Frontier Materials & Technologies. 2023; : 109-119
Влияние фрикционной обработки и жидкостной цементации на сопротивление общей коррозии хромоникелевых аустенитных сталей
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2023-4-66-10Аннотация
В настоящее время для повышения твердости, прочности и износостойкости термически неупрочняемых аустенитных хромоникелевых сталей применение нашли такие методы, как фрикционная обработка скользящим индентором и жидкостная цементация. Однако наряду с эффективным повышением механических характеристик применение указанных обработок может сопровождаться снижением коррозионной стойкости аустенитных сталей. Поэтому целесообразно исследовать влияние фрикционной обработки и жидкостной цементации на сопротивление общей коррозии Cr–Ni аустенитных сталей. В данной работе по методу восстановленного отпечатка определяли поверхностную микротвердость сталей 12Х18Н10Т и AISI 321 после электролитического полирования, механического шлифования, фрикционной обработки и жидкостной цементации при температуре 780 °C. С применением сканирующей электронной микроскопии и оптической профилометрии изучали подвергнутые указанным обработкам поверхности сталей и определяли их шероховатость. Коррозионную стойкость стали исследовали при испытаниях на общую коррозию гравиметрическим методом. При испытаниях на общую коррозию установлено, что упрочняющая (до 710 HV 0,025) фрикционная обработка приводит к повышению скорости коррозии аустенитной стали 12Х18Н10Т в сравнении с электрополированным состоянием (от km=0,35 г/(м2·ч) до km=0,53–0,54 г/(м2·ч)). Скорость коррозии шлифованной стали составляет km=0,58 г/(м2·ч), при этом механическое шлифование не обеспечивает значительного повышения микротвердости исследуемой стали (от 220 до 240 HV 0,025). Показано, что коррозионное поведение подвергнутой различным обработкам стали 12Х18Н10Т определяется следующими факторами: наличием/отсутствием α′-мартенсита деформации в структуре, качеством сформированной поверхности и, по-видимому, дисперсностью сформированной структуры. Жидкостная цементация аустенитной стали AISI 321 приводит одновременно к повышению ее микротвердости до 890 HV 0,025 и некоторому росту коррозионной стойкости по сравнению с тонкой механической шлифовкой. Это связано с тем, что атомы внедрения углерода стабилизируют электронное строение железа (аустенита и мартенсита), тем самым повышая его коррозионную стойкость.
Список литературы
1. Borgioli F. From austenitic stainless steel to expanded austenite-S phase: formation, characteristics and properties of an elusive metastable phase // Metals. 2020. Vol. 10. № 2. Article number 187. DOI: 10.3390/met10020187.
2. Pradhan K.K., Matawale C.R., Murarka S. Analysis of erosion-corrosion resistance and various application in domestic and industrial field of stainless steel grade 304 // International Journal of Research (IJR). 2015. Vol. 2. № 4. P. 807–811.
3. Wei Xinlong, Ling Xiang, Zhang Meng. Influence of surface modifications by laser shock processing on the acid chloride stress corrosion cracking susceptibility of AISI 304 stainless steel // Engineering Failure Analysis. 2018. Vol. 91. P. 165–171. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2018.04.045.
4. Костина М.В., Криворотов В.И., Костина В.С., Кудряшов А.Э., Мурадян С.О. Особенности химического состава и структурно-фазового состояния, обусловившие снижение корозионной стойкости деталей из стали 18Cr–10Ni // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2021. Т. 64. № 3. С. 217–229. DOI: 10.17073/0368-0797-2021-3-217-229.
5. Макаров А.В., Скорынина П.А., Осинцева А.Л., Юровских А.С., Саврай Р.А. Повышение трибологических свойств аустенитной стали 12Х18Н10Т наноструктурирующей фрикционной обработкой // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2015. № 4. С. 80–92. DOI: 10.17212/1994-6309-2015-4-80-92.
6. Загибалова Е.А., Москвина В.А., Майер Г.Г. Влияние метода и температуры ионно-плазменной обработки на физико-механические свойства поверхностных слоев в аустенитной нержавеющей стали // Frontier Materials & Technologies. 2021. № 4. С. 17–26. DOI: 10.18323/2782-4039-2021-4-17-26.
