Қазан–қараша–желтоқсан 30 желтоқсан 2015 ж. 1996 жылдан бастап шығады Жылына 4 рет шығады


High-temperature strength and corrosion resistance of alloy steel coatings



Pdf көрінісі
бет4/11
Дата01.02.2017
өлшемі11,76 Mb.
#3198
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

High-temperature strength and corrosion resistance of alloy steel coatings 

The investigated coatings were deposited by ion-plasma method while spraying cathode 12X18H10T steel 

and composite cathodes. It is shown that the larger the surface tension of the coating, the greater the heat 

resistance. Since the surface tension of the metal is proportional to its melting temperature, it follows that the 

high-temperature strength primarily depends on the melting point of the metal. The higher melting 

temperature metal, the higher the recrystallization temperature. As shown experimentally, that the greater the 

surface tension of the coating, the greater the corrosion resistance. 

Key words: coating, heat resistance, corrosion resistance, surface tension, melting point, recrystallization. 

 

Introduction 

Under high-temperature strength

 

refers to the ability of the material to resist mechanical failure at high 

temperatures. Already in the 80s of the last century it became clear that you must not go towards the creation 

of special heat-resistant alloys and application technology to create a variety of heat-resistant coatings to 

parts of machines and mechanisms operating in extreme conditions. In subsequent years, the interest in heat-

resistant materials and coatings continued to grow with the development of rocket and space technology, en-

ergy, etc. 

If the product is working in an oxidizing atmosphere at a temperature (500..550) 

o

C without large loads, 



it is sufficient that they were only heat-resistant (for example, parts of heating furnaces). 

To improve the heat resistance of the steel elements are introduced, which form oxides with oxygen 

dense lattice structure (chromium, silicon, aluminum). High heat resistance have silhromy, nickel-based 

alloys — nichrome, steel 08Х17Т, 36Х18Н25С2, 15Х6СЮ. 

Heat resistance — the ability of a metal to resist plastic deformation and fracture at high temperatures. 

Heat-resistant materials are used for the manufacture of parts operating at high temperatures when there is a 

phenomenon of creep. 

In both cases there is a failure of metals, alloys and coatings. The destruction of the metals in supply of 

thermal energy is accompanied by accumulation of thermal stress, leading to an increase in the density of 

dislocations, various defects [1–3]. 

A special place in the complex of measures to ensure the smooth operation of the equipment is given 

the reliable protection against corrosion and wear. 

Corrosion protection is for many years one of the topical issues that are of great importance for the in-

dustry and the national economy [4–8]. 

The need for measures to protect against corrosion is dictated by the fact that the losses from corrosion 

bring very big damage. According to reports, about 10% of the annual production of the metal used to cover 

irrecoverable losses due to corrosion and subsequent spraying. The main damage caused by the corrosion of 

the metal is associated not only with the loss of large amounts of metal but with the damage or failure of 

themselves metal structures and mechanisms, as a result of corrosion of various parts and components neces-

sary to lose strength, ductility, impermeability, thermal and electrical conductivity, reflectivity ability and 

other necessary qualities. 

To reduce the cost of metal, increasing the reliability and durability of machine parts and equipment, 

there are only two ways: 

• the use of special steels and alloys; 

• coating of articles during manufacture or repair. 

Since the production of special steels and alloys due to the consumption of scarce and costly special 

materials and components, in all industrialized countries is not increasing production of special steels and 

alloys, using the most advanced technology for coating and hardening of parts. 



Серия «Физика». № 4(80)/2015 

Currently applying refractory c

Thus, various formulations targets in

with non-ferrous metals. [18] invest

phere. Fig. 1 and 2 show electron mi

Figure 1. Th

Aluminum content of 15 at.%. 

fects the mechanical and tribologica

GPa and CrAlN coating — 34,8 GP

0.56 to 0.42 to the coating CrN coat

resistance) than CrN coating. 

Industrial tests of coatings CrA

in comparison with the coating CrN

Figure 2. Th

High-temperatur

Heat-resistant coating 

coatings made substantially vacuum arc or magn

nclude metals such as chromium, titanium, and zi

tigated the spray coating of chromium and alumin

icroscopic images and XPS and CrN coatings CrA

he electron microscopic image and XPS CrN coating  

at 550 °C (a) and at 800 °C (b) [18] 

This hydride phase underwent fragmentation (fig

al properties of the coating. For the coating of Cr

a, i.e. hardness change slightly. The coefficient o

ting CrAlN. However, CrAlN coatings have a hig

AlN, described in [18], showed improved perform

. This coating was even better than traditional tita

he electron microscope image and XPS CrAiN coating 

at 550 °C (a) and at 800 °C (b) [18] 

re strength and corrosion… 

25 

netron sputtering [9–21]. 



irconium in combination 

num in a nitrogen atmos-

AlN. 

