Effect of a continuous and gas-cyclic plasma nitriding on the quality of nanostructured austenitic stainless steel

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Plasma nitriding is an effective method of the austenitic stainless chromium-nickel steels hardening. Usage of the low-energy electron beams (to 1 keV), that is typical for plasma generator, provides smaller loss of energy then usage of gas discharges. Low-energy electron beams allow change current density and ion energy independently of one another without using additional external heating devices. The lack of ion-plasma nitriding is deterioration of nitrided surface quality. Nanostructured deformation processing could be applied before nitriding with the aim of increasing growth rate of nitrided layer and reduction of nitrided surface roughness. In the paper, the influence of combined processing including nanostructuring frictional treatment by sliding indentor and following continuous and gas-cyclic plasma nitriding in electron-beam plasma at a temperature of 450 °С and 500 °С on hardening and surface quality of austenitic steel AISI 321 (0.04 wt.% С; 16.77 wt.% Cr; 8.44 wt.% Ni; 1.15 wt.% Mn; 0.67 wt.% Si; 0.32 wt.% Ti; 0.31 wt.% Cu; 0.26 wt.% Mo; 0.12 wt.% Co; 0.12 wt.% V; 0.04 wt.% P; 0.03 wt.% Nb; 0.005 wt.% S; and Fe for balance) is studied. It is established that friction treatment leads to occurrence of 95 vol. % α´ strain-induced martensite and increasing of microhardness to 780 HV0.025 on nitrided surface. On the nanostructured by frictional treatment surface of metastable austenitic steel AISI 321 (in contrast to nitrided coarse-grained steel) after continuous plasma nitriding in electron-beam plasma pore formation and intensive blistering is observed. Blistering is characterized by forming of steam blows and surface blowout. Obvious blistering appears due to advanced nitrogen diffusion into nanostructured surface with α´ stain-induced martensitic structure. Improvement in quality of the nitrided steel surface, hardened by frictional treatment (decreasing of blistering, pore formation and roughness), is achieved by means of: 1) gas-cyclic plasma nitriding is carried out at the conditions of periodic alternation nitriding semicycles in mixture of argon and nitrogen and denitriding (without nitrogen supply); 2) nitriding temperature decreasing from 500 °С to 450 °С. However after gas-cyclic plasma nitriding of nanostructured surface lower micro-hardness level (1 160…1 200 HV0.025) then after continuous nitriding (1 370…1 450 HV0.025) is observed.

About the authors

A. V Makarov

M.N. Miheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Institute of Engineering Science Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: av-mak@yandex.ru
18, S. Kovalevskoy st., Ekaterinburg, 620990, Russian Federation; 34, Komsomolskaya str., Ekaterinburg, 630049, Russian Federation

N. V Gavrilov

Institute of Electrophysics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: gavrilov@iep.uran.ru
106, Amundsen St., Ekaterinburg, 620016, Russian Federation

G. V Samoylova

M.N. Miheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: a1isova@mail.ru
18, S. Kovalevskoy st., Ekaterinburg, 620990, Russian Federation

A. S Mamaev

Institute of Electrophysics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: asm@iep.uran.ru
106, Amundsen St., Ekaterinburg, 620016, Russian Federation

A. L Osintseva

Institute of Engineering Science Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: lkm@imach.uran.ru
34, Komsomolskaya str., Ekaterinburg, 630049, Russian Federation

R. A Savrai

Institute of Engineering Science Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: ras@imach.uran.ru
34, Komsomolskaya str., Ekaterinburg, 630049, Russian Federation

