The features of residual stresses investigation in the hardened surface layer of die steels after diffusion boroaluminizing

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Diffusion boroaluminizing provides improved performance properties of the die steels’; surface such as wear resistance, high hardness, and corrosion resistance. Surface hardening can significantly contribute to the occurrence of technological residual stresses (TRS) on the surface. Currently, there are no studies on the topic of the stress state of diffusion boroaluminizing. The purpose of this work is to develop a method for determining the TRS and a nature of its distribution in the diffusion layers on the surface of 5CrNiMo and 3Cr2W8V die steels after boroaluminizing by a mechanical method. The paper considers the results of experimental studies on the determination of the normal components of TRS by the mechanical method in diffusion layers of die steels. The conducted studies showed that the formation of unfavorable tensile TRS occurs along the depth of the hardened layer in the case of the investigated TCT method and types of steels. Results and discussions. The main approaches for determining the TRS in the surface layer of 3Cr2W8V and 5CrNiMo die steels after TCT are considered. Problems in the determination of TRS by the mechanical method on the UDINON-2 unit are identified, and its solution is proposed. The efficiency of using the anodic dissolution method for the continuous removal of stressed layers during the TRS study by the mechanical method on the UDION-2 unit is shown. The optimal electrolyte composition is selected for the process of anodic dissolution consisting of: NaNO3 – 60 g/l; NaNO2 – 5 g/l; Na2CO3 – 5 g/l; C3H8O3 – 15 g/l; H2O – the rest. The distributions of the normal TRS components in the diffusion layer of die steel specimens are revealed. It is established that, during the TCT of these steels predominantly tensile TRS are formed in the surface layer. Further research will be aimed at developing measures to reduce tensile TRS during diffusion boroaluminizing of die steels.

About the authors

N. S. Ulakhanov

Email: nulahanov@mail.ru
Institute of Physical Material Science of the Siberian Branch of the RAS, 6 Sakhyanovoy str., Ulan-Ude, 670047, Russian Federation; East Siberia State University of Technology and Management, 40V Kluchevskaya str, Ulan-Ude, 670013, Russian Federation, nulahanov@mail.ru

A. G. Tikhonov

Email: tihonovalex90@mail.ru
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov str., Irkutsk, 664074, Russian Federation, tihonovalex90@mail.ru

U. L. Mishigdorzhiyn

Email: undrakh@ipms.bscnet.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Physical Material Science of the Siberian Branch of the RAS, 6 Sakhyanovoy str., Ulan-Ude, 670047, Russian Federation, undrakh@ipms.bscnet.ru

V. V. Ivancivsky

Email: ivancivskij@corp.nstu.ru
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, ivancivskij@corp.nstu.ru

N. V. Vakhrushev

Email: vah_nikit@mail.ru
Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, vah_nikit@mail.ru