 

g. 1 and fig. 2), which af-



rN microhardness is 35.8 

f friction decreases from 

gh thermal stability (heat 

mance tool steel AISI M2, 

anium nitride coatings.

 

 



 

V.Ch.Laurinas, A.Sh.Syzdykova et al. 

26 


Consider some of the anti-corro

erosion and corrosion of austenitic s

Corrosion of steel was estimated by 

containing the suspension of 3,5% N

Figure 3. Synerg

wit


Suitable authors noteworthy be

the fact that the joint cooperation ce 

greater than the sum of the effects of 

it enhances communication elements

Currently, treatment synergism

mulated the basic laws. However, th

does not give a quantitative descript

that the interpretation of experiment

In [24] showed that the corrosi

straints on its surface treatment, in 

the surface layer of the alloy. 

Interesting is the work of [28]

tool steel. It set a goal — to link the

tion over the area of the sample wi

emergence of corrosion spots at an e

In [29] studied magnetron coat

to corrosion, even in the enriched (

rence of corrosion resistance shown 

Figure 4. Schem

Вестник Караг



Anti-corrosion coatings 

osion coatings obtained by magnetron sputtering 

steel AISI 304L with the content of nitrogen in th

weight loss by oxidation, and erosion of — Analy

aCl and quartz particles. The results of this work a

 

ism between corrosion and erosion of the steel AISI 3



thout nitriding (a) and after nitriding (b) [22] 

cause, in general, the synergy — is a property of 

elements (subsystems) provided an increase in th

f these elements (subsystems) acting independently

 (subsystems), provided their coordinated function

m devoted a huge amount of work: developed its

his theory is based on general systems theory, w

tion of the observed effects. Therefore, we will n

tal data. 

ion resistance of aluminum alloy is anisotropic. T

particular on its polishing, which creates a certa

, which investigated the corrosion resistance of t

e mechanical properties of the coatings at the nano

th corrosion-resistant coatings. Using this appro

early stage and eventually predict early «corrosive

ting niobium — niobium oxide. The coating show

(heavy) water, obtained by proton irradiation. Th

in fig. 4. 

matic diagram of the formation of the diffusion barrier [

гандинского университета 

[22–29]. [22] studied the 

he coating to 0.55 wt.%. 

ysis damage steel reactor 

are shown in fig. 3. 

04L  

the system, consisting in 



heir total effect to a value 

y from each other. Hence, 

ning in the system. 

s own methodology, for-

which is so common, that 

not refer to the synergies 

This imposes certain con-

ain dislocation density in 

the coatings FeCrVN on 

oscale and their distribu-

oach, one can predict the 

e breakdown» alloy. 

wed very high resistance 

he mechanism of occur-

 

[29] 


High-temperature strength and corrosion… 

Серия «Физика». № 4(80)/2015 

27 

Although niobium is chemically inert, but it has a coating of a columnar structure characteristic of sin-



gle-phase films. Therefore, acid or enriched with honey water diffuses these «pillars». With simultaneous 

sputtering of niobium and niobium oxide, the latter being an amorphous structure, fills the space between the 

pillars and dramatically increases the value of the diffusion barrier. 

Heat resistance steel alloy coatings 

We investigated coatings were deposited by ion-plasma method while spraying cathode 12X18H10T 

steel and composite cathodes. Method for determination of heat resistance is based on GOST 6130-71 «Metals. 

Methods for determination of heat resistance» and coatings the determination of heat resistance of thermal 

spray coatings. Heat resistance is determined by exposing the coated specimens (and uncoated control) in an 

air oven for a predetermined time at a constant temperature, followed by weighing, examination, metallo-

graphic examination. Accelerated cyclic tests carried out by switching off the oven (10–50) hours. The re-

sults of the experiment are shown in table 1 and 2. 

