Improving the tribological properties of austenitic 12Kh18N10T steel by nanostructuring frictional treatment

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Stainless austenitic chrome-nickel steels possess low strength properties, which are not improved by heat treatment. Surface hardening treatments through deformation (ultrasonic impact, shot peening etc.) often cannot provide high quality of the worked surface. Therefore, the primary task is to form and improve the methods of finishing treatments providing both effective deformation hardening and high quality surface of austenitic steels. It has great importance for precision parts of tribological components. The influence of frictional treatment by hemispheric synthetic diamond indenter on phase composition, structure, micromechanical and tribological characteristics of metastable austenitic 12Kh18N10T steel (in wt.%: 0,10 С; 17,72 Cr; 10,04 Ni; 0,63 Ti; 1,33 Mn; 0,57 Si; 0,227 Mo; 0,064 Co; 0,014 Nb; 0,057 Cu; 0,031 P; 0,014 S and Fe for balance) surface layers is studied. Roughness of the worked surface is studied through an optical profilometer. Methods of transmission electron microscopy and X-ray analysis are applied for investigation of steel structure and phase composition. Micromechanical properties are determined by measuring of microhardness by the recovered indentation method and using microindentation technique. Tribological properties (wear intensity and coefficient of friction) are determined upon sliding friction in the air conditions in the «steel 12Kh18N10T - steel 45 (0,45 wt. % of С; hardness is 50 HRC)» friction couple. It is established that frictional treatment of austenitic steel forms qualitative surface with low value of roughness parameter (Ra≈100 nm). At that, nanocrystalline and fragmented submicrocrystalline martensitic-austenitic structures in surface layer are arisen, high level of surface hardening (710 HV0.025) as well as essential decrease of wear rate and friction coefficient under conditions of dry sliding friction is achieved. The revealed leap of tribological properties of the austenitic steel at the initial stage of friction is connected with a limitation of seizure processes development on the nanostructured surface and a change of wear mode - from seizure to plastic edging. The use of kinetic microindentation method for analysis of increased resistance of nanostructured layer with martensitic-austenitic structure to plastic deformation under adhesive wear is justified.

About the authors

A. V Makarov

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

Email: avm@imp.uran.ru
18, S. Kovalevskoy st., Yekaterinburg, 620990, Russian Federation; 34, Komsomolskaya str., Yekaterinburg, 630049, Russian Federation; 19, Mira st., Ekaterinburg, 620002, Russian Federation

P. A Skorynina

Institute of Engineering Science Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: skorynina@imach.uran.ru
34, Komsomolskaya str., Yekaterinburg, 630049, Russian Federation

A. L Osintseva

Institute of Engineering Science Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: osintseva@imach.uran.ru
34, Komsomolskaya str., Yekaterinburg, 630049, Russian Federation

A. S Yurovskikh

Ural Federal University

Email: a.s.yurovskih@urfu.ru
19, Mira st., Ekaterinburg, 620002, Russian Federation

