Microstructural Features and Tribological Behaviour of Low-Alloyed Steel Modified by High-Energy Plasma Pulse

Abstract

Метою даної роботи є дослідження мікроструктури і трибологічних властивостей модифікованих шарів, отриманих на поверхні низьколегованої конструкційної сталі 75Г застосуванням високоенергетичного плазмового імпульсу. Модифіковані шари формували за допомогою електротермічного аксіального плазмового прискорювача з напругою розряду до 4 кВ та струмом розряду до 4 кА за поверхневої щільності потужності імпульсу в межах (1.4-1.75)·109 Вт/м2. Мікроструктуру і властивості шарів досліджували з використанням електронної скануючої мікроскопії, рентгеноструктурного аналізу, вимірюванням мікротвердості, а також проведенням випробувань на зношування за схемою "Ball-on-Disk". Результати показали, що однократний плазмовий імпульс з щільністю потужності 1.4∙109 Вт/м2 утворює на поверхні сталі модифікований шар товщиною 13-15 мкм зі структурою наддрібнозернистого мартенситу (15.9 % залишкового аустеніту) із середньою мікротвердістю 985 HV. Підвищення щільності потужності до 1.75∙109 Вт/м2 привело до формування більш товстого модифікованого шару (22-26 мкм), який складається з двох мартенситно-аустенітних субшарів, розділених тонким (0.3-0.5 мкм) аустенітним шаром. Середня твердість внутрішнього та зовнішнього субшарів становить 963 HV та 670 HV відповідно. Зовнішній субшар вміщує підвищену кількість залишкового аустеніту (32 %). Встановлено, що плазмова обробка призводить до насичення модифікованого шару вуглецем (максимально до 1.4 %), який переноситься плазмовим струменем. Плазмова модифікація підвищує трибологічні властивості сталі 75Г, що проявляється у збільшенні зносостійкості на 18-90 % та стабілізації коефіцієнту тертя впродовж випробувань. Процес зношування модифікованих поверхонь відбувається за абразивним механізмом за відсутності інтенсивного окислення поверхні. Знос поверхні полягає у багатоцикловому деформуванні елементів рельєфу із видаленням перенакльопаних мікрочасток металу.

The purpose of the work is to study the microstructure and tribological properties of modified layers obtained on the surface of low-alloyed structural steel 75Mn by the use of high-energy plasma pulse. Subsurface layers were modified using an electrothermal axial plasma accelerator with arc discharge voltage up to 4 kV and discharge current up to 4 kA producing the plasma flux with the power density in the range of (1.4-1.75)∙109 W/m2. The microstructure and properties of the layers were investigated using scanning electron microscopy, XRD, microhardness measurement, and "Ball-on-Disk" wear test. The results showed that a single plasma impulse with power density of 1.4∙109 W/m2 forms on the surface a modified layer of 13-15 µm thick with average microhardness of 985 HV consisting of ultrafine-grained martensite and 15.9 vol. % of retained austenite. Increasing power density to 1.75∙109 W/m2 led to the formation of modified layer of bigger width (22-26 µm) comprising two martensite-austenite sublayers divided by thin (0.3- 0.5 µm) austenitic layer. The average microhardness of inner and outer sublayers is 963 HV and 670 HV respectively. The outer sublayer contains higher volume fraction of retained austenite (32 vol. %). It was found that plasma treatment leads to enrichment of the modified layer with plasma-transferred carbon which up to 1.4 wt. %. Plasma modification improves the tribological properties of 75Mn steel, that manifests in increasing wear resistance by 18-90 % and stabilizing the coefficient of friction during the wear testing. The wear process of modified surfaces takes place according to abrasive mechanism with groove formation without intense surface oxidation. The surface deterioration occurs due to multiple deformation of relief elements with detachment of highly deformed microchips.