blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-10-782-789blackmet-1735Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ СТАЛЕЙ ФЕРРИТО-ПЕРЛИТНОГО КЛАССАINFLUENCE OF ELECTROLYTIC PLASMA CARBONITRIDING ON STRUCTURAL PHASE STATE OF FERRITIC-PEARLITIC STEELSПоповаН. А.PopovaN. A.

к.т.н., старший научный сотрудник 

634003, Томск, пл. Соляная,2

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

natalya-popova-44@mail.ruНиконенкоЕ. Л.NikonenkoE. L.

 к.ф.-м.н., доцент кафедры физики 

634003, Томск, пл. Соляная,2

Cand. Sci. (Phys.-Math.), Assist. Professor of the Chair of Physics

vilatomsk@mail.ruНиконенкоА. В.NikonenkoA. V.

аспирант кафедры физики 

634050,  Томск, пр. Ленина, 40

Postgraduate of the Chair of Physics

aliska-nik@mail.ruГромовВ. Е.GromovV. E.

д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. проф. В.М. Финкеля 

654041,  Новокузнецк, Кемеровская обл., ул. Кирова, 42

Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor, Head of the Chair of Science named after V.M. Finkel

gromov@physics.sibsiu.ruПерегудовО. А.PeregudovO. A.

к.т.н., помощник ректора по молодежной политике 

644050,  Омск, пр. Мира, 11

Cand. Sci. (Eng.), Assistant to the Rector for Youth Policy

Olegomgtu@mail.ruТомский государственный архитектурно-строительный университетРоссияTomsk State University of Architecture and BuildingRussian FederationТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникиРоссияTomsk State University of Control Systems and RadioelectronicsRussian FederationСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian Federation2019021120196210782789Copyright © Попова Н.А., Никоненко Е.Л., Никоненко А.В., Громов В.Е., Перегудов О.А., 20192019Попова Н.А., Никоненко Е.Л., Никоненко А.В., Громов В.Е., Перегудов О.А.Popova N.A., Nikonenko E.L., Nikonenko A.V., Gromov V.E., Peregudov O.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1735

Методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии на тонких фольгах исследовано изменение фазового состава  и тонкой структуры в сталях феррито-перлитного класса 18ХН3МА, 30ХГСА и 34ХН1М при электролитно-плазменной нитроцементации,  которую осуществляли путем поверхностного насыщения азотом и углеродом в водном растворе при температуре 800 – 860  °С в  течение  5  мин. Исследование всех сталей проведено до и после нитроцементации. В исходном состоянии сталь представляет собой смесь зерен  перлита и феррита. Нитроцементация привела к созданию модифицированных слоев: чем выше содержание перлита перед началом нитроцементации, тем больше толщина модифицированного слоя. Нитроцементация привела к изменениям в фазовом составе и структуре  стали. В поверхностной зоне модифицированного слоя наряду с матрицей присутствуют частицы других фаз: карбиды, нитриды и карбонитриды. По мере удаления от поверхности образца их набор и объемная доля уменьшаются, в конце модифицированного слоя во всех  сталях присутствует только одна карбидная фаза – цементит. Установлено, что матрица всех сталей после нитроцеменации – это отпущенный пакетный и пластинчатый мартенсит. В поверхностной зоне нитроцементованного слоя объемные доли пакетного и пластинчатого  мартенсита зависят от исходного состояния стали: чем больше в стали содержание перлита, тем меньше образуется пакетного мартенсита  и больше пластинчатого. В центральной зоне такая зависимость отсутствует, а в конце нитроцементованного слоя объемные доли мартенситных пакетов и пластин соизмеримы.

