ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Низкотемпературная плазменная цементация является эффективным способом повышения твердости термически неупрочняемых аустенитных хромоникелевых сталей. Использование низкоэнергетичных (до 1 кэВ) электронных пучков для плазменного модифицирования поверхности позволяет не только эффективно генерировать плазму, но и нагревать до высокой температуры помещаемые в плазму объекты без использования дополнительного внешнего нагрева. Однако в литературе отсутствуют сведения о цементации аустенитных нержавеющих сталей с использованием плазмы, генерируемой электронным пучком. Существенное влияние на уровень обеспечиваемых характеристик и формируемый фазовый состав аустенитных сталей оказывает температура цементации. Важно также учитывать, что применение ионно-плазменных химико-термических обработок может приводить к изменению шероховатости обрабатываемой поверхности. Цель работы заключается в изучении влияния температуры цементации в плазме низкоэнергетичного электронного пучка в диапазоне ТЦ = 350…500 °С на фазовый состав, шероховатость, глубину и упрочнение цементованного слоя аустенитной стали 04Х17Н8Т (AISI 321). Методы исследования: измерение микротвердости, рентгеноструктурный фазовый анализ, сканирующая электронная микроскопия и оптическая профилометрия. Результаты и обсуждение. Цементация в плазме, генерируемой электронным пучком, при ТЦ = 350…500 °С обеспечивает повышение микротвердости поверхности аустенитной стали в 5,5 раз (до ~ 1100 HV 0,025). Установлено, что глубина упрочненного слоя в сильной степени зависит от температуры цементации и составляет 25 мкм при ТЦ = 350 °С, а при дальнейшем повышении температуры цементации возрастает вплоть до 200 мкм при ТЦ = 500 °С. Эффективное упрочнение поверхностного слоя нержавеющей стали связано с формированием пересыщенного углеродом аустенита γC и карбидов Cr23C6 при ТЦ = 350…500 °С, а также карбидов Cr7C3 при ТЦ = 500 °С. Показано, что цементация электрополированной поверхности стали при температурах 400…500 °С сопровождается ростом параметра шероховатости Ra до 0,73…1,06 мкм. Снижение температуры цементации до ТЦ = 350 °С приводит к формированию поверхности со значительно более низким параметром шероховатости Ra = 0,15 мкм.
Скорынина Полина Андреевна
Макаров Алексей Викторович
Меньшаков Андрей Игоревич
Осинцева Алевтина Леонтьевна
1. Gatey A.M., Hosmani S.S., Singh R.P. Surface mechanical attrition treated AISI 304L steel: role of process parameters // Surface Engineering. – 2016. – Vol. 32, iss. 1. – P. 69–78. – DOI: 10.1179/1743294415Y.0000000056.
2. Characterization of the phase transformation in a nanostructured surface layer of 304 stainless steel induced by high-energy shot peening / Z. Ni, X. Wang, J. Wang, E. Wu // Physica B-Condensed Matter. – 2003. – Vol. 334. – P. 221–228. – DOI: 10.1016/S0921-4526(03)00069-3.
3. Effect of structure evolution induced by ultrasonic peening on the corrosion behavior of AISI-321 stainless steel / B.N. Mordyuk, G.I. Prokopenko, M.A. Vasylyev, M.O. Iefimov // Materials Science and Engineering: A. – 2007. – Vol. 458, iss. 1–2. – P. 253–261. – DOI: 10.1016/j.msea.2006.12.049.
4. Baraz V.R., Kartak B.R., Mineeva O.N. Special features of friction hardening of austenitic steel with unstable γ-phase // Metal Science and Heat Treatment. – 2011. – Vol. 52, iss. 9. – P. 473–475. – DOI: 10.1007/s11041-010-9302-x.
5. Повышение трибологических свойств аустенитной стали 12Х18Н10Т наноструктурирующей фрикционной обработкой / А.В. Макаров, П.А. Скорынина, А.Л. Осинцева, А.С. Юровских, Р.А. Саврай // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2015. – № 4 (69). – С. 80–92. – DOI: 10.17212/1994-6309-2015-4-80-92.
6. Baraz V.R., Fedorenko O.N. Special features of friction treatment of steels of the spring class // Metal Science and Heat Treatment. – 2016. – Vol. 57, iss. 11–12. – P. 652–655. – DOI: 10.1007/s11041-016-9937-3.
7. Effect of the conditions of the nanostructuring frictional treatment process on the structural and phase states and the strengthening of metastable austenitic steel / A.V. Makarov, P.A. Skorynina, A.S. Yurovskikh, A.L. Osintseva // Physics of Metals and Metallography. – 2017. – Vol. 118, iss. 12. – P. 1225–1235. – DOI: 10.1134/S0031918X17120092.
8. Narkevich N.A., Shulepov I.A., Mironov Yu.P. Structure, mechanical, and tribotechnical properties of an austenitic nitrogen steel after frictional treatment // Physics of Metals and Metallography. – 2017. – Vol. 118, iss. 4. – P. 339–406. – DOI: 10.1134/S0031918X17020090.
9. Microstruсture and mechanical properties of friction stir processed AISI 316L stainless steel / M. Hajian, A. Abdollah-zadeh, S.S. Rezaei-Nejad, H. Assadi, S.M.M. Hadavi, K. Chung, M. Shokouhimehr // Materials and Design. – 2015. – Vol. 67. – P. 82–94. – DOI: 10.1016/j.matdes.2014.10.082.
10. Liang W. Surface modification of AISI 304 austenitic stainless steel by plasma nitriding // Applied Surface Science. – 2003. – Vol. 211. – P. 308–314. – DOI: 10.1016/S0169-4332(03)00260-5.
11. Microstructure and dry sliding wear resistance evaluation of plasma nitride austenitic stainless steel type AISI 316LN against different sliders / A. Devaraju, A. Elayaperumal, J. Alphonsa, S.V. Kailas, S. Venugopal // Surface and Coatings Technology. – 2012. – Vol. 207. – P. 406–412. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.07.031.
12. Gavrilov N.V., Mamaev A.S., Chukin A.V. Nitriding of stainless steel in plasma of a pulse electron beam // Technical Physics Letters. – 2016. – Vol. 42, iss. 5. – P. 491–494. – DOI: 10.1134/S1063785016050096.
13. Gavrilov N.V., Mamaev A.S., Chukin A.V. Nitriding of stainless steel in electron beam plasma in the pulsed and DC generation modes // Journal of Surface Investigation. – 2017. – Vol. 11, iss. 6. – P. 1167–1172. – DOI: 10.1134/S1027451017060076.
14. Cao Y., Ernst F., Michal G.M. Colossal carbon supersaturation in austenitic stainless steels carburized at low temperature // Acta Materialia. – 2003. – Vol. 51. – P. 4171–4181. – DOI: 10.1016/S1359-6454(03)00235-0.
15. Tokaji K., Kohyama K., Masayuki A. Fatigue behaviour and fracture mechanism of a 316 stainless steel hardened by carburizing // International Journal of Fatigue. – 2004. – Vol. 26, iss. 5. – P. 543–551. – DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2003.08.024.
16. Carbide precipitation in austenitic stainless steel carburized at low temperature / F. Ernst, Y. Cao, G.M. Michal, A.H. Heuer // Acta Materialia. – 2007. – Vol. 55. – P. 1895–1906. – DOI: 10.1016/j.actamat.2006.09.049.
17. Cheng L.H., Hwang K.S. Surface hardening of powder injection molded 316l stainless steels through low-temperature carburization // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2013. – Vol. 44A, iss. 2. – P. 827–834. – DOI: 10.1007/s11661-012-1458-0.
18. Influence of the countermaterial on the dry sliding friction and wear behaviour of low temperature carburized AISI316L steel / L. Ceschini, C. Chiavari, A. Marconi, C. Martini // Tribology International. – 2013. – Vol. 67. – P. 36–43. – DOI: 10.1016/j.triboint.2013.06.013.
19. Structure and wear resistance of 0Cr17Ni14Mo2 austenitic stainless steel after low temperature gas carburising / F. Ma, L. Pan, L.J. Zhang, Y.F. Zhu, P. Li, M. Yang // Materials Research Innovations. – 2014. – Vol. 18. – P. 1023–1027. – DOI: 10.1179/1432891714Z.000000000551.
20. Sun Y. Tribocorrosion behavior of low temperature plasma carburized stainless steel // Surface and Coatings Technology. – 2013. – Vol. 228. – P. S342–S348. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.05.105.
21. Surface modification of austenitic steels by low-temperature carburization / I. Ciancaglioni, R. Donnini, S. Kaciulis, A. Mezzi, R. Montanari, N. Ucciardello, G. Verona-Rinati // Surface and Interface Analysis. – 2012. – Vol. 44, iss. 8. – P. 1001–1004. – DOI: 10.1002/sia.4894.
22. Modification of S phase on austenitic stainless steel using fine particle shot peening / M. Tsujikawa, M. Egawa, T. Sone, N. Ueda, T. Okano, K. Higashi // Surface and Coatings Technology. – 2013. – Vol. 228. – P. S318–S322. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.05.111.
23. Sun Y. Kinetics of low temperature plasma carburizing of austenitic stainless steels // Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – Vol. 168. – P. 189–94. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2004.10.005.
24. Carburization of austenitic and ferritic steels in carbon-saturated sodium: preliminary results on the diffusion coefficient of carbon at 873 K / M. Romedenne, F. Rouillard, B. Dupray, D. Hamon, M. Tabarant, D. Monceau // Оxidation of Metals. – 2016. – Vol. 87. – P. 643–653. – DOI: 10.1007/s11085-017-9733-5.
25. Abraha P., Yoshikawa Y., Katayama Y. Surface modification of steel surfaces by electron beam excited plasma processing // Vacuum. – 2009. – Vol. 83, iss. 3. – P. 497–500. – DOI: 10.1016/j.vacuum.2008.04.073.
26. Влияние непрерывного и газоциклического плазменного азотирования на качество наноструктурированной поверхности аустенитной нержавеющей стали / А.В. Макаров, Н.В. Гаврилов, Г.В. Самойлова, А.С. Мамаев, А.Л. Осинцева, Р.А. Саврай // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2017. – № 2 (75). – С. 55–66. – DOI: 10.17212/1994-6309-2017-2-55-66.
27. Sun Y., Li X., Bell T. Structural characteristics of low temperature plasma carburised austenitic stainless steel // Materials Science and Technology. – 1999. – Vol. 15, iss. 10. – P. 1171–1178. – DOI: 10.1179/026708399101505077.
28. Tong X., Zhang T., Ye W. Effect of carburizing atmosphere proportion on low temperature plasma carburizing of austenitic stainless steel // Advanced Materials, Mechanics and Industrial Engineering. – 2014. – Vol. 598. – P. 90–93. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.598.90.
29. Effect of shot peening and treatment temperature on wear and corrosion resistance of sequentially plasma treated AISI 316L steel / M.R. Menezes, C. Godoy, V.T.L. Buono, M.M.M. Schvartzman, J.C.A.B. Wilson // Surface and Coatings Technology. – 2017. – Vol. 309. – P. 651–662. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2016.12.037.
30. Borgioli F., Galvanetto E., Bacci T. Influence of surface morphology and roughness on water wetting properties of low temperature nitrided austenitic stainless steels // Materials Characterization. – 2014. – Vol. 95. – P. 278–284. – DOI: 10.1016/j.matchar.2014.07.006.
31. Влияние предварительной деформационной обработки на упрочнение и качество азотированной поверхности аустенитной нержавеющей стали / А.В. Макаров, Г.В. Самойлова, Н.В. Гаврилов, А.С. Мамаев, А.Л. Осинцева, Р.А. Саврай // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. – 2017. – № 4 (42). – С. 67–74. – DOI: 10.18323/2073-5073-2017-4-67-74.
32. Металловедение и термическая обработка стали. В 3 т. Т. 2: справочник / под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. – Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1983. – 368 с.
33. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. – М.: Металлургиздат, 1970. – 366 с.
34. Effect of heating on the structure, phase composition and micromechanical properties of the metastable austenitic steel strengthened by nanostructuring frictional treatment / A.V. Makarov, P.A. Skorynina, E.G. Volkova, A.L. Osintseva // The Physics of Metals and Metallography. – 2018. – Vol. 119, iss. 12. – P. 1196–1203. – DOI: 10.1134/S0031918X18120116.
35. Improvement of the mechanical properties of austenitic stainless steel after plasma nitriding / E. Menthe, A. Bulak, J. Olfe, A. Zimmermann, K.T. Rie // Surface and Coatings Technology. – 2000. – Vol. 133–134. – P. 259–263. – DOI: 10.1016/S0257-8972(00)00930-0.
36. Duarte M.C.S., Godoya C., Wilson J.C.A.B. Analysis of sliding wear tests of plasma processed AISI 316L steel // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 260. – P. 316–325. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.07.094.
37. Effect of preliminary nanostructuring frictional treatment on the efficiency of nitriding of metastable austenitic steel in electron beam plasma / A.V. Makarov, G.V. Samoilova, N.V. Gavrilov, A.S. Mamayev, A.L. Osintseva, T.E. Kurennykh, R.A. Savrai // AIP Conference Proceedings. – 2017. – Vol. 1915. – P. 030011-1–030011-5. – DOI: 10.1063/1.5017331.
Финансирование
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 18-38-00561_мол_а и в рамках государственных заданий ИМАШ УрО РАН по теме № АААА-А18-118020790148-1 и ИФМ УрО РАН по теме «Структура» № АААА-А18-118020190116-6. Исследования выполнены в ЦКП «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН.
Влияние низкотемпературной цементации в плазме электронного пучка на упрочнение и шероховатость поверхности метастабильной аустенитной стали / П.А. Скорынина, А.В. Макаров, А.И. Меньшаков, А.Л. Осинцева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 2. – С. 97–109. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-97-109.
Skorynina P.A., Makarov A.V., Men’shakov A.I., Osintseva A.L. Effect of low-temperature carburization in electron beam plasma on the hardening and surface roughness of the metastable austenitic steel. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2019, vol. 21, no. 2, pp. 97–109. DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-97-109. (In Russian).