R. A Savrai

Institute of Engineering Science Ural Branch of Russian Academy of Sciences

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

References

  1. Sun Y. Sliding wear behavior of surface mechanical attrition treated AISI 304 stainless steel // Tribology International. - 2013. - Vol. 57. - P. 67-75. - doi: 10.1016/j.triboint.2012.07.015.
  2. Influence of peening on corrosion properties of AISI 304 stainless steel / H. Lee, D. Kim, J. Jung, Y. Pyoun, K. Shin // Corrosion science. - 2009. - Vol. 51, iss. 12. - P. 2826-2830.
  3. Mordyuk B.N., Prokopenko G.I. Ultrasonic impact peening for the surface properties’ management // Journal of Sound and Vibration. - 2007. - Vol. 308, iss. 3-5. - P. 855-866. - doi: 10.1016/j.jsv.2007.03.054.
  4. Бараз В.Р., Картак Б.Р., Минеева О.Н. Особенности фрикционного упрочнения аустенитной стали с нестабильной γ-фазой // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2010. - № 10. - С. 20-22.
  5. Improvement in cavitation erosion resistance of AISI 316L stainless steel by friction stir processing / M. Hajian, A. Abdollah-zadeh, S.S. Rezaei-Nejad, H. Assadi, S.M.M. Hadavi, K. Chung, M. Shokouhimehr // Applied Surface Science. - 2014. - Vol. 308. - P. 184-192. - doi: 10.1016/j.apsusc.2014.04.132.
  6. Влияние упрочняющей фрикционной обработки на химический состав, структуру и трибологические свойства высокоуглеродистой стали / А.В. Макаров, Л.Г. Коршунов, В.Б. Выходец, Т.Е. Куренных, Р.А. Саврай // Физика металлов и металловедение. - 2010. - Т. 110, № 5. - С. 530-544.
  7. Effect of hardening friction treatment with hard-alloy indenter on microstructure, mechanical properties, and deformation and fracture features of constructional steel under static and cyclic tension / A.V. Makarov, R.A. Savrai, N.A. Pozdejeva, S.V. Smirnov, D.I. Vichuzhanin, L.G. Korshunov, I.Yu. Malygina // Surface and Coatings Technology. - 2010. - Vol. 205, iss. 3. - P. 841-852. - doi: 10.1016/j.surfcoat.2010.08.025.
  8. Повышение износостойкости закаленной конструкционной стали наноструктурирующей фрикционной обработкой / А.В. Макаров, Н.А. Поздеева, Р.А. Саврай, А.С. Юровских, И.Ю. Малыгина // Трение и износ. - 2012. - Т. 33, № 6. - С. 444-455.
  9. Соболева Н.Н., Макаров А.В., Малыгина И.Ю. Упрочняющая фрикционная обработка NiCrBSi лазерного покрытия // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2013. - № 4 (61). - С. 79-85.
  10. Структура, механические характеристики, особенности деформирования и разрушения при статическом и циклическом нагружении закаленной конструкционной стали, подвергнутой комбинированной деформационно-термической наноструктурирующей обработке / А.В. Макаров, Р.А. Саврай, Э.С. Горкунов, А.С. Юровских, И.Ю. Малыгина, Н.А. Давыдова // Физическая мезомеханика. - 2014. - Т. 17, № 1. - С. 5-20.
  11. 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. - С. 16-26.
  12. Трибологические аспекты наноструктурирующего выглаживания конструкционных сталей / В.П. Кузнецов, А.В. Макаров, С.Г. Псахье, Р.А. Саврай, И.Ю. Малыгина, Н.А. Давыдова // Физическая мезомеханика. - 2014. - Т. 17, № 3. - С. 14-30.
  13. Структурные превращения, упрочнение и износостойкость никелида титана при адгезионном и абразивном изнашивании / Л.Г. Коршунов, В.Г. Пушин, Н.Л. Черненко, В.В. Макаров // Физика металлов и металловедение. - 2010. - Т. 110, № 1. - С. 94-105.
  14. Evolution of friction-induced microstructure of SUS 304 metastable austenitic stainless steel and its influence on wear behavior / X. Wei, M. Hua, Z. Xue, Z. Gao, J. Li // Wear. - 2009. - Vol. 267, iss. 9/10. - P. 1386-1392. - doi: 10.1016/j.wear.2008.12.068.
  15. Wang X.Y., Li D.Y. Mechanical, electrochemical and tribological properties of nanocrystalline surface of 304 stainless steel // Wear. - 2003. - Vol. 255, iss. 7-12. - P. 836-845. - doi: 10.1016/S0043-1648(03)00055-3.
  16. Hashemi B., Rezaee Yazdi M., Azar V. The wear and corrosion resistance of shot peened-nitrided 316L austenitic stainless steel // Materials and Design. - 2011. -Vol. 32, iss. 6. - P. 3287-3292. - doi: 10.1016/j.matdes.2011.02.037.
  17. Коршунов Л.Г. Структурные превращения при трении и износостойкость аустенитных сталей // Физика металлов и металловедение. - 1992. - № 8. - С. 3-21.
  18. The influence of strain rate on the microstructure transition of 304 stainless steel / A.Y. Chen, H.H. Ruan, J. Wang, H.L. Chan, Q. Wang, Q. Li, J. Lu // Acta Materialia. - 2011. - Vol. 59, iss. 9. - P. 3697-3709. - doi: 10.1016/j.actamat.2011.03.005.
  19. Wang W., Hua M, Wei X. Friction behavior of SUS 304 metastable austenitic stainless steel sheet against DC 53 die under the condition of friction coupling plastic deformation // Wear. - 2011. - Vol. 271, iss. 7/8. - P. 1166-1173. - doi: 10.1016/j.wear.2011.05.023.
  20. Напряженно-деформированное состояние и поврежденность при фрикционной упрочняющей обработке плоской стальной поверхности скользящим цилиндрическим индентором / Д.И. Вичужанин, А.В. Макаров, С.В. Смирнов, Н.А. Поздеева, И.Ю. Малыгина // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2011. - № 6. - С. 61-69.
  21. Cheng Y.T., Cheng C.M. Relationships between hardness, elastic modulus and the work of indentation // Applied Physics Letters. - 1998. - Vol.73, N 5. - P. 614-618. - doi: http://dx.doi.org/10.1063/1.121873.
  22. Page T.F., Hainsworth S.V. Using nanoindentation techniques for the characterization of coated systems: a critique // Surface and Coatings Technology. - 1993. - Vol. 61, iss. 1-3. - P. 201-208. - doi: 10.1016/0257-8972(93)90226-E.
  23. Petrzhik M.I., Levashov E.A. Modern methods for investigating functional surfaces of advanced materials by mechanical contact testing // Crystallography Reports. - 2007. - Vol. 52, iss. 6. - P. 966-974. - doi: 10.1134/S1063774507060065.
  24. Mayrhofer P.H., Mitterer C., Musil J. Structure-property relationships in single- and dual-phase nanocrystalline hard coatings // Surface and Coatings Technology. - 2003. - Vol. 174/175. - P.725-731. - doi: 10.1016/S0257-8972(03)00576-0.
  25. Tribology - lubrication, friction, and wear / ed. by I.V. Kragelsky, V.V. Alisin. - London: London, Wiley & Sons, 2001. - 948 p. - ISBN 978-1-86058-288-2.

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».