Hydrothermal Deposition of С/MoS2 on Electrospark Fe-Al Coatings for AISI 304 Stainless Steel

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Improving the tribological properties of stainless steels can be achieved by creating anti-friction coatings. The purpose of the work is a research of the structure and wear resistance of composite electrospark coatings made of Fe-Al intermetallic compounds with pores filled with C/MoS2. Methods. In this work, the coatings of Fe-Al intermetallic compounds are obtained on AISI 304 stainless steel by the method of electrospark deposition in a mixture of granules consisting of iron and aluminum. Five mixtures of granules with aluminum content from 20 to 100 mol % are prepared. In order to increase the porosity of intermetallic coatings, it was etched in a 20% alkali solution. To fill the porous surface of samples with amorphous carbon and molybdenum disulfide, the method of hydrothermal synthesis is applied in two stages: in a glucose solution at 160 °C, and in a solution of thiourea and sodium molybdate at 220 °C. The structure of the coatings is studied by X-ray diffraction analysis, scanning electron microscopy, X-ray microanalysis and Raman spectroscopy. The wear resistance of the coatings is investigated according to ASTM G99-04 technique with dry sliding friction using counter bodies in the form of disks made of high-speed steel R6M5 at a speed of 0.47 m/s under loads of 10 and 50 N. Results and discussion. It is established that with an increase of the aluminum content in the granules mixture, the phase composition of intermetallic coatings changes from FeAl to Fe14Al86. It is shown that the etching of intermetallic coatings is accompanied by the expansion of transverse cracks and the appearance of pores that further are filled with carbon and with molybdenum disulfide. Friction coefficient is in range of 0.26-0.46. The wear rate of Fe-Al-C-MoS2 coatings is in the range of 1.1-9 × 10–5 mm3/Nm, which is 3-22.5 times lower than one of AISI 304 steel. The best wear resistance is expectedly demonstrated by coatings prepared in the medium of granules with the highest aluminum content.

About the authors

B. A. Alexander

Email: burkovalex@mail.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute for Material Studies, Khabarovsk Scientific Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, 153 Tikhookeanskaya st., Khabarovsk, 680042, Russian Federation, burkovalex@mail.ru

C. G. Pavel

Email: pal_chig@mail.ru
Ph.D. (Chemical), Institute for Material Studies, Khabarovsk Scientific Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, 153 Tikhookeanskaya st., Khabarovsk, 680042, Russian Federation, pal_chig@mail.ru

K. A. Maria

Email: marijka80@mail.ru
Institute for Material Studies, Khabarovsk Scientific Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, 153 Tikhookeanskaya st., Khabarovsk, 680042, Russian Federation, marijka80@mail.ru

