The effect of hot plastic deformation on the structure and properties of surface-modified layers after non-vacuum electron beam surfacing of a powder mixture of composition 10Cr-30B on steel 0.12 C-18 Cr-9 Ni-Ti

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Currently, austenitic Ni-Cr steels are widely used in the oil and gas industry for drilling wells due to its high corrosion resistance, non-magnetic properties, high impact strength, ductility and weldability. However, in order to increase the service life of products, it is necessary to increase the abrasive resistance of the surface layers while maintaining chemical resistance, which is a difficult technological task. The solution to such a problem can be the creation of sheet blanks “austenitic Ni-Cr steel - modified layer” subjected to hot plastic deformation. The purpose of the work is to study the effect of hot plastic deformation on the structure and phase composition of “modified layer – base metal” compositions obtained by the method of non-vacuum electron beam surfacing of a powder mixture of boron and chromium on austenitic Ni-Cr steel 0.12 C-18 Cr-9 Ni-Ti. Material and methods of research. The work investigated specimens made of steel 0.12 C-18 Cr-9 Ni-Ti with a modified 10Cr-30B layer formed by non-vacuum electron beam surfacing of a powder mixture of chromium and boron, and subsequent hot plastic deformation at a temperature of 950 °C. The research methods are mechanical tests for microhardness, X-ray spectral analysis of the modified layer, metallographic studies, profile analysis, calculation of lattice parameters. Results and discussion. It is revealed that after deformation, defect-free compositions are obtained, the surface layer of which is a matrix composite material containing oriented chromium carbide particles with altered crystal lattice parameters. After plastic deformation, cracks and delamination are not recorded, which allows us to speak about the high quality of the “modified layer – base metal” compositions with increased hardness values exceeding 6.5 times as-delivered steel 0.12 C-18 Cr-9 Ni-Ti (3…11 GPa and 2 GPa, respectively). In the modified layer, complex borides of type (FexCry)B are formed and located in a γ-solid solution of iron. The lattice parameter decreases for γ-iron from 3.588 Å to 3.580 Å, for boride parameter a from 5.126 Å to 5.111 Å, parameter c from 4.228 Å to 4.199 Å.

About the authors

A. A. Dudareva

Email: dudareva-alina@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-5649-7090
Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, dudareva-alina@mail.ru

E. G. Bushueva

Email: bushueva@corp.nstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-7608-734X
Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, bushueva@corp.nstu.ru

A. G. Tyurin

Email: a.tyurin@corp.nstu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4757-424X
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, a.tyurin@corp.nstu.ru

E. V. Domarov

Email: domarov88@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2422-1513
Budker Institute of Nuclear Physics of Siberian Branch Russian Academy of Sciences, 11 Acad. Lavrentieva Pr., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, domarov88@mail.ru

I. E. Nasennik

Email: nasennik.2017@corp.nstu.ru
ORCID iD: 0000-0003-0937-5004
1. Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation; 2. “Federal Research Center “G.K. Boreskov Institute of Catalysis of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”, Center for Collective Use “Siberian Ring Photo Source”, 1 Nikolsky ave., Koltsovo village, Novosibirsk region, 1630559, Russian Federation, nasennik.2017@corp.nstu.ru

V. S. Shikalov

Email: v.shikalov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0491-2803
Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, v.shikalov@gmail.com

K. A. Skorokhod

Email: k.skorokhod@itam.nsc.ru
ORCID iD: 0000-0003-0210-8405
Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, k.skorokhod@itam.nsc.ru

A. A. Legkodymov

Email: a_legkodymov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7405-7454
1. Budker Institute of Nuclear Physics of Siberian Branch Russian Academy of Sciences, 11 Acad. Lavrentieva Pr., Novosibirsk, 630090, Russian Federation; 2. “Federal Research Center “G.K. Boreskov Institute of Catalysis of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”, Center for Collective Use “Siberian Ring Photo Source”, 1 Nikolsky ave., Koltsovo village, Novosibirsk region, 1630559, Russian Federation, a_legkodymov@mail.ru