7. Balusamy T., Sankara Narayanan T.S.N., Ravichandran K., Park Il Song, Lee Min Ho. Influence of surface mechanical attrition treatment (SMAT) on the corrosion behaviour of AISI 304 stainless steel // Corrosion Science. 2013. Vol. 74. P. 332–344. DOI: 10.1016/j.corsci.2013.04.056.
8. Wang Cong, Han Jing, Zhao Jiyun, Song Yuanming, Man Jiaxiang, Zhu Hua, Sun Jiapeng, Fang Liang. Enhanced wear resistance of 316 L stainless steel with a nanostructured surface layer prepared by ultrasonic surface rolling // Coatings. 2019. Vol. 9. № 4. Article number 276. DOI: 10.3390/coatings9040276.
9. Li Yang, Lian Yang, Jing Fengyu, He Tiantian, Zou Yun. Improvement in the tribological behaviour of surface-nanocrystallised 304 stainless steel through supersonic fine particle bombardment // Applied Surface Science. 2023. Vol. 627. Article number 157334. DOI: 10.1016/j.apsusc.2023.157334.
10. Макаров А.В., Саврай Р.А., Скорынина П.А., Волкова Е.Г. Развитие методов поверхностного деформационного наноструктурирования сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 2020. № 1. С. 62–69. EDN: RMDMCZ.
11. Петрова Л.Г. Упрочнение аустенитных сталей и сплавов за счет формирования твердого раствора при азотировании // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. № 4. C. 9–17. EDN: HZRRJT.
12. Liu R.L., Wang S., Wei C.Y., Yan M.F., Qiao Y.J. Microstructure and corrosion behavior of low temperature carburized AISI 304 stainless steel // Materials Research Express. 2019. Vol. 6. Article number 066417. DOI: 10.1088/2053-1591/ab104c.
13. Savrai R.A., Skorynina P.A. Structural-phase transformations and changes in the properties of AISI 321 stainless steel induced by liquid carburizing at low temperature // Surface and Coatings Technology. 2022. Vol. 443. Article number 128613. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128613.
14. Savrai R.A., Osintseva A.L. Effect of hardened surface layer obtained by frictional treatment on the contact endurance of the AISI 321 stainless steel under contact gigacycle fatigue tests // Materials Science and Engineering: A. 2021. Vol. 802. Article number 140679. DOI: 10.1016/j.msea.2020.140679.
15. Путилова Е.А., Горулева Л.С., Задворкин С.М. Влияние поверхностной фрикциционной обработка на твердость и магнитные характеристики стали AISI 321 // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2022. № 5. P. 40–49. DOI: 10.17804/2410-9908.2022.5.040-049.
16. Tsujikawa M., Egawa M., Sone T., Ueda N., Okano T., Higashi K. Modification of S phase on austenitic stainless steel using fine particle shot peening steel // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 228. P. S318–S322. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.05.111.
17. Яровчук А.В., Доронина Т.А., Тиванова О.В. Влияние мартенсита деформации на стойкость к питтинговой коррозии нержавеющей стали 12Х18Н10Т // Ползуновский альманах. 2007. № 1–2. С. 190–196. EDN: NNYBSW.
18. Скорынина П.А., Макаров А.В., Березовская В.В., Меркушкин Е.А., Чекан Н.М. Влияние наноструктурирующей фрикционной обработки на микромеханические и коррозионные свойства стабильной аустенитной хромоникелевой стали // Frontier Materials & Technologies. 2021. № 4. С. 80–88. DOI: 10.18323/2782-4039-2021-4-80-88.
19. Коршунов Л.Г., Сагарадзе В.В., Черненко Н.Л., Шабашов В.А. Структурные превращения карбидной фазы в стали Гадфильда, инициированные фрикционным воздействием // Физика металлов и металловедение. 2015. Т. 116. № 8. С. 867–873. DOI: 10.7868/S0015323015080094.
20. Наркевич Н.А., Шулепов И.А., Миронов Ю.П. Структура, механические и триботехнические свойства аустенитной азотистой стали после фрикционной обработки // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 4. С. 421–428. DOI: 10.7868/S0015323017020097.
