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

Polina Skorynina, Aleksey Makarov, Andrey Men'shakov, Alevtina Osintseva

Research output: Contribution to journalArticleResearchpeer-review

Abstract

Введение. Низкотемпературная плазменная цементация является эффективным способом повышения твердости термически неупрочняемых аустенитных хромоникелевых сталей. Использование низкоэнергетичных (до 1 кэВ) электронных пучков для плазменного модифицирования поверхности позволяет не только эффективно генерировать плазму, но и нагревать до высокой температуры помещаемые в плазму объекты без использования дополнительного внешнего нагрева. Однако в литературе отсутствуют сведения о цементации аустенитных нержавеющих сталей с использованием плазмы, генерируемой электронным пучком. Существенное влияние на уровень обеспечиваемых характеристик и формируемый фазовый состав аустенитных сталей оказывает температура цементации. Важно также учитывать, что применение ионно-плазменных химико-термических обработок может приводить к изменению шероховатости обрабатываемой поверхности. Цель работы заключается в изучении влияния температуры цементации в плазме низкоэнергетичного электронного пучка в диапазоне ТЦ = 350…500 °С на фазовый состав, шероховатость, глубину и упрочнение цементованного слоя аустенитной стали 04Х17Н8Т (AISI 321). Методы исследования: измерение микротвердости, рентгеноструктурный фазовый анализ, сканирующая электронная микроскопия и оптическая профилометрия. Результаты и обсуждение. Цементация в плазме, генерируемой электронным пучком, при ТЦ = 350…500 °С обеспечивает повышение микротвердости поверхности аустенитной стали в 5,5 раз (до ~ 1100 HV 0,025). Установлено, что глубина упрочненного слоя в сильной степени зависит от температуры цементации и составляет 25 мкм при ТЦ = 350 °С, а при дальнейшем повышении температуры цементации возрастает вплоть до 200 мкм при ТЦ = 500 °С. Эффективное упрочнение поверхностного слоя нержавеющей стали связано с формированием пересыщенного углеродом аустенита γC и карбидов Cr23C6 при ТЦ = 350…500 °С, а также карбидов Cr7C3 при ТЦ = 500 °С. Показано, что цементация электрополированной поверхности стали при температурах 400…500 °С сопровождается ростом параметра шероховатости Ra до 0,73…1,06 мкм. Снижение температуры цементации до ТЦ = 350 °С приводит к формированию поверхности со значительно более низким параметром шероховатости Ra = 0,15 мкм.
Translated title of the contributionEffect of Low-Temperature Carburization in Electron Beam Plasma on the Hardening and Surface Roughness of the Metastable Austenitic Steel
Original languageRussian
Pages (from-to)97-109
Number of pages13
JournalОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ (ТЕХНОЛОГИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТЫ)
Volume21
Issue number2
DOIs
Publication statusPublished - 2019