References

  1. Non-vacuum electron-beam boriding of low-carbon steel / I.A. Bataev, A.A. Bataev, A.Y. Teplykh, M.G. Golkovsky, A.Yu. Teplykh, V.G. Burov, S.V. Veselov // Surface and Coatings Technology. – 2012. – Vol. 207. – P. 245–253. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2012.06.081.
  2. Structure of surface layers produced by non-vacuum electron beam boriding / I.A. Bataev, A.A. Bataev, M.G. Golkovsky, D.S. Krivizhenko, A.A. Losinskaya, O.G. Lenivtseva // Applied Surface Science. – 2013. – Vol. 284. – P. 472–481. – doi: 10.1016/j.apsusc.2013.07.121.
  3. Wear-resistant boride reinforced steel coatings produced by non-vacuum electron beam cladding / D.A. Santana, G.Y. Koga, W. Wolf, I.A. Bataev, A.A. Ruktuev, C. Bolfarini, C.S. Kiminami, W.J. Botta, A.M. Jorge Jr // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 386. – P. 125466. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2020.125466.
  4. Challenges in optimizing the resistance to corrosion and wear of amorphous Fe-Cr-Nb-B alloy containing crystalline phases / G.Y. Koga, T. Ferreira, Y. Guo, D.D. Coimbrao, A.M. Jorge Jr, C.S. Kiminami, C. Bolfarini, W.J. Botta // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2021. – Vol. 555. – P. 120537. – doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2020.120537.
  5. Влияние исходного состояния на неоднородность структуры углеродистых сталей, упрочненных методом электронно-лучевой обработки при атмосферном давлении / Е.А. Батаева, И.А. Батаев, В.Г. Буров, Л.И. Тушинский, М.Г. Голковский // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2009. – № 3 (645). – С. 3–5.
  6. Structure and tribological properties of steel after non-vacuum electron beam cladding of Ti, Mo and graphite powders / I.A. Bataev, D.O. Mul, A.A. Bataev, O.G. Lenivtseva, M.G. Golkovski, Ya.S. Lizunkova, R.A. Dostovalov // Materials Characterization. – 2016. – Vol. 112. – P. 60–67. – doi: 10.1016/j.matchar.2015.11.028.
  7. Tribo-oxidation of Ti-Al-Fe and Ti-Al-Mn cladding layers obtained by non-vacuum electron beam treatment / O.E. Matts, S.Yu. Tarasov, B. Domenichini, D.V. Lazurenko, A.V. Filippov, V.A. Bataev, M.V. Rashkovets, I.K. Chakin, K.I. Emurlaev // Surface and Coatings Technology. – 2021. – Vol. 421. – P. 127442. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2021.127442.
  8. Structure and oxidation behavior of CoCrFeNiX (where X is Al, Cu, or Mn) coatings obtained by electron beam cladding in air atmosphere / A.A. Ruktuev, D.V. Lazurenko, T.S. Ogneva, R.I. Kuzmin, M.G. Golkovski, I.A. Bataev // Surface and Coatings Technology. – 2022. – Vol. 448. – P. 128921. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2022.128921.
  9. Ogneva T., Ruktuev A., Girsh A. Non-vacuum electron beam cladding of Ti-Ni-Al intermetallics on titanium // Materials Today: Proceedings. – 2019. – Vol. 11. – P. 191–196. – doi: 10.1016/j.matpr.2018.12.130.
  10. Structure and tribological properties of “carbon steel – VC containing coating” compositions formed by non-vacuum electron-beam surfacing of vanadium-containing powder mixtures / D.O. Mul, E.G. Bushueva, D.V. Lazurenko, E.A. Lozhkina, E.V. Domarov // Surface and Coatings Technology. – 2023. – Vol. 474. – P. 130107. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2023.130107.
