blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2024-4-391-397blackmet-2759Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEКомплексная электронно-ионно-плазменная модификация поверхности нержавеющей высоколегированной сталиComplex electron-ion-plasma surface modification of high-alloy stainless steelhttps://orcid.org/0000-0001-8022-7958ИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

Юрий Федорович Иванов, д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники

Россия, 634055, Томск, Академический пр., 2/3

Yurii F. Ivanov, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Chief Researcher of the Laboratory of Plasma Emission Electronics

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

yufi55@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1959-1459ПетриковаЕ. А.PetrikovaE. A.

Елизавета Алексеевна Петрикова, младший научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники

Россия, 634055, Томск, Академический пр., 2/3

Elizaveta A. Petrikova, Junior Researcher of the Laboratory of Plasma Emission Electronics

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

elizmarkova@yahoo.comhttps://orcid.org/0000-0002-5363-0108ТересовА. Д.TeresovA. D.

Антон Дмитриевич Тересов, научный сотрудник лаборатории пучково-плазменной инжинерии поверхности

Россия, 634055, Томск, Академический пр., 2/3

Anton D. Teresov, Research Associate of the Laboratory of Beam-Plasma Surface Engineering

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

tad514@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5192-871XЛопатинИ. В.LopatinI. V.

Илья Викторович Лопатин, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники

Россия, 634055, Томск, Академический пр., 2/3

Il’ya V. Lopatin, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Laboratory of Plasma Emission Electronics

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

lopatin@opee.hcei.tsc.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7816-9920ТолкачевО. С.TolkachevO. S.

Олег Сергеевич Толкачев, младший научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники

Россия, 634055, Томск, Академический пр., 2/3

Oleg S. Tolkachev, Junior Researcher of the Laboratory of Plasma Emission Electronics

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

ole.ts@mail.ruИнститут сильноточной электроники Сибирского отделения РАНРоссияInstitute of High Current Electronics, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202429082024674391397Copyright © Иванов Ю.Ф., Петрикова Е.А., Тересов А.Д., Лопатин И.В., Толкачев О.С., 20242024Иванов Ю.Ф., Петрикова Е.А., Тересов А.Д., Лопатин И.В., Толкачев О.С.Ivanov Y.F., Petrikova E.A., Teresov A.D., Lopatin I.V., Tolkachev O.S.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/2759

Работа посвящена выявлению и анализу закономерностей изменения элементного и фазового составов, дефектной субструктуры, механических (микротвердость) и трибологических (износостойкость и коэффициент трения) свойств нержавеющей высокохромистой стали, подвергнутой комплексной обработке, которая сочетает облучение в вакууме поверхностного слоя образцов интенсивным импульсным электронным пучком субмиллисекундной длительности воздействия и последующее азотирование в условиях элионного нагрева образцов. В качестве материала исследования используется высокохромистая сталь 20Х23Н18, являющаяся в исходном состоя­нии поликристаллическим агрегатом на основе γ-железа. Облучение стали импульсным электронным пучком авторы проводили на установке «СОЛО», оснащенной электронным источником с плазменным катодом на основе импульсного дугового разряда низкого давления с сеточной стабилизацией границы катодной плазмы и открытой границей анодной плазмы. Азотирование стали осуществлялось на установке «ТРИО» с размерами камеры 600×600×600 мм, дооснащенной блоком коммутации для реализации элионного (электронного и ионного) режима обработки. Азотирование проводили при температурах 723, 793 и 873 К в течение 1, 3 и 5 ч. Элионное азотирование при температурах 723 и 793 К в течение 3 ч образцов, предварительно облученных электронным пучком (при режиме 10 Дж/см2, 200 мкс, 3 имп.), сопровождается формированием керамического слоя, содержащего только нитриды железа и хрома. Наиболее высокие значения износостойкости стали после элионного азотирования, превышающие износостойкость исходной стали более чем в 700 раз, наблюдаются при параметрах азотирования 793 К, 3 ч.

The work is devoted to identification and analysis of patterns of change in the elemental and phase composition, defective substructure, mecha­nical (microhardness) and tribological (wear resistance and friction coefficient) properties of stainless high-chromium steel subjected to complex processing, combining vacuum irradiation of the samples surface layer with an intense pulsed electron beam of submillisecond exposure duration and subsequent nitriding under electron-ionic heating conditions. High-chromium steel AISI 310S, which in the initial state is a polycrystalline aggregate based on γ-iron, was used as the research material. Pulsed electron beam treatment of steel was carried out on a “SOLO” installation equipped with an electron source with a plasma cathode based on a low-pressure pulsed arc discharge with grid stabilization of the cathode plasma boundary and an open anode plasma boundary. Steel nitriding was carried out on a “TRIO” installation with a chamber size of 600×600×600 mm, equipped with a switching unit to implement the electron-ionic processing mode. Nitriding was carried out at 723, 793, and 873 K temperatures for 1, 3 and 5 h. It was found that electron-ionic nitriding of the samples pre-irradiated with an electron beam (10 J/cm2, 200 μs, 3 pulses at 723 and 793 K for 3 h) is accompanied by the formation of a ceramic layer containing only iron and chromium nitrides. The highest values of steel wear resistance after electron-ionic nitriding, exceeding the wear resistance of the initial steel by more than 700 times, are observed at nitriding parameters of 793 K, 3 h.

высокохромистая сталькомплексная обработкаоблучение импульсным электронным пучкомазотированиеструктурафазовый составтвердостьизносостойкостькоэффициент тренияhigh-chromium steelcomplex processingpulsed electron beam treatmentnitridingstructurephase compositionhardnesswear resistancefriction coefficientРабота выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FWRM-2021-0006). Результаты ПЭМ-анализа получены на базе Научно-образовательного инновационного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» НИ ТПУ.The work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (No. FWRM-2021-0006). The results of the TEM analysis were obtained on the basis of the Scientific and Educational Innovation Center “Nanomaterials and Nanotechnology” of the TPU Research Institute.ReferencesИонная химико-термическая обработка сплавов / Б.Н. Ар­­замасов, А.Г. Братухин, Ю.С. Елисеев, Т.А. Панайоти. Москва: изд. МГТУ им Баумана; 1999:400.Arzamasov B.N., Bratukhin A.G., Eliseev Y.S., Panayoti T.A. Ionic Chemical and Thermal Treatment of Alloys. Moscow: Bauman Moscow State Technical University; 1999:400. (In Russ.).Берлин Е.В., Коваль Н.Н., Сейдман Л.А. Плазменная химико-термическая обработка поверхности стальных деталей. Москва: Техносфера; 2012:464.Berlin E.V., Koval N.N., Seidman L.A. Plasma Chemical-Thermal Surface Treatment of Steel Parts. Moscow: Technosfera; 2012:464. (In Russ.).Budilov V.V., Agzamov R.D., Ramazanov K.N. Ion nitriding in glow discharge with hollow cathode effect. Metal Science and Heat Treatment. 2007;49(7):358–361. http://dx.doi.org/10.1007/s11041-007-0065-yBudilov V.V., Agzamov R.D., Ramazanov K.N. Ion nitriding in glow discharge with hollow cathode effect. Metal Science and Heat Treatment. 2007;49(7):358–361. http://dx.doi.org/10.1007/s11041-007-0065-yKoval N.N., Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Lopatin I.V., Krysina O.V., Akhmadeev Yu.H., Ignatov D.Yu. Low-energy high-current plasma immersion implantation of nitrogen ions in plasma of non-self-sustained arc discharge with ther­mionic and hollow cathodes. Surface and Coatings Techno­logy. 2018;340:152–158. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.02.064Koval N.N., Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Lopatin I.V., Krysina O.V., Akhmadeev Yu.H., Ignatov D.Yu. Low-energy high-current plasma immersion implantation of nitrogen ions in plasma of non-self-sustained arc discharge with thermionic and hollow cathodes. Surface and Coatings Techno­logy. 2018;340:152–158. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.02.064Lopatin I.V., Akhmadeev Yu.H., Koval N.N., Petrikova E.A. AISI 5140 steel nitriding in a plasma of a non-self-sustai­ning arc discharge with a thermionic cathode under the pulse action of ions. IOP Conference Series: Journal of Physics. 2018;1115(3):032042. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1115/3/032042Lopatin I.V., Akhmadeev Yu.H., Koval N.N., Petrikova E.A. AISI 5140 steel nitriding in a plasma of a non-self-sustaining arc discharge with a thermionic cathode under the pulse action of ions. IOP Conference Series: Journal of Physics. 2018;1115(3):032042. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1115/3/032042Shen L., Wang L., Wang Y., Wang C. Plasma nitriding of AISI 304 austenitic stainless steel with pre-shot peening. Surface and Coatings Technology. 2010;204(20):3222–3227. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.03.018Shen L., Wang L., Wang Y., Wang C. Plasma nitriding of AISI 304 austenitic stainless steel with pre-shot peening. Surface and Coatings Technology. 2010;204(20):3222–3227. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.03.018Wang L., Ji S., Sun J. Effect of nitriding time on the nitrided layer of AISI 304 austenitic stainless steel. Surface and Coa­tings Technology. 2006;200(16-17):5067–5070. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.05.036Wang L., Ji S., Sun J. Effect of nitriding time on the nitrided layer of AISI 304 austenitic stainless steel. Surface and Coa­tings Technology. 2006;200(16-17):5067–5070. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.05.036Kaestner P., Michler Th., Weidner H., Rie K.-T., Bräuer G. Plasma nitrided austenitic stainless steels for automotive hydrogen applications. Surface and Coatings Technology. 2008;203(5-7):897–900. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.08.024Kaestner P., Michler Th., Weidner H., Rie K.-T., Bräuer G. Plasma nitrided austenitic stainless steels for automotive hydrogen applications. Surface and Coatings Technology. 2008;203(5-7):897–900. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.08.024Meletis E.I. Intensified plasma-assisted processing: scien­ce and engineering. Surface and Coatings Technology. 2002;149(2-3):95–113. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01441-4Meletis E.I. Intensified plasma-assisted processing: science and engineering. Surface and Coatings Technology. 2002;149(2-3):95–113. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01441-4Wei R., Benn C.R., Cooper C.V. High intensity plasma ion nitriding of aermet 100 martensitic steel. Plasma Processes and Polymers. 2007;4(S1):S700–S706. https://doi.org/10.1002/ppap.200731801Wei R., Benn C.R., Cooper C.V. High intensity plasma ion nitriding of aermet 100 martensitic steel. Plasma Processes and Polymers. 2007;4(S1):S700–S706. https://doi.org/10.1002/ppap.200731801Щанин П.М., Коваль Н.Н., Гончаренко И.М., Гри­горьев С.В. Азотирование конструкционных сталей в газовых разрядах низкого давления. Физика и химия обработки материалов. 2001;(3):16–19.Shchanin P.M., Koval’ N.N., Goncharenko I.M., Gri­gor’ev S.V. Nitriding of structural steels in low-pressure gas discharges. Fizika i khimiya obrabotki materialov. 2001;(3):16–19. (In Russ.).Yeo S., Lee C.M., Yoon H.S., Kim J.H. Synthesis of plasma-nitrided Cr coatings on HT9 steel for advanced chemical barrier property in a nuclear cladding application. Applied Surface Science. 2022;579:152133. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.152133Yeo S., Lee C.M., Yoon H.S., Kim J.H. Synthesis of plasma-nitrided Cr coatings on HT9 steel for advanced chemical barrier property in a nuclear cladding application. Applied Surface Science. 2022;579:152133. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.152133Godec M., Ruiz-Zepeda Fr., Podgornik B., Donik Čr., Kocijan Al., Skobir B., Danijela A. The influence of the plasma-nitriding temperature on the microstructure evolution and surface properties of additive-manufactured 18Ni300 maraging steel. Surface and Coatings Technology. 2022;433:128089. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128089Godec M., Ruiz-Zepeda Fr., Podgornik B., Donik Čr., Kocijan Al., Skobir B., Danijela A. The influence of the plasma-nitriding temperature on the microstructure evolution and surface properties of additive-manufactured 18Ni300 maraging steel. Surface and Coatings Technology. 2022;433:128089. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128089Akhmadeev Yu.H., Ivanov Yu.F., Krysina O.V., Lopatin I.V., Petrikova E.A., Rygina M.E. Electron-ion-plasma modification of carbon steel. High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes. 2021;25(1):47–55. https://doi.org/10.1615/HighTempMatProc.2021038031Akhmadeev Yu.H., Ivanov Yu.F., Krysina O.V., Lopatin I.V., Petrikova E.A., Rygina M.E. Electron-ion-plasma modification of carbon steel. High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes. 2021;25(1):47–55. https://doi.org/10.1615/HighTempMatProc.2021038031Ivanov Y., Lopatin I., Denisova Y., Petrikova E., Tolkachev O. Elion method of nitriding of high-chromium stainless steel: Structure and properties. In: Proceedings – 2020 7th Int. Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, EFRE 2020. 2020:783–787. https://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9241927Ivanov Y., Lopatin I., Denisova Y., Petrikova E., Tolkachev O. Elion method of nitriding of high-chromium stainless steel: Structure and properties. In: Proceedings – 2020 7th Int. Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, EFRE 2020. 2020:783–787. https://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9241927Ivanov Yu.F., Akhmadeev Yu.H., Lopatin I.V, Petrikova E.A., Denisova Yu.A., Teresov A.D., Krysina O.V. Complex beam-plasma surface treatment of high-chromium steel. Journal of Physics: Conference Series. 2018;1115(3):032031. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1115/3/032031Ivanov Yu.F., Akhmadeev Yu.H., Lopatin I.V, Petrikova E.A., Denisova Yu.A., Teresov A.D., Krysina O.V. Complex beam-plasma surface treatment of high-chromium steel. Journal of Physics: Conference Series. 2018;1115(3):032031. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1115/3/032031Девятков B.Н., Коваль Н.Н., Щанин П.М. Получение сильноточных низкоэнергетичных электронных пучков в системах с плазменным эмиттером. Известия вузов. Физика. 2001;44(9):36–43.Devyatkov B.N., Koval N.N., Shchanin P.M. Obtaining high-current low-energy electron beams in systems with a plasma emitter. Izvestiya vuzov. Fizika. 2001;44(9):36–43. (In Russ.).Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф. Наноструктурирование по­­верхности металлокерамических и керамических материалов при импульсной электронно-пучковой обработке. Известия вузов. Физика. 2008;51(5):60−70.Koval’ N.N., Ivanov Yu.F. Nanostructuring of surfaces of metalloceramic and ceramic materials by electron-beams. Russian Physics Journal. 2008;51(5):505–516. https://doi.org/10.1007/s11182-008-9073-7Shu W.M., Wakai E., Yamanishi T. Blister bursting and deuterium bursting release from tungsten exposed to high fluences of high flux and low energy deuterium plasma. Nuclear Fusion. 2007;47(3):201–209. https://doi.org/10.1088/0029-5515/47/3/006Shu W.M., Wakai E., Yamanishi T. Blister bursting and deuterium bursting release from tungsten exposed to high fluences of high flux and low energy deuterium plasma. Nuclear Fusion. 2007;47(3):201–209. https://doi.org/10.1088/0029-5515/47/3/006Sznajder M., Geppert U., Dudek M. Degradation of metallic surfaces under space conditions, with particular emphasis on hydrogen recombination processes. Advances in Space Research. 2015;56(1):71–84. https://doi.org/10.48550/arXiv.1506.01790Sznajder M., Geppert U., Dudek M. Degradation of metallic surfaces under space conditions, with particular emphasis on hydrogen recombination processes. Advances in Space Research. 2015;56(1):71–84. https://doi.org/10.48550/arXiv.1506.01790Astrelin V.T., Burdakov A.V., Bykov P.V., Ivanov I.A., Ivanov A.A., Jongen Y., Konstantinov S.G., Kudryavtsev A.M., Kuklin K.N., Mekler K.I., Polosatkin S.V., Postupaev V.V., Rovenskikh A.F., Sinitskiy S.L., Zubairov E.R. Blistering of the selected materials irradiated by intense 200 keV proton beam. Journal of Nuclear Materials. 2010;396(1):43–48. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2009.10.051Astrelin V.T., Burdakov A.V., Bykov P.V., Ivanov I.A., Ivanov A.A., Jongen Y., Konstantinov S.G., Kudryavtsev A.M., Kuklin K.N., Mekler K.I., Polosatkin S.V., Postupaev V.V., Rovenskikh A.F., Sinitskiy S.L., Zubairov E.R. Blistering of the selected materials irradiated by intense 200 keV proton beam. Journal of Nuclear Materials. 2010;396(1):43–48. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2009.10.051

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