References

  1. Rolinski E. Plasma-assisted nitriding and nitrocarburizing of steel and other ferrous alloys // Thermochemical Surface Engineering of Steels: Improving Materials Performance. - 2015. - P. 413-457.
  2. Role of surface mechanical attrition treatment and chemical etching on plasma nitriding behavior of AISI 304L steel / A.M. Gatey, S.S. Hosmani, C.A. Figueroa, S.B. Arya, R.P. Singh // Surface and Coatings Technology. - 2016. - Vol. 304. - P. 413-424.
  3. Leonhardt D., Walton S.G., Fernsler R.F. Fundamentals and applications of a plasma-processing system based on electron-beam ionization // Physics of Plasmas. - 2007. - Vol. 14. - P. 057103. - doi: 10.1063/1.2712424.
  4. Gavrilov N.V., Menshakov A.I. Effect of the electron beam and ion flux parameters on the rate of plasma nitriding of an austenitic stainless steel // Technical Physics. - 2012. - Vol. 57, iss. 3. - P. 399-404. - doi: 10.1134/S1063784212030073.
  5. Glow-discharge nitriding of AISI 316L austenitic stainless steel: influence of treatment temperature / F. Borgioli, A. Fossati, E. Galvanetto, T. Bacci // Surface and Coatings Technology. - 2005. - Vol. 200, iss. 7. - P. 2474-2480. - doi: 10.1016/j.surfcoat.2004.07.110.
  6. Plasma nitriding of 316L austenitic stainless steel: Experimental investigation of fatigue life and surface evolution / J.C. Stinville, P. Villechaise, C. Templier, J.P. Riviere, M. Drouet // Surface and Coatings Technology. - 2010. - Vol. 204, iss. 12-13. - P. 1947-1951. - doi: 10.1016/j.surfcoat.2009.09.052.
  7. Surface nanocrystallization by surface mechanical attrition treatment and its effect on structure and properties of plasma nitrided AISI 321 stainless steel / Y. Lin, J. Lu, L. Wang, T. Xu, Q. Xue // Acta Materialia. - 2006. - Vol. 54, iss. 20. - P. 5599-5605. - doi: 10.1016/j.actamat.2006.08.014.
  8. Gleiter H. Nanocrystalline materials // Progress in Materials Science. - 1989. - Vol. 33, iss. 4. - P. 223-315. - doi: 10.1016/0079-6425(89)90001-7.
  9. Lu K. Nanocrystalline metals crystallized from amorphous solids: nanocrystallization, structure, and properties // Materials Science and Engineering R-Reports. - 1996. - Vol. 16, iss. 4. - P. 161-221. - doi: 10.1016/0927-796X(95)00187-5.
  10. Nitriding iron at lower temperatures / W.P. Tong, N.R. Tao, Z.B. Wang, J. Lu, K. Lu // Science. - 2003. - Vol. 299, iss. 5607. - P. 686-688. - doi: 10.1126/science.1080216.
  11. Gaseous nitriding of iron with a nanostructured surface layer / W.P. Tong, C.Z. Liu, W. Wang, N.R. Tao, Z.B. Wang, L. Zuo, J.C. He // Scripta Materialia. - 2007. - Vol. 57, iss. 6. - P. 533-536. - doi: 10.1016/j.scriptamat.2007.05.017.
  12. Plasma nitriding of AISI 304 stainless steel: role of surface mechanical attrition treatment / T. Balusamy, T.S.N.S. Narayanan, K. Ravichandran, I.S. Park, M.H. Lee // Materials Characterization. - 2013. - Vol. 85. - P. 38-47. - doi: 10.1016/j.matchar.2013.08.009.
  13. Study on wear and friction resistance of nanocrystalline Fe nitrided at low temperature / W.P. Tong, J. Sun, L. Zuo, J.C. He, J. Lu // Wear. - 2011. - Vol. 271, iss. 5-6. - P. 653-657. - doi: 10.1016/j.wear.2010.11.024.
  14. Baraz V.R., Kartak B.R., Mineeva O.N. Special features of friction hardening of austenitic steel with unstable γ-phase // Metal science and Heat Treatment. - 2011. - Vol. 52, iss. 9. - P. 473-475. - doi: 10.1007/s11041-010-9302-x.
  15. 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.
  16. Baraz V.R., Fedorenko O.N. Special features of friction treatment of steels of the spring class // Metal Science and Heat Treatment. - 2016. - Vol. 57, iss. 11. - P. 652-655. - doi: 10.1007/s11041-016-9937-3.
  17. Eddy-current control of the phase composition and hardness of metastable austenitic steel after different regimes of nanostructuring frictional treatment / A.V. Makarov, E.S. Gorkunov, P.A. Skorynina, L.Kh. Kogan, A.S. Yurovskikh, A.L. Osintseva // Russian Journal of Nondestructive Testing. - 2016. - Vol. 52, iss. 11. - P. 627-637. - doi: 10.1134/S1061830916110048.
  18. Наноструктурирующие комбинированные фрикционно-термические обработки аустенитной стали 12Х18Н10Т / А.В. Макаров, П.А. Скорынина, Е.Г. Волкова, А.Л. Осинцева // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. - 2016. - № 4 (38). - С. 30-37. - doi: 10.18323/2073-5073-2016-4-30-37.
  19. Мамаев А.С., Чукин А.В. Газоциклическое плазменное азотирование нержавеющей стали // Известия вузов. Физика. - 2016. - Т. 59, № 9-2. - С. 244-249.
  20. Gavrilov N.V., Mamaev A.S. Low-temperature nitriding of titanium in low-energy electron beam excited plasma // Technical Physics Letters. - 2009. - Vol. 35, iss. 8. - P. 713-716. - doi: 10.1134/S1063785009080082.
  21. Блистеринг и α↔γ-превращения при отжиге стали 12Х18Н10Т, облученной низкоэнергетическими альфа-частицами / С.Б. Кислицин, М.Ф. Верещак, И.А. Манакова, А.Н. Озерной, Д.А. Сатпаев, Ю.Ж. Тулеушев // Вопросы атомной науки и техники. - 2013. - № 2 (84). - С. 17-22.
  22. Effect of nitrogen on blister growth process during high temperature oxidation of steel / Y. Kondo, H. Tanei, K. Ushioda, M. Maeda, Y. Abe // ISIJ International. - 2012. - Vol. 52, N 9. - P. 1644-1648. - doi: 10.2355/isijinternational.52.1644.
  23. Теория и технология азотирования / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган, Г.-И. Шпис, З. Бемер. - М.: Металлургия, 1991. - 320 с.
  24. Belashova I.S., Shashkov A.O. Kinetics of growth of the diffusion layer in nitriding by the thermogasocyclic method // Metal Science and Heat Treatment. - 2012. - Vol. 54, iss. 5. - P. 315-319. - doi: 10.1007/s11041-012-9504-5.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


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».