Keywords

    WoS ResearchAreas Categories

    • Metallurgy & Metallurgical Engineering

    GRNTI

    • 53.49.00

    Level of Research Output

    • VAK List

    Cite this

    @article{5d8eb673fbaa480db6de1d51c67b83b3,
    title = "Влияние низкотемпературной цементации в плазме электронного пучка на упрочнение и шероховатость поверхности метастабильной аустенитной стали",
    abstract = "Введение. Низкотемпературная плазменная цементация является эффективным способом повышения твердости термически неупрочняемых аустенитных хромоникелевых сталей. Использование низкоэнергетичных (до 1 кэВ) электронных пучков для плазменного модифицирования поверхности позволяет не только эффективно генерировать плазму, но и нагревать до высокой температуры помещаемые в плазму объекты без использования дополнительного внешнего нагрева. Однако в литературе отсутствуют сведения о цементации аустенитных нержавеющих сталей с использованием плазмы, генерируемой электронным пучком. Существенное влияние на уровень обеспечиваемых характеристик и формируемый фазовый состав аустенитных сталей оказывает температура цементации. Важно также учитывать, что применение ионно-плазменных химико-термических обработок может приводить к изменению шероховатости обрабатываемой поверхности. Цель работы заключается в изучении влияния температуры цементации в плазме низкоэнергетичного электронного пучка в диапазоне ТЦ = 350…500 °С на фазовый состав, шероховатость, глубину и упрочнение цементованного слоя аустенитной стали 04Х17Н8Т (AISI 321). Методы исследования: измерение микротвердости, рентгеноструктурный фазовый анализ, сканирующая электронная микроскопия и оптическая профилометрия. Результаты и обсуждение. Цементация в плазме, генерируемой электронным пучком, при ТЦ = 350…500 °С обеспечивает повышение микротвердости поверхности аустенитной стали в 5,5 раз (до ~ 1100 HV 0,025). Установлено, что глубина упрочненного слоя в сильной степени зависит от температуры цементации и составляет 25 мкм при ТЦ = 350 °С, а при дальнейшем повышении температуры цементации возрастает вплоть до 200 мкм при ТЦ = 500 °С. Эффективное упрочнение поверхностного слоя нержавеющей стали связано с формированием пересыщенного углеродом аустенита γC и карбидов Cr23C6 при ТЦ = 350…500 °С, а также карбидов Cr7C3 при ТЦ = 500 °С. Показано, что цементация электрополированной поверхности стали при температурах 400…500 °С сопровождается ростом параметра шероховатости Ra до 0,73…1,06 мкм. Снижение температуры цементации до ТЦ = 350 °С приводит к формированию поверхности со значительно более низким параметром шероховатости Ra = 0,15 мкм.",
    keywords = "Austenitic stainless steel, Plasma carburization, Electron beam, Microhardness, Roughness, STAINLESS-STEEL, MECHANICAL-PROPERTIES, SPECIAL FEATURES, WEAR-RESISTANCE, FRICTION, BEHAVIOR, PHASE, MICROSTRUCTURE",
    author = "Polina Skorynina and Aleksey Makarov and Andrey Men'shakov and Alevtina Osintseva",
    year = "2019",
    doi = "10.17212/1994-6309-2019-21.2-97-109",
    language = "Русский",
    volume = "21",
    pages = "97--109",
    journal = "ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ (ТЕХНОЛОГИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТЫ)",
    issn = "1994-6309",
    publisher = "Новосибирский государственный технический университет",
    number = "2",

    }

    TY - JOUR

    T1 - Влияние низкотемпературной цементации в плазме электронного пучка на упрочнение и шероховатость поверхности метастабильной аустенитной стали

    AU - Skorynina, Polina

    AU - Makarov, Aleksey

    AU - Men'shakov, Andrey

    AU - Osintseva, Alevtina

    PY - 2019

    Y1 - 2019

    N2 - Введение. Низкотемпературная плазменная цементация является эффективным способом повышения твердости термически неупрочняемых аустенитных хромоникелевых сталей. Использование низкоэнергетичных (до 1 кэВ) электронных пучков для плазменного модифицирования поверхности позволяет не только эффективно генерировать плазму, но и нагревать до высокой температуры помещаемые в плазму объекты без использования дополнительного внешнего нагрева. Однако в литературе отсутствуют сведения о цементации аустенитных нержавеющих сталей с использованием плазмы, генерируемой электронным пучком. Существенное влияние на уровень обеспечиваемых характеристик и формируемый фазовый состав аустенитных сталей оказывает температура цементации. Важно также учитывать, что применение ионно-плазменных химико-термических обработок может приводить к изменению шероховатости обрабатываемой поверхности. Цель работы заключается в изучении влияния температуры цементации в плазме низкоэнергетичного электронного пучка в диапазоне ТЦ = 350…500 °С на фазовый состав, шероховатость, глубину и упрочнение цементованного слоя аустенитной стали 04Х17Н8Т (AISI 321). Методы исследования: измерение микротвердости, рентгеноструктурный фазовый анализ, сканирующая электронная микроскопия и оптическая профилометрия. Результаты и обсуждение. Цементация в плазме, генерируемой электронным пучком, при ТЦ = 350…500 °С обеспечивает повышение микротвердости поверхности аустенитной стали в 5,5 раз (до ~ 1100 HV 0,025). Установлено, что глубина упрочненного слоя в сильной степени зависит от температуры цементации и составляет 25 мкм при ТЦ = 350 °С, а при дальнейшем повышении температуры цементации возрастает вплоть до 200 мкм при ТЦ = 500 °С. Эффективное упрочнение поверхностного слоя нержавеющей стали связано с формированием пересыщенного углеродом аустенита γC и карбидов Cr23C6 при ТЦ = 350…500 °С, а также карбидов Cr7C3 при ТЦ = 500 °С. Показано, что цементация электрополированной поверхности стали при температурах 400…500 °С сопровождается ростом параметра шероховатости Ra до 0,73…1,06 мкм. Снижение температуры цементации до ТЦ = 350 °С приводит к формированию поверхности со значительно более низким параметром шероховатости Ra = 0,15 мкм.

    AB - Введение. Низкотемпературная плазменная цементация является эффективным способом повышения твердости термически неупрочняемых аустенитных хромоникелевых сталей. Использование низкоэнергетичных (до 1 кэВ) электронных пучков для плазменного модифицирования поверхности позволяет не только эффективно генерировать плазму, но и нагревать до высокой температуры помещаемые в плазму объекты без использования дополнительного внешнего нагрева. Однако в литературе отсутствуют сведения о цементации аустенитных нержавеющих сталей с использованием плазмы, генерируемой электронным пучком. Существенное влияние на уровень обеспечиваемых характеристик и формируемый фазовый состав аустенитных сталей оказывает температура цементации. Важно также учитывать, что применение ионно-плазменных химико-термических обработок может приводить к изменению шероховатости обрабатываемой поверхности. Цель работы заключается в изучении влияния температуры цементации в плазме низкоэнергетичного электронного пучка в диапазоне ТЦ = 350…500 °С на фазовый состав, шероховатость, глубину и упрочнение цементованного слоя аустенитной стали 04Х17Н8Т (AISI 321). Методы исследования: измерение микротвердости, рентгеноструктурный фазовый анализ, сканирующая электронная микроскопия и оптическая профилометрия. Результаты и обсуждение. Цементация в плазме, генерируемой электронным пучком, при ТЦ = 350…500 °С обеспечивает повышение микротвердости поверхности аустенитной стали в 5,5 раз (до ~ 1100 HV 0,025). Установлено, что глубина упрочненного слоя в сильной степени зависит от температуры цементации и составляет 25 мкм при ТЦ = 350 °С, а при дальнейшем повышении температуры цементации возрастает вплоть до 200 мкм при ТЦ = 500 °С. Эффективное упрочнение поверхностного слоя нержавеющей стали связано с формированием пересыщенного углеродом аустенита γC и карбидов Cr23C6 при ТЦ = 350…500 °С, а также карбидов Cr7C3 при ТЦ = 500 °С. Показано, что цементация электрополированной поверхности стали при температурах 400…500 °С сопровождается ростом параметра шероховатости Ra до 0,73…1,06 мкм. Снижение температуры цементации до ТЦ = 350 °С приводит к формированию поверхности со значительно более низким параметром шероховатости Ra = 0,15 мкм.

    KW - Austenitic stainless steel

    KW - Plasma carburization

    KW - Electron beam

    KW - Microhardness

    KW - Roughness

    KW - STAINLESS-STEEL

    KW - MECHANICAL-PROPERTIES

    KW - SPECIAL FEATURES

    KW - WEAR-RESISTANCE

    KW - FRICTION

    KW - BEHAVIOR

    KW - PHASE

    KW - MICROSTRUCTURE

    UR - https://gateway.webofknowledge.com/gateway/Gateway.cgi?GWVersion=2&SrcAuth=tsmetrics&SrcApp=tsm_test&DestApp=WOS_CPL&DestLinkType=FullRecord&KeyUT=000471728300008

    UR - https://elibrary.ru/item.asp?id=38096055

    U2 - 10.17212/1994-6309-2019-21.2-97-109

    DO - 10.17212/1994-6309-2019-21.2-97-109

    M3 - Статья

    VL - 21

    SP - 97

    EP - 109

    JO - ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ (ТЕХНОЛОГИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТЫ)

    JF - ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ (ТЕХНОЛОГИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТЫ)

    SN - 1994-6309

    IS - 2

    ER -