Electrospark deposition of chromium diboride powder on stainless steel AISI 304

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Austenitic stainless steel AISI 304 is the most widely used type of stainless steel. However, it is subject to wear due to relatively low hardness, and also begins to oxidize intensively in air at a temperature above 800 °C. The use of coatings based on chromium boride can improve its tribotechnical properties and oxidation resistance. The purpose of the work: to study the effect of chromium diboride concentration in the anode mixture on the structure, wear behavior, oxidation resistance and corrosion properties of electric spark coatings on AISI 304 steel. The research methods. Electric spark treatment of AISI 304 steel was carried out in a mixture of iron granules with the addition of CrB2 powder in amount of 5, 10 and 15 vol.%. The structure of the coatings was studied by X-ray analysis, scanning electron microscopy, and electron dispersion spectroscopy analysis. The wear resistance of the coatings was studied under dry friction condition at a load of 10 N. The oxidation resistance test was carried out at a temperature of 900 °C for 100 hours. Results and Discussion. According to X-ray analysis, it is shown that under the conditions of electric spark exposure, CrB2 interacts with iron melt; this has resulted in the formation of chromium and iron borides. Corrosion properties, microhardness, coefficient of friction and wear are investigated in comparison with AISI 304 steel. Samples with coatings showed a lower corrosion potential and corrosion current density compared to the substrate in 3.5% NaCl solution and from 5 to 15 times higher oxidation resistance. The microhardness of the coatings increased from 6.25 to 7.60 GPa with an increase in the addition of chromium diboride in the electrode mixture. The coefficient of friction and the wear rate of all coatings were lower than that of AISI 304 stainless steel, while the coating prepared with the addition of 5 vol.% chromium diboride had the best tribotechnical characteristics.

About the authors

A. A. Burkov

Email: burkovalex@mail.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of Materials Science of the Khabarovsk Scientific Center of the Far-Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, 153 Tikhookeanskaya, Khabarovsk, 680042, Russian Federation, burkovalex@mail.ru

M. A. Kulik

Email: marijka80@mail.ru
Institute of Materials Science of the Khabarovsk Scientific Center of the Far-Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, 153 Tikhookeanskaya, Khabarovsk, 680042, Russian Federation, marijka80@mail.ru

A. V. Belya

Email: whitewolf-97@mail.ru
Institute of Materials Science of the Khabarovsk Scientific Center of the Far-Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, 153 Tikhookeanskaya, Khabarovsk, 680042, Russian Federation, whitewolf-97@mail.ru

V. O. Krutikova

Email: nm32697@gmail.com
Institute of Tectonics and Geophysics, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, 65 Kim Yu Chen street, Khabarovsk, 680000, Russian Federation, nm32697@gmail.com

References

  1. Corrosion resistance of boronized, aluminized, and chromized thermal diffusion-coated steels in simulated high-temperature recovery boiler conditions / A. Mahdavi, E. Medvedovski, G.L. Mendoza, A. McDonald // Coatings. – 2018. – Vol. 8, iss. 8. – P. 257. – doi: 10.3390/coatings8080257.
  2. Tribocorrosion behaviour of duplex surface treated AISI 304 stainless steel / A. de Frutos, M.A. Arenas, G.G. Fuentes, R.J. Rodríguez, R. Martínez, J.C. Avelar-Batista, J.J. de Damborenea // Surface and Coatings Technology. – 2010. – Vol. 204, iss. 9–10. – P. 1623–1630. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2009.10.039.
  3. Ushashri K., Masanta M. Hard TiC coating on AISI304 steel by laser surface engineering using pulsed Nd: YAG laser // Materials and Manufacturing Processes. – 2015. – Vol. 30, iss. 6. – P. 730–735. – doi: 10.1080/10426914.2014.973593.
  4. Sahoo C.K., Masanta M. Microstructure and mechanical properties of TiC-Ni coating on AISI304 steel produced by TIG cladding process // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – Vol. 240. – P. 126–137. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2016.09.018.
  5. Голышев А.А., Оришич А.М. Исследование влияния режимов фокусировки лазерного излучения на геометрические и механические свойства металлокерамических треков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21., № 1. – С. 82–92. – doi: 10.17212/1994-6309-2019-21.1-82-92.
  6. The corrosion behaviour of a plasma spraying Al2O3 ceramic coating in dilute HCl solution / D. Yan, J. He, J. Wu, W. Qiu, J. Ma // Surface and Coatings Technology. – 1997. – Vol. 89, iss. 1–2. – P. 191–195. – doi: 10.1016/S0257-8972(96)02862-9.
  7. Berger L.-M. Application of hardmetals as thermal spray coatings // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2015. – Vol. 49. – P. 350–364. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2014.09.029.
  8. Мишигдоржийн У.Л., Сизов И.Г., Полянский И.П. Формирование покрытий на основе бора и алюминия на поверхности углеродистых сталей электронно-лучевым легированием // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20., № 2. – С. 87–99. – doi: 10.17212/1994-6309-2018-20.2-87-99.
  9. Microstructure and properties of FeCrB alloy coatings prepared by wire-arc spraying / H.H. Yao, Z. Zhou, Y.M. Wang, D.Y. He, K. Bobzin,·L. Zhao, M. Öte, T. Königstein // Journal of Thermal Spray Technology. – 2017. – Vol. 26, iss. 3. – P. 483–491. – doi: 10.1007/s11666-016-0510-9.
  10. K?l?ç M. Microstructural characterization of Ni-based B4C reinforced composite coating produced by tungsten inert gas method // Archives of Metallurgy and Materials. – 2021. – Vol. 66 (3). – P. 917–924. – doi: 10.24425/amm.2021.136398.
  11. Turkoglu T., Ay I. Investigation of mechanical, kinetic and corrosion properties of borided AISI 304, AISI 420 and AISI 430 // Surface Engineering. – 2021. – Vol. 37, iss. 8. – P. 1020–1031. – doi: 10.1080/02670844.2021.1884332.
  12. Nikolenko S.V., Konevtsov L.A., Chigrin P.G. Additive influence of carbon and carbides of vanadium and chrome in anodic tungsten-cobalt materials on their erosive fragility and formation of the alloyed layer at ESA of steels 35 // Materials Science Forum. – Trans Tech Publications, 2020. – Vol. 992. – P. 683–688. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.992.683' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.992.683.
  13. Application of Zr-Si-B electrodes for electrospark alloying of Inconel 718 in vacuum, argon and air environment / A.E. Kudryashov, Ph.V. Kiryukhantsev-Korneev, M.I. Petrzhik, E.A. Levashov // CIS Iron and Steel Review. – 2019. – Vol. 18. – P. 46–51. – doi: 10.17580/cisisr.2019.02.10.
  14. A novel method to fabricate composite coatings via ultrasonic-assisted electro-spark powder deposition / H. Zhao, Ch. Gao, X. Wu, B. Xu, Y. Lu, L. Zhu // Ceramics International. – 2019. – Vol. 45, iss. 17. – P. 22528–22537. – doi: 10.1016/j.ceramint.2019.07.279.
  15. Chandrakant, Reddy N.S., Panigrahi B.B. Electro spark coating of AlCoCrFeNi high entropy alloy on AISI410 stainless steel // Materials Letters. – 2021. – Vol. 304. – P. 130580. – doi: 10.1016/j.matlet.2021.130580.
  16. Shafyei H., Salehi M., Bahrami A. Fabrication, microstructural characterization and mechanical properties evaluation of Ti/TiB/TiB2 composite coatings deposited on Ti6Al4V alloy by electro-spark deposition method // Ceramics International. – 2020. – Vol. 46, iss. 10. – P. 15276–15284. – doi: 10.1016/j.ceramint.2020.03.068.
  17. Li C., Ge P., Bi W. Thermal simulation of the single discharge for electro-spark deposition diamond wire saw // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2021. – Vol. 114, iss. 11. – P. 3597–3604. – doi: 10.1007/s00170-021-07132-0.
  18. Бурков А.А. Получение аморфных покрытий электроискровой обработкой стали 35 в смеси железных гранул с CrMoWCBSi порошком // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21., № 4. – С. 19–30. – doi: 10.17212/1994-6309-2019-21.4-19-30.
  19. Burkov A.A., Kulik M.A. Wear-resistant and anticorrosive coatings based on chrome carbide Cr7C3 obtained by electric spark deposition // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. – 2020. – Vol. 56, iss. 6. – P. 1217–1221. – doi: 10.1134/S2070205120060064.
  20. Kwok D.Y., Neumann A.W. Contact angle measurement and contact angle interpretation // Advances in Colloid and Interface Science. – 1999. – Vol. 81, iss. 3. – P. 167–249. – doi: 10.1016/S0001-8686(98)00087-6.
  21. Comparative analysis of insulating properties of plasma and thermally grown alumina films on electrospark aluminide coated 9Cr steels / N.I. Jamnaparaa, S. Frangini, J. Alphonsa, N.L. Chauhan, S. Mukherjee // Surface and Coatings Technology. – 2015. – Vol. 266. – P. 146–150. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2015.02.028.
  22. Khimukhin S.N., Eremina K.P., Nikolenko S.V. Obtaining of coatings from Ni-Al by electro spark deposition and surface smoothing by ultrasonic plastic deformation // Materials Science Forum. – Trans Tech Publications, 2021. – Vol. 1037. – P. 473–478. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.1037.473' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.1037.473.
  23. Nikolenko S.V., Syui N.A. Investigation of coatings produced by the electro spark machining method of steel 45 with electrodes based on carbides of tungsten and titanium // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. – 2017. – Vol. 53, iss. 5. – P. 889–894. – doi: 10.1134/S207020511705015X.
  24. Бурков А.А., Кулик М.А., Крутикова В.О. Характеристика Ti–Si-покрытий на сплаве Ti6Al4V, осажденных электроискровой обработкой в среде гранул // Цветные металлы. – 2019. – № 4. – С. 54–59. – doi: 10.17580/TSM.2019.04.07.
  25. Evaluation of three kinds of MCrAlY coatings produced by electrospark deposition / Y.-j. Xie, D. Wang, M.-s. Wang, W. Ye // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2016. – Vol. 26, iss. 6. – P. 1647–1654. – doi: 10.1016/S1003-6326(16)64274-7.
  26. Effect of mullite film layers on the high-temperature oxidation resistance of AISI 304 stainless steel / J. Ma, N. Wen, R. Wang, J. Wang, X. Zhang, J. Li, Y. Chen // Coatings. – 2021. – Vol. 11, iss. 8. – P. 880. – doi: 10.3390/coatings11080880.
  27. Beneficial effect of a pre-ceramic polymer coating on the protection at 900 °C of a commercial AISI 304 stainless steel / F. Riffard, E. Joannet, H. Buscail, R. Rolland, S. Perrier // Oxidation of Metals. – 2017. – Vol. 88, iss. 1. – P. 211–220. – doi: 10.1007/s11085-016-9705-1.
  28. Effect of surface topography on formation of squeal under reciprocating sliding / C. Guangxiong, Z. Zhongrong, P. Kapsa, L. Vincent // Wear. – 2002. – Vol. 253, iss. 3–4. – P. 411–423. – doi: 10.1016/S0043-1648(02)00161-8.

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».