1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика металлов и металловедение
  4. T. 124, № 8, 2023

Физика металлов и металловедение, 2023, T. 124, № 8, стр. 748-755

Влияние фрикционной обработки и низкотемпературной плазменной цементации на микротвердость и электромагнитные характеристики метастабильной аустенитной стали

Р. А. Саврай a, *, П. А. Скорынина a, А. В. Макаров a, b, Л. Х. Коган b, А. И. Меньшаков c, d

a Институт машиноведения им. Э.С. Горкунова УрО РАН
620049 Екатеринбург, ул. Комсомольская, 34, Россия

b Институт физики металлов им. М. Н. Михеева УрО РАН
620108 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18, Россия

c Институт электрофизики УрО РАН
620016 Екатеринбург, ул. Амундсена, 106, Россия

d Уральский Федеральный Университет им. Б.Н. Ельцина
620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19, Россия

* E-mail: ras@imach.uran.ru

Поступила в редакцию 28.04.2023
После доработки 22.06.2023
Принята к публикации 01.07.2023

Аннотация

Исследованы микротвердость и электромагнитные характеристики коррозионностойкой хромоникелевой (в мас. %: 16.80 Cr; 8.44 Ni) аустенитной стали, подвергнутой цементации в плазме электронного пучка при температурах 350 и 500°C, фрикционной обработке скользящим индентором и комбинированным обработкам, включающим фрикционную обработку и плазменную цементацию. Установлено, что плазменная цементация приводит к повышению микротвердости поверхности стали от 200 до 1100 HV 0.025. Общая глубина упрочнения составила 25 мкм после цементации при T = 350°C и 300 мкм после цементации при T = 500°C. Фрикционная обработка приводит к повышению микротвердости стали до 600 HV 0.025 при общей глубине упрочнения 500 мкм. Показано, что диффузионно-активный слой с дисперсной структурой, сформированный в результате предварительной фрикционной обработки, способствует дополнительному упрочнению стали (до 1275 HV 0.025) при последующей низкотемпературной (350°C) цементации. Комбинированная обработка с цементацией при температуре 500°C приводит к повышению микротвердости стали до 820 HV 0.025, а общая глубина упрочнения составляет 500 мкм для обоих режимов комбинированной обработки. Установлено также, что плазменная цементация исследованной стали приводит к снижению показаний вихретокового прибора по сравнению со сталью в закаленном состоянии и их росту по сравнению со сталью, подвергнутой фрикционной обработке, что может быть использовано для разработки методик контроля качества таких обработок.

Ключевые слова: коррозионностойкая аустенитная сталь, плазменная цементация, фрикционная обработка, микротвердость, электромагнитные характеристики

Список литературы

  1. 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 // Surf. Coat. Technol. 2013. V. 228. P. S318–S322.

  2. Shabashov V.A., Korshunov L.G., Litvinov A.V., Kataeva N.V., Zamatovsky A.E. Increasing the depth of the nitrided layer in the surface of austenitic alloys using friction treatment [Electronic resource] // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2016. Is. 6. P. 17–27. http://dream-journal.org/issues/ 2016-6/2016-6_108.html.

  3. 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 // Surf. Coat. Technol. 2017. V. 309. P. 651–662.

  4. 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 // Обр. металлов (технология, оборудование, инструменты). 2017. № 75. С. 55–66.

  5. Макаров А.В., Самойлова Г.В., Гаврилов Н.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 (42). С. 67–74.

  6. 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 Conf. Proc. 2017. V. 1915. Art. 030011.

  7. Lezhnin N.V., Makarov A.V., Gavrilov N.V., Osintseva A.L., Savrai R.A. Improving the scratch test properties of plasma-nitrided stainless austenitic steel by preliminary nanostructuring frictional treatment // AIP Conf. Proc. 2018. V. 2053. Art. 040050.

  8. Liu Zh., Peng Y., Chen Ch., Gong J., Jiang Y. Effect of surface nanocrystallization on low-temperature gas carburization for AISI 316L austenitic stainless steel // International J. Pressure Vessels and Piping. 2020. V. 182. Art. 104053.

  9. Zhidkov I.S., Kukharenko A.I., Makarov A.V., Savrai R.A., Gavrilov N.V., Cholakh S.O., Kurmaev E.Z. XPS characterization of surface layers of stainless steel nitrided in electron beam plasma at low temperature // Surf. Coat. Technol. 2020. V. 386. № 125492.

  10. Lu Ya., Li D., Ma H., Liu X., Wu M., Hu J. Enhanced plasma nitriding efficiency and properties by severe plastic deformation pretreatment for 316L austenitic stainless steel // J. Mater. Res. Technol. 2021. V. 15. P. 1742–1746.

  11. Lewis D.B., Leyland A., Stevenson P.R., Cawley J., Matthews A. Metallurgical study of low-temperature plasma carbon diffusion treatments for stainless steels // Surf. Coat. Technol. 1993. V. 60. P. 416–423.

  12. Tsujikawa M., Yoshida D., Yamauchi N., Ueda N., Sone T., Tanaka S. Surface material design of 316 stainless steel by combination of low temperature carburizing and nitriding // Surf. Coat. Technol. 2005. V. 200. P. 507–511.

  13. Adachi S., Ueda N. Surface hardness improvement of plasma-sprayed AISI 316L stainless steel coating by low-temperature plasma carburizing // Adv. Powder Technol. 2013. V. 24. P. 818–823.

  14. 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.

