Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University89710.18323/2782-4039-2023-4-66-10ArticlesСтатьиThe influence of frictional treatment and liquid carburizing on general corrosion resistance of chromium-nickel austenitic steelsВлияние фрикционной обработки и жидкостной цементации на сопротивление общей коррозии хромоникелевых аустенитных сталейhttps://orcid.org/0000-0002-8904-7600SkoryninaPolina AndreevnaСкорынинаПолина Андреевна
Russian Federation

junior researcher

младший научный сотрудник

polina.skorynina@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2228-0643MakarovAleksey ViktorovichМакаровАлексей Викторович
Russian Federation

Doctor of Science (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of Department of Materials Science, Head of Laboratory of Mechanical Properties

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

av-mak@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9873-3621SavraiRoman AnatolievichСаврайРоман Анатольевич
Russian Federation

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

кандидат технических наук, заведующий лабораторией конструкционного материаловедения

ras@imach.uran.ruInstitute of Engineering Science of the Ural Branch of RAS, YekaterinburgИнститут машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения РАН, ЕкатеринбургInstitute of Engineering Science of the Ural Branch of RAS, Yekaterinburg M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of RAS, YekaterinburgИнститут машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения РАН, Екатеринбург Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН, Екатеринбург30122023410911928122023https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/897

Currently, to increase the hardness, strength and wear resistance of thermally non-hardenable austenitic chromium-nickel steels, such methods as frictional treatment with a sliding indenter and liquid carburizing have been used. However, along with an effective increase in mechanical characteristics, the application of these types of treatment may be accompanied by a decrease in the corrosion resistance of austenitic steels. Therefore, it is reasonable to study the influence of frictional treatment and liquid carburizing on the general corrosion resistance of Cr–Ni austenitic steels. In this work, the surface microhardness of the 12Cr18Ni10Ti and AISI 321 steels was determined using the recovered indentation method after electropolishing, mechanical grinding, frictional treatment, and liquid carburizing at a temperature of 780 °C. Using scanning electron microscopy and optical profilometry, the authors studied steel surfaces subjected to the specified types of treatment and determined their roughness. The corrosion resistance of steel was studied by testing for general corrosion using the gravimetric method. When testing for general corrosion, it was found that hardening (up to 710 HV 0.025) frictional treatment leads to an increase in the corrosion rate of the 12Cr18Ni10Ti austenitic steel compared to the electropolished state (from km=0.35 g/(m2·h) to km=0.53–0.54 g/(m2·h)). The corrosion rate of the ground steel is km=0.58 g/(m2∙h), while mechanical grinding does not provide a significant increase in the microhardness of the steel under study (from 220 to 240 HV 0.025). It is shown that the corrosion behavior of 12Cr18Ni10Ti steel subjected to various types of treatment is determined by the following factors: the presence/absence of strain-induced α'-martensite in the structure, the quality of the formed surface and, apparently, the dispersion of the formed structure. Liquid carburizing of the AISI 321 austenitic steel leads simultaneously to an increase in its microhardness to 890 HV 0.025 and a certain increase in corrosion resistance compared to fine mechanical grinding. This is related to the fact that carbon embedding atoms stabilize the electronic structure of iron (austenite and martensite), thereby increasing its corrosion resistance.  

В настоящее время для повышения твердости, прочности и износостойкости термически неупрочняемых аустенитных хромоникелевых сталей применение нашли такие методы, как фрикционная обработка скользящим индентором и жидкостная цементация. Однако наряду с эффективным повышением механических характеристик применение указанных обработок может сопровождаться снижением коррозионной стойкости аустенитных сталей. Поэтому целесообразно исследовать влияние фрикционной обработки и жидкостной цементации на сопротивление общей коррозии Cr–Ni аустенитных сталей. В данной работе по методу восстановленного отпечатка определяли поверхностную микротвердость сталей 12Х18Н10Т и AISI 321 после электролитического полирования, механического шлифования, фрикционной обработки и жидкостной цементации при температуре 780 °C. С применением сканирующей электронной микроскопии и оптической профилометрии изучали подвергнутые указанным обработкам поверхности сталей и определяли их шероховатость. Коррозионную стойкость стали исследовали при испытаниях на общую коррозию гравиметрическим методом. При испытаниях на общую коррозию установлено, что упрочняющая (до 710 HV 0,025) фрикционная обработка приводит к повышению скорости коррозии аустенитной стали 12Х18Н10Т в сравнении с электрополированным состоянием (от km=0,35 г/(м2·ч) до km=0,53–0,54 г/(м2·ч)). Скорость коррозии шлифованной стали составляет km=0,58 г/(м2·ч), при этом механическое шлифование не обеспечивает значительного повышения микротвердости исследуемой стали (от 220 до 240 HV 0,025). Показано, что коррозионное поведение подвергнутой различным обработкам стали 12Х18Н10Т определяется следующими факторами: наличием/отсутствием α′-мартенсита деформации в структуре, качеством сформированной поверхности и, по-видимому, дисперсностью сформированной структуры. Жидкостная цементация аустенитной стали AISI 321 приводит одновременно к повышению ее микротвердости до 890 HV 0,025 и некоторому росту коррозионной стойкости по сравнению с тонкой механической шлифовкой. Это связано с тем, что атомы внедрения углерода стабилизируют электронное строение железа (аустенита и мартенсита), тем самым повышая его коррозионную стойкость.