T a b l e   1  

The weight loss of the coating produced in argon, after heat treatment at 600 °C for 100 hours 

The coating 

Mass of oxides of coating, mg 

A sample of uncoated, steel 45 

56,8 

12Х18Н10Т+Zr 24,4 



12Х18Н10Т+Zn-Cu-Al 14,4 

12Х18Н10Т+Fe-Al 5,6 

12Х18Н10Т+Zn-Al 14,2 

12Х18Н10Т+Al 4,8 

12Х18Н10Т+Cu 2,7 

T a b l e   2  



The weight loss of the coating produced in a nitrogen atmosphere  

after heat treatment at 600 °C for 100 hours 

The coating 

Mass of oxides of coating, mg 

A sample of uncoated, steel 45 

56,8 

12Х18Н10Т+Zr 35,1 



12Х18Н10Т+Zn-Cu-Al 20,7 

12Х18Н10Т+Fe-Al 8,1 

12Х18Н10Т+Zn-Al 20,4 

12Х18Н10Т+Al 6,9 

12Х18Н10Т+Cu 3,9 

 

Comparison of the results in Tables 1 and 2 with the results of [30] follows the conclusion: the greater 



the surface tension of the coating, the greater the heat resistance. If the heat resistance mark — ζ, say some-

thing mathematically can be expressed as a functional relationship: 

 

( )


,

= f

C

     (1) 



where C — a constant. 

Since the surface tension of the metal is proportional to its melting temperature, it follows that the high-

temperature strength primarily depends on the melting point of the metal. 

Corrosion resistance of alloy steel coating 

In cases where the corrosion process proceeds as general corrosion, to evaluate the corrosion rate can 

change the amount of metal used in a process changing the amount of the reaction agent (oxidant), or one of 

the products of corrosion over time. Since the corrosion process is heterogeneous, the appropriate quantita-

tive characteristics should be referred to the unit surface. 

Tables 3 and 4 shows the corrosion rate at 600 °C investigated coatings is determined by the formula: 

 

/

,



к

v = m S t

  (2) 



where Δm — decrease (increase) in weight; S — area of the sample; t — time. 

V.Ch.Laurinas, A.Sh.Syzdykova et al. 

28 


Вестник Карагандинского университета 

Comparison of the results of Tables 3 and 4, with the results of [30] follows the conclusion: the greater 

the surface tension of the coating, the greater the corrosion resistance. If corrosion resistance mark — χ, say 

something mathematically can be expressed as a functional relationship: 

 

1

( )



,

= f

C

 



 

 

(3) 



where C

1

 – a constant. 



Formulas 1 and 3 are mathematically equivalent. The only difference in the constants C and C

1



T a b l e   3  

Corrosion Rates at 600 °C the coating obtained in argon 

The coating 

Corrosion Rates, g/m

2

·h 



A sample of uncoated, steel 45 

2,84 


12Х18Н10Т+Zr 1,22 

12Х18Н10Т+Zn-Cu-Al 0,72 

12Х18Н10Т+Fe-Al 0,28 

12Х18Н10Т+Zn-Al 0,71 

12Х18Н10Т+Al 0,24 

12Х18Н10Т+Cu 0,13 

T a b l e   4  

The corrosion rate at 600 °C the coating produced in nitrogen 

The coating 

Corrosion Rates, g/m

2

·h 



A sample of uncoated, steel 45 

2,84 


12Х18Н10Т+Zr 1,76 

12Х18Н10Т+Zn-Cu-Al 1,03 

12Х18Н10Т+Fe-Al 0,40 

12Х18Н10Т+Zn-Al 1,02 

12Х18Н10Т+Al 0,34 

12Х18Н10Т+Cu 0,19 

 

We compare the results obtained with the corrosion rate of certain corrosion-resistant stainless steel 



(table 5). 

T a b l e   5  



The rate of corrosion of the most corrosion-resistant steels 

Steel grade 

Corrosion Rates, g/m

2

·h 



Х23H28M3Д3Т 0,21 

Х23H27M3T 0,26 

Х18H12М3Т 0,80 

 

Comparison of the results of Tables 3 and 4 with Table 5 follows the conclusion: the greater the corro-



sion resistance of the coatings tested is not inferior to the most corrosion-resistant steel. 

Moreover, any of the surfaces of tables 3 and 4 are significantly superior corrosion resistance of steel 

45, which is widely used as a structural steel in the manufacture of: pinion shafts, crankshafts and camshafts, 

gears, spindles, tires, cylinders, cams and other normalized, improves, and subjected to heat treatment of su-

perficial parts, which are required increased strength. 

Estimation of melting and crystallization of alloyed steel coatings 

Melting and solidification of the steel depends on its composition. Usually when calculating the T

and 


T

S

 to make assumptions about the additive effect of dopants on these values. 



Using the results of experimental determination of the surface tension of the multi-element surfaces, 

and results of the calculation of this value on the basis of elemental analysis can show that the average value 

of the surface tension is the value of the additive. In this case, the melting point of the coating can be esti-

mated by the formula: 

 

3

1,4 10



( ).