The change in phase composition and fine texture occurring in the  ferritic-pearlitic 0.18C – 1Cr – 3Ni – 1Mo – Fe, 0.3C – 1Cr – 1Mn – 1Si – Fe  and 0.34C – 1Cr – 1Ni – 1Mo – Fe steels under electrolytic plasma carbonitriding  was  investigated  by  transmission  electron  microscopy  (TEM) method conducted on thin foils. Carbonitriding was implemented by surface saturation with nitrogen and carbon in aqueous  solution under the temperature of 800  –  860  °C during 5  minutes. All  steels were investigated before and after carbonitriding. It was ascertained that in the original state steel is given as a mixture of grains  of pearlite and ferrite. Carbonitriding has led to creation of modified  layers: the bigger was the amount of pearlite before the beginning of  carbonitriding, the thicker was modified layer. Carbonitriding resulted  in significant qualitative changes in phase state and structure of steel.  It was revealed that in the surface area of modified layer along the  matrix, there were also particles of other phases: carbides, nitrides and  carbonitrides. In the course of removing from the surface of carbonitrided sample, their complete set and volume fractions decrease and at  the end of modified layer only one carbide phase is present in all steels,  i.e. cementite. It was found that matrix of all steels after carbonitriding is tempered packet (lath) and lamellar martensite. In the surface  area of carbonitrided layer the volume fractions of lath and lamellar  martensite depend on the original state of steel – the bigger was the  amount of pearlite in steel the less lath martensite and the more lamellar martensite was formed. Such a dependency cannot be observed in  the central area, and at the end of carbonitrided layer volume fractions  of martensite packets and plates are commensurate.

 нитроцементация модифицированный слой сталь феррит перлит пакетный и пластинчатый мартенсит фазовый состав  карбиды нитриды карбонитридыcarbonitriding modified layer steel ferrite pearlite lath and  lamellar martensite phase composition carbides nitrides carbonitridesReferencesBoonruang Ch., Kumpangkeaw W., Sopunna K., Chomsaeng N., Narksitipan S. Effect of Carburizing via Current Heating Technique on the Near Surface Microstructure of AISI 1020 Steel // Chiang Mai J. Sci. 2012. Vol. 39. No. 2. P. 254 – 262.Boonruang Ch., Kumpangkeaw W., Sopunna K., Chomsaeng N.,  Narksitipan S. Effect of carburizing via current heating technique on  the near surface microstructure of AISI 1020 Steel. Chiang Mai J. Sci. 2012, vol. 39, no. 2, pp. 254–262.Бондарев А.А., Тюрин Ю.Н., Погребняк А.Д., Колисниченко О.В., Дуда И.М. Влияние обработки импульсной плазмой и электронным пучком поверхности износостойких покрытий на основе Ni на их функциональные свойства // Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. № 4. С. 16 – 20.Bondarev  A.A.,  Tyurin  Yu.N.,  Pogrebnyak  A.D.,  Kolisnichenko  O.V., Duda I.M. Effect of pulsed plasma and electron beam processing of surface of wear-resistant coatings based on Ni on their  functional properties. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya.  2012, no. 4, pp. 16–20. (In Russ.).Дударева Н.Ю. Влияние режимов микродугового оксидирования на свойства формируемой поверхности // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2013. Т. 17. № 3. С. 217 – 222.Dudareva N.Yu. Effect of microarc oxidation modes on properties  of formed surface. Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviatsionnogo tekhnicheskogo universiteta. 2013, vol. 17, no. 3, pp. 217–222.  (In Russ.).Гринь Р.Р., Галлямова Р.Ф., Дударева Н.Ю., Сиренко А.А., Мусин Ф.Ф. Особенности строения модифицированного слоя, полученного микродуговым оксидированием на сплаве АК12Д // Письма о материалах. 2014. Т. 4. № 3. С. 175 – 178.Grin’  R.R.,  Gallyamova  R.F.,  Dudareva  N.Yu.,  Sirenko  A.A.,  Musin  F.F. Structural features of modified layer obtained by microarc oxidation on AK12D alloy. Pis’ma o materialakh. 2014, vol. 4,  no. 3, pp. 175–178. (In Russ.).Григорьянц А.Г., Третьяков Р.С., Фунтиков В.А. Повышение качества поверхностных слоев деталей, полученных лазерной аддитивной технологией // Технология машиностроения. 2015. № 10. С. 68 – 73.Grigor’yants A.G., Tret’yakov R.S., Funtikov V.A. Improving quality of surface layers of parts obtained by laser additive technology.  Tekhnologiya mashinostroeniya. 2015, no. 10, pp. 68–73. (In Russ.).Kovaleva M., Tyurin Yu., Vasilik N., Kolisnichenko O., Prozorova M., Arseenko M., Yapryntsev M., Sirota V., Pavlenko I. Effect of processing parameters on the microstructure and properties of WC-10Co-4Cr coatings formed by a new multi-chamber gasdynamic accelerator // Ceramics International. 2015. Vol. 41. No. 10. P. 15067 – 15074.Kovaleva M., Tyurin Yu., Vasilik N., Kolisnichenko O., Prozorova M., Arseenko M., Yapryntsev M., Sirota V., Pavlenko I. Effect  of processing parameters on the microstructure and properties of  WC-10Co-4Cr coatings formed by a new multi-chamber gas-dynamic accelerator. Ceramics International. 2015, vol. 41, no. 10,  pp.  15067–15074. Kiseleva S.K., Zaynullina L.I., Dudareva N.Y. Influence of the microstructure Al-12 % Si alloy on the properties of the oxide layer formed with MAO // Materials Science Forum. 2016. Vol. 870. P. 481 – 486.Kiseleva S.K., Zaynullina L.I., Dudareva N.Y. Influence of the microstructure Al-12 % Si alloy on the properties of the oxide layer formed with MAO. Materials Science Forum. 2016, vol. 870,  pp.  481–486. Мубояджян С.А., Будиновский С.А. Ионно-плазменная технология: перспективные процессы, покрытия, оборудование // Авиационные материалы и технологии. 2017. № 5. С. 39 – 54.Muboyadzhyan  S.A.,  Budinovskii  S.A.  Ion-plasma  technology:  promising processes, coatings, equipment. Aviatsionnye materialy i tekhnologii. 2017, no. 5, pp. 39–54. (In Russ.).Yerokhin A.L., Nie X., Leyland A., Matthews A., Dowey S.J. Plasma electrolysis for surface engineering // Surface and Coatings Technology. 1999. Vol. 122. No. 2-3. P. 73 – 93.Yerokhin A.L., Nie X., Leyland A., Matthews A., Dowey S.J. Plasma electrolysis for surface engineering. Surface and Coatings Technology. 1999, vol. 122, no. 2-3, pp. 73–93.Gupta P., Tenhundfeld G., Daigle E.O., Ryabkov D. Electrolytic plas ma technology: Science and engineering – an overview // Surface and Coatings Technology. 2007. Vol. 201. No. 21. P. 8746 – 8760.Gupta P., Tenhundfeld G., Daigle E.O., Ryabkov D. Electrolytic  plasma technology: Science and engineering – an overview. Surface and Coatings Technology. 2007, vol. 201, no. 21, pp. 8746–8760.Belkin P.N., Kusmanov S.A. Plasma electrolytic hardening of steels: Review // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2016. Vol. 52. No. 6. P. 531 – 546.Belkin  P.N.,  Kusmanov  S.A.  Plasma  electrolytic  hardening  of  steels: Review. Surface Engineering and Applied Electrochemistry.  2016, vol. 52, no. 6, pp. 531–546.Рахимянов Х.М., Еремина А.С. Установка для химико-термической обработки в электролитной плазме // Сборник научных трудов НГТУ. 2006. № 3 (45). С. 141 – 144.Rakhimyanov  Kh.M.,  Eremina  A.S.  Installation  for  chemicalthermal treatment in electrolyte plasma. Sbornik nauchnykh trudov NGTU. 2006, no. 3 (45), pp. 141–144. (In Russ.). Куликов И.С., Ващенко С.В., Каменев А.Я. Электролитно-плазменная обработка материалов. – Минск: Беларуская навука, 2010. – 232 с.Kulikov  I.S.,  Vashchenko  S.V.,  Kamenev  A.Ya.  Elektrolitnoplazmennaya obrabotka materialov [Electrolytic-plasma processing  of materials]. Minsk: Belaruskaya navuka, 2010, 232 p. (In Russ.).Kusmanov S.A., Shadrin S.Yu., Belkin P.N. Carbon transfer from aqueous electrolytes to steel by anode plasma electrolytic carbu ri sing // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 258. P. 727 – 733.Kusmanov S.A., Shadrin S.Yu., Belkin P.N. Carbon transfer from  aqueous electrolytes to steel by anode plasma electrolytic carburizing. Surface and Coatings Technology. 2014, vol. 258, pp. 727–733.Alfereva T.I., Belkin P.N., Zhirov A.V. Rapid cementation of steel from a coating under anodic electrolytic heating conditions // Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2015. Vol. 9. No. 2. P. 313 – 316.Alfereva T.I., Belkin P.N., Zhirov A.V. Rapid cementation of steel  from a coating under anodic electrolytic heating conditions. Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2015, vol. 9, no. 2, pp. 313–316.Belkin P.N., Kusmanov S.A., Dyakov I.G., Komissarova M.R., Parfenyuk V.I. Anode plasma electrolytic carburizing of commercial pure titanium // Surface and Coatings Technology. 2016. Vol. 307. P. 1303 – 1309.Belkin P.N., Kusmanov S.A., Dyakov I.G., Komissarova M.R.,  Parfenyuk V.I. Anode plasma electrolytic carburizing of commercial  pure titanium. Surface and Coatings Technology. 2016, vol. 307,  pp.  1303–1309.Skakov M., Rakhadilov B., Batyrbekov E., Scheffner M. Change of Structure and Mechanical Properties of R6M5 Steel Surface Layer at Electrolytic-Plasma Nitriding // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 1040. P. 753 – 758.Skakov M., Rakhadilov B., Batyrbekov E., Scheffner M. Change of  structure and mechanical properties of R6M5 steel surface layer at  electrolytic-plasma nitriding. Advanced Materials Research. 2014,  vol. 1040, pp. 753–758.Kusmanov S.A., Smirnov A.A., Silkin S.A., Belkin P.N. Modification of Low-Alloy Steel Surface by Plasma Electrolytic Nitriding // Journal of Materials Engineering and Performance. 2016. Vol. 25. No. 7. P. 2576 – 2582.Kusmanov S.A., Smirnov A.A., Silkin S.A., Belkin P.N. Modification of low-alloy steel surface by plasma electrolytic nitriding. Journal of Materials Engineering and Performance. 2016, vol. 25, no.  7,  pp. 2576–2582.Белкин П.Н., Кусманов С.А. Электролитно-плазменное азотирование сталей // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2017. № 7. С. 95 – 118.Belkin P.N., Kusmanov S.A. Plasma electrolytic nitriding of steels.  Journal of Surface Investigation. 2017, vol. 11, no. 4, pp. 767–789.Kusmanov S.A., Kusmanova Yu.V., Naumov A.R., Belkin P.N. Features of Anode Plasma Electrolytic Nitrocarburising of Low Carbon Steel // Surface and Coatings Technology. 2015. Vol. 272. P. 149 – 157.Kusmanov S.A., Kusmanova Yu.V., Naumov A.R., Belkin P.N.  Features  of  anode  plasma  electrolytic  nitrocarburising  of  low  carbon steel. Surface and Coatings Technology. 2015, vol. 272,    pp.  149–157.Kusmanov S.A., Dyakov I.G., Kusmanova Yu.V., Belkin P.N. Surface Modification of Low-Carbon Steels by Plasma Electrolytic Nitrocarburising // Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2016. Vol. 36. No. 5. P. 1271 – 1286.Kusmanov  S.A.,  Dyakov  I.G.,  Kusmanova  Yu.V.,  Belkin  P.N.  Surface modification of low-carbon steels by plasma electrolytic  nitro carburising. Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2016,  vol.  36, no. 5, pp. 1271–1286.Kusmanov S.A., Grishina E.P., Belkin P.N., Kusmanova Y.V., Kudryakova N.O. Raising the corrosion resistance of low-carbon steels by electrolytic-plasma saturation with nitrogen and carbon // Metal Science and Heat Treatment. 2017. Vol. 59. No 1-2. P. 117 – 123.Kusmanov S.A., Grishina E.P., Belkin P.N., Kusmanova Y.V., Kudryakova N.O. Raising the corrosion resistance of low-carbon steels by electrolytic-plasma saturation with nitrogen and carbon. Metal Science and Heat Treatment. 2017, vol. 59, no 1-2, pp. 117–123.Суминов И.В., Белкин П.Н., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов А.М. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. В 2 т. Т. 1. – М.: Техносфера, 2011. – 464 с.Suminov I.V., Belkin P.N., Epel’fel’d A.V., Lyudin V.B., Krit  B.L.,  Borisov A.M. Plazmenno-elektroliticheskoe modifitsirovanie poverkhnosti metallov i splavov. V 2 t. T. 1 [Plasma-electrolytic surface  modification of metals and alloys. In 2 vol. Vol. 1]. Moscow: Tekhnosfera, 2011, 464 p. (In Russ.).Попова Н.А., Журерова Л.Г., Никоненко Е.Л., Скаков М.К. Влия ние электролитно-плазменной нитроцементации на фазовый состав стали 30ХГС // Материаловедение. 2016. № 8. С. 26 – 31.Popova N.A., Zhurerova L.G., Nikonenko E.L., Skakov M.K. Effect of electrolyte-plasma carbonitriding on phase composition of  30KhGS steel. Materialovedenie. 2016, no. 8, pp. 26–31. (In Russ.).Попова Н.А., Ерыгина Л.А., Никоненко Е.Л., Скаков М.К., Конева Н.А., Козлов Э.В. Фазовые превращения в стали 34ХН1М под действием электролитно-плазменной нитроцементации // Известия РАН. Серия физическая. 2017. Т. 81. № 3. С. 383 – 385.Popova N.A., Erygina L.A., Nikonenko E.L., Skakov M.K., Koneva  N.A., Kozlov E.V. Phase transformations in 0.34С–1Cr–1Ni–  –1Mo–Fe steel under the action of electrolytic plasma nitrocarburizing. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2017,  vol. 81, no. 3, pp. 354–356.Попова Н.А., Никоненко Е.Л., Ерболатова Г.У., Калашников М.П., Скаков М.К. Фазовые превращения в сплаве 40ХНЮ под действием плазменной химико-термической обработки // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2018. Т. 15. № 3. С. 339 – 347.Popova N.A., Nikonenko E.L., Erbolatova G.U., Kalashnikov M.P.,  Skakov M.K. Phase transformations in 40KhNYu alloy at plasma  chemical-thermal treatment. Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedeniya. 2018, vol. 15, no. 3, pp. 339–347. (In  Russ.).Эволюция фазового состава, дефектной структуры, внутренних напряжений и перераспределение углерода при отпуске литой конструкционной стали / Э.В. Козлов, Н.А. Попова, О.В. Кабанина, С.И. Климашин, В.Е. Громов. – Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2007. – 177 с.Kozlov E.V., Popova N.A., Kabanina O.V., Klimashin S.I., Gromov  V.E. Evolyutsiya fazovogo sostava, defektnoi struktury, vnutrennikh napryazhenii i pereraspredelenie ugleroda pri otpuske litoi konstruktsionnoi stali [Evolution of phase composition, defective  structure, internal stresses and redistribution of carbon during tempering of cast structural steel]. Novokuznetsk: izd. SibGIU, 2007,  177 p. 177 с. (In Russ.).Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В. Объемная и поверхностная закалка конструкционной стали – морфологический анализ структуры // Изв. вуз. Физика. 2002. Т. 45. № 3. С. 5 – 23.Ivanov Yu.F., Kozlov E.V. Bulk and surface quenching of structural steel: Morphological analysis of the structure. Russian Physics Journal. 2002, vol. 45, no. 3, pp. 209-231.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.