austenitic chromium-nickel steelfrictional treatmentliquid carburizingmicrohardnessphase compositionroughnesscorrosion resistanceаустенитная хромоникелевая стальфрикционная обработкажидкостная цементациямикротвердостьфазовый составшероховатостькоррозионная стойкостьThe authors express gratitude to V.V. Berezovskaya, Doctor of Science (Engineering), for participation in work. The work was carried out within the government assignment to the Institute of Engineering Science, UB RAS on the topic No. АААА-А18-118020790148-1 and the Institute of Metal Physics, UB RAS on the topic No. 122021000033-2. Experimental studies were carried out using the equipment of the “Plastometry” Core Facility Center of the IES UB RAS. The paper was written on the reports of the participants of the XI International School of Physical Materials Science (SPM-2023), Togliatti, September 11–15, 2023.Авторы выражают глубокую благодарность за участие в работе доктору технических наук В.В. Бе¬ре¬зов¬ской. Работа выполнена в рамках государственных заданий ИМАШ УрО РАН по теме № АААА-А18-118020790148-1 и ИФМ УрО РАН по теме № 122021000033-2. Экспериментальные исследования выполнены на оборудовании ЦКП «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН. Статья подготовлена по материалам докладов участников XI Международной школы «Физическое материаловедение» (ШФМ-2023), Тольятти, 11–15 сентября 2023 года.Borgioli F. From austenitic stainless steel to expanded austenite-S phase: formation, characteristics and properties of an elusive metastable phase. Metals, 2020, vol. 10, no. 2, article number 187. DOI: 10.3390/met10020187.Borgioli F. From austenitic stainless steel to expanded austenite-S phase: formation, characteristics and properties of an elusive metastable phase // Metals. 2020. Vol. 10. № 2. Article number 187. DOI: 10.3390/met10020187.Pradhan K.K., Matawale C.R., Murarka S. Analysis of erosion-corrosion resistance and various application in domestic and industrial field of stainless steel grade 304. International Journal of Research (IJR), 2015, vol. 2, no. 4, pp. 807–811.Pradhan K.K., Matawale C.R., Murarka S. Analysis of erosion-corrosion resistance and various application in domestic and industrial field of stainless steel grade 304 // International Journal of Research (IJR). 2015. Vol. 2. № 4. P. 807–811.Wei Xinlong, Ling Xiang, Zhang Meng. Influence of surface modifications by laser shock processing on the acid chloride stress corrosion cracking susceptibility of AISI 304 stainless steel. Engineering Failure Analysis, 2018, vol. 91, pp. 165–171. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2018.04.045.Wei Xinlong, Ling Xiang, Zhang Meng. Influence of surface modifications by laser shock processing on the acid chloride stress corrosion cracking susceptibility of AISI 304 stainless steel // Engineering Failure Analysis. 2018. Vol. 91. P. 165–171. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2018.04.045.Kostina M.V., Kostina V.S., Kudryashov A.E., Muradyan S.O., Krivorotov V.I. The features of the chemical composition and structural-phase state determining a decrease in the corrosion resistance of 18Cr–10Ni steel parts. Steel in Translation, 2021, vol. 51, no. 3, pp. 168–179. DOI: 10.3103/S0967091221030050.Костина М.В., Криворотов В.И., Костина В.С., Кудряшов А.Э., Мурадян С.О. Особенности химического состава и структурно-фазового состояния, обусловившие снижение корозионной стойкости деталей из стали 18Cr–10Ni // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2021. Т. 64. № 3. С. 217–229. DOI: 10.17073/0368-0797-2021-3-217-229.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 (Metal Working and Material Science), 2015, no. 4, pp. 80–92. DOI: 10.17212/1994-6309-2015-4-80-92.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. DOI: 10.17212/1994-6309-2015-4-80-92.Zagibalova E.A., Moskvina V.A., Mayer G.G. The influence of method and temperature of ion-plasma treatment on physical and mechanical properties of surface layers in austenitic stainless steel. Frontier Materials & Technologies, 2021, no. 4, pp. 17–26. DOI: 10.18323/2782-4039-2021-4-17-26.Загибалова Е.А., Москвина В.А., Майер Г.Г. Влияние метода и температуры ионно-плазменной обработки на физико-механические свойства поверхностных слоев в аустенитной нержавеющей стали // Frontier Materials & Technologies. 2021. № 4. С. 17–26. DOI: 10.18323/2782-4039-2021-4-17-26.Balusamy T., Sankara Narayanan T.S.N., Ravichandran K., Park Il Song, Lee Min Ho. Influence of surface mechanical attrition treatment (SMAT) on the corrosion behaviour of AISI 304 stainless steel. Corrosion Science, 2013, vol. 74, pp. 332–344. DOI: 10.1016/j.corsci.2013.04.056.Balusamy T., Sankara Narayanan T.S.N., Ravichandran K., Park Il Song, Lee Min Ho. Influence of surface mechanical attrition treatment (SMAT) on the corrosion behaviour of AISI 304 stainless steel // Corrosion Science. 2013. Vol. 74. P. 332–344. DOI: 10.1016/j.corsci.2013.04.056.Wang Cong, Han Jing, Zhao Jiyun, Song Yuanming, Man Jiaxiang, Zhu Hua, Sun Jiapeng, Fang Liang. Enhanced wear resistance of 316 L stainless steel with a nanostructured surface layer prepared by ultrasonic surface rolling. Coatings, 2019, vol. 9, no. 4, article number 276. DOI: 10.3390/coatings9040276.Wang Cong, Han Jing, Zhao Jiyun, Song Yuanming, Man Jiaxiang, Zhu Hua, Sun Jiapeng, Fang Liang. Enhanced wear resistance of 316 L stainless steel with a nanostructured surface layer prepared by ultrasonic surface rolling // Coatings. 2019. Vol. 9. № 4. Article number 276. DOI: 10.3390/coatings9040276.Li Yang, Lian Yang, Jing Fengyu, He Tiantian, Zou Yun. Improvement in the tribological behaviour of surface-nanocrystallised 304 stainless steel through supersonic fine particle bombardment. Applied Surface Science, 2023, vol. 627, article number 157334. DOI: 10.1016/j.apsusc.2023.157334.Li Yang, Lian Yang, Jing Fengyu, He Tiantian, Zou Yun. Improvement in the tribological behaviour of surface-nanocrystallised 304 stainless steel through supersonic fine particle bombardment // Applied Surface Science. 2023. Vol. 627. Article number 157334. DOI: 10.1016/j.apsusc.2023.157334.Makarov A.V., Savrai R.A., Skorynina P.A., Volkova E.G. Development of methods for steel surface deformation nanostructuring. Metal Science and Heat Treatment, 2020, vol. 62, no. 1-2, pp. 61–69. EDN: GFTTFR.Макаров А.В., Саврай Р.А., Скорынина П.А., Волкова Е.Г. Развитие методов поверхностного деформационного наноструктурирования сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 2020. № 1. С. 62–69. EDN: RMDMCZ.Petrova L.G. Strengthening of austenitic steels and alloys due to forming of solid solution by nitriding. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya, 2007, no. 4, pp. 9–17. EDN: HZRRJT.Петрова Л.Г. Упрочнение аустенитных сталей и сплавов за счет формирования твердого раствора при азотировании // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. № 4. C. 9–17. EDN: HZRRJT.Liu R.L., Wang S., Wei C.Y., Yan M.F., Qiao Y.J. Microstructure and corrosion behavior of low temperature carburized AISI 304 stainless steel. Materials Research Express, 2019, vol. 6, article number 066417. DOI: 10.1088/2053-1591/ab104c.Liu R.L., Wang S., Wei C.Y., Yan M.F., Qiao Y.J. Microstructure and corrosion behavior of low temperature carburized AISI 304 stainless steel // Materials Research Express. 2019. Vol. 6. Article number 066417. DOI: 10.1088/2053-1591/ab104c.Savrai R.A., Skorynina P.A. Structural-phase transformations and changes in the properties of AISI 321 stainless steel induced by liquid carburizing at low temperature. Surface and Coatings Technology, 2022, vol. 443, article number 128613. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128613.Savrai R.A., Skorynina P.A. Structural-phase transformations and changes in the properties of AISI 321 stainless steel induced by liquid carburizing at low temperature // Surface and Coatings Technology. 2022. Vol. 443. Article number 128613. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128613.Savrai R.A., Osintseva A.L. Effect of hardened surface layer obtained by frictional treatment on the contact endurance of the AISI 321 stainless steel under contact gigacycle fatigue tests. Materials Science and Engineering: A, 2021, vol. 802, article number 140679. DOI: 10.1016/j.msea.2020.140679.Savrai R.A., Osintseva A.L. Effect of hardened surface layer obtained by frictional treatment on the contact endurance of the AISI 321 stainless steel under contact gigacycle fatigue tests // Materials Science and Engineering: A. 2021. Vol. 802. Article number 140679. DOI: 10.1016/j.msea.2020.140679.Putilova E.A., Goruleva L.S., Zadvorkin S.M. Effect of friction treatment of the AISI 321 steel on changes in its hardness and magnetic characteristics. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2022, no. 5, pp. 40–49. DOI: 10.17804/2410-9908.2022.5.040-049.Путилова Е.А., Горулева Л.С., Задворкин С.М. Влияние поверхностной фрикциционной обработка на твердость и магнитные характеристики стали AISI 321 // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2022. № 5. P. 40–49. DOI: 10.17804/2410-9908.2022.5.040-049.Tsujikawa M., Egawa M., Sone T., Ueda N., Okano T., Higashi K. Modification of S phase on austenitic stainless steel using fine particle shot peening steel. Surface and Coatings Technology, 2013, vol. 228, pp. S318–S322. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.05.111.Tsujikawa M., Egawa M., Sone T., Ueda N., Okano T., Higashi K. Modification of S phase on austenitic stainless steel using fine particle shot peening steel // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 228. P. S318–S322. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.05.111.Yarovchuk A.V., Doronina T.A., Tivanova O.V. The influence of deformation martensite on pitting resistance of 12H18N10T stainless steel. Polzunovskiy almanakh, 2007, no. 1–2, pp. 190–196. EDN: NNYBSW.Яровчук А.В., Доронина Т.А., Тиванова О.В. Влияние мартенсита деформации на стойкость к питтинговой коррозии нержавеющей стали 12Х18Н10Т // Ползуновский альманах. 2007. № 1–2. С. 190–196. EDN: NNYBSW.Skorynina P.A., Makarov A.V., Berezovskaya V.V., Merkushkin E.A., Chekan N.M. The influence of nanostructuring friction treatment on micromechanical and corrosive characteristics of stable austenitic chromium-nickel steel. Frontier Materials & Technologies, 2021, no. 4, pp. 80–88. DOI: 10.18323/2782-4039-2021-4-80-88.Скорынина П.А., Макаров А.В., Березовская В.В., Меркушкин Е.А., Чекан Н.М. Влияние наноструктурирующей фрикционной обработки на микромеханические и коррозионные свойства стабильной аустенитной хромоникелевой стали // Frontier Materials & Technologies. 2021. № 4. С. 80–88. DOI: 10.18323/2782-4039-2021-4-80-88.Korshunov L.G., Sagaradze V.V., Chernenko N.L., Shabashov V.A. Friction-induced structural transformations of the carbide phase in hadfield steel. The Physics of Metals and Metallography, 2015, vol. 116, no. 8, pp. 823–828. DOI: 10.1134/S0031918X15080098.Коршунов Л.Г., Сагарадзе В.В., Черненко Н.Л., Шабашов В.А. Структурные превращения карбидной фазы в стали Гадфильда, инициированные фрикционным воздействием // Физика металлов и металловедение. 2015. Т. 116. № 8. С. 867–873. DOI: 10.7868/S0015323015080094.Narkevich N.A., Mironov Y.P., Shulepov I.A. Structure, mechanical, and tribotechnical properties of an austenitic nitrogen steel after frictional treatment. The Physics of Metals and Metallography, 2017, vol. 118, no. 4, pp. 399–406. DOI: 10.1134/S0031918X17020090.Наркевич Н.