Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University19210.18323/2073-5073-2017-4-67-74Technical SciencesТехнические наукиTHE INFLUENCE OF PRELIMINARY DEFORMATION TREATMENT ON THE HARDENING AND QUALITY OF THE NITRIDED SURFACE OF AUSTENITE STAINLESS STEELВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ НА УПРОЧНЕНИЕ И КАЧЕСТВО АЗОТИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ АУСТЕНИТНОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИMakarovAleksey ViktorovichМакаровАлексей Викторович
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), Head of Department of Materials Science and Laboratory of Mechanical Properties 

доктор технических наук, заведующий отделом материаловедения и лабораторией механических свойств

avm@imp.uran.ruSamoylovaGalina ViktorovnaСамойловаГалина Викторовна
Russian Federation

postgraduate student

аспирант

a1isova@mail.ruMamaevAleksandr SergeevichМамаевАлександр Сергеевич
Russian Federation

PhD (Engineering), researcher

кандидат технических наук, научный сотрудник

asm@iep.uran.ruOsintsevaAlevtina LeontievnaОсинцеваАлевтина Леонтьевна
Russian Federation

PhD (Engineering), senior researcher

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

lkm@imach.uran.ruSavrayRoman AnatolievichСаврайРоман Анатольевич
Russian Federation

PhD (Engineering), Head of Laboratory of Constructional Material Science

кандидат технических наук, заведующий лабораторией конструкционного материаловедения

ras@imach.uran.ruM.N. Mikheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Yekaterinburg Institute of Engineering Science of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, YekaterinburgИнститут физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, ЕкатеринбургM.N. Mikheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, YekaterinburgИнститут физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук, ЕкатеринбургInstitute of Electrophysics of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, EkaterinburgИнститут электрофизики Уральского отделения Российской академии наук, ЕкатеринбургInstitute of Engineering Science of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, YekaterinburgИнститут машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург29122017467740403202204032022https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/192

The searching for the effective methods of hardening (when retaining the high surface quality) of austenitic chromium-nickel steels, which are thermally nonhardenable and liable to adhesion structural materials, is relevant. In this paper, using the methods of electronic scanning microscopy, optical profilometry and microdurometry, the authors studied the influence of combined treatment including the nanostructuring frictional treatment by applying the sliding synthetic diamond indenter in conjunction with the nitrogen hardening in the electron beam plasma at the temperatures between 300 and 500 °С, on the hardening, quality and roughness of AISI 321 metastable austenitic steel surface. To compare, the plasma nitrogen hardening of undeformed coarse-crystalline steel was studied. The preliminary steel surface nanostructuring by frictional treatment and further nitrogen hardening at the temperature of ТN=350 °С increase significantly the depth of hardened layer. This temperature is the minimum temperature of effective nitrogen hardening both of the deformation-nanostructured and the coarse-crystalline steel. The preliminary deformation treatment hinders the strong growth of roughness and prevents the surface quality deterioration during nitrogen hardening due to the inhibition of nitride phases precipitation on the grains and subgrains boundaries that lead to the “swelling” of the undeformed steel surface. However, the nitrogen hardening at the temperature of ТN=500 °С causes the intense blistering and pore formation on the steel surface previously processed by friction treatment. It is associated with the emergence of the increased amount of ε-phase and gaseous nitrogen in the diffusion active nanostructured surface layer after the nitrogen hardening. The reduction of nitriding temperature from 500 to 350 °C promotes the elimination of blistering and pore formation, and, as a result, the reduction of roughness (up to Ra=0.1 μm) and the quality improvement of nitride steel surface prehardened by friction treatment.

Актуальным является поиск эффективных способов упрочнения (при сохранении высокого качества поверхности) аустенитных хромоникелевых сталей – термически неупрочняемых и склонных к адгезии конструкционных материалов. В настоящей работе с использованием методов электронной сканирующей микроскопии, оптической профилометрии и микродюрометрии изучено влияние комбинированной обработки, включающей наноструктурирующую фрикционную обработку скользящим индентором в комплексе с азотированием в плазме электронного пучка при температурах ТА=300–500 °С, на упрочнение, качество и шероховатость поверхности метастабильной аустенитной стали 04Х17Н8Т. Для сравнения исследовали плазменное азотирование недеформированной крупнокристаллической стали. После предварительного наноструктурирования поверхности стали фрикционной обработкой при последующем азотировании при ТА=350 °С установлен существенный рост толщины упрочненного слоя. Указанная температура является минимальной температурой эффективного азотирования как деформационно-наноструктурированной, так и крупнокристаллической стали. Предварительная деформационная обработка препятствует сильному росту шероховатости и ухудшению качества поверхности при азотировании вследствие подавления выделений по границам зерен и субзерен нитридных фаз, приводящих к «вспучиванию» поверхности недеформированной стали. Однако на поверхности стали, подвергнутой фрикционной обработке, азотирование при ТА=500 °С вызывает интенсивный блистеринг и порообразование. Это обусловлено возникновением в диффузионно-активном наноструктурированном поверхностном слое при азотировании повышенного количества ε-фазы и газообразного азота. Снижение температуры азотирования от 500 до 350 °С способствует устранению блистеринга, порообразования, и, как следствие, уменьшению шероховатости (до Ra=0,1 мкм) и улучшению качества поверхности азотированной стали, предварительно упрочненной фрикционной обработкой.

austenitic stainless steelfrictional treatmentstrain-induced martensiteelectron beamplasmamicrohardnessroughnessаустенитная нержавеющая стальфрикционная обработкамартенсит деформацииэлектронный пучокплазмамикротвердостьшероховатостьРабота выполнена в рамках государственного задания ФАНО России по темам «Структура» № 01201463331 (проект № 15-9-12-45) и государственного задания ИМАШ УрО РАН по теме № 01201354598 при поддержке РФФИ, проект № 15-08-07947. Измерение микротвердости, электронная сканирующая микроскопия и профилометрия выполнены в ЦКП «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН. Статья подготовлена по материалам докладов участников VIII Международной школы «Физическое материаловедение» с элементами научной школы для молодежи, Тольятти, 3–12 сентября 2017 г.Rolinski E. Plasma-assisted nitriding and nitrocarburizing of steel and other ferrous alloys. Thermochemical surface Engineering of steels: Improving Materials Performance. Woodhead Publ., 2014, pp. 413–457.Rolinski E. Plasma-assisted nitriding and nitrocarburizing of steel and other ferrous alloys // Thermochemical surface Engineering of steels: Improving Materials Performance. USA: Woodhead Publ., 2014. P. 413–457.Gavriolv N.V., Menshakov A.I. Low temperature nitriding of stainless steel in electron beam plasma at 400 °C. Fizika i khimiya obrabotki materialov, 2012, no. 5, pp. 31–36.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.Makarov A.V., Gavrilov N.V., Samoylova G.V., Mamaev A.S., Osintseva A.L., Savray R.A. Effect of a continuous and gas-cyclic plasma nitriding on the quality of nanostructured austenitic stainless steel. Obrabotka metallov (Tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty), 2017, no. 2, pp. 55–66.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.Sun Y., Bell T. Sliding wear characteristics of low temperature plasma nitride 316 austenitic stainless steel. Wear, 1998, vol. 218, pp. 34–42.Sun Y., Bell T. Sliding wear characteristics of low temperature plasma nitride 316 austenitic stainless steel // Wear. 1998. Vol. 218. P. 34–42.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 Coatings Technology, 2000, vol. 133–134, pp. 259–263.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 Coatings Technology. 2000. Vol. 133–134. P. 259–263.Liang W. Surface modification of AISI 304 austenitic stainless steel by plasma nitriding. Surface and Coatings Technology, 2005, vol. 195, pp. 81–84.Liang W. Surface modification of AISI 304 austenitic stainless steel by plasma nitriding // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 195. P. 81–84.Xu X., Yu Z., Wang L., Qiang J., Hei Z. Phase depth distribution characteristics of the plasma nitrided layer on AISI 304 stainless steel. Surface and Coatings Technology, 2003, vol. 162, pp. 242–247.Xu X., Yu Z., Wang L., Qiang J., Hei Z. Phase depth distribution characteristics of the plasma nitrided layer on AISI 304 stainless steel // Surface and Coatings Technology. 2003. Vol. 162. P. 242–247.Xi Y. T., Liu D. X., Han D. Improvement of erosion and erosion-corrosion resistance of AISI420 stainless steel by low temperature plasma nitriding. Applied Surface Science, 2008, vol. 254, no. 18, pp. 5953–5958.Xi Y. T., Liu D. X., Han D. Improvement of erosion and erosion-corrosion resistance of AISI420 stainless steel by low temperature plasma nitriding // Applied Surface Science. 2008. Vol. 254. № 18. P. 5953–5958.Gatey A.M., Hosmani S.S., Figueroa C.A., Arya S.B., Singh R.P. Role of surface mechanical attrition treatment and chemical etching on plasma nitriding behavior of AISI 304L steel. Surface and Coatings Technology, 2016, vol. 304, pp. 413–424.Gatey A.M., Hosmani S.S., Figueroa C.A., Arya S.B., Singh R.P. Role of surface mechanical attrition treatment and chemical etching on plasma nitriding behavior of AISI 304L steel // Surface and Coatings Technology. 2016. Vol. 304. P. 413–424.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, no. 20, pp. 5599–5605.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.Laleh M., Kargar F., Velashjerdi M. Low-temperature nitriding of nanocrystalline stainless steel and its effect on improving wear and corrosion. Journal of Materials Engineering and Performance, 2013, vol. 22, no. 5, pp. 1304–1310.Laleh M., Kargar F., Velashjerdi M. Low-temperature nitriding of nanocrystalline stainless steel and its effect on improving wear and corrosion // Journal of Materials Engineering and Performance. 2013. Vol. 22. № 5. P. 1304–1310.Chemkhi M., Retraint D., Roos A., Garnier C., Waltz L., Demangel C., Proust G. The effect of surface mechanical attrition treatment on low temperature plasma nitriding of an austenitic stainless steel. Surface and Coatings Technology, 2013, vol. 221, pp. 191–195.Chemkhi M., Retraint D., Roos A., Garnier C., Waltz L., Demangel C., Proust G. The effect of surface mechanical attrition treatment on low temperature plasma nitriding of an austenitic stainless steel // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 221. P. 191–195.Jayalakshmi M., Huilgol P., Bhat B.R., Bhat K. U. Microstructural characterization of low temperature plasma-nitrided 316L stainless steel surface with prior severe shot peening. Materials and Design, 2016, vol. 108, pp. 448–454.Jayalakshmi M., Huilgol P., Bhat B.R., Bhat K. U. 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.Makarov A.V., Korshunov L.G. Improving hardness and wear resistance of laser hardened steel surfaces friction treatment. Friction and Wear, 2003, vol. 24, no. 3, pp. 301–306.Макаров А.В., Коршунов Л.Г. Повышение твердости и износостойкости закаленных лазером стальных поверхностей с помощью фрикционной обработки // Трение и износ. 2003. Т. 24. № 3. С. 301–306.Baraz V.P., Kartak B.P., Mineeva O.N. Special features of friction hardening of austenitic steel with unstable γ-phase. Metal Science and Heat Treatment, 2011, vol. 52, no. 9-10, pp. 473–475.Бараз В.Р., Картак Б.Р., Минеева О.Н. Особенности фрикционного упрочнения аустенитной стали с нестабильной фазой // Металловедение и термическая обработка металлов. 2010. № 10. С. 20–22.Baraz V.P., Fedorenko O.N. Special features of friction treatment of steels of the spring class. Metal Science and Heat Treatment, 2016, vol. 57, no. 11, pp. 652–655.Бараз В.Р., Федоренко О.Н. Особенности фрикционной обработки сталей пружинного класса // Металловедение и термическая обработка металлов. 2015. № 11. С. 16–19.Makarov A.V., Soboleva N.N., Savray R.A., Malygina I.Yu. The improvement of micromechanical properties and wear resistance of chrome-nickel laser coating using the finishing friction treatment. Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta, 2015, no. 4, pp. 60–67.Макаров А.В., Соболева Н.Н., Саврай Р.А., Малыгина И.Ю. Повышение микромеханических свойств и износостойкости хромоникелевого лазерного покрытия финишной фрикционной обработкой // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2015. № 4. С. 60–67.Makarov A.V., Skorynina P.A., Osintseva A.L., Yurovskikh A.S., Savray R.A. Improving the tribological properties of austenitic 12Kh18N10T steel by nanostructuring frictional treatment. Obrabotka metallov (Tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty), 2015, no. 4, pp. 80–92.Макаров А.В., Скорынина П.А., Осинцева А.Л., Юровских А.С., Саврай Р.А. Повышение трибологических свойств аустенитной стали 12Х18Н10Т наноструктурирующей фрикционной обработкой // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2015. № 4. С. 80–92.Makarov A.V., Skorynina P.A., Volkova E.G., Osintseva A.L. Nanostructuring combined frictional-thermal treatment of 12KH18N10T austenic steel. Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta, 2016, no. 4, pp. 30–37Макаров А.В., Скорынина П.А., Волкова Е.Г., Осинцева А.Л. Наноструктурирующие комбинированные фрикционно-термические обработки аустенитной стали 12Х18Н10Т // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2016. № 4. С. 30–37Gleiter H. Nanocrystalline materials. Progress in Materials Science, 1989, vol. 33, no. 4, pp. 223–315.Gleiter H. Nanocrystalline materials // Progress in Materials Science. 1989. Vol. 33. № 4. P. 223–315.Lu K. Nanocrystalline metals crystallized from amorphous solids: nanocrys-tallization, structure, and properties. Materials Science and Engineering R–Reports, 1996, vol. 16, no. 4, pp. 161–221.Lu K. Nanocrystalline metals crystallized from amorphous solids: nanocrys-tallization, structure, and properties // Materials Science and Engineering R–Reports. 1996. Vol. 16. № 4. P. 161–221.Tong W.P., Tao N.R., Wang Z.B., Lu J., Lu K. Nitriding iron at lower temperatures. Science, 2003, vol. 299, no. 5607, pp. 686–688.Tong W.P., Tao N.R., Wang Z.B., Lu J., Lu K. Nitriding iron at lower temperatures // Science. 2003. Vol. 299. № 5607. P. 686–688.Tong W.P., Liu C.Z., Wang W., Tao N.R., Wang Z.B., Zuo L., He J.C. Gaseous nitriding of iron with a nanostructured surface layer. Scripta Materialia, 2007, vol. 57, no. 6, pp. 533–536.Tong W.P., Liu C.Z., Wang W., Tao N.R., Wang Z.B., Zuo L., He J.C. Gaseous nitriding of iron with a nanostructured surface layer // Scripta Materialia. 2007. Vol. 57. № 6. P. 533–536.Balusamy T., Narayanan T.S.N. S., Ravichandran K., Park I.S., Lee M.H. Plasma nitriding of AISI 304 stainless steel: Role of surface mechanical attrition treatment. Materials Characterization, 2013, vol. 85, pp. 38–47.Balusamy T., Narayanan T.S.N. S., Ravichandran K., Park I.S., Lee M.H. Plasma nitriding of AISI 304 stainless steel: Role of surface mechanical attrition treatment // Materials Characterization. 2013. Vol. 85. P. 38–47.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, pp. 2474–2480.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. P. 2474–2480.Stinville J.C., Villechaise P., Templier C., P.Riviere J., Drouet M. Plasma nitriding of 216L austenitic stainless steel: Experimental investigation of fatigure life and surface evolution. Surface and Coatings Technology, 2010, vol. 204, pp. 1947–1951.Stinville J.C., Villechaise P., Templier C., P.Riviere J., Drouet M. Plasma nitriding of 216L austenitic stainless steel: Experimental investigation of fatigure life and surface evolution // Surface and Coatings Technology. 2010. Vol. 204. P. 1947–1951.Kislitsin S.B., Vereschak M.F., Manakova I.A., Ozernoy A.N., Satpaev D.A., Tuleushev Yu.Zh. Blistering and α↔γ phase transitiona at annealing of stainless steel C12Cr18Ni10Ti irradiated by low energy alpha-particles. Problems of atomic science and technology, 2013, no. 2, pp. 17–22.Кислицин С.Б., Верещак М.Ф., Манакова И.А., Озерной А.Н., Сатпаев Д.А., Тулеушев Ю.Ж. Блистеринг и α↔γ-превращения при отжиге стали 12Х18Н10Т, облученной низкоэнергетическими альфа-частицами // Вопросы атомной науки и техники. 2013. № 2. С. 17–22.Kondo Y., Tanei H., Ushioda K., Maeda M., Abe Y. Effect of nitrogen on blister growth process during high temperature oxidation of steel. ISIJ International, 2012, vol. 52, no. 9, pp. 1644–1648.Kondo Y., Tanei H., Ushioda K., Maeda M., Abe Y. Effect of nitrogen on blister growth process during high temperature oxidation of steel // ISIJ International. 2012. Vol. 52. № 9. P. 1644–1648.Lakhtin Yu.M., Kogan Ya.D., Shpis G.-I., Bemer Z. Teoriya i tekhnologiya azotirovaniya [Theory and technology of nitriding]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1991. 320 p.Лахтин Ю.М., Коган Я.Д., Шпис Г.–И., Бемер З. Теория и технология азотирования. М.: Металлургия, 1991. 320 с.Belashova I.S., Shashkov A.O. Kinetics of growth of diffusion layer in nitriding by the thermogasocyclic method. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov, 2012, no. 6, pp. 46–50.Белашова И.С., Шашков А.О. Кинетика роста диффузионного слоя при термогазоциклическом способе азотирования // Металловедение и термическая обработка металлов. 2012. № 6. С. 46–50.