Влияние метода и температуры ионно-плазменной обработки на физико-механические свойства поверхностных слоев в аустенитной нержавеющей стали

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Перспективным методом повышения поверхностной прочности и износостойкости деталей и конструкций, выполненных из аустенитных нержавеющих сталей, является ионно-плазменное насыщение атомами внедрения (азотом или углеродом). В работе рассмотрено влияние метода и температуры ионно-плазменной обработки на фазовый состав, толщину и прочностные свойства (микротвердость) поверхностных слоев в образцах аустенитной нержавеющей стали 01Х17Н13М3. Стальные образцы с крупнозернистой структурой азотировали в плазме дугового и тлеющего разрядов при различных температурах (400, 550 и 700 °С). Независимо от температуры и метода обработки ионно-плазменное азотирование приводит к формированию упрочненных поверхностных слоев в стальных образцах. При этом толщина и фазовый состав упрочненного слоя зависят как от метода, так и от температуры обработки. Насыщение поверхности образцов азотом в тлеющем разряде при температуре 400 °С способствует формированию тонкого слоя S-фазы (пересыщенного азотом аустенита, толщина слоя 4 мкм). При той же температуре обработки в плазме дугового разряда происходит формирование гетерофазного (Fe-γN, Fe4N, CrN и Fe-α) поверхностного слоя существенно большей толщины (40–45 мкм). Независимо от метода обработки насыщение поверхности стальных образцов при температурах 550 и 700 °С сопровождается формированием толстых гетерофазных упрочненных слоев (40–60 мкм). При этом режим обработки слабо влияет на фазовый состав таких слоев, но существенным образом воздействует на соотношение объемного содержания фаз. В образцах, подвергнутых ионно-плазменной обработке по разным режимам, профиль распределения микротвердости всегда имеет три характерные зоны: композиционный слой (или S-фаза при ионно-плазменной обработке в тлеющем разряде при Та=400 °С), диффузионная зона и матрица. С повышением температуры насыщения толщина переходной диффузионной зоны возрастает независимо от метода ионно-плазменной обработки.

Об авторах

Елена Андреевна Загибалова

Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия); Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск (Россия)

Автор, ответственный за переписку.
Email: zagibalova-lena99@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2079-7198

инженер, студент

Россия

Валентина Александровна Москвина

Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия)

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-6128-484X

младший научный сотрудник, аспирант

Россия

Галина Геннадьевна Майер

Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия)

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-3043-9754

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник

Россия

Список литературы

  1. Lo K.H., Shek C.H., Lai J.K.L. Recent developments in stainless steels // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2009. Vol. 65. № 4-6. P. 39–104. doi: 10.1016/j.mser.2009.03.001.
  2. Астафурова Е.Г., Мельников Е.В., Астафуров С.В., Раточка И.В., Мишин И.П., Майер Г.Г., Москвина В.А., Захаров Г.Н., Смирнов А.И., Батаев В.А. Закономерности водородного охрупчивания аустенитных нержавеющих сталей с ультрамелкозернистой структурой разной морфологии // Физическая мезомеханика. 2018. Т. 21. № 2. С. 103–117. doi: 10.24411/1683-805X-2018-12011.
  3. Astafurov S.V., Maier G.G., Melnikov E.V., Moskvina V.A., Panchenko M.Yu., Astafurova E.G. The strain-rate dependence of the Hall-Petch effect in two austenitic stainless steels with different stacking fault energies // Materials Science and Engineering A. 2019. Vol. 756. P. 365–372. doi: 10.1016/j.msea.2019.04.076.
  4. Gardner L. Stability and design of stainless steel structures – Review and outlook // Thin-Walled Structures. 2019. Vol. 141. P. 208–216. doi: 10.1016/j.tws.2019.04.019.
  5. 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.
  6. Che H.L., Tong S., Wang K.S., Lei M.K., Somers M.A.J. Co-existence of γ’N phase and γN phases on nitrided austenitic Fe-Cr-Ni alloys-I. Experiment // Acta Materialia. 2019. Vol. 177. P. 35–45. doi: 10.1016/j.actamat.2019.07.019.
  7. Li Y., Wang Z., Wang L. Surface properties of nitrided layer on AISI 316L austenitic stainless steel produced by high temperature plasma nitriding in short time // Applied Surface Science. 2014. Vol. 298. P. 243–250. doi: 10.1016/j.apsusc.2014.01.177.
  8. Randall N.X., Renevier N., Michel H., Collignon P. Correlation between processing parameters and mechanical properties as a function of substrate polarisation and depth in a nitrided 316 L stainless steel using nanoindentation and scanning force microscopy // Vacuum. 1997. Vol. 48. № 10. P. 849–855. doi: 10.1016/S0042-207X(97)00084-5.
  9. Wei R., Vajo J.J., Matossian J.N., Wilbur P.J., Davis J.A., Williamson D.L., Collins G.A. A comparative study of beam ion implantation, plasma ion implantation and nitriding of AISI 304 stainless steel // Surface and Coatings Technology. 1996. Vol. 83. № 1-3. P. 235–242. doi: 10.1016/0257-8972(95)02825-0.
  10. Хусаинов Ю.Г., Рамазанов К.Н., Есипов Р.С., Исяндавлетова Г.Б. Влияние водорода на процесс ионного азотирования аустенитной стали 12Х18Н10Т // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2017. Т. 21. № 2. С. 24–29.
  11. De Sousa R.R.M., De Araújo F.O., Gontijo L.C., Da Costa J.A.P., Nascimento I.O., Alves Jr.C. Cathodic cage plasma nitriding of austenitic stainless steel (AISI 316): influence of the working pressure on the nitrided layers properties // Materials Research. 2014. Vol. 17. № 2. P. 427–433. doi: 10.1590/S1516-14392013005000197.
  12. Singh V., Marchev K., Cooper C.V., Meletis E.I. Intensified plasma-assisted nitriding of AISI 316L stainless steel // Surface and Coatings Technology. 2002. Vol. 160. № 2-3. P. 249–258. doi: 10.1016/S0257-8972(02)00403-6.
  13. Borgioli F., Fossati A., Matassini G., Galvanetto E., Bacci T. Low temperature glow-discharge nitriding of a low nickel austenitic stainless steel // Surface and Coatings Technology. 2010. Vol. 204. № 21-22. P. 3410–3417. doi: 10.1016/j.surfcoat.2010.04.004.
  14. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д., Шпис Г.-И., Бемер З. Теория и технология азотирования. М.: Металлургия, 1991. 318 с.
  15. 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. doi: 10.1016/j.surfcoat.2004.07.110.
  16. Tao X., Liu X., Matthews A., Leyland A. The influence of stacking fault energy on plasticity mechanisms in triode-plasma nitrided austenitic stainless steels: implications for the structure and stability of nitrogen-expanded austenite // Acta Materialia. 2018. Vol. 164. P. 60–75. doi: 10.1016/j.actamat.2018.10.019.
  17. Camps E., Becerril F., Muhl S., Alvarez-Fregoso O., Village M. Microwave plasma characteristics in steel nitriding process // Thin Solid Films. 2000. Vol. 373. № 1-2. P. 293–298. doi: 10.1016/S0040-6090(00)01110-X.
  18. Figueroa C.A., Wisnivesky D., Alvarez F. Effect of hydrogen and oxygen on stainless steel nitriding // Journal of Applied Physics. 2002. Vol. 92. № 2. P. 764–770. doi: 10.1063/1.1483893.
  19. De Sousa R.R.M., De Araújo F.O., Gontijo L.C., Da Costa J.A.P., Alves C. Cathodic cage plasma nitriding (CCPN) of austenitic stainless steel (AISI 316): Influence of the different ratios of the (N2/H2) on the nitrided layers properties // Vacuum. 2012. Vol. 86. № 12. P. 2048–2053. doi: 10.1016/j.vacuum.2012.05.008.
  20. Kumar S., Baldwin M.J., Fewell M.P., Haydon S.C., Short K.T., Collins G.A., Tendys J. The effect of hydrogen on the growth of the nitrided layer in rf-plasma-nitrided austenitic stainless steel AISI 316 // Surface and Coatings Technology. 2000. Vol. 123. № 1. P. 29–35. doi: 10.1016/S0257-8972(99)00393-X.
  21. Dalke A., Burlacov I., Hamann S., Puth A., Böcker J., Spies H.-J., Röpcke J., Biermann H. Solid carbon active screen plasma nitrocarburizing of AISI 316L stainless steel: Influence of N2-H2 gas composition on structure and properties of expanded austenite // Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 357. P. 1060–1068. doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.10.095.
  22. Araujo E.D., Bandeira R.M., Manfrinato M.D., Moreto J.A., Borges R., Vales S.D.S., Suzuki P.A., Rossino L.S. Effect of ionic plasma nitriding process on the corrosion and micro-abrasive wear behavior of AISI 316L austenitic and AISI 470 super-ferritic stainless steels // Journal of Materials Research and Technology. 2019. Vol. 8. № 2. P. 2180–2191. doi: 10.1016/j.jmrt.2019.02.006.
  23. Ohtsu N., Miura K., Hirano M., Kodama K. Investigation of admixed gas effect on plasma nitriding of AISI316L austenitic stainless steel // Vacuum. 2021. Vol. 193. Article number 110545. doi: 10.1016/j.vacuum.2021.110545.
  24. Khusainov Y.G., Esipov R.S., Ramazanov K.N., Vardanyan E.L., Tarasov P.V., Shekhtman S.R. Influence of hydrogen content in working gas on growth kinetics of hardened layer at ion nitriding of 16MnCr5 and A290C1M steels // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 387. № 1. Article number 012034. doi: 10.1088/1757-899X/387/1/012034.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© ,



Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах