Investigation of the Kinetics of Borided AISI 420 and AISI 5140 Steels

Year 2014, Volume: 14 Issue: 1, 1 - 8, 01.04.2014

Nusrettin Barut Demet Yavuz Yusuf Kayalı

Abstract

In this study, AISI 5140 steel and AISI 420 stainless steel were pack borided at 1123, 1173 and 1223 K for retention times of 2, 4 and 6 h. The morphology of the boride layers formed on the steel surfaces as a result of the experiments was investigated by optical microscopy. The hardness values were measured by a micro-hardness device and the phases formed on the layer were determined by the XRD method. The XRD analysis revealed that FeB, Fe2B, CrB and MnB phases had formed on the boride layer. The results indicate that the boride layer thickness in all the steel samples had an incres as a function of incresing boriding time and temperature. In addition, the boride layer thickness values changed depending on the chemical composition of the steels. While the original hardness values of AISI 5140 and AISI 420 steels were 265 HV0,05 and 340 HV0,05 respectively, as a result of boriding, they increased up to 1843 HV0,05 and 1972 HV0,05. Activation energies (Q) of borided AISI 5140 steel and AISI 420 stainless steel used in the current study were determined as 194.951 and 206.161 kJ/mol, respectively. The growth kinetics of the boride layers forming on the AISI 5140 steel and AISI 420 steels and thickness of boride layers were also investigated. The adhesion properties of the boride layer were analyzed by performing the Daimler-Benz Rockwell-C adhesion method. According to the adhesion test results, the adhesion resistance of the boride layer decreased with the increase in the boriding temperature and time

Keywords

‘AISI 5140’, ‘AISI

Borlanmış AISI 5140 ve AISI 420 Çeliklerinin Difüzyon ve Adhezyon Davranışlarının İncelenmesi (015701) (1-8)

Abstract

Bu çalışmada AISI 5140 ve AISI 420 çelikleri 1123, 1173 ve 1223 K sıcaklıklarında2,4 ve 6 saat süreyle kutu borlama yöntemi ile borlanmıştır. Deneyler sonucunda, çelik yüzeylerinde oluşan borür tabakalarının morfolojisi optik mikroskobu ile incelenmiştir. Sertlik değerleri, mikro-sertlik cihazı ile ölçülmüş ve tabaka üzerinde oluşturulan fazlar XRD yöntemi ile belirlenmiştir. XRD analizinde FeB, Fe2B, CrB ve MnB fazlarının borür tabakasının üzerinde oluştuğu görülmüştür. Sonuç olarak, borlanmış çeliklerde elde edilen borür tabakasının kalınlık değerleri, borlama süresi ve sıcaklığın artmasıyla artığı görülmüştür. Buna ek olarak, borür tabakasının kalınlık değerleri çeliklerin kimyasal bileşimine bağlı olarak değişmiştir. AISI 5140 ve AISI 420 çeliklerin orijinal sertlik değerleri, sırasıyla 265 HV0,05 ve 340 HV0,05 iken, borlama işlemi sonucunda, 1843 HV0,05 ve 1972 HV0,05 kadar artığı görülmüştür. AISI 5140 ve AISI 420 çelikler üzerindeki borür tabakasının oluşturulup, borür tabakasının kalınlığı ve büyüme kinetikleri incelenmiştir. Borlanmış AISI 5140 çelik ve AISI 420 çeliklerinin aktivasyon enerjileri, sırasıyla (Q) 194, 951 ve 206,161 kJ/mol, olarak tespit edilmiştir. Borür tabakasının yapışma özelliklerini Daimler-Benz Rockwell-C adhezyon yöntemi ile analiz edilmiştir. Adhezyon test sonuçlarına göre, borür tabakasının yapışma direnci ile borlama sıcaklığı ve borlama süresinin artışı ile azalmıştır

Keywords

‘AISI 5140’, ‘AISI 420’, ‘Borlama’, ‘Rockwell-C indentasyon’, ‘Difuzyon’

References

• AISI 304 1023- 1223 Yoonet.al. 1999 AISI 5140, 4340, D2 AISI 304 31CrMoV9, 34CrAlNi7 AISI 5140,
• AISI 420 1223 234, Şen 2005 Taktak 2006 Efe 2008 Bu çalışmada 206.161
• 5 Daimler-Benz Rockwell-C Adhezyon Testi
• Şekil 8. a) 1123 K, b) 1173 K ve c) 1223 K de 4 saat
• borlanmış AISI 5140 çeliğinin Daimler-Benz Rockwell-C
• adhezyon testi sonrası İndentasyon izlerinin SEM görüntüleri.
• Şekil 9. a) 1123 K, b) 1173 K ve c) 1223 K de 4 saat
• borlanmış AISI 420 çeliğinin Daimler-Benz Rockwell-C
• adhezyon testi sonrası İndentasyon izlerinin SEM görüntüleri. 4. SONUÇ
• Bu çalışmadan aşağıdaki sonuçlar çıkarılabilir:
• AISI 420 paslanmaz çeliklerin düz ve pürüzsüz morfolojisinde bor tabakası görüldü. AISI 5140 çeliğin yüzeyinde oluşturulan Bor tabakası ise bir testere dişi morfolojisi şeklinde gözlemlenmiştir. AISI 5140 çelik ve AISI 420 paslanmaz çelik üzerinde elde edilen borür tabakasında FeB, Fe2B, CrB ve MnB fazlarından oluşmaktadır.
• AISI 420 paslanmaz çelik yüzeyi üzerinde oluşturulmuş borür tabakasının kalınlığı AISI 5140 çelikten daha düşüktür. Borlama süresi ve sıcaklığının yanında AISI 420 paslanmaz çeliğin borür tabakası kalınlığı, alaşım elemanlarının (özellikle Cr) miktarında bir artış ile azalmıştır.
• Borlama işlemi ile AISI 5140 ve AISI 420 çeliklerin yüzey sertlikleri yaklaşık olarak 4-6 kat artmıştır. Borlanmamış AISI 5140 ve AISI 420 çeliklerin sertlik değerleri 265 HV0.05, 340 HV0.05 farklı olsa da borlama sonrası çeliklerin sertlik değerleri, sıcaklık ve zamana bağlı olarak 976 HV0.05’den 1972 HV0.05 değişmektedir.
• AISI 5140 ve AISI 420 çeliklerin aktivasyon enerjileri sırasıyla 194,951 kJ/mol, 206,161 kJ/mol olarak tespit edilmiştir. Çeliklerdeki B atomlarının difüzyonu AISI 420 çeliğindeki yüksek alaşım elementlerinden dolayı AISI 5140 çeliğinden daha düşüktür. Rockwell-C
• C. Meric, S. Sahin, B. Backir, N.S. Koksal, 2006. “Investigation of the boronizing effect on theabrasivewearbehavior
• Materials and Design. 27 . 751-757. in
• castirons” Atık E, Yunker U, Merıc C, 2003 “The effects of conventional heat treatment and boronizing on abrasive wear and corrosion of SAE 1010, SAE 1040, D2 and 304 steels”, Tribology International. 36. 155–161.
• Özbek I, Sen S, İpek M, Bindal C, Zeytin S, Üçışık H.A, 2004 Mechanical aspect of borides formed on the AISI 440Cstainless-steel, Vacuum. 73. 643–648.
• B´ejar M.A, Moreno E, 2006 Abrasive wear resistance of boronized carbon and low-alloy steels, Journal of Materials Processing Technology 173 352–358.
• Celikyurek I, Baksan B, Torun O, Gurler R, 2006 “Boronizing of iron aluminide Fe72Al28” Intermetallics. 14 136–141.
• Ozdemir O, Omar M.A, Usta M, Zeytin S, Bindal C, Ucisik A.H, 2009 “An investigation on boriding kinetics of AISI 316 stainless steel”, Vacuum 83 175–179
• Taktak S. 2007. Some mechanical properties of borided AISI H13 and 304 steels: Materials and Design. 28; p. 1836–1843:
• Efe GÇ, İpek M, Özbek İ, Bindal C, 2008. Kinetics of borided 31CrMoV9 and 34CrAlNi7 steels. Materials Characterization. 59; p. 23-31:
• Yu, L.G., Khor K.A., Sundararajan, G., 2006, “Boride layer growth kinetics during boriding of molybdenum by the Spark Plasma Sintering (SPS) technology”, Surface & Coatings Technology, Vol. 201, pp. 2849-2853.
• Ipek M, Efe G.C, Ozbek I, Zeytin S, Bindal C, 2012, Investigation of Boronizing Kinetics of AISI 51100 Steel, Journal Of Materials Engineering And Performance, 21(5), 733-738.
• Vidakis N, Antoniadis A, Bilalis N. 2003 The VDI 3198 indentation test evaluation of a reliable qualitative control for layered compounds: J Mater Process Technol. 481–5; p. 143–144:
• Özbek, İ., Konduk, B.A., Bindal, C., Ucisik, A.H., 2002, “Characterization of borided AISI 316 L stainless steel implant” Vacuum 65, pp.521– 525.
• Meriç C, Şahin S, Yılmaz SS, 2000 Investigation of The Effect on Boride Layer of Powder Particle Size Used in Boronizing with Solid Boron- yielding Substances: Materials Research Bulletin. 35C; p. 2165-2172:
• Sinha A.K., 1991, “Boriding (Boronising)”, ASM Handbook, Vol. 4, J. Heat Treating, pp. 437– 447.
• Taktak S. 2006, A study on the diffusion kinetics of borides on boronized Cr-based steels, J. Mater. Sci. 41(22), 7590-7596.
• Taktak S. 2007, Some mechanical properties of borided AISI H13 and 304 steels, Materials and Design 28(6), 1836-1843.
• Kayalı Y., 2013. Investigation of the Diffusion Kinetics of Borided Stainless Steels, ThePhysics of Metals and Metallography, Vol. 114 (12), 1061–1068,
• Şen, Ş., Şen, U. ve Bindal, C., 2005, “An Approachto Kinetic Study of Borided Steels”, Surface & Coatings Technology, Vol. 191, pp.274-285.
• Şen, Ş., 2005, “The Characterization of Vanadium Boride Coatings on AISI 8620 Steel, Surface & Coatings Technology, vol.90, pp.1- 6.
• Uslu, I.,Comert, H., Ipek, M., Ozdemir, O., Bindal, C., 2007, “Evaluation of borides formed on AISI P20 steel” Materials and Design 28, 55–61.
• Ozbek I, Bindal C,2011, 86(4), Kinetics of borided AISI M2 highspeed steel, Vacuum, 391-397.
• Kayalı Y., Güneş, İ., Ulu, S., 2012 Diffusion kinetics of borided AISI 52100 and AISI 440C steels, Vacuum, 86, 1428-1434, 2012.
• Yoon J.H, Jee Y.K, Lee S.Y, 1999, 112(1-3), Plasma paste boronizing treatment of the stainless steel AISI 304, Surf. Coat. Technol., 71-75.
• Daimler Benz adhesion test. Verein Deutscher Ingenieure (VDI) Richlinie 3198; p. 7: 1992.
• Taktak S, Tasgetiren S, 2006 Identification of delamination failure of boride layer on common Cr-based steels. Journal Of Materials Engineering And Performance. 15:5; p. 570- 574:
• Verein Deutscher Ingenieure Normen, VDI 3198. Dusseldorf: VDI-Verlag; 1991.