Simulation model of monolayer growth kinetics of Fe₂B phase

Modèle de simulation de la cinétique de la phase Fe₂B

¹ École Préparatoire Sciences et Techniques d’Alger, BP 474 Place des Martyrs, Algérie
mebarekbendaoud@yahoo.fr
² Université Ibn Khaldoun Tiaret, BP P 78 zaâroura, 14000 Tiaret, Algérie
³ Université d’Oran 1 Ahmed Benbella, BP 1524 Oran El M’Naouer, Algérie
⁴ École Nationale Polytechnique d’Oran, BP 1523 Oran El M’Naouer, Algérie

Received: 30 July 2015
Accepted: 27 November 2015

Abstract

In the present work, we study the growth kinetics of iron Fe₂B boride formed on stainless steel AISI 316L using a diffusion model based on the second Fick’s law and the mass balance equation. In this model, we use the thermodynamic properties of the Fe-B phase diagram, particularly in the temperature range 800–1100 ^◦C. The validation of this diffusion model was achieved by comparing the simulation results with the experimental data of a thermochemical boronizing in a liquid medium (70% borax 30% of silicon carbide) where the presence of Fe₂B boride formed on the surface of the steel substrate was confirmed by optical microscopy and MBE. Experimentally, the growth kinetics of the boride layers formed on the surface of the steel AISI 316 L is described by a parabolic relationship between the thickness of the layer and the processing time. In the temperature range from 800–1100 ^◦C, the deduced value of the activation energy of the boron is 174.6 kJ/mol. The simulation model we propose, can not only predict the thickness of the boride layer but also to calculate the concentration of boron in each phase. A fairly good agreement was observed between the results of numerical simulation and experimental data.

Résumé

Dans le présent travail, nous étudions la cinétique de croissance du borure de fer Fe₂B formé sur l’acier inoxydable AISI 316L en utilisant un modèle de diffusion basé sur la seconde loi de Fick et l’équation du bilan de masse. Dans ce modèle, nous utilisons les propriétés thermodynamiques du diagramme de phase de Fe-B, en particulier la gamme de température 800–1100 ^◦C. La validation de ce modèle de diffusion a été obtenue en comparant les résultats de la simulation avec les données expérimentales d’une boruration thermochimique dans un milieu liquide (70 % de borax et 30 % de carbure de silicium), où la présence du borure Fe₂B formé sur la surface du substrat en acier a été confirmée par microscopie optique et MBE. Expérimentalement, la cinétique de croissance des couches de borure formées sur la surface de l’acier AISI 316 L est décrite par une relation parabolique entre l’épaisseur de la couche et le temps de traitement. Dans la plage de température de 800–1100 ^◦C, la valeur déduite de l’énergie d’activation du bore est 174,6 kJ/mol. Le modèle de simulation que nous proposons, peut non seulement prédire l’épaisseur de la couche de borure mais aussi de calculer la concentration de bore dans chacune des phases. Un assez bon accord a été observé entre les résultats de la simulation numérique et nos résultats expérimentaux.