Growth kinetics of the boride layers formed on SAE 1035 steel

Cinétique de croissance des couches borurées formées sur l’acier SAE 1035

¹ Laboratoire de Génie des Procèdes, Université Amar Telidji, Laghouat Route de Ghardaia, B.P. 37G Laghouat 03000, Algérie
² Laboratoire de Technologie des Matériaux, Département de Sciences des Matériaux, Faculté de Génie Mécanique, USTHB, Bab-Ezzouar, Alger, Algérie
keddam@yahoo.fr; a.kaouka@mail.lagh-univ.dz

Received: 29 November 2013
Accepted: 23 January 2014

Abstract

Growth kinetics of the boride layers formed on SAE 1035 steel has been investigated during the boriding treatment. This treatment was carried out in slurry salt bath consisting of borax, boric acid and ferrosilicon for temperatures ranging from 1073 to 1273 K and treatment times of 2, 4 and 8 h. The presence of both FeB and Fe₂B phases formed on the surface of SAE 1035 steel was confirmed by X-ray diffraction. Scanning electron microscopy (SEM) and optical microscopy examinations showed that the boride layers have a saw-tooth morphology. The thickness of boride layers was found to be increased when the treatment time and the boriding temperature increase, its value ranged from 20 to 387 μm. The average hardness of the boride layer was about 1760 ± 200 HV_0.1, while the hardness of un-borided steel was about 225 ± 20 HV_0.1. The fracture toughness of boride layers (K_C) was found to be ranged between 3.42 and 4.57 MPa m^1/2. The kinetic study showed a parabolic relationship between the boride layer thickness and the process time. The value of boron activation energy for the borided SAE 1035 steel was estimated as 227.51 kJ mol^-1.

Résumé

La cinétique de croissance des couches des borures formées sur l’acier SAE 1035 a éteé´tudiée au cours du traitement de boruration. Ce traitement a été réalisé dans un bain de sel composé du borax, de l’acide borique et du ferro-silicium pour des températures allant de 1073 à 1273 K et des temps de traitement de 2, 4 et 8 h. La présence des deux phases FeB et Fe₂B formées sur la surface de l’acier SAE 1035 a été confirmée par la diffraction des rayons X. L’observation par la microscopie électronique à balayage (MEB) et le microscope optique a montré que les couches borurées ont une morphologie en dents de scie. Nous avons trouvé que l’épaisseur des couches borurées croit avec l’augmentation du temps et de la température de boruration et sa valeur est comprise entre 20 et 387 μm. La dureté moyenne de la couche borurée est de 1760 ± 200 HV_0.1, tandis que la dureté de l’acier non boruré est d’environ 225 ± 20 HV_0.1. La ténacité de fracture (K_C) des couches de borures varie entre 3,42 et 4,57 MPa m^1/2. L’étude cinétique a montré une relation de type parabolique entre l’épaisseur de la couche borurée et le temps de traitement. La valeur de l’énergie d’activation du bore pour l’acier SAE 1035 a été estimée à 227.51 kJ mol^-1.