L

Т =

K

 



 (4) 

High-temperature strength and corrosion… 

Серия «Физика». № 4(80)/2015 

29 

The corresponding estimates are shown in Tables 6 and 7. 



T a b l e   6  

Melting point multielement coatings obtained in argon 

The coating 



Т

L



К

The coating 

Т

L



К

12Х18Н10Т+Zr 1358 12Х18Н10Т+Zn-Al 1537 

12Х18Н10Т+ 

Zn-Cu-Al 

1530 12Х18Н10Т+Al 

 

1602 


12Х18Н10Т+Fe-Al 1809  12Х18Н10Т+Cu 2023 

T a b l e   7  



Melting point multielement coatings obtained in a nitrogen atmosphere 

The coating 



Т

L



К

The coating 

Т

L



К

12Х18Н10Т+Zr 1259 12Х18Н10Т+Zn-Al 1098 

12Х18Н10Т+ 

Zn-Cu-Al 

1042 12Х18Н10Т+Al 1121 

12Х18Н10Т+Fe-Al 1448  12Х18Н10Т+Cu 1445 

 

As shown in tables 6 and 7, the melting point of the coatings obtained in argon lower than coatings ob-



tained in a nitrogen atmosphere. Especially the big difference is observed for the coatings doped zirconium. 

Melting steels depends on their chemical composition, but is in the range (1450–1520) K. As shown in 

tables 6 and 7 coating 12X18H10T+Al, 12X18H10T+Fe-Al and 12X18H10T+Cu, prepared under argon, at a 

temperature of the melting far superior to all steel. 



Conclusion 

In this paper was not intended to produce heat-resistant and corrosion-resistant coatings. Using multi-

element coverage, we wanted to show the connection between the properties of the coating and the surface 

energy of the coating, as well as provide a methodology for evaluating the heat resistance and corrosion re-

sistance of coated materials. 

 

 



References 

1  Davis J.R. Heat Resistant Materials. — ASM International, 1997. — 591 p. 

2  Gao W., Li Zh. (Ed.) Developments in High Temperature Corrosion and Protection of Materials. — Woodhead Publishing 

Ltd, 2008. — 658 p. 

3  Madhusudana Chakravarti V. Thermal Contact Conductance. — Springer International Publishing Switzerland, 2014. — 

XVIII. — 260 p. 

4  Strutt I.E., Nicholls and Barbier B. The prediction of corrosion by statistical analysis of corrosion profiles // Corrosion 

science. — 1985. — Vol 25. — No. 5. — P. 305–3l6. 

5  Provan J.W., Rodriguez E.S. Development of a Markov description of pitting corrosion. — Corrosion (USA), 1989. — 

Vol. 45. — No. 3. — P. 178–192. 

6  Baroux B. The kinetics of pit generation on stainless steel // Corrosion science. — 1988. — Vol. 28. — No. 10. — P. 969–986. 

7  Kondo J. Prediction of fatigue crack initiation life based on pit growth // Corrosion science. — l989. — Vol. 45. — No. 1. — 

P. 7–11. 

8  Gao W., Li Zh. (Eds.) Developments in High Temperature Corrosion and Protection of Materials. — Woodhead Publishing 

Ltd, 2008. — 658 p. 

9  Rea M.D., Gouttebaron R., Dauchot J.-P. et al. Study of ZrN layers deposited by reactive magnetron sputtering // Surface 

and Coatings Technology. — 2003. — Vol. 174, 175. — P. 240–245. 

10  Zeman P., Cerstvґy R., Mayrhofer P.H. et al. Structure and properties of hard and superhard Zr–Cu–N nanocomposite coatings // 

Materials Science and Engineering, 2000. — A 289. — P. 189–197. 

11  Sheng S.H., Zhang R.F., Veprek S. Phase stabilities and thermal decomposition in the Zr

1-x

Al

x



N system studied by ab initio 

calculation and thermodynamic modeling // Acta Materialia. — 2008. — Vol. 56. — P. 968–976. 

12  Musila J. Karvankova P. Kasl J. Hard and superhard Zr-Ni-N nanocomposite films // Surface and Coatings Technology. — 

2001. — Vol. 139. — P. 101–109. 

13  Suna J., Musil J., Ondok V., Han J.G. Enhanced hardness in sputtered Zr–Ni–N films // Surface and Coatings Technology. — 

2006. — Vol. 200. — P. 6293–6297. 