А., Шулепов И.А., Миронов Ю.П. Структура, механические и триботехнические свойства аустенитной азотистой стали после фрикционной обработки // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 4. С. 421–428. DOI: 10.7868/S0015323017020097.Neslušan M., Minárik P., Čep R., Uríček J., Trojan K., Ganev N., Trško L. Barkhausen noise emission of AISI 304 stainless steel originating from strain induced martensite by shot peening. Journal of Materials Research and Technology, 2022, vol. 20, pp. 748–762. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.07.107.Neslušan M., Minárik P., Čep R., Uríček J., Trojan K., Ganev N., Trško L. Barkhausen noise emission of AISI 304 stainless steel originating from strain induced martensite by shot peening // Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 20. P. 748–762. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.07.107.Chen Xin, Gussev M., Balonis M., Bauchy M., Sant G. Emergence of micro-galvanic corrosion in plastically deformed austenitic stainless steels. Materials and Design, 2021, vol. 203, article number 109614. DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109614.Chen Xin, Gussev M., Balonis M., Bauchy M., Sant G. Emergence of micro-galvanic corrosion in plastically deformed austenitic stainless steels // Materials and Design. 2021. Vol. 203. Article number 109614. DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109614.Balusamy T., Kumar S., Sankara Narayanan T.S.N. Effect of surface nanocrystallization on the corrosion behaviour of AISI 409 stainless steel. Corrosion Science, 2010, vol. 52, no. 11, pp. 3826–3834. DOI: 10.1016/j.corsci.2010.07.004.Balusamy T., Kumar S., Sankara Narayanan T.S.N. Effect of surface nanocrystallization on the corrosion behaviour of AISI 409 stainless steel // Corrosion Science. 2010. Vol. 52. № 11. P. 3826–3834. DOI: 10.1016/j.corsci.2010.07.004.Yin Songbo, Li D.Y., Bouchard R. Effects of the strain rate of prior deformation on the wear-corrosion synergy of carbon steel. Wear, 2007, vol. 263, no. 1-6, pp. 801–807. DOI: 10.1016/j.wear.2007.01.058.Yin Songbo, Li D.Y., Bouchard R. Effects of the strain rate of prior deformation on the wear-corrosion synergy of carbon steel // Wear. 2007. Vol. 263. № 1-6. P. 801–807. DOI: 10.1016/j.wear.2007.01.058.Hao Yun-wei, Deng Bo, Zhong Cheng, Jiang Yi-ming, Li Jin. Effect of surface mechanical attrition treatment on corrosion behavior of 316 stainless steel. Journal of Iron and Steel Research International, 2009, vol. 16, no. 2, pp. 68–72. DOI: 10.1016/S1006-706X(09)60030-3.Hao Yun-wei, Deng Bo, Zhong Cheng, Jiang Yi-ming, Li Jin. Effect of surface mechanical attrition treatment on corrosion behavior of 316 stainless steel // Journal of Iron and Steel Research International. 2009. Vol. 16. № 2. P. 68–72. DOI: 10.1016/S1006-706X(09)60030-3.Sun Jianlin, Tang Huajie, Wang Chenglong, Han Zhao, Li Shisen. Effects of alloying elements and microstructure on stainless steel corrosion: a review. Steel Research International, 2022, vol. 93, no. 5, article number 2100450. DOI: 10.1002/srin.202100450.Sun Jianlin, Tang Huajie, Wang Chenglong, Han Zhao, Li Shisen. Effects of alloying elements and microstructure on stainless steel corrosion: a review // Steel Research International. 2022. Vol. 93. № 5. Article number 2100450. DOI: 10.1002/srin.202100450.Kadowaki M., Saengdeejing A., Muto I. et al. First-principles analysis of the inhibitive effect of interstitial carbon on an active dissolution of martensitic steel. Corrosion Science, 2020, vol. 163, article number 108251. DOI: 10.1016/j.corsci.2019.108251.Kadowaki M., Saengdeejing A., Muto I. et al. First-principles analysis of the inhibitive effect of interstitial carbon on an active dissolution of martensitic steel // Corrosion Science. 2020. Vol. 163. Article number 108251. DOI: 10.1016/j.corsci.2019.108251.