References

  1. Preparation of titanizing coating on AISI 316 stainless steel by pack cementation to mitigate surface damage: estimations of corrosion resistance and tribological behavior / N. Lin, L. Zhao, Q. Liu, J. Zou, R. Xie, S. Yuan, D. Li, L. Zhang, Z. Wang, B. Tang // Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 2019. – Vol. 129. – P. 387–400. – doi: 10.1016/j.jpcs.2019.01.029.
  2. Properties and tribological performance of ceramic-base chromium and vanadium carbide composite coatings / A. Günen, B. Kurt, P. Milner, M.S. Gök // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2019. – Vol. 81. – P. 333–344. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2019.03.019.
  3. Ebrahimifar H. Microstructure and oxidation behavior of cobalt diffusional coating fabricated on AISI 429 stainless steel // Oxidation of Metals. – 2019. – Vol. 91. – P. 417–435. – doi: 10.1007/s11085-019-09889-y.
  4. Perminov A.E., Ignatov M.G., Prokof’;ev E.Yu. Rapid monitoring of the hardened-layer depth on a steel part // Russian Engineering Research. – 2019. – Vol. 39. – P. 394–395. – doi: 10.3103/S1068798X19050162.
  5. Cold sprayed WC reinforced maraging steel 300 composites: microstructure characterization and mechanical properties / C. Chen, Y. Xie, X. Yan, R. Huang, M. Kuang, W. Ma, R. Zhao, J. Wang, M. Liu, Z. Ren, H. Liao // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 785. – P. 499–511. – doi: 10.1016/j.jallcom.2019.01.135.
  6. Abu-warda N., López A.J., Utrilla M.V. High temperature corrosion and wear behavior of HVOF-sprayed coating of Al2O3-NiAl on AISI 304 stainless steel // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 359. – P. 35–46. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.12.047.
  7. Effect of LaB6 addition on the microstructure and properties of (Ti3Al + TiB)/Ti composites by laser cladding // Materials and Design. – 2019. – Vol. 181. – P. 107959. – doi: 10.1016/j.matdes.2019.107959.
  8. Fabrication of Fe-based composite coatings reinforced by TiC particles and its microstructure and wear resistance of 40Cr gear steel by low energy pulsed laser cladding / Z. Zhang, X. Wang, Q. Zhang, Y. Liang, L. Ren, X. Li // Optics and Laser Technology. – 2019. – Vol. 119. – P. 105622. – doi: 10.1016/j.optlastec.2019.105622.
  9. Furlan K.P., Mello J.D.B. De, Klein A.N. Self-lubricating composites containing MoS2: a review // Tribology International. – 2018. – Vol. 120. – P. 280–298. – doi: 10.1016/j.triboint.2017.12.033.
  10. Dry sliding 10 wear behavior of SS316L composites containing h-BN and MoS2 solid lubricants / S. Mahathanabodee, T. Palathai, S. Raadnui, R. Tongsri, N. Sombatsompop // Wear. – 2014. – Vol. 316. – P. 37–48. – doi: 10.1016/j.wear.2014.04.015.
  11. Tribological behavior of coppermolybdenum disulfide composites / J.K. Xiao, W. Zhang, L.M. Liu, L. Zhang, C. Zhang // Wear. – 2017. – Vol. 384–385. – P. 61–71. – doi: 10.1016/j.wear.2017.05.006.
  12. Superior lubrication of dense/porous-coupled nanoscale C/WS2 multilayer coating on ductile substrate / S. Xu, Y. Liu, M. Gao, K.-H. Kang, D.-G. Shin, D.-E. Kim // Applied Surface Science. – 2019. – Vol. 476. – P. 724–732. – doi: 10.1016/j.apsusc.2019.01.170.
  13. Characterization and frictional behavior of nanostructured Ni-W-MoS2 composite coatings / M.F. Cardinal, P.A. Castro, J. Baxi, H. Liang, F.J. Williams // Surface and Coatings Technology. – 2009. – Vol. 204. – P. 85–90. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2009.06.037.
  14. Cao T., Lei S., Zhang M. The friction and wear behavior of Cu/Cu-MoS2 self-lubricating coating prepared by electrospark deposition // Surface and Coatings Technology. – 2015. – Vol. 270. – P. 24–32. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2015.03.023.
  15. Tribological behaviour of laser textured Ti6Al4V alloy coated with MoS2 and graphene / M.A. Arenas, J.I. Ahuir-Torres, I. García, H. Carvajal, J. de Damborenea // Tribology International. – 2018. – Vol. 128. – P. 240–247. – doi: 10.1016/j.triboint.2018.07.031.
  16. YSZ/MoS2 self-lubricating coating fabricated by thermal spraying and hydrothermal reaction / S. Li, X. Zhao, Y. An, D. Liu, H. Zhou, J. Chen // Ceramics International. – 2018. – Vol. 44. – P. 17864–17872. – doi: 10.1016/j.ceramint.2018.06.258.
  17. Wang W., Wang D., Han F. Improvement of corrosion resistance of twinning-induced plasticity steel by hot-dipping aluminum with subsequent thermal diffusion treatment // Materials Letters. – 2019. – Vol. 248. – P. 60–64. – doi: 10.1016/j.matlet.2019.04.001.
  18. Yürektürk Y., Baydogan M. Effect of aluminizing and austempering processes on structural, mechanical and wear properties of a SSF ductile iron // Materials Research Express. – 2019. – Vol. 6. – P. 016550. – doi: 10.1088/2053-1591/aae804.
  19. Burkov A.A., Pyachin S.A. Formation of WC-Co coating by a novel technique of electrospark granules deposition // Materials and Design. – 2015. – Vol. 80. – P. 109–115. – doi: 10.1016/j.matdes.2015.05.008.
  20. Burkov A.A., Chigrin P.G. Effect of tungsten, molybdenum, nickel and cobalt on the corrosion and wear performance of Fe-based metallic glass coatings // Surface and Coatings Technology. – 2018. – Vol. 351. – P. 68–77. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.07.078.
  21. Salmaliyan M., Malek Ghaeni F., Ebrahimnia M. Effect of electro spark deposition process parameters on WC-Co coating on H13 steel // Surface and Coatings Technology. – 2017. – Vol. 321. – P. 81–89. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2017.04.04.

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».