21. Neslušan M., Minárik P., Čep R., Uríček J., Trojan K., Ganev N., Trško L. Barkhausen noise emission of AISI 304 stainless steel originating from strain induced martensite by shot peening // Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 20. P. 748–762. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.07.107.
22. Chen Xin, Gussev M., Balonis M., Bauchy M., Sant G. Emergence of micro-galvanic corrosion in plastically deformed austenitic stainless steels // Materials and Design. 2021. Vol. 203. Article number 109614. DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109614.
23. Balusamy T., Kumar S., Sankara Narayanan T.S.N. Effect of surface nanocrystallization on the corrosion behaviour of AISI 409 stainless steel // Corrosion Science. 2010. Vol. 52. № 11. P. 3826–3834. DOI: 10.1016/j.corsci.2010.07.004.
24. Yin Songbo, Li D.Y., Bouchard R. Effects of the strain rate of prior deformation on the wear-corrosion synergy of carbon steel // Wear. 2007. Vol. 263. № 1-6. P. 801–807. DOI: 10.1016/j.wear.2007.01.058.
25. Hao Yun-wei, Deng Bo, Zhong Cheng, Jiang Yi-ming, Li Jin. Effect of surface mechanical attrition treatment on corrosion behavior of 316 stainless steel // Journal of Iron and Steel Research International. 2009. Vol. 16. № 2. P. 68–72. DOI: 10.1016/S1006-706X(09)60030-3.
26. Sun Jianlin, Tang Huajie, Wang Chenglong, Han Zhao, Li Shisen. Effects of alloying elements and microstructure on stainless steel corrosion: a review // Steel Research International. 2022. Vol. 93. № 5. Article number 2100450. DOI: 10.1002/srin.202100450.
27. Kadowaki M., Saengdeejing A., Muto I. et al. First-principles analysis of the inhibitive effect of interstitial carbon on an active dissolution of martensitic steel // Corrosion Science. 2020. Vol. 163. Article number 108251. DOI: 10.1016/j.corsci.2019.108251.
Frontier Materials & Technologies. 2023; : 109-119
The influence of frictional treatment and liquid carburizing on general corrosion resistance of chromium-nickel austenitic steels
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2023-4-66-10Abstract
Currently, to increase the hardness, strength and wear resistance of thermally non-hardenable austenitic chromium-nickel steels, such methods as frictional treatment with a sliding indenter and liquid carburizing have been used. However, along with an effective increase in mechanical characteristics, the application of these types of treatment may be accompanied by a decrease in the corrosion resistance of austenitic steels. Therefore, it is reasonable to study the influence of frictional treatment and liquid carburizing on the general corrosion resistance of Cr–Ni austenitic steels. In this work, the surface microhardness of the 12Cr18Ni10Ti and AISI 321 steels was determined using the recovered indentation method after electropolishing, mechanical grinding, frictional treatment, and liquid carburizing at a temperature of 780 °C. Using scanning electron microscopy and optical profilometry, the authors studied steel surfaces subjected to the specified types of treatment and determined their roughness. The corrosion resistance of steel was studied by testing for general corrosion using the gravimetric method. When testing for general corrosion, it was found that hardening (up to 710 HV 0.025) frictional treatment leads to an increase in the corrosion rate of the 12Cr18Ni10Ti austenitic steel compared to the electropolished state (from km=0.35 g/(m2·h) to km=0.53–0.54 g/(m2·h)). The corrosion rate of the ground steel is km=0.58 g/(m2∙h), while mechanical grinding does not provide a significant increase in the microhardness of the steel under study (from 220 to 240 HV 0.025). It is shown that the corrosion behavior of 12Cr18Ni10Ti steel subjected to various types of treatment is determined by the following factors: the presence/absence of strain-induced α'-martensite in the structure, the quality of the formed surface and, apparently, the dispersion of the formed structure. Liquid carburizing of the AISI 321 austenitic steel leads simultaneously to an increase in its microhardness to 890 HV 0.025 and a certain increase in corrosion resistance compared to fine mechanical grinding. This is related to the fact that carbon embedding atoms stabilize the electronic structure of iron (austenite and martensite), thereby increasing its corrosion resistance.
References
1. Borgioli F. From austenitic stainless steel to expanded austenite-S phase: formation, characteristics and properties of an elusive metastable phase // Metals. 2020. Vol. 10. № 2. Article number 187. DOI: 10.3390/met10020187.
2. Pradhan K.K., Matawale C.R., Murarka S. Analysis of erosion-corrosion resistance and various application in domestic and industrial field of stainless steel grade 304 // International Journal of Research (IJR). 2015. Vol. 2. № 4. P. 807–811.
3. Wei Xinlong, Ling Xiang, Zhang Meng. Influence of surface modifications by laser shock processing on the acid chloride stress corrosion cracking susceptibility of AISI 304 stainless steel // Engineering Failure Analysis. 2018. Vol. 91. P. 165–171. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2018.04.045.
4. Kostina M.V., Krivorotov V.I., Kostina V.S., Kudryashov A.E., Muradyan S.O. Osobennosti khimicheskogo sostava i strukturno-fazovogo sostoyaniya, obuslovivshie snizhenie korozionnoi stoikosti detalei iz stali 18Cr–10Ni // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Chernaya metallurgiya. 2021. T. 64. № 3. S. 217–229. DOI: 10.17073/0368-0797-2021-3-217-229.
5. Makarov A.V., Skorynina P.A., Osintseva A.L., Yurovskikh A.S., Savrai R.A. Povyshenie tribologicheskikh svoistv austenitnoi stali 12Kh18N10T nanostrukturiruyushchei friktsionnoi obrabotkoi // Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty). 2015. № 4. S. 80–92. DOI: 10.17212/1994-6309-2015-4-80-92.
6. Zagibalova E.A., Moskvina V.A., Maier G.G. Vliyanie metoda i temperatury ionno-plazmennoi obrabotki na fiziko-mekhanicheskie svoistva poverkhnostnykh sloev v austenitnoi nerzhaveyushchei stali // Frontier Materials & Technologies. 2021. № 4. S. 17–26. DOI: 10.18323/2782-4039-2021-4-17-26.
7. Balusamy T., Sankara Narayanan T.S.N., Ravichandran K., Park Il Song, Lee Min Ho. Influence of surface mechanical attrition treatment (SMAT) on the corrosion behaviour of AISI 304 stainless steel // Corrosion Science. 2013. Vol. 74. P. 332–344. DOI: 10.1016/j.corsci.2013.04.056.
8. Wang Cong, Han Jing, Zhao Jiyun, Song Yuanming, Man Jiaxiang, Zhu Hua, Sun Jiapeng, Fang Liang. Enhanced wear resistance of 316 L stainless steel with a nanostructured surface layer prepared by ultrasonic surface rolling // Coatings. 2019. Vol. 9. № 4. Article number 276. DOI: 10.3390/coatings9040276.
9. Li Yang, Lian Yang, Jing Fengyu, He Tiantian, Zou Yun. Improvement in the tribological behaviour of surface-nanocrystallised 304 stainless steel through supersonic fine particle bombardment // Applied Surface Science. 2023. Vol. 627. Article number 157334. DOI: 10.1016/j.apsusc.2023.157334.
10. Makarov A.V., Savrai R.A., Skorynina P.A., Volkova E.G. Razvitie metodov poverkhnostnogo deformatsionnogo nanostrukturirovaniya stalei // Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2020. № 1. S. 62–69. EDN: RMDMCZ.
11. Petrova L.G. Uprochnenie austenitnykh stalei i splavov za schet formirovaniya tverdogo rastvora pri azotirovanii // Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2007. № 4. C. 9–17. EDN: HZRRJT.
12. Liu R.L., Wang S., Wei C.Y., Yan M.F., Qiao Y.J. Microstructure and corrosion behavior of low temperature carburized AISI 304 stainless steel // Materials Research Express. 2019. Vol. 6. Article number 066417. DOI: 10.1088/2053-1591/ab104c.
13. Savrai R.A., Skorynina P.A. Structural-phase transformations and changes in the properties of AISI 321 stainless steel induced by liquid carburizing at low temperature // Surface and Coatings Technology. 2022. Vol. 443. Article number 128613. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128613.
14. Savrai R.A., Osintseva A.L. Effect of hardened surface layer obtained by frictional treatment on the contact endurance of the AISI 321 stainless steel under contact gigacycle fatigue tests // Materials Science and Engineering: A. 2021. Vol. 802. Article number 140679. DOI: 10.1016/j.msea.2020.140679.
15. Putilova E.A., Goruleva L.S., Zadvorkin S.M. Vliyanie poverkhnostnoi friktsitsionnoi obrabotka na tverdost' i magnitnye kharakteristiki stali AISI 321 // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2022. № 5. P. 40–49. DOI: 10.17804/2410-9908.2022.5.040-049.
16. Tsujikawa M., Egawa M., Sone T., Ueda N., Okano T., Higashi K. Modification of S phase on austenitic stainless steel using fine particle shot peening steel // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 228. P. S318–S322. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.05.111.
17. Yarovchuk A.V., Doronina T.A., Tivanova O.V. Vliyanie martensita deformatsii na stoikost' k pittingovoi korrozii nerzhaveyushchei stali 12Kh18N10T // Polzunovskii al'manakh. 2007. № 1–2. S. 190–196. EDN: NNYBSW.
18. Skorynina P.A., Makarov A.V., Berezovskaya V.V., Merkushkin E.A., Chekan N.M. Vliyanie nanostrukturiruyushchei friktsionnoi obrabotki na mikromekhanicheskie i korrozionnye svoistva stabil'noi austenitnoi khromonikelevoi stali // Frontier Materials & Technologies. 2021. № 4. S. 80–88. DOI: 10.18323/2782-4039-2021-4-80-88.
19. Korshunov L.G., Sagaradze V.V., Chernenko N.L., Shabashov V.A. Strukturnye prevrashcheniya karbidnoi fazy v stali Gadfil'da, initsiirovannye friktsionnym vozdeistviem // Fizika metallov i metallovedenie. 2015. T. 116. № 8. S. 867–873. DOI: 10.7868/S0015323015080094.
20. Narkevich N.A., Shulepov I.A., Mironov Yu.P. Struktura, mekhanicheskie i tribotekhnicheskie svoistva austenitnoi azotistoi stali posle friktsionnoi obrabotki // Fizika metallov i metallovedenie. 2017. T. 118. № 4. S. 421–428. DOI: 10.7868/S0015323017020097.
21. Neslušan M., Minárik P., Čep R., Uríček J., Trojan K., Ganev N., Trško L. Barkhausen noise emission of AISI 304 stainless steel originating from strain induced martensite by shot peening // Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 20. P. 748–762. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.07.107.
22. Chen Xin, Gussev M., Balonis M., Bauchy M., Sant G. Emergence of micro-galvanic corrosion in plastically deformed austenitic stainless steels // Materials and Design. 2021. Vol. 203. Article number 109614. DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109614.
23. Balusamy T., Kumar S., Sankara Narayanan T.S.N. Effect of surface nanocrystallization on the corrosion behaviour of AISI 409 stainless steel // Corrosion Science. 2010. Vol. 52. № 11. P. 3826–3834. DOI: 10.1016/j.corsci.2010.07.004.
24. Yin Songbo, Li D.Y., Bouchard R. Effects of the strain rate of prior deformation on the wear-corrosion synergy of carbon steel // Wear. 2007. Vol. 263. № 1-6. P. 801–807. DOI: 10.1016/j.wear.2007.01.058.
25. Hao Yun-wei, Deng Bo, Zhong Cheng, Jiang Yi-ming, Li Jin. Effect of surface mechanical attrition treatment on corrosion behavior of 316 stainless steel // Journal of Iron and Steel Research International. 2009. Vol. 16. № 2. P. 68–72. DOI: 10.1016/S1006-706X(09)60030-3.
26. Sun Jianlin, Tang Huajie, Wang Chenglong, Han Zhao, Li Shisen. Effects of alloying elements and microstructure on stainless steel corrosion: a review // Steel Research International. 2022. Vol. 93. № 5. Article number 2100450. DOI: 10.1002/srin.202100450.
27. Kadowaki M., Saengdeejing A., Muto I. et al. First-principles analysis of the inhibitive effect of interstitial carbon on an active dissolution of martensitic steel // Corrosion Science. 2020. Vol. 163. Article number 108251. DOI: 10.1016/j.corsci.2019.108251.