14  Musil J., Danie R. Structure and mechanical properties of magnetron sputtered Zr–Ti–Cu–N films // Surface and Coatings 

Technology. — 2003. — Vol. 166. — P. 243–253. 



V.Ch.Laurinas, A.Sh.Syzdykova et al. 

30 


Вестник Карагандинского университета 

15  Musil J., Polakova H. Hard nanocomposite Zr-Y-N coatings, correlation between hardness and structure // Surface and Coatings 

Technology, 2000. — Vol. 127. — P. 99–106. 

16  Daniel R., Musil J., Zeman P., Mitterer C. Thermal stability of magnetron sputtered Zr–Si–N films // Surface and Coatings 

Technology. — 2006. — Vol. 201. — P. 3368–3376. 

17  Xueliang Q., Yanhong H., Yiping W., Jianguo Ch. Study on functionally gradient coatings of Ti-Al-N // Surface and Coatings 

Technology. — 2000. — Vol. 131. — P. 462–464. 

18  Scheerer H., Hoche H., Broszeit E. et al. Effects of the chromium to aluminum content on the tribology in dry machining 

using (Cr, Al)N coated tools // Surface and Coatings Technology. — 2005. — Vol. 200. — P. 203–207. 

19  Brizuela M., Garcia-Luisa A., Braceras I. et al. Magnetron sputtering of Cr(Al)N coatings: Mechanical and tribological study 

// Surface and Coatings Technology. — 2005. — Vol. 200. — P. 192–197. 

20  Monclus M.A., Baker M.A., Tsotsos C. et al. Investigation of the nanostructure and post-coat thermal treatment of wear-

resistant PVD (Cr-Ti-Cu-B)N coatings // Surface and Coatings Technology. — 2005. — Vol. 200. — P. 310–314. 

21  Wang L., Niea X., Housden J. et al. Material transfer phenomena and failure mechanisms of a nanostructured Cr-Al-Ncoating in 

laboratory wear tests and an industrial punch tool application // Surface and Coatings Technology. — 2008. — Vol. 203. — P. 816–821. 

22  Loґpez D., Alonso Falleiros N., Tschiptschin A.P. Effect of nitrogen on the corrosion–erosion synergism in an austenitic 

stainless stee // Tribology International. — 2011. — Vol. 44. — P. 610–616. 

23  Liu R., Li X., Hu X., Dong H. Surface modification of a medical grade Co-Cr-Mo alloy by low-temperature plasma surface 

alloying with nitrogen and carbon // Surface and Coatings Technology. — 2013. — Vol. 232. — P. 906–911. 

24  Lv Jinlong, Luo Hongyun. Effect of surface burnishing on texture and corrosion behavior of 2024 aluminum alloy // Surface 

and Coatings Technology. — 2013. — Vol. 235. — P. 513–520. 

25  Lee Y.J., Lee T.H., Kim D.Y. et al. Microstructural and corrosion characteristics of tantalum coatings prepared by molten salt 

electrodeposition // Surface and Coatings Technology. — 2013. — Vol. 235. — P. 819–826. 

26  Castillejo F.E., Marulanda D.M.,.Olaya J.J, Alfonso J.E. Wear and corrosion resistance of niobium–chromium carbide coat-

ings on AISI D2 produced through TRD // Surface and Coatings Technology. — 2014. — Vol. 254. — P. 104–111. 

27  Klemm J., Klemm S.O., Duarte M.J. et al. Multi-element-resolved electrochemical corrosion analysis. Part I. Dissolution be-

havior and passivity of amorphous Fe50Cr15Mo14C15B6 // Corrosion Science. — 2014. — Vol. 89. — P. 59–68. 

28  Alvarez-Asencio R., Sababi M., Pan J. et al. Role of microstructure on corrosion initiation of an experimental tool alloy: 

A Quantitative Nanomechanical Property Mapping study // Corrosion Science. — 2014. — Vol. 89. — P. 236–241. 

29  Skliarova H., Renzelli M., Azzolini O. et al. Niobium–niobium oxide multilayered coatings for corrosion protection of proton-

irradiated liquid water targets for [

18

F] production // Thin Solid Films. — 2015. — Vol. 591. — P. 316–322. 



30  Yurov V.M., Laurynas V.Ch., Guchenko S.A., Zavatskaya O.N. The surface tension of hardening coatings // Strengthening 

technology and coatings. — 2014. — № 1. — P. 33–36. 

 

 

В.Ч.Лауринас, А.Ш.Сыздыкова, Е.Н.Еремин, С.А.Гученко, В.М.Юров  




Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11




©emirsaba.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет