Cinética de crecimiento y caracterización mecánica del sistema FeB-Fe2B formado en la superficie de un acero AISI D2

Abstract

RESUMEN: En el presente trabajo de investigación, se evalúo la cinética de crecimiento y la caracterización mecánica de capas de boruros de hierro de tipo FeB y Fe2B. Las capas de boruros de hierro fueron obtenidas sobre un acero AISI D2 a través del tratamiento termoquímico de borurización. El tratamiento termoquímico se realizó mediante la técnica de borurización en polvo, utilizando temperaturas de 1223, 1253 y 1273 K, bajo tiempos de exposición de 3, 5, 7 y 10 h, para cada temperatura. Para la cinética de crecimiento se plantea un modelo que considera la ecuación de balance de masa en las interfaces FeB/Fe2B y Fe2B/substrato, generadas a partir de un perfil de concentración de boro en la superficie de la capa. La concentración de boro en las fases FeB y Fe2B depende de la posición xt( ) y del tiempo total de exposición t , considerando que el crecimiento de los boruros sobre la superficie del acero AISI D2 obedece a la ley de crecimiento parabólico l k t  . Así mismo, el tiempo de incubación fue evaluado a partir de los datos teóricos obtenidos por el modelo cinético. El comportamiento mecánico de las capas fue estimado mediante el ensayo de nanoindentación Berkovich, el cual permitió evaluar el estado de esfuerzos residuales de las capas (FeB y Fe2B). Se estableció un estado tensil para la fase FeB y compresivo para Fe2B en muestras boruradas. Finalmente, la adherencia de los sistemas FeB-Fe2B/substrato en muestras de acero AISI D2 borurado, fue estimada haciendo uso de la prueba de rasgado con una carga progresiva de 1 a 150N; las muestras fueron analizadas por microscopía electrónica de barrido, para estimar las cargas críticas e identificar los modos y mecanismos de falla en el canal de rayado. ABSTRACT: Boriding is a thermochemical surface treatment in which boron diffuses into and combines with a substrate material to form a single- or double-phase metal boride layer at the surface of the substrate. This entry discusses the importance of boriding for ferrous materials, in which the formation of boride layers, such as FeB and Fe2B, improves the hardness, wear resistance, temperature resistance, and corrosión resistance at the surface of steels. To understand the intended industrial applications, this study analyzed the growth kinetics of FeB/Fe2B layers using a mathematical model that incorporates the different experimental variables during the diffusion process, such as temperature, exposure time, and boride layer thicknesses. In this study, the growth kinetics of the FeB/Fe2B layers was estimated according to the weight gain and the change of dimensions of AISI D2 steels exposed to the powderpack boriding process. The thermochemical treatment was carried out at temperatures of 1223-1273 with 3,5, 7 and 10 h of exposure for each temperature. Finally, some mechanical properties of the boride layers, such as the real hardness, elastic indentation modulus, fracture toughness and adhesion of the layers as estimated using the Berkovich indentation and scratch method, were revised in this work.