blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-2-98-105blackmet-2256Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEОсобенности формирования диффузионной зоны, полученной на стали 20 борированием в индукционной печиFeatures of formation of diffusion zone obtained on steel 20 by boriding in induction furnaceШевчукЕ. П.ShevchukE. P.

Евгения Петровна Шевчук, старший преподаватель кафедры физики; старший преподаватель кафедры общей и экспериментальной физики

070020, Восточно-Казахстанская обл., Усть-Каменогорск, ул. 30-й Гв. Дивизии, 34

656049, Алтайский край, Барнаул, пр. Ленина, 61

Evgeniya P. Shevchuk, Senior Lecturer of the Chair of Physics, Eastern Kazakhstan State University; Senior Lecturer of the Chair of General and Experimental Physics 

34 30-i Gvardeiskoi divizii Str., Ust-Kamenogorsk, Eastern Kazakhstan Region 070020

61 Lenina Ave., Barnaul, Altai Territory 656049

evgeniya-shevchu@mail.ruПлотниковВ. А.PlotnikovV. A.

Владимир Александрович Плотников, д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой общей и экспериментальной физики

656049, Алтайский край, Барнаул, пр. Ленина, 61

Vladimir A. Plotnikov, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Head of the Chair of General and Experimental Physics 

61 Lenina Ave., Barnaul, Altai Territory 656049

plotnikov@phys.asu.ruМакаровС. В.Makarov S. V.

Сергей Викторович Макаров, д.ф.-м.н., профессор, декан Института цифровых технологий, электроники и физики

656049, Алтайский край, Барнаул, пр. Ленина, 61

Sergei V. Makarov, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Dean of the Institute of Digital Technologies, Electronics and Physics 

61 Lenina Ave., Barnaul, Altai Territory 656049

makarov@phys.asu.ruВосточно-Казахстанский государственный университет имени Сарсена Аманжолова; Алтайский государственный университетКазахстанEastern Kazakhstan State University; Altai State UniversityKazakhstanАлтайский государственный университетРоссияAltai State UniversityRussian Federation20221703202265298105Copyright © Шевчук Е.П., Плотников В.А., Макаров С.В., 20222022Шевчук Е.П., Плотников В.А., Макаров С.В.Shevchuk E.P., Plotnikov V.A., Makarov  S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2256

Приведены данные исследований синтеза боридов железа при индукционном нагреве до 1000 °C в течение 5 мин образцов стали 20 с обмазкой из шихты, содержащей Fe–H3BO3. Содержание борной кислоты в составе шихты менялось от 25 и до 75 % (по массе). Шихта в экспериментах могла быть разбавлена раствором в воде жидкого стекла с добавлением небольшого количества гидроксида аммония и угля. Исследование микротвердости поверхностного слоя показало, что в ходе насыщения бором поверхностного слоя углеродистой стали 20 формируется макроскопически обширная диффузионная зона размером 900 – 1000 мкм, в которой содержание боридов постепенно снижается при перемещении в глубь матрицы. Такой размер диффузионной зоны указывает на аномально высокий массоперенос в ходе борирования стали 20. Действительно, вычисленный коэффициент диффузии в ходе борирования в условиях индукционного воздействия (около 1,35·10–9 м2/с) на два порядка превышает коэффициент диффузии в классическом варианте борирования. Рентгеновские исследования показали, что в рассматриваемых условиях синтезируются бориды Fe2B и FeB, а также формируется твердый раствор бора в α­железе. Анализ фазового состава структурных составляющих диффузионной зоны свидетельствует, что от поверхности к матрице формирование боридных фаз осуществляется в последовательности FeB → Fe2B → (α-фаза + В) → металл основы. Микроструктура диффузионной зоны представляет собой более или менее выраженные слои, состоящие из боридных фаз FeB и Fe2B. В целом же, особенно глубоколежащие области диффузионной зоны представляют собой композиционный материал, состоящий из пластичной α-фазы и кристаллов боридов железа. Кристаллы в FeB и Fe2B в слое ориентированы преимущественно перпендикулярно к фронту диффузии. Возможно, это обусловлено быстрым преимущественным ростом боридной фазы в условиях высокой диффузионной подвижности атомов бора в каком-то одном направлении и затрудненной в других.

The article presents data on studies of iron borides synthesis during induction heating to 1000 °C for 5 min of steel 20 samples with a coating from a charge containing Fe – H3BO3. Content of boric acid in the charge varied from 25 to 75 % wt. Charge in the experiments could be diluted with a solution of liquid glass in water with addition of small amount of ammonium hydroxide and coal. Study of the surface layer microhardness showed that during saturation of the surface layer of carbon steel 20 with boron, a macroscopically extensive diffusion zone 900 – 1000 μm in size is formed, in which the boride content gradually decreases when moving deeper into the matrix. Such a size of the diffusion zone indicates an anomalously high mass transfer during boriding of steel 20. Indeed, the calculated diffusion coefficient during boriding under induction conditions (about 1.35·10–9 m2/s) is two orders of magnitude higher than the diffusion coefficient in the classical boriding. X-ray studies showed that, under the considered conditions, Fe2B and FeB borides are synthesized, and a solid solution of boron in α­iron is also formed. An analysis of phase composition of the diffusion zone structural components indicates that, from the surface to the matrix, formation of boride phases occurs in the following sequence: FeB → Fe2B → (α­phase + B) → base metal. Microstructure of the diffusion zone consists of more or less pronounced layers consisting of FeB and Fe2B boride phases. On the whole, especially deep-ying regions of the diffusion zone are a composite material consisting of plastic α-phase and iron boride crystals. Crystals in FeB and Fe2B in the layer are oriented mainly perpendicular to the diffusion front. Perhaps, this is due to the rapid predominant growth of the boride phase under conditions of high diffusion mobility of boron atoms in one direction and hindered in others.