References

  1. Ворошнин Л.Г., Менделеева О.Л., Сметкин В.А. Теория и технология химико-термической обработки. – М.: Новое знание, 2010. – 304 с. – ISBN 978-5-94735-149-1.
  2. Gagandeep S., Gurbhinder B. Modification of EN9 steel surface by salt bath nitrocarburising process // Journal of Materials Science and Surface Engineering. – 2017. – Vol. 5, N 4. – P. 577–580.
  3. Boriding kinetics of Fe2B layers formed on AISI 1045 steel / J. Zuno-Silva, M. Ortiz-Domínguez, M. Keddam, M. Elias-Espinosa, O. Damián-Mejía, E. Cardoso-Legorreta, M. Abreu-Quijano // Journal of Mining and Metallurgy. Section B: Metallurgy. – 2014. – Vol. 50 (2). – P. 101–107.
  4. Балановский А.Е., Гюи В.В. Плазменная поверхностная цементация с использованием графитового покрытия // Письма о материалах. – 2017. – Т. 7, № 2. – С. 175–179. – doi: 10.22226/2410-3535-2017-2-175-179.
  5. Comparative evaluation of austenite grain in high-strength rail steel during welding, thermal processing and plasma surface hardening / A.D. Kolosov, V.E. Gozbenko, M.G. Shtayger, S.K. Kargapoltsev, A.E. Balanovskiy, A.I. Karlina, A.V. Sivtsov, S.A. Nebogin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560. – P. 012185. – doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012185.
  6. Balanovskii A.E., Huy V.V. Estimation of wear resistance of plasma-carburized steel surface in conditions of abrasive wear // Journal of Friction and Wear. – 2018. – Vol. 39. – P. 311–318. – doi: 10.3103/S1068366618040025.
  7. Surface hardening of structural steel by cathode spot of welding arc / A.E. Balanovskiy, M.G. Shtayger, A.I. Karlina, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, Yu.I. Karlina, A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. – Vol. 560. – P. 012138. – doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012138.
  8. Nguyen V.T., Astafeva N.A., Balanovskiy A.E. Study of the formation of the alloyed surface layer during plasma heating of mixtures of Cu-Sn/CrXCY alloys // Tribology in Industry. – 2021. – Vol. 43. – P. 386–396. – doi: 10.24874/ti.1070.03.21.05.
  9. Influence of welding regimes on structure and properties of steel 12KH18N10T weld metal in different spatial positions / R.A. Mamadaliev, P.V. Bakhmatov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1255–1264.
  10. Alloying and modification of iron-carbon melts with natural and man-made materials / O.I. Nokhrina, R.A. Gizatulin, M.A. Golodova, I.E. Proshunin, D.V. Valuev, N.V. Martyushev, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1429–1448.
  11. Strengthening of metallurgical equipment parts by plasma surfacing in nitrogen atmosphere / N.N. Malushin, N.V. Martyushev, D.V. Valuev, A.I. Karlina, A.P. Kovalev, R.A. Gizatulin // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1468–1475.
  12. Study of matrix and rare elements in ash and slag waste of a thermal power plant concerning the possibility of their extraction / T.G. Cherkasova, E.V. Cherkasova, A.V. Tikhomirova, N.V. Gilyazidinova, R.V. Klyuev, N.V. Martyushev, A.I. Karlina, V.Yu. Skiba // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1324–1330.
  13. Sizov I.G., Mishigdorzhiyn U.L., Polyansky I.P. Boroaluminized carbon steel // Encyclopedia of Iron, Steel and Their Alloys / R. Colás, G.E. Totten. – New York: Taylor and Francis, 2016. – P. 346–357. – doi: 10.1081/e-eisa-120049887.
  14. Mishigdorzhiyn U., Sizov I. The Influence of boroaluminizing temperature on Microstructure and wear resistance in low-carbon steels // Materials Performance and Characterization. – 2018. – Vol. 7, N 3. – P. 252–265. – doi: 10.1520/MPC20170074.
  15. Модификация поверхностного слоя штамповых сталей созданием B-Al-слоев химико-термической обработкой / Н.С. Улаханов, У.Л. Мишигдоржийн, А.Г. Тихонов, А.И. Шустов, А.С. Пятых // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2021. – Т. 17, № 12 (204). – С. 557–564. – doi: 10.36652/1813-1336-2021-17-12-557-564.
  16. Microstructure and wear behavior of tungsten hot-work steel after boriding and boroaluminizing / U. Mishigdorzhiyn, Y. Chen, N. Ulakhanov, H. Liang // Lubricants. – 2020. – Vol. 8, iss. 3. – P. 26. – doi: 10.3390/lubricants8030026.