  15. Liu H.Y., Che H.L., Li G.B., Lei M.K. Low-pressure hollow cathode plasma source carburizing technique at low temperature // Surf. Coat. Technol. 2021. V. 422. Art. 127511.

  16. Liu H.Y., Che H.L., Gao J.Y., Li G.B., Lei M.K. Low-pressure hollow cathode plasma source carburizing of AISI 304L austenitic stainless steel at low temperature // Surf. Coat. Technol. 2022. V. 442. Art. 128548.

  17. Саврай Р.А., Скорынина П.А., Макаров А.В., Меньшаков А.И., Гавико В.С. Влияние фрикционной обработки и низкотемпературной плазменной цементации на структуру и фазовый состав метастабильной аустенитной стали // ФММ. 2023. Т. 124. № 5. С. 409–416.

  18. Mao H., Li Q., Mao H., Huang Zh., Tang W., Huang H., Yi X., Qing G., Li X. Nonlinear ultrasonic characterization of carburized case depth // NDT and E Int. 2020. V. 112. Art. 102244.

  19. Silva I.C., Rebello J.M.A, Bruno A.C., Jacques P.J., Nysten B., Dille J. Structural and magnetic characterization of a carburized cast austenitic steel // Scripta Mater. 2008. V. 59. P. 1010–1013.

  20. Putilova E.A., Goruleva L.S., Zadvorkin S.M. Effect of frictional treatment of the AISI 321 steel on the change of its hardness and magnetic characteristics [Electronic resource] // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2022. Is. 5. P. 40–49. http://dream-journal.org/issues/2022-5/2022-5_364.html.

  21. Макаров А.В., Коган Л.Х., Горкунов Э.С., Колобылин Ю.М. Вихретоковый контроль износостойкости цементированной хромоникелевой стали 20ХН3А // Дефектоскопия. 2001. № 2. С. 67–78.

  22. Amiri M.Sh., Kashefi M. Application of eddy current nondestructive method for determination of surface carbon content in carburized steels // NDT and E Int. 2009. V. 42. P. 618–621.

  23. Макаров А.В., Горкунов Э.С., Скорынина П.А., Коган Л.Х., Юровских А.С., Осинцева А.Л. Вихретоковый контроль фазового состава и твердости метастабильной аустенитной стали после различных режимов наноструктурирующей фрикционной обработки // Дефектоскопия. 2016. № 11. С. 15–26.

  24. Саврай Р.А., Коган Л.Х. Влияние упрочняющей фрикционной обработки на особенности вихретокового контроля усталостной деградации метастабильной аустенитной стали при гигацикловом контактно-усталостном нагружении // Дефектоскопия. 2022. № 8. С. 52–61.

  25. Бакунов А.С., Мужицкий В.Ф., Шубочкин С.Е. Современное решение задач вихретоковой структуроскопии // Дефектоскопия. 2004. № 5. С. 79–84.

  26. Макаров А.В., Горкунов Э.С., Коган Л.Х. Применение вихретокового метода для оценки износостойкости β-титанового сплава ВТ35, легированного водородом // Дефектоскопия. 2007. № 1. С. 27–33.

  27. Макаров А.В., Горкунов Э.С., Малыгина И.Ю., Коган Л.Х., Саврай Р.А., Осинцева А.Л. Вихретоковый контроль твердости, износостойкости и толщины покрытий, полученных методом газопорошковой лазерной наплавки // Дефектоскопия. 2009. № 11. С. 68–78.

  28. Саврай Р.А., Коган Л.Х. Вихретоковый контроль усталостной деградации метастабильной аустенитной стали при гигацикловом контактно-усталостном нагружении // Дефектоскопия. 2021. № 5. С. 56–63.

  29. Souza R.M., Ignat M., Pinedo C.E., Tschiptschin A.P. Structure and properties of low temperature plasma carburized austenitic stainless steels // Surf. Coat. Technol. 2009. V. 204. Is. 6–7. P. 1102–1105.

  30. Savrai R.A., Makarov A.V., Malygina I.Yu., Rogovaya S.A., Osintseva A.L. Improving the strength of the AISI 321 austenitic stainless steel by frictional treatment [Electronic resource] // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2017. Is. 5. P. 43–62. http://dream-journal.org/issues/2017-5/2017-5_149.html.

  31. Дякин В.В., Сандовский В.А. Теория и расчет накладных вихретоковых преобразователей. М.: Наука, 1981. 136 с.

  32. Дорофеев А.Л. Индукционная структуроскопия. М.: Энергия, 1973. 176 с.

  33. Макаров А.В., Саврай Р.А., Горкунов Э.С., Малыгина И.Ю., Коган Л.Х., Поздеева Н.А., Коло-былин Ю.М. Влияние упрочняющей фрикционной обработки на особенности магнитного и вихретокового контроля отожженной конструкционной стали, подвергнутой циклическому нагружению // Дефектоскопия. 2008. № 7. С. 74–92.

  34. Михеев М.Н., Горкунов Э.С. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля. М.: Наука, 1993. 252 с.

  35. Jiles D.C. The effect of compressive plastic deformation of AISI 4130 steels with various mikrostruktures. J. Phys. D. Appl. Phys. 1998. № 21. P. 1196–1204.

  36. Коган Л.Х., Ничипурук А.П., Гаврилова Л.Д. Влияние содержания углерода на магнитные электрические свойства термообработанных углеродистых сталей и возможности контроля качества отпуска изделий из них вихретоковым методом // Дефектоскопия. 2006. № 9. С. 72–90.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физика металлов и металловедение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал