Normal force influence on smoothing and hardening of steel 03Cr16Ni15Mo3Ti1 surface layer during dry diamond burnishing with spherical indenter

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Sliding burnishing minimizes roughness and hardens of the steel surface. Quality of the formed surface and strength characteristics of the surface layer are determined by the burnishing speed, force and feed. Due to the danger of the surface micro-destruction during burnishing, the problem of selecting the favorable value of the normal force at a given feed arises. The current investigation aims to study the effect of normal force during dry diamond burnishing with a spherical indenter on smoothing the surface microprofile and strain hardening of the 03Cr16Ni15Mo3Ti1 austenitic steel surface layer. Research methods. Profilometry, scanning electron microscopy (SEM), microdurometry are used. Results and discussion. As the result of dry burnishing of deformation-stable austenitic steel 03Cr16Ni15Mo3Ti1 with a spherical indenter with a 2 mm radius made of natural diamond at a sliding speed of 10 m/min and feed rate of 0.025 mm/rev, it is found that in the investigated variation range of the burnishing normal force (100...200 N) the value of the smoothing coefficient of the initial steel surface microprofile after finish turning is 79...90 %, the greatest smoothing with a decrease in the average roughness parameter Ra from 1.0 to 0.1 µm is achieved at a force of 150 N; during diamond burnishing the initial (after finish turning) surface is hardened by 15...43 % (up to 382...444 HV), as the burnishing force raises from 100 to 175 N, a non-monotonic increase of the average microhardness from 409 to 444 HV 0.05 takes place; burnishing with a load of 175 N forms a gradient-hardened layer with a thickness of 300...350 μm with the appearance of individual microfractures in the form of beadings and micro-cracks on the surface, the maximum hardening is caused by the formation of a highly dispersed surface layer of 30...40 μm thick with a structure of highly dispersed austenite and the corresponding activation of grain-boundary and dislocation strengthening mechanisms. The results can be used when selecting the diamond burnishing parameters of parts made of corrosion-resistant austenitic steels according to the criteria for obtaining low surface roughness without significant microfractures and effective strain hardening of the surface layer.

About the authors

V. P. Kuznetsov

Email: wpkuzn@mail.ru
D.Sc. (Engineering), Associate Professor; 1. M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 18 S. Kovalevskoy str., Ekaterinburg, 620108, Russian Federation; 2. Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 19 Mira str., Ekaterinburg, 620002, Russian Federation; 3. Federal State Budgetary Institution "National Ilizarov Medical Research Centre for Traumatology and Ortopaedics" Ministry Healthcare, Russian Federation, 6 M. Ulyanova st., Kurgan, 640014, Russian Federation; wpkuzn@mail.ru

A. V. Makarov

Email: avm@imp.uran.ru
D.Sc. (Engineering); M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 18 S. Kovalevskoy str., Ekaterinburg, 620108, Russian Federation; avm@imp.uran.ru

A. S. Skorobogatov

Email: ufo2log@gmail.com
Ph.D. (Engineering); Federal State Budgetary Institution "National Ilizarov Medical Research Centre for Traumatology and Ortopaedics" Ministry Healthcare, Russian Federation, 6 M. Ulyanova st., Kurgan, 640014, Russian Federation; ufo2log@gmail.com

P. A. Skorynina

Email: polina.skorynina@mail.ru
Institute of Engineering Science Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya st., Ekaterinburg, 620049, Russian Federation; polina.skorynina@mail.ru

S. N. Luchko

Email: serojaluchko@gmail.com
M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 18 S. Kovalevskoy str., Ekaterinburg, 620108, Russian Federation; serojaluchko@gmail.com

V. A. Sirosh

Email: sirosh.imp@yandex.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics); M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 18 S. Kovalevskoy str., Ekaterinburg, 620108, Russian Federation; sirosh.imp@yandex.ru

N. M. Chekan

Email: chekan@phti.by
Ph.D. (Physics and Mathematics); Physical-Technical Institute of National Academy of Sciences of Belarus, 10 Akademika Kuprevicha st., Minsk, 220141, Belarus; chekan@phti.by

References

  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, iss. 4–6. – P. 39–104. – doi: 10.1016/j.mser.2009.03.001.
  2. Borgioli F. From austenitic stainless steel to expanded austenite-S phase: formation, characteristics and properties of an elusive metastable phase // Metals. – 2020. – Vol. 10, iss. 2. – Art. 187. – doi: 10.3390/met10020187.
  3. Solomon N., Solomon I. Effect of deformation-induced phase transformation on AISI 316 stainless steel corrosion resistance // Engineering Failure Analysis. – 2017. – Vol. 79. – P. 865–875. – doi: 10.1016/j.engfailanal.2017.05.031.
  4. Hydrogen embrittlement effects on austenitic stainless steels with ultrafine-grained structure of different morphology / E.G. Astafurova, E.V. Melnikov, S.V. Astafurov, I.V. Ratochka, I.P. Mishin, G.G. Maier, V.A. Moskvina, G.N. Zakharov, A.I. Smirnov, V.A. Bataev // Physical Mesomechanics. – 2018. – Vol. 22, iss. 4. – P. 313–326. – doi: 10.1134/S1029959919040076.
  5. Влияние насыщения водородом на структуру и механические свойства аустенитной стали 01Х17H13M3, формируемые в процессе прокатки при разных температурах / Е.В. Мельников, Г.Г. Майер, В.А. Москвина, Е.Г. Астафурова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 2. – С. 81–97. – doi: 10.17212/1994-6309-2021-23.2-81-97.
  6. The influence of intermetallic ageing during irradiation by fast neutrons on void formation in austenitic stainless steels / V.V. Sagaradze, V.A. Pavlov, V.M. Alyabiev, B.N. Goshchitskiy, A.V. Kozlov, S.S. Lapin, Ye.N. Loguntsev, V.M. Nalesnik, N.V. Khakhalkin, V.I. Shalayev, M.G. Gaydukov, G.A. Sergeyev // Physics of Metals and Metallography. – 1988. – Vol. 65, iss. 5. – P. 128–135.
  7. Патент № 1807735 Российская Федерация. Сталь: № 4913269/02: заявл. 10.12.1990: опубл. 30.04.1995, Бюл. № 12 / В.В. Сагарадзе, В.М. Налесник, А.Г. Шейнкман, Ю.К. Бибилашвили, В.М. Алябьев, В.И. Барсанов, А.В. Козлов, С.С. Лапин, В.А. Павлов, О.М. Сараев, А.И. Уваров, В.И. Шалаев. – 6 с.
  8. Precipitation hardening and radiation damageability of austenitic stainless steels / V.V. Sagaradze, V.M. Nalesnik, S.S. Lapin, V.M. Aliabev // Journal of Nuclear Materials. – 1993. – Vol. 202, iss. 1–2. – P. 137–144. – doi: 10.1016/0022-3115(93)90036-X.
  9. Sagaradze V.V., Lapin S.S. Unconventional approaches to the suppression of irradiation-induced swelling of stainless steels // The Physics of Metals and Metallography. – 1997. – Vol. 83, iss. 4. – P. 417–427.
  10. Enhanced wear resistance of 316 L stainless steel with a nanostructured surface layer prepared by ultrasonic surface rolling / C. Wang, J. Han, J. Zhao, Y. Song, J. Man, H. Zhu, J. Sun, L. Fang // Coatings. – 2019. – Vol. 9, iss. 4. – Art. 276. – doi: 10.3390/coatings9040276.
  11. Arifvianto B., Suyitno, Mahardika M. Effects of surface mechanical attrition treatment (SMAT) on a rough surface of AISI 316L stainless steel // Applied Surface Science. – 2012. – Vol. 258, iss. 10. – P. 4538–4543. – doi: 10.1016/j.apsusc.2012.01.021.
  12. Effect of cold working and sandblasting on the microhardness, tensile strength and corrosion resistance of AISI 316L stainless steel / Suyitno, B. Arifvianto, T.D. Widodo, M. Mahardika, P. Dewo, U.A. Salim // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. – 2012. – Vol. 19, iss. 12. – P. 1093–1099. – doi: 10.1007/s12613-012-0676-1.
  13. Effect of friction treatment on the structure, micromechanical and tribological properties of austenitic steel 03Kh16N14M3T / A.V. Makarov, P.A. Skorynina, E.G. Volkova, A.L. Osintseva // Metal Science and Heat Treatment. – 2020. – Vol. 61, iss. 11–12. – P. 764–768. – doi: 10.1007/s11041-020-00497-1.
  14. Повышение трибологических свойств аустенитной стали 12Х18Н10Т наноструктурирующей фрикционной обработкой / А.В. Макаров, П.А. Скорынина, А.Л. Осинцева, А.С. Юровских, Р.А. Саврай // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2015. – № 4 (69). – С. 80–92. – doi: 10.17212/1994-6309-2015-4-80-92.
  15. Effect of the conditions of the nanostructuring frictional treatment process on the structural and phase states and the strengthening of metastable austenitic steel / A.V. Makarov, P.A. Skorynina, A.S. Yurovskikh, A.L. Osintseva // Physics of Metals and Metallography. – 2017. – Vol. 118, iss. 12. – P. 1225–1235. – doi: 10.1134/S0031918X17120092.
  16. Toward control of subsurface strain accumulation in nanostructuring burnishing on thermostrengthened steel / V.P. Kuznetsov, I.Yu. Smolin, A.I. Dmitriev, S.Yu. Tarasov, V.G. Gorgots // Surface and Coatings Technology. – 2016. – Vol. 285. – P. 171–178. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2015.11.045.
  17. Sachin B., Narendranath S., Chakradhar D. Analysis of surface hardness and surface roughness in diamond burnishing оf 17-4 PH stainless steel // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 577. – Art. 012075. – doi: 10.1088/1757-899X/577/1/012075.
  18. Grzesik W., Zak K. Characterization of surface integrity produced by sequential dry hard turning and ball burnishing operations // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2014. – Vol. 136, iss. 3. – Art. 031017. – doi: 10.1115/1.4026936.
  19. Influence of ball-burnishing on roughness, hardness and corrosion resistance of AISI 1045 steel / Al. Saldaña-Robles, H. Plascencia-Mora, E. Aguilera-Gómez, Ad. Saldaña-Robles, A. Marquez-Herrera, J.A. Diosdado-De la Peña // Surface and Coatings Technology. – 2008. – Vol. 339. – P. 191–198. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.02.013.
  20. Influence of ball burnishing on residual stress profile of a 15-5PH stainless steel / V. Chomienne, F. Valiorgue, J. Rech, C. Verdu // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2016. – Vol. 13. – P. 90–96. – doi: 10.1016/j.cirpj.2015.12.003.
  21. Shiou F.-J., Hsu C.-C. Surface finishing of hardened and tempered stainless tool steel using sequential ball grinding, ball burnishing and ball polishing processes on a machining centre // Journal of Materials Processing Technology. – 2008. – Vol. 205, iss. 1–3. – P. 249–258. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2007.11.244.
  22. Effect of slide burnishing method on the surface integrity of AISI 316Ti chromium–nickel steel / J.T. Maximov, G.V. Duncheva, A.P. Anchev, N. Ganev, I.M. Amudjev, V.P. Dunchev // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2018. – Vol. 40, iss. 4. – Art. 194. – doi: 10.1007/s40430-018-1135-3.
  23. Упрочнение и повышение качества поверхности деталей из аустенитной нержавеющей стали алмазным выглаживанием на токарно-фрезерном центре / В.П. Кузнецов, А.В. Макаров, А.Л. Осинцева, А.С. Юровских, Р.А. Саврай, С.А. Роговая, А.Е. Киряков // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2011. – № 11 (83). – С. 16–26.
  24. Influence of the process parameters on the surface roughness, micro-hardness, and residual stresses in slide burnishing of high-strength aluminum alloys / J.T. Maximov, A.P. Anchev, G.V. Duncheva, N. Ganev, K.F. Selimov // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2017. – Vol. 39. – P. 3067–3078. – doi: 10.1007/s40430-016-0647-y.
  25. Kuznetsov V.P., Tarasov S.Yu., Dmitriev A.I. Nanostructuring burnishing and subsurface shear instability // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 217. – P. 327–335. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2014.11.023.
  26. Электроимпульсное полирование на основе железа, хрома и никеля / Ю.В. Синькевич, В.К. Шелег, И.Н. Янковский, Г.Я. Беляев. – Минск: БНТУ, 2014. – 325 с. – ISBN 978-985-550-516-2.
  27. 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. – Art. 140679. – doi: 10.1016/j.msea.2020.140679.
  28. Savrai R.A., Kolobylin Yu.M., Volkova E.G. Micromechanical characteristics of the surface layer of metastable austenitic steel after frictional treatment // Physics of Metals and Metallography. – 2021. – Vol. 122, iss. 8. – P. 800–806. – doi: 10.1134/S0031918X21080123.
  29. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения материалов. – М.: Металлургия, 1984. – 280 с.
  30. Смирнов С.В., Швейкин В.П. Пластичность и деформируемость углеродистых сталей при обработке давлением. – Екатеринбург: УрО РАН, 2009. – 255 с. – ISBN 973-5-7691-2081-7.
  31. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. – М.: Машиностроение, 1977. – 526 с.
  32. The effect of contact stresses on the phase composition, strength and tribological properties of nanocrystal structures formed in steels and alloys upon sliding friction / L.G. Korshunov, V.A.  Shabashov, N.L. Chernenko, V.P. Pilyugin // Metal Science and Heat Treatment. – 2008. – Vol. 50, iss. 11–12. – P. 583–592. – doi: 10.1007/s11041-009-9103-2.
  33. Jiang W.H., Pinkerton F.E., Atzmon M. Deformation-induced nanocrystallization: A comparison of two amorphous Al-based alloys // Journal of Materials Research. – 2005. – Vol. 20, iss. 3. – P. 696–702. – doi: 10.1557/JMR.2005.0090.
  34. Mordyuk B.N., Prokopenko G.I. Ultrasonic impact peening for the surface properties management // Journal of Sound and Vibration. – 2007. – Vol. 308. – P. 855–866. – doi: 10.1016/j.jsv.2007.03.054.
  35. Effect of structure evolution induced by ultrasonic peening on the corrosion behavior of AISI-321 stainless steel / B.N. Mordyuk, G.I. Prokopenko, M.A. Vasylyev, M.O. Iefimov // Materials Science and Engineering: A. – 2007. – Vol. 458. – P. 253–261. – doi: 10.1016/j.msea.2006.12.049.
  36. Strength of ultrafine-grained corrosion-resistant steels after severe plastic deformation / O.V. Rybal’;chenko, S.V. Dobatkin, L.M. Kaputkina, G.I. Raab, N.A. Krasilnikov // Materials Science and Engineering: A. – 2004. – Vol. 387–389. – P. 244–248. – doi: 10.1016/j.msea.2004.03.097.
  37. Fatigue life improvement through surface nanostructuring of stainless steel by means of surface mechanical attrition treatment / T. Roland, D. Retraint, K. Lu, J. Lu // Scripta Materialia. – 2006. – Vol. 54, iss. 11. – P. 1949–1954. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2006.01.049.
  38. Enhanced mechanical behavior of a nanocrystallised stainless steel and its thermal stability / T. Roland, D. Retraint, K. Lu, J. Lu // Materials Science and Engineering: A. – 2007. – Vol. 445–446. – P. 281–288. – doi: 10.1016/j.msea.2006.09.041.
  39. Tribological aspects in nanostructuring burnishing of structural steels / V.P. Kuznetsov, A.V. Makarov, S.G. Psakhie, R.A. Savrai, I.Y. Malygina, N.A. Davydova // Physical Mesomechanics. – 2014. – Vol. 17 (4). – P. 250–264. – doi: 10.1134/S102995991404002X.
  40. Korshunov L.G. Structure transformations during friction and wear resistance of austenitic steels // Physics of Metals and Metallography. – 1992. – Vol. 74, iss. 2. – P. 150–162.
  41. Heilmann P., Clark W.A., Rigney D.A. Orientation determination of subsur-face cells generated by sliding // Acta Metallurgica. – 1983. – Vol. 31, iss. 8. – P. 1293–1305.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».