ВЛИЯНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПЛАЗМЕННОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ УГЛЕРОДОМ И АЗОТОМ НА УПРОЧНЕНИЕ И ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ АУСТЕНИТНОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ

  • Полина Андреевна Скорынина Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук
  • Алексей Викторович Макаров Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук
  • Андрей Игоревич Меньшаков Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук
  • Алевтина Леонтьевна Осинцева Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук
  • Марина Андреевна Чалина Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук
Ключевые слова: аустенитная нержавеющая сталь, плазменная цементация, плазменное азотирование, низкоэнергетичный электронный пучок, микротвердость, шероховатость поверхности

Аннотация

Низкотемпературная плазменная цементация и низкотемпературное плазменное азотирование являются эффективными методами упрочнения термически неупрочняемых аустенитных хромоникелевых сталей. Однако ионно-плазменные методы модифицирования поверхности могут приводить к росту параметра шероховатости. Ранее авторами было установлено, что уровень обеспечиваемой шероховатости поверхности в сильной степени зависит от температуры плазменной обработки. Актуальным направлением исследований является снижение температуры химико-термической обработки с целью обеспечения эффективного упрочнения и низкого уровня шероховатости поверхности аустенитной хромоникелевой стали.

В настоящей работе с применением рентгеноструктурного фазового анализа, измерений микротвердости при различных нагрузках и оптической профилометрии изучено влияние цементации и азотирования в плазме электронного пучка при температуре T=350 °С на формируемый фазовый состав, микротвердость и шероховатость поверхности аустенитной стали 04Х17Н8Т. Установлено, что цементация и азотирование в плазме, генерируемой низкоэнергетичным электронным пучком, обеспечивает повышение микротвердости поверхности аустенитной стали в 5–6 раз (от 220 до 1100 HV 0,025 и 1390 HV 0,025 соответственно). Эффективное упрочнение поверхностного слоя аустенитной стали связано с формированием в результате низкотемпературного плазменного модифицирования пересыщенного углеродом аустенита γC и карбидов хрома Cr23C6 при цементации, а также S-фазы (пересыщенного азотом аустенита γN), ε-фазы (Fe2-3N) и γ¢-фазы (Fe4N) при азотировании. Показано, что нержавеющая аустенитная сталь после цементации характеризуется большей глубиной упрочненного слоя, чем в случае плазменного азотирования. Низкотемпературные (при температуре T=350 °С) обработки в плазме электронного пучка цементацией и азотированием обеспечивают формирование качественной поверхности стали 04Х17Н8Т с низкими значениями параметра шероховатости Ra (185–265 нм) и вследствие этого могут рассматриваться в качестве финишной операции при проведении поверхностного упрочнения аустенитной стали.

Биографии авторов

Полина Андреевна Скорынина , Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук

младший научный сотрудник

Алексей Викторович Макаров , Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук

член-корреспондент РАН, доктор технических наук, заведующий отделом материаловедения и лабораторией механических свойств

Андрей Игоревич Меньшаков , Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук

кандидат технических наук, научный сотрудник

Алевтина Леонтьевна Осинцева , Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Марина Андреевна Чалина, Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук

аспирант

Литература

1. Menthe E., Bulak A., Olfe J., Zimmermann A., Rie K.-T. Improvement of the mechanical properties of austenitic stainless steel after plasma nitriding // Surface and CoatingsTechnology. 2000. Vol. 133-134. P. 259–263.
2. Sun Y. Tribocorrosion behavior of low temperature plasma carburized stainless steel // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 228. № 1. P. S342–S348.
3. Ernst F., Cao Y., Michal G.M., Heuer A.H. Carbide precipitation in austenitic stainless steel carburized at low temperature // Acta Materialia. 2007. Vol. 55. № 6. P. 1895–1906.
4. Гаврилов Н.В., Меньшаков А.И. Низкотемпературное азотирование нержавеющей аустенитной стали в плазме электронного пучка при 400 °С // Физика и химия обработки материалов. 2012. № 5. С. 31–36.
5. Cao Y., Ernst F., Michal G.M. Colossal carbon supersaturation in austenitic stainless steels carburized at low temperature // Acta Materialia. 2003. Vol. 51. № 14. P. 4171–4181.
6. Sun Y. Kinetics of low temperature plasma carburizing of austenitic stainless steels // Journal of Materials Processing Technology. 2005. Vol. 168. № 2. P. 189–194.
7. Jayalakshmi M., Huilgol P., Ramachandra B.B., Udaya B.K. Microstructural characterization of low temperature plasma-nitrided 316L stainless steel surface with prior severe shot peening // Materials and Design. 2016. Vol. 108. P. 448–454.
8. Romedenne M., Rouillard F., Dupray B., Hamon D., Tabarant M., Monceau D. Carburization of austenitic and ferritic steels in carbon-saturated sodium: preliminary results on the diffusion coefficient of carbon at 873 K // Оxidation of Metals. 2016. Vol. 87. № 5-6. P. 643–653.
9. Borgioli F., Fossati A., Galvanetto E., Bacci T. Glow-discharge nitriding of AISI 316L austenitic stainless steel: influence of treatment temperature // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 200. № 7. P. 2474–2480.
10. Макаров А.В., Гаврилов Н.В., Самойлова Г.В., Мамаев А.С., Осинцева А.Л., Саврай Р.А. Влияние непрерывного и газоциклического плазменного азотирования на качество наноструктурированной поверхности аустенитной нержавеющей стали // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2017. № 2. С. 55–66.
11. Макаров А.В., Самойлова Г.В., Мамаев А.С., Осинцева А.Л., Саврай Р.А. Влияние предварительной деформационной обработки на упрочнение и качество азотированной поверхности аустенитной нержавеющей стали // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2017. № 4. С. 67–74.
12. Скорынина П.А., Макаров А.В., Меньшаков А.И., Осинцева А.Л. Влияние низкотемпературной цементации в плазме электронного пучка на упрочнение и шероховатость поверхности метастабильной аустенитной стали // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2019. Т. 21. № 2. С. 97–109.
13. Makarov A.V., Samoilova G.V., Gavrilov N.V., Mamayev A.S., Osintseva A.L., Kurennykh T.E., Savrai R.A. Effect of Preliminary Nanostructuring Frictional Treatment on the Efficiency of Nitriding of Metastable Austenitic Steel in Electron Beam Plasma // AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1915. P. 030011–1030011.
14. Гаврилов Н.В., Мамаев А.С., Чукин А.В. Азотирование нержавеющей стали в плазме электронного пучка в импульсном и непрерывном режимах генерации // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2017. № 11. С. 61–67.
15. Ciancaglioni I., Donnini R., Kaciulis S., Mezzi A., Montanari R., Ucciardello N., Verona-Rinati G. Surface modification of austenitic steels by low-temperature carburization // Surface and Interface Analysis. 2012. Vol. 44. № 8. P. 1001–1004.
16. Tong X.S., 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.
17. Blawert C., Mordike B.L., Collins G.A., Jirásková Y., Schneeweiss O., Perina V. Characterisation of duplex layer structures produced by simultaneous implantation of nitrogen and carbon into austenitic stainless steel X5CrNi189 // Surface and Coatings Technology. 2000. Vol. 128-129. № 1. P. 219–225.
18. Corujeira G.S., Dong H. EBSD and AFM observations of the microstructural changes induced by low temperature plasma carburising on AISI 316 // Applied Surface Science. 2011. Vol. 258. № 1. P. 608–613.
19. Menezes M.R., Godoy C., Buono V.T.L., Schvartzman M., Avelar-Batista Wilson J.C. Effect of shot peening and treatment temperature on wear and corrosion resistance of sequentially plasma treated AISI 316L steel // Surface and Coatings Technology. 2017. Vol. 309. P. 651–662.
20. Lin Y., Lu J., Wang L., Xu T., Xue Q. Surface nanocrystallization by surface mechanical attrition treatment and its effect on structure and properties of plasma nitrided AISI 321 stainless steel // Acta Materialia. 2006. Vol. 54. № 20. P. 5599–5605.
Опубликован
2019-12-30
Выпуск
Раздел
Технические науки