Increasing the Productivity of Ion-Plasma Nitriding in a Glow Discharge with a Magnetic Field with a Simultaneous Increase in the Quality of the Hardened Layer of the Hs6-5-2 Din (1.3343 En) Steel

R. K. Vafin

doi:10.17804/2410-9908.2026.2.042-055

R. K. Vafin

INCREASING THE PRODUCTIVITY OF ION-PLASMA NITRIDING IN A GLOW DISCHARGE WITH A MAGNETIC FIELD WITH A SIMULTANEOUS INCREASE IN THE QUALITY OF THE HARDENED LAYER OF THE HS6-5-2 DIN (1.3343 EN) STEEL

DOI: 10.17804/2410-9908.2026.2.042-