борированиеборидные слоиборсодержащая шихтамикротвердостькоэффициент диффузиидиффузионная зонафазовый составмикроструктураborationboride layersboron mixturemicrohardnessdiffusion coefficientdiffusion zonephase compositionmicrostructureReferencesBakare M.S., Voisey K.T., Chokethawai K., McCartney D.G. Corrosion behaviour of crystalline and amorphous forms of the glass forming alloy Fe43Cr16Mo16C15B10 // Journal of Alloys and Compounds. 2012. Vol. 527. P. 210–218. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.02.127Bakare M.S., Voisey K.T., Chokethawai K., McCartney D.G. Corrosion behaviour of crystalline and amorphous forms of the glass forming alloy Fe43Cr16Mo16C15B10. Journal of Alloys and Compounds. 2012, vol. 527, pp. 210–218. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.02.127Medvedovski E. Advanced iron boride coatings to enhance corrosion resistance of steels in geothermal power generation // Advances in Applied Ceramics. 2020. Vol. 119. No. 8. P. 462–481. https://doi.org/10.1080/17436753.2020.1830359Medvedovski E. Advanced iron boride coatings to enhance corrosion resistance of steels in geothermal power generation. Advances in Applied Ceramics. 2020, vol. 119, no. 8, pp. 462–481. https://doi.org/10.1080/17436753.2020.1830359Mebarek B., Keddam M. A fuzzy neural network approach for modeling the growth kinetics of FeB and Fe2B layers during the boronizing process // Matériaux & Techniques. 2018. Vol. 106. No. 6. Article 603. https://doi.org/10.1051/mattech/2019002Mebarek B., Keddam M. A fuzzy neural network approach for modeling the growth kinetics of FeB and Fe2B layers during the boronizing process. Matériaux & Techniques. 2018, vol. 106, no. 6, article 603. (In Fr.). https://doi.org/10.1051/mattech/2019002Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико­термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1985. 256 с.Lakhtin Yu.M., Arzamasov B.N. Chemical and Thermal Treatment of Metals. Moscow: Metallurgiya, 1985, 256 p. (In Russ.).Ворошнин Л.Г., Ляхович Л.С. Борирование стали. М.: Металлургия, 1978. 239 c.Voroshnin L.G., Lyakhovich L.S. Steel Boriding. Moscow: Metallurgiya, 1978, 239 p. (In Russ.).Ворошнин Л.Г. Антикоррозионные диффузионные покрытия. Минск: Наука и техника, 1981. 296 с.Voroshnin L.G. Anticorrosive Diffusion Coatings. Minsk: Nauka i tekhnika, 1981, 296 p. (In Russ.).Nora R., Zine T.M., Abdelkader K., Youcef K., Ali O., Jiang X. Boriding and boronitrocarburising effects on hardness, wear and corrosion behavior of AISI 4130 steel // Matéria. 2019. Vol. 24. No. 1. https://doi.org/10.1590/s1517-707620190001.0609Nora R., Zine T.M., Abdelkader K., Youcef K., Ali O., Jiang X. Boriding and boronitrocarburising effects on hardness, wear and corrosion behavior of AISI 4130 steel. Matéria. 2019, vol. 24, no. 1. https://doi.org/10.1590/s1517-707620190001.0609Шевчук Е.П., Плотников В.А., Ахметжанов Б.К. Исследование боридных слоев стали 20 после химико­термической обработки в индукционной печи // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2018. Т. 15. № 3. С. 386–391. https://doi.org/10.25712/ASTU.1811-1416.2018.03.012Shevchuk E.P., Plotnikov V.A., Akhmetzhanov B.K. Study of boride layers of steel 20 after chemical­thermal processing in induction furnaces. Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedeniya. 2018, vol. 15, no. 3, pp. 386–391. (In Russ.). https://doi.org/10.25712/ASTU.1811-1416.2018.03.012Шевчук Е.П., Плотников В.А., Бектасова Г.С. Рентгеноструктурный анализ диффузионного боридного слоя на углеродистой стали // Известия Алтайского государственного университета. 2018. № 4 (102). С. 51–55. https://doi.org/10.14258/izvasu(2018)4-09Shevchuk E.P., Plotnikov V.A., Bektasova G.S. X­ray structural analysis of a diffusion boride layer on carbon steel. Izvestiya of Altai State University. 2018, no. 4 (102), pp. 51–55. (In Russ.). https://doi.org/10.14258/izvasu(2018)4-09Шевчук Е.П., Плотников В.А., Джес А.В. Формирование обширной диффузионной зоны при борировании стали 20 // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2018. Т. 15. № 3. С. 424–428. https://doi.org/10.25712/ASTU.1811-1416.2018.03.018Shevchuk E.P., Plotnikov V.A., Jes A.V. Formation of an extensive diffusion zone during boration of steel 20. Basic Problems of Material Science (BPMS). 2018, vol. 15, no. 3, pp. 424–428. (In Russ.). https://doi.org/10.25712/ASTU.1811-1416.2018.03.018Mehrer H. Diffusion in Solids: Fundamentals, Methods, Materials, Diffusion­Controlled Processes. Springer Science & Business Media, 2007. 654 p.Mehrer H. Diffusion in Solids: Fundamentals, Methods, Materials, Diffusion-Controlled Processes. Springer Science & Business Media, 2007, 654 p.Балгазин И.И., Саяпова В.В. Нахождение коэффициента диффузии методом Монте­Карло // Universum: Химия и биология. 2018. № 5 (47). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/ item/5801 (дата обращения: 09.02.2022).Balgazin I.I., Sayapova V.V. Finding the diffusion coefficient by the Monte Carlo method. Universum: Khimiya i biologiya. 2018, no. 5 (47). Available at URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/5801 (accessed: 09.02.2022). (In Russ.).Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 2000. 494 с.Pavlov P.V., Khokhlov A.F. Physics of Solids. Moscow: Vysshaya shkola, 2000, 494 p. (In Russ.).Гурьев А.М., Лыгденов Б.Д., Гурьев М.А., Мэй Шунчи, Власова О.А. Борирование малоуглеродистой стали // Международный журнал экспериментального образования. 2015. № 12­4. С. 572–573.Gur’ev A.M., Lygdenov B.D., Gur’ev M.A., Mei Shunchi, Vlasova O.A. Boriding of low­carbon steel. Mezhdunarodnyi zhurnal eksperimental’nogo obrazovaniya. 2015, no. 12­4, pp. 572–573. (In Russ.).Быкова Т.М. Влияние химического состава стали на структуру и свойства диффузионных боридных покрытий: дисс. … канд. техн. наук: 05.16.09: Екатеринбург, 2016. 164 с.Bykova T.M. Influence of steel chemical composition of on structure and properties of diffusion boride coatings: Cand. Tech. Sci. Diss. Yekaterinburg, 2016, 164 p. (In Russ.).Krukovich M.G., Prusakov B.A., Sizov I.G. Plasticity of Boronized Layers. Berlin: Springer, 2016. https://doi.org/10.1007/978-3-319-40012-9Krukovich M.G., Prusakov B.A., Sizov I.G. Plasticity of Boronized Layers. Berlin: Springer, 2016. https://doi.org/10.1007/978-3-319-40012-9Epik A.P. Boride coatings. In book: Boron and Refractory Borides. Part. 4. Berlin; New York: Springer­Verlag, 1977. P. 597–612.Epik A.P. Boride coatings. In: Boron and Refractory Borides. Part. 4. Berlin; New York: Springer­Verlag, 1977, pp. 597–612.Крукович М.Г. Механизм формирования диффузионных слоев // Новые материалы и технологии в машиностроении. 2012. № 15. С. 69–76.Krukovich M.G. Mechanism of diffusion layers formation. Novye materialy i tekhnologii v mashinostroenii. 2012, no. 15, pp. 69–76. (In Russ.).Kouba R., Keddam M., Kulka M. Modelling of paste boriding process // Surface Engineering. 2015. Vol. 31. No. 8. P. 563–569. https://doi.org/10.1179/1743294414y.0000000357Kouba R., Keddam M., Kulka M. Modelling of paste boriding process. Surface Engineering. 2015, vol. 31, no. 8, pp. 563–569. https://doi.org/10.1179/1743294414y.0000000357Keddam M., Ortiz­Dominquez M., Elias­Espinosa V., Damián­Mejía O., Arenas­Flores A., Gómez­Vargas O.A., Abreu­Quijano M., Aldana­González I.J., Zuno­Silva J. Growth kinetics of the Fe2B coating on AISIH13 steel // Transactions of the Indian Institute of Metals. 2015. Vol. 68. No. 3. P. 433–442. https://doi.org/10.1007/s12666-014-0472-xKeddam M., Ortiz­Dominquez M., Elias­Espinosa V., Damián­Mejía O., Arenas­Flores A., Gómez­Vargas O.A., Abreu­Quijano M., Aldana­González I.J., Zuno­Silva J. Growth kinetics of the Fe2B coating on AISIH13 steel. Transactions of the Indian Institute of Metals. 2015, vol. 68, no. 3, pp. 433–442. https://doi.org/10.1007/s12666-014-0472-xMebarek B., Keddam M. Fuzzy logic approach for modelling the formation kinetics of Fe 2B layer // International Journal of Computational Materials Science and Surface Engineering. 2020. Vol. 9. No. 2. P. 147–156. https://doi.org/10.1504/IJCMSSE.2020.109563Mebarek B., Keddam M. Fuzzy logic approach for modelling the formation kinetics of Fe 2B layer. International Journal of Computational Materials Science and Surface Engineering. 2020, vol. 9, no. 2, pp. 147–156. https://doi.org/10.1504/IJCMSSE.2020.109563Лыгденов Б.Д. Интенсификация процессов формирования структуры диффузионного слоя при химико­термической обработке сталей: дисс. … док. техн. наук: 05.02.01. Барнаул, 2009. 354 с.Lygdenov B.D. Intensification of formation of diffusion layer structure during chemical-thermal treatment of steels: Dr. Tech. Sci. Diss. Barnaul, 2009, 354 p. (In Russ.).Екимов Е.А., Зибров И.П., Зотеев А.В. Получение микрокристаллов бора пиролизом декаборана В10Н14 при высоких давлениях и температурах // Неорганические материалы. 2011. Т. 47. № 11. С. 1311–1316.Ekimov E.A., Zibrov I.P., Zoteev A.V. Preparation of boron microcrystals via high­pressure, high­temperature pyrolysis of decaborane, B10H14. Inorganic Materials. 2011, vol. 47, no. 11, pp. 1194–1198. https://doi.org/10.1134/S0020168511110069

The authors declare that there are no conflicts of interest present.