Effect of Low-Temperature Carburization in Electron Beam Plasma on the Hardening and Surface Roughness of the Metastable Austenitic Steel

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Low-temperature plasma carburization is an effective way to increase the hardness of thermally unhardened austenitic chromium-nickel steels. Usage of low-energy (up to 1 Kev) electron beams for plasma surface modification allows not only to generate plasma efficiently, but also to heat objects placed in the plasma to a high temperature without using additional external heating. However, in the literature there is no information about the carburization of austenitic stainless steels using plasma generated by an electron beam. The carburization temperature has a significant impact on the level of characteristics and the phase composition of austenitic steels. It is also important to take into account that the usage of ion-plasma chemical-thermal treatments can lead to a change in the roughness of the treated surface. The aim of the work is to study the effect of the temperature carburization in the plasma of a low-energy electron beam in the range TC=350-500 °C on the phase composition, roughness, depth and hardening of the carburized layer of austenitic steel AISI 321. The research methods are microhardness measurement, X-ray phase analysis, scanning electron microscopy and optical profilometry. Results and discussion. Carburization in the plasma generated by the electron beam at TC=350-500 °C provides an increase in the microhardness of the surface of austenitic steel by 5.5 times (up to ~ 1100 HV 0.025). It is found that the depth of the hardened layer strongly depends on the temperature of carburization and is 25 µm at TC=350 °C, and with further increase in the temperature of carburization increases up to 200 µm at TC=500 °C. The effective hardening of the surface layer of stainless steel is associated with the formation of carbon-supersaturated austenite γC and carbides Cr23C6 at TC=350-500 °C, as well as carbides Cr7C3 at TC=500 °C. It is shown that the carburization of the electropolished steel surface at temperatures of 400-500 °C is accompanied by an increase in the roughness parameter Ra to 0.73-1.06 µm. The decrease in the carburization temperature to TC=350 °C leads to the formation of a surface with a significantly lower roughness parameter Ra=0.15 µm. Thus, carburization in the plasma of a low-energy electron beam at temperatures TC=350-500 °C is an effective way to increase the hardness of thermally unhardened austenitic Cr-Ni steel, and carbon modification at a minimum temperature TC=350 °C also provides a low roughness of the carburised surface. This allows us to consider that this technology is a promising finish hardening treatment of precision products made of austenitic stainless steel.

About the authors

P. A. Skorynina

Email: skorynina@imach.uran.ru
Institute of Engineering Science, Ural Branch of Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya str., Yekaterinburg, 620049, Russian Federation, skorynina@imach.uran.ru

A. V. Makarov

Email: avm@imp.uran.ru
D.Sc. (Engineering), 1. Institute of Engineering Science, Ural Branch of Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya str., Yekaterinburg, 620049, Russian Federation; 2. M.N. Miheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 18 S. Kovalevskaya str., Yekaterinburg, 620108, Russian Federation; 3. Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 19 Mira str., Yekaterinburg, 620002, Russian Federation, avm@imp.uran.ru

A. I. Men'shakov

Email: menshakovandrey@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Electrophysics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 106 Amundsena str., Yekaterinburg, 620016, Russian Federation, menshakovandrey@mail.ru

A. L. Osintseva

Email: osintseva@imach.uran.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Engineering Science, Ural Branch of Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya str., Yekaterinburg, 620049, Russian Federation, osintseva@imach.uran.ru

References

  1. Gatey A.M., Hosmani S.S., Singh R.P. Surface mechanical attrition treated AISI 304L steel: role of process parameters // Surface Engineering. – 2016. – Vol. 32, iss. 1. – P. 69–78. – doi: 10.1179/1743294415Y.0000000056.
  2. Characterization of the phase transformation in a nanostructured surface layer of 304 stainless steel induced by high-energy shot peening / Z. Ni, X. Wang, J. Wang, E. Wu // Physica B-Condensed Matter. – 2003. – Vol. 334. – P. 221–228. – doi: 10.1016/S0921-4526(03)00069-3.
  3. Effect of structure evolution induced by ultrasonic peening on the corrosion behavior of AISI-321 stainless steel / B.N. Mordyuk, G.I. Prokopenko, M.A. Vasylyev, M.O. Iefimov // Materials Science and Engineering: A. – 2007. – Vol. 458, iss. 1–2. – P. 253–261. – doi: 10.1016/j.msea.2006.12.049.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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. 11–12. – P. 652–655. – doi: 10.1007/s11041-016-9937-3.
  7. Effect of the conditions of the nanostructuring frictional treatment process on the structural and phase states and the strengthening of metastable austenitic steel / A.V. Makarov, P.A. Skorynina, A.S. Yurovskikh, A.L. Osintseva // Physics of Metals and Metallography. – 2017. – Vol. 118, iss. 12. – P. 1225–1235. – doi: 10.1134/S0031918X17120092.
  8. Narkevich N.A., Shulepov I.A., Mironov Yu.P. Structure, mechanical, and tribotechnical properties of an austenitic nitrogen steel after frictional treatment // Physics of Metals and Metallography. – 2017. – Vol. 118, iss. 4. – P. 339–406. – doi: 10.1134/S0031918X17020090.
  9. Microstruсture and mechanical properties of friction stir processed AISI 316L stainless steel / M. Hajian, A. Abdollah-zadeh, S.S. Rezaei-Nejad, H. Assadi, S.M.M. Hadavi, K. Chung, M. Shokouhimehr // Materials and Design. – 2015. – Vol. 67. – P. 82–94. – doi: 10.1016/j.matdes.2014.10.082.
  10. Liang W. Surface modification of AISI 304 austenitic stainless steel by plasma nitriding // Applied Surface Science. – 2003. – Vol. 211. – P. 308–314. – doi: 10.1016/S0169-4332(03)00260-5.
  11. Microstructure and dry sliding wear resistance evaluation of plasma nitride austenitic stainless steel type AISI 316LN against different sliders / A. Devaraju, A. Elayaperumal, J. Alphonsa, S.V. Kailas, S. Venugopal // Surface and Coatings Technology. – 2012. – Vol. 207. – P. 406–412. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2012.07.031.
  12. Gavrilov N.V., Mamaev A.S., Chukin A.V. Nitriding of stainless steel in plasma of a pulse electron beam // Technical Physics Letters. – 2016. – Vol. 42, iss. 5. – P. 491–494. – doi: 10.1134/S1063785016050096.
  13. Gavrilov N.V., Mamaev A.S., Chukin A.V. Nitriding of stainless steel in electron beam plasma in the pulsed and DC generation modes // Journal of Surface Investigation. – 2017. – Vol. 11, iss. 6. – P. 1167–1172. – doi: 10.1134/S1027451017060076.
  14. Cao Y., Ernst F., Michal G.M. Colossal carbon supersaturation in austenitic stainless steels carburized at low temperature // Acta Materialia. – 2003. – Vol. 51. – P. 4171–4181. – doi: 10.1016/S1359-6454(03)00235-0.
  15. Tokaji K., Kohyama K., Masayuki A. Fatigue behaviour and fracture mechanism of a 316 stainless steel hardened by carburizing // International Journal of Fatigue. – 2004. – Vol. 26, iss. 5. – P. 543–551. – doi: 10.1016/j.ijfatigue.2003.08.024.
  16. Carbide precipitation in austenitic stainless steel carburized at low temperature / F. Ernst, Y. Cao, G.M. Michal, A.H. Heuer // Acta Materialia. – 2007. – Vol. 55. – P. 1895–1906. – doi: 10.1016/j.actamat.2006.09.049.
  17. Cheng L.H., Hwang K.S. Surface hardening of powder injection molded 316l stainless steels through low-temperature carburization // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2013. – Vol. 44A, iss. 2. – P. 827–834. – doi: 10.1007/s11661-012-1458-0.
  18. Influence of the countermaterial on the dry sliding friction and wear behaviour of low temperature carburized AISI316L steel / L. Ceschini, C. Chiavari, A. Marconi, C. Martini // Tribology International. – 2013. – Vol. 67. – P. 36–43. – doi: 10.1016/j.triboint.2013.06.013.
  19. Structure and wear resistance of 0Cr17Ni14Mo2 austenitic stainless steel after low temperature gas carburising / F. Ma, L. Pan, L.J. Zhang, Y.F. Zhu, P. Li, M. Yang // Materials Research Innovations. – 2014. – Vol. 18. – P. 1023–1027. – doi: 10.1179/1432891714Z.000000000551.
  20. Sun Y. Tribocorrosion behavior of low temperature plasma carburized stainless steel // Surface and Coatings Technology. – 2013. – Vol. 228. – P. S342–S348. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2012.05.105.
  21. Surface modification of austenitic steels by low-temperature carburization / I. Ciancaglioni, R. Donnini, S. Kaciulis, A. Mezzi, R. Montanari, N. Ucciardello, G. Verona-Rinati // Surface and Interface Analysis. – 2012. – Vol. 44, iss. 8. – P. 1001–1004. – doi: 10.1002/sia.4894.
  22. Modification of S phase on austenitic stainless steel using fine particle shot peening / M. Tsujikawa, M. Egawa, T. Sone, N. Ueda, T. Okano, K. Higashi // Surface and Coatings Technology. – 2013. – Vol. 228. – P. S318–S322. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2012.05.111.
  23. Sun Y. Kinetics of low temperature plasma carburizing of austenitic stainless steels // Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – Vol. 168. – P. 189–94. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2004.10.005.
  24. Carburization of austenitic and ferritic steels in carbon-saturated sodium: preliminary results on the diffusion coefficient of carbon at 873 K / M. Romedenne, F. Rouillard, B. Dupray, D. Hamon, M. Tabarant, D. Monceau // Оxidation of Metals. – 2016. – Vol. 87. – P. 643–653. – doi: 10.1007/s11085-017-9733-5.
  25. Abraha P., Yoshikawa Y., Katayama Y. Surface modification of steel surfaces by electron beam excited plasma processing // Vacuum. – 2009. – Vol. 83, iss. 3. – P. 497–500. – doi: 10.1016/j.vacuum.2008.04.073.
  26. Влияние непрерывного и газоциклического плазменного азотирования на качество наноструктурированной поверхности аустенитной нержавеющей стали / А.В. Макаров, Н.В. Гаврилов, Г.В. Самойлова, А.С. Мамаев, А.Л. Осинцева, Р.А. Саврай // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2017. – № 2 (75). – С. 55–66. – doi: 10.17212/1994-6309-2017-2-55-66.
  27. Sun Y., Li X., Bell T. Structural characteristics of low temperature plasma carburised austenitic stainless steel // Materials Science and Technology. – 1999. – Vol. 15, iss. 10. – P. 1171–1178. – doi: 10.1179/026708399101505077.
  28. Tong X., Zhang T., Ye W. Effect of carburizing atmosphere proportion on low temperature plasma carburizing of austenitic stainless steel // Advanced Materials, Mechanics and Industrial Engineering. – 2014. – Vol. 598. – P. 90–93. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/AMM.598.90' target='_blank'>www.scientific.net/AMM.598.90.
  29. Effect of shot peening and treatment temperature on wear and corrosion resistance of sequentially plasma treated AISI 316L steel / M.R. Menezes, C. Godoy, V.T.L. Buono, M.M.M. Schvartzman, J.C.A.B. Wilson // Surface and Coatings Technology. – 2017. – Vol. 309. – P. 651–662. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2016.12.037.
  30. Borgioli F., Galvanetto E., Bacci T. Influence of surface morphology and roughness on water wetting properties of low temperature nitrided austenitic stainless steels // Materials Characterization. – 2014. – Vol. 95. – P. 278–284. – doi: 10.1016/j.matchar.2014.07.006.
  31. Влияние предварительной деформационной обработки на упрочнение и качество азотированной поверхности аустенитной нержавеющей стали / А.В. Макаров, Г.В. Самойлова, Н.В. Гаврилов, А.С. Мамаев, А.Л. Осинцева, Р.А. Саврай // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. – 2017. – № 4 (42). – С. 67–74. – doi: 10.18323/2073-5073-2017-4-67-74.
  32. Металловедение и термическая обработка стали. В 3 т. Т. 2: справочник / под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. – Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1983. – 368 с.
  33. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. – М.: Металлургиздат, 1970. – 366 с.
  34. Effect of heating on the structure, phase composition and micromechanical properties of the metastable austenitic steel strengthened by nanostructuring frictional treatment / A.V. Makarov, P.A. Skorynina, E.G. Volkova, A.L. Osintseva // The Physics of Metals and Metallography. – 2018. – Vol. 119, iss. 12. – P. 1196–1203. – doi: 10.1134/S0031918X18120116.
  35. Improvement of the mechanical properties of austenitic stainless steel after plasma nitriding / E. Menthe, A. Bulak, J. Olfe, A. Zimmermann, K.T. Rie // Surface and Coatings Technology. – 2000. – Vol. 133–134. – P. 259–263. – doi: 10.1016/S0257-8972(00)00930-0.
  36. Duarte M.C.S., Godoya C., Wilson J.C.A.B. Analysis of sliding wear tests of plasma processed AISI 316L steel // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 260. – P. 316–325. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.07.094.
  37. Effect of preliminary nanostructuring frictional treatment on the efficiency of nitriding of metastable austenitic steel in electron beam plasma / A.V. Makarov, G.V. Samoilova, N.V. Gavrilov, A.S. Mamayev, A.L. Osintseva, T.E. Kurennykh, R.A. Savrai // AIP Conference Proceedings. – 2017. – Vol. 1915. – P. 030011-1–030011-5. – doi: 10.1063/1.5017331.

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».