  11. Structural characterization of layers fabricated by non-vacuum electron beam cladding of Ni-Cr-Si-B self-fluxing alloy with additions of niobium and boron / T.A. Zimogliadova, A.A. Bataev, D.V. Lazurenko, I.A. Bataev, V.A. Bataev, M.G. Golkovskii, S. Holger, T.S. Ogneva, A.A. Ruktuev // Materials Today Communications. – 2022. – Vol. 33. – P. 104363. – doi: 10.1016/j.mtcomm.2022.104363.
  12. Al-Co-Cr-Fe-Ni high-entropy coatings produced by non-vacuum electron beam cladding: Understanding the effect of Al by in-situ synchrotron X-ray diffraction / T.S. Ogneva, K.I. Emurlaev, K.E. Kuper ,Y.N. Malyutina, E.V. Domarov, I.K. Chakin, K.A. Skorokhod, A.A. Ruktuev, I.E. Nasennik, I.A. Bataev // Applied Surface Science. – 2024. – Vol. 665. – P. 160367. – doi: 10.1016/j.apsusc.2024.160367.
  13. Boride coatings structure and properties, produced by atmospheric electron-beam cladding / A. Teplykh, M. Golkovskiy, A. Bataev, E. Drobyaz, S.V. Veselov, E. Golovin, I.A. Bataev, A. Nikulina // Advanced Materials Research. – 2011. – Vol. 287–290. – P. 26–31. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/AMR.287-290.26' target='_blank'>www.scientific.net/AMR.287-290.26.
  14. Формирование упрочняющих покрытий наплавкой в пучке релятивистских электронов / И.М. Полетика, М.Г. Голковский, М.Д. Борисов, Р.А. Салимов, М.В. Перовская // Физическая мезомеханика. – 2005. – Т. 8, спец. вып. – С. 129–132.
  15. Структура и свойства покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой / И.М. Полетика, Ю.Ф. Иванов, М.Г. Голковский, М.В. Перовская // Физика и химия обработки материалов. – 2007. – № 6. – С. 48–56.
  16. Guo C., Kelly P.M. Boron solubility in Fe–Cr–B cast irons // Materials Science and Engineering: A. – 2003. – Vol. 352. – P. 40–45. – doi: 10.1016/S0921-5093(02)00449-5.
  17. Yuan L.L., Han J.T., Liu J. Analysis of boride phase composition in high boron alloyed stainless steel containing titanium // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 941–944. – P. 226–231. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/amr.941-944.226' target='_blank'>www.scientific.net/amr.941-944.226.
  18. Ван Хуэй, Ван Тао. Влияние горячей прокатки и обработки на твердый раствор на микроструктуру и механические свойства дуплексной нержавеющей стали 0Cr21Ni5Ti-2B с высоким содержанием бора // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2021. – № 3 (789). – С. 13–18.
  19. Влияние прокатки и термической обработки на структуру и свойства слоев, сформированных на титановых заготовках методом электронно-лучевой наплавки / В.В. Самойленко, Д.В. Лазуренко, И.А. Поляков, А.А. Руктуев, О.Г. Ленивцева, В.С. Ложкин // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2015. – № 2 (67). – С. 55–63. – doi: 10.17212/1994-6309-2015-2-55-63.
  20. Structure and mechanical properties of a two-layered material produced by the E-beam surfacing of Ta and Nb on the titanium base after multiple rolling / V.A. Bataev, M.G. Golkovski, V.V. Samoylenko, A.A. Ruktuev, I.A. Polyakov, N.K. Kuksanov // Applied Surface Science. – 2018. – Vol. 437. – P. 181–189. – doi: 10.1016/j.apsusc.2017.12.114.
  21. The fast azimuthal integration Python library: pyFAI / G. Ashiotis, A. Deschildre, Z. Nawaz, J.P. Wright, D. Karkoulis, F.E. Picca, J. Kieffer // Journal of Applied Crystallography. – 2015. – Vol. 48 (2). – P. 510–519. – doi: 10.1107/S1600576715004306.

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».