The Influence of Frictional Treatment
and Low-Temperature Plasma Carburizing on the Structure
and Phase Composition of Metastable Austenitic Steel

R. A. Savrai; Саврай Р. А.; P. A. Skorynina; Скорынина П. А.; A. V. Makarov; Макаров А. В.; A. I. Men’shakov; Меньшаков А. И.; V. S. Gaviko; Гавико В. С.

doi:10.31857/S0015323023600442

The Influence of Frictional Treatment and Low-Temperature Plasma Carburizing on the Structure and Phase Composition of Metastable Austenitic Steel

Authors: Savrai R.A.¹, Skorynina P.A.¹, Makarov A.V.¹^,2, Men’shakov A.I.³^,4, Gaviko V.S.²
Affiliations:
1. Institute of Engineering Science, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
2. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
3. Institute of Electrophysics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
4. Ural Federal University Named after the First President of Russia B.N. Yeltsin
Issue: Vol 124, No 5 (2023)
Pages: 409-416
Section: СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
URL: https://rjmseer.com/0015-3230/article/view/662894
DOI: https://doi.org/10.31857/S0015323023600442
EDN: https://elibrary.ru/OLYVPS
ID: 662894

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract

The features of the structure and phase composition of corrosion-resistant austenitic chromium–nickel steel (16.80 wt % Cr, 8.44 wt % Ni) subjected to carburizing in electron beam plasma at temperatures of 350 and 500°C, frictional treatment with a sliding indenter, and a combination of frictional treatment and plasma carburizing have been considered. It has been established that plasma carburizing results in the formation of a modified surface layer consisting of carbon-saturated austenite and carbides (Cr23C6, Fe3C); in this case, the formation of γC-phase occurs only at a temperature of 350°C. The depth of a modified layer increases with an increase in the carburizing temperature. It has been shown that it is useful to perform combined frictional treatment and plasma carburizing at a carburizing temperature of 350°C, since in this case the deformation-induced structure formed as a result of frictional treatment is preserved, and the precipitated carbides remain highly dispersed. In this case, frictional treatment should provide the formation of the deepest
possible diffusion-active layer with a dispersed structure.

Keywords

corrosion-resistant austenitic steel, plasma carburizing, frictional treatment, structure, phase composition

References

Макаров А.В., Скорынина П.А., Юровских А.С., Осинцева А.Л. Влияние технологических условий наноструктурирующей фрикционной обработки на структурно-фазовое состояние и упрочнение метастабильной аустенитной стали // ФММ. 2017. Т. 118. № 12. С. 1300–1311.
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.
Наркевич Н.А., Шулепов И.А., Миронов И.П. Структура, механические и триботехнические свойства аустенитной азотистой стали после фрикционной обработки // ФММ. 2017. Т. 118. № 4. С. 421–428.
Макаров А.В., Коршунов Л.Г. Металлофизические основы наноструктурирующей фрикционной обработки сталей // ФММ. 2019. Т. 120. № 3. С. 327–336.
Макаров А.В., Скорынина П.А., Волкова Е.Г., Осинцева А.Л. Влияние фрикционной обработки на структуру, микромеханические и трибологические свойства аустенитной стали 03Х16Н14М3Т // МиТОМ. 2019. № 12. С. 21–24.
Макаров А.В., Саврай Р.А., Скорынина П.А., Волкова Е.Г. Развитие методов поверхностного деформационного наноструктурирования сталей // МиТОМ. 2020. № 1(775). С. 62–69.
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 // Mater. Sci. Eng., A. 2021. V. 802. Art. 140679. P. 1–10.
Саврай Р.А., Колобылин Ю.М., Волкова Е.Г. Микромеханические характеристики поверхностного слоя метастабильной аустенитной стали, подвергнутой фрикционной обработке // ФММ. 2021. Т. 122. № 8. С. 858–865.
Sun Y., Li X., Bell T. Structural characteristics of low temperature plasma carburised austenitic stainless steel // Mater. Sci. Technol. 1999. V. 15. Is. 10. P. 1171–1178.
Sun Y. Kinetics of low temperature plasma carburizing of austenitic stainless steels // J. Mater. Process. Technol. 2005. V. 168. P. 189–194.
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.
Sun Y. Tribocorrosion behavior of low temperature plasma carburized stainless steel // Surf. Coat. Technol. 2013. V. 228. P. S342–S348.
Tong X., Zhang T., Ye W. Effect of carburizing atmosphere proportion on low temperature plasma carburizing of austenitic stainless steel // Appl. Mech. Mater. 2014. V. 598. P. 90–93.
Duarte M.C.S., Godoya C., Wilson J.C.A.B. Analysis of sliding wear tests of plasma processed AISI 316L steel // Surf. Coat. Technol. 2014. V. 260. P. 316–325.
Liu R.L., Wang S., Wei C.Y., Yan M.F., Qiao Y.J. Microstructure and corrosion behavior of low temperature carburized AISI 304 stainless steel // Materials Research Express. 2019. V. 6. No. 6. Art. 066417.
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.
Гаврилов Н.В., Меньшаков А.И. Низкотемпературное азотирование нержавеющей аустенитной стали в плазме электронного пучка при 400°С // Физика и химия обр. материалов. 2012. № 5. С. 31–36.
de Araújo Junior E., Marinho Bandeir R., Dorigão Manfrinato M., Aparecido Moreto J., Borges R., dos SantosVales S., Atsushi Suzuki P., Sgarbi Rossino L. 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 // J. Mater. Res. Technol. 2019. V. 8. Is. 2. P. 2180–2191.
Spevak L.F., Nefedova O.A., Makarov A.V., Samoilova G.V. Mathematical modelling of plasma nitriding of austenitic stainless steel [Electronic resource] // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2015. Is. 6. P. 68–79. http://dream-journal.org/issues/2015-6/2015-6_65.html.
Lin Y., Lu J., Wang L., Xu T., Xue Q. Surface nanocrystallization by surface mechanical attrition treatment and its effect on structure and properties of plasma nitrided AISI 321 stainless steel // Acta Mater. 2006. V. 54. P. 5599–5605.
Jayalakshmi M., Huilgol P., Ramachandra B.B., Udaya B.K. Microstructural characterization of low temperature plasma-nitrided 316L stainless steel surface with prior severe shot peening // Mater. Des. 2016. V. 108. P. 448–454.
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.
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.
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 // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2017. № 2 (75). С. 55–66.
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.
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.
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.
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. No. 125492.
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.
Саврай Р.А., Скорынина П.А., Макаров А.В., Осинцева А.Л. Особенности структуры и свойства поверхности метастабильной аустенитной стали, подвергнутой жидкостной цементации при пониженной температуре // ФММ. 2020. Т. 121. № 1. С. 72–78.
Savrai R.A., Skorynina P.A. Structural-phase transformations and changes in the properties of AISI 321 stainless steel induced by liquid carburizing at low temperature // Surf. Coat. Technol. 2022. V. 443. Art. 128613.
Бернштейн М.Л., Рахштадт А.Г. Металловедение и термическая обработка стали: справочник в 3 т. М.: Металлургия, 1983. Т. 2. 368 с.