicted ones from the first approach (i.e. the mass balance equation), on the basis of experimental data taken from the literature. Moreover, both approaches can serve as a tool to select the optimum thicknesses of Fe₂B layers according to the practical use in industry.

Résumé

Le présent travail évalue, en utilisant deux approches, la cinétique de croissance des couches Fe₂B générées sur la surface du fer par le procédé de boruration par les pâtes pour différentes températures (1223, 1253,1273 et 1323 K) et un temps de traitement variable : (1, 2, 4 et 6 h). Il a été possible d’estimer la constante parabolique à l’interface (Fe₂B/substrat) au moyen de l’équation de conservation de matière sous certaines hypothèses et en considérant l’effet du temps d’incubation. Une deuxième approche, l’analyse dimensionnelle basée sur le théorème-Pi de Buckingham, a été aussi utilisée pour l’étude de la cinétique de croissance des couches Fe₂B. Un bon accord a été observé entre les constantes paraboliques expérimentales et celles prédites par la première approche, sur la base des résultats expérimentaux tirés de la littérature. De plus, ces deux approches peuvent être utilisées comme un outil de sélection des épaisseurs optimales des couches Fe₂B en relation avec l’utilisation pratique dans l’industrie.