  17. Surface boriding and titanization stainless steel by integrated processes / Y.F. Ivanov, V.E. Gromov, D.A. Romanov, O.V. Ivanova, Yu.A. Rubannikova // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. – 2021. – Vol. 15. – P. 200–209. – doi: 10.1134/S1027451021010080.
  18. Non-vacuum electron-beam boriding of low-carbon steel / I.A. Bataev, A.A. Bataev, M.G. Golkovsky, A.Yu. Teplykh, V.G. Burov, S.V. Veselov // Surface and Coatings Technology. – 2012. – Vol. 207. – P. 245–253. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2012.06.081.
  19. Structure of surface layers produced by non-vacuum electron beam boriding / I.A. Bataev, A.A. Bataev, M.G. Golkovsky, D.S. Krivizhenko, A.A. Losinskaya, O.G. Lenivtseva // Applied Surface Science. – 2013. – Vol. 284. – P. 472–481. – doi: 10.1016/j.apsusc.2013.07.121.
  20. Kulka M. Trends in physical techniques of boriding // Current Trends in Boriding. – Cham: Springer, 2019. – P. 99–253. – (Engineering Materials). – doi: 10.1007/978-3-030-06782-3_5.
  21. Металлургия. Остаточные напряжения в металлопродукции: учебное пособие для СПО / С.П. Буркин, Г.В. Шимов, Е.А. Андрюкова. – М.: Юрайт; Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2018. – 247 с.
  22. Биргер И.А. Остаточные напряжения. – М.: Машгиз, 1963. – 232 с.
  23. Патент № 2121666 Российская Федерация, МКИ 3 G 01 L 1/06. Способ определения остаточных напряжений: № 96107536/28: заявл. 18.04.96: опубл. 10.11.98, Бюл. № 31 / Замащиков Ю.И.
  24. Tikhonov A.G., Pashkov A.E. Comparative study of residual stresses when turning HSS-5 steel with varying feed // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 632. – P. 012113. – doi: 10.1088/1757-899X/632/1/012113.
  25. Zamashchikov Y.I. Surface residual stress measurements by layer removal method // International Journal of Machining and Machinability of Materials. – 2014. – Vol. 16 (3–4). – P. 187–211. – doi: 10.1504/IJMMM.2014.067307.
  26. Study of residual stresses, microstructure, and hardness in FeB and Fe2B ultra-hard layers / Z. Pala, J. Fojtikova, T. Koubsky, R. Musalek, J. Strasky, J. Capek, J. Kyncl, L. Beranek, K. Kolarik // Powder Diffraction. – 2015. – Vol. 30 (S1). – P. S83–S89. – doi: 10.1017/S0885715615000019.
  27. Оценка структурно-фазового и напряженного состояния диффузионных боридных слоев, полученных химико-термической обработкой на поверхности штамповой стали 3Х2В8Ф / У.Л. Мишигдоржийн, Н.С. Улаханов, А.Г. Тихонов, П.А. Гуляшинов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 2. – С. 147–162. – doi: 10.17212/1994-6309-2021-23.2-147-162.
  28. Программный модуль расчета остаточных напряжений по данным, полученным методом удаления слоев: свидетельство о гос. регистрации программ для ЭВМ № 2015663438 Рос. Федерация / Ю.И. Замащиков, К.В. Толстихин. – № 2015619838; заявл. 16.10.15; опубл. 20.01.16, Бюл. № 2.
  29. Мирзоев Р.А., Давыдов А.Д. Анодные процессы электрохимической и химической обработки металлов: учебное пособие. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. – 382 с.
  30. Попилов Л.Я. Советы заводскому технологу: справочное пособие. – Л.: Лениздат, 1975. – 264 с.
  31. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. В 2 т. Т. 1. Обработка материалов с применением инструмента / под ред. В.П. Смоленцева. – М.: Высшая школа, 1983. – 247 с.
  32. Байсупов Н.А., Волосатов В.А. Справочник молодого рабочего по электрохимической обработке. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1990. – 176 с.
  33. Гродзинский Э.Я. Абразивно-электрохимическая обработка. – М.: Машиностроение, 1976. – 55 с.
  34. Домбровский Ю.М., Степанов М.С. Создание композитных диффузионных боридных покрытий при микродуговом упрочнении в порошковых средах // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2015. – № 5 (160). – С. 61–63.
  35. Шматов А.А. Композиционные структуры, сформированные при диффузионном насыщении стали несколькими переходными металлами // Ползуновский альманах. – 2015. – № 2. – С. 78–84.

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».