Estudio sobre el efecto del recocido por difusión en las propiedades mécanicas de boruros de hierro formados en un acero AISI 1045

Abstract

El presente proyecto de investigación se encuentra constituído en tres partes fundamentales: a) Desarrollo de un modelo cinético para establecer la evolución de las capas FeB y Fe2B obtenidas en la superficie de un acero AISI 1045 durante el proceso de borurización en caja y sometidas al proceso de recocido por difusión. b) Emplear la técnica de rasgado transversal en capas gruesas FeB-Fe2B y Fe2B obtenidas en la superficie de un acero borurado AISI 1045 y en un acero borurado AISI 1045 y sometido al proceso de recocido por difusión con la finalidad de estimar la tenacidad a la fractura de los boruros de hierro. c) Establecer el comportamiento tribocorrosivo en capas de boruros de hierro formadas en un acero borurado AISI 1045 y en un acero borurado AISI 1045 y sometido al proceso de recocido por difusión para estimar la pérdida de material debido a la sinergia desgaste-corrosión considerando la metodología planteada en la norma ASTM G119-09. A continuación se presenta una breve descripción del procedimiento experimental y los resultados desarrollados en el presente estudio. El modelo cinético empleado para estimar la evolución de los boruros de hierro durante el proceso de recocido por difusión (PRD) establece los tiempos y temperaturas de tratamiento que permiten la disolución total de la capa FeB y la evolución de la capa Fe2B en aceros borurados AISI 1045. La validación del modelo cinético se realizó de forma experimental, donde los espesores de la capa borurada estimados por el modelo cinético no varían de forma significativa, en comparación con los espesores de capa estimados experimentalmente. Asímismo, se ha implementado un modelo que permite estimar la tenacidad a la fractura, por medio del ensayo de rasgado transversal, en capas gruesas bifásicas FeB-Fe2B y monofásicas Fe2B (en ambos casos capas mayores a 100 μm de espesor) formadas en la superficie de aceros borurados AISI 1045 y de aceros borurados AISI 1045 expuestos al PRD, respectivamente. El modelo propuesto, considera los valores experimentales de las longitudes de la fractura en forma de cono obtenidas por el desprendimiento de material partir del ensayo de rasgado transversal. Los valores de tenacidad a la fractura, tanto de las capas bifásicas FeBFe2B y monofásicas Fe2B son comparados entre sí, y con los valores de tenacidad a la fractura obtenidos por la técnica de microindentación Vickers. Finalmente, se presentan los resultados obtenidos del ensayo tribocorrosión desarrollado en el acero AISI 1045, en el acero borurado AISI 1045 y en el acero borurado AISI 1045 expuesto al PRD. Los resultados obtenidos permiten establecer la pérdida de material en la superficie de los materiales antes citados, a partir de la sinergia desgaste-corrosión. Los resultados indican que el acero borurado AISI 1045 expuesto al proceso de recocido por difusión presenta un incremento en sus propiedades tribocorrosivas en comparación con el acero borurado AISI 1045 y el acero AISI 1045. Esto permite establecer una menor pérdida de material por la acción desgaste-corrosión y un incremento en el tiempo de vida útil del material. Conforme a los resultados experimentales presentados en este proyecto de investigación, se concluye que la formación de una capa bifásica FeB-Fe2B en la superficie del acero AISI 1045 no es deseable en aplicaciones industriales que conllevan la sinergia desgaste-corrosión. Abstract The present academic research is divided in three sections: a) Firstly, a kinetic model was developed in order to establish the evolution of borided layers (FeB and Fe2B) obtained on the surface of borided AISI 1045 steel and in a borided AISI 1045 steel exposed to a diffusion annealing process (DAP). b) Subsequently, a cross-sectioned scratch test were performed on thick FeBFe2B and Fe2B layers formed on the surface of a borided AISI 1045 steel and in a borided AISI 1045 steel exposed to the DAP. The half-cone fracture pattern developed at the top surface of the borided steels was used to estimate the fracture toughness of the borided layers. c) Finally, the tribocorrosion behavior of borided layers formed on the surface of the borided AISI 1045 steel and the borided AISI 1045 steel exposed to the DAP was estimated according to the ASTM G119-09 standard. The synergy between wear and corrosion was analyzed based in the material loss at the surface of the borided steels. A brief description of the experimental procedure and results obtained in the present study are presented below. In the kinetics model, new results about the evolution of the FeB-Fe2B layers during a diffusion annealing process (DAP) are presented. First, the growth of the boride layers over the surface of an AISI 1045 steel was developed by means of the powder-pack boriding process at temperatures of 1173–1273 K with different exposure times for each temperature. The boron diffusion coefficients in the FeB and Fe2B were estimated according to the mass balance equations on the growth interphases, and expressed as a function of the boriding temperatures by the Arrhenius equation. Moreover, the DAP was conducted on borided samples obtained at 1273 K with 4–8 h of exposure using a SiC atmosphere, and considering the theoretical values of annealing times proposed by the extended model. The evolution of the boride layer microstructure was represented by the interphase velocities of the FeB/Fe2B and Fe2B/substrate, and the relationships between the growth of the Fe2B at the expense of the FeB layer for the applied range of annealing times. In addition, the fracture toughness of thick boride coatings was estimated by cross sectioned scratch test. The FeB-Fe2B layer was formed on the surface of AISI 1045 steel using the powder-pack boriding process. After the treatment, the borided steel was exposed to a diffusion annealing process (DAP) in order to dissolve totally the presence of the FeB layer. The cross-sectioned scratch tests were performed with a Vickers diamond stylus drawn across the boride layer under a constant load to produce a half-cone shaped fracture near to the top surface of the borided steels. The height of the half-cone shaped was used to determine the fracture toughness of the FeB and Fe2B layers; the results estimated by the cross-sectioned scratch test were compared with those obtained by Vickers indentation fracture (VIF) test applied in diverse borided steels. Finally, new results about the tribocorrosion behavior of FeB-Fe2B and Fe2B layers formed on the surface of a borided AISI 1045 steel and in the borided AISI 1045 steel exposed to the DAP were estimated. The powder-pack boriding process was performed at 1273 K during 4 h of exposure, while the diffusion annealing process (DAP) was carried out in a borided AISI 1045 steel at 1273 K during 4.5 h of exposure. The tribocorrosion results estimated in the borided steels were established following the ASTM G119-09 standard procedure. The presence of the Fe2B layer obtained in the borided AISI 1045 steel exposed to the DAP increased the tribocorrosion properties in comparison with the FeB-Fe2B layer developed at the surface of the borided AISI 1045 steel. In both materials, it was established that wear has a predominantly effect to corrosion behavior based in the adimensionless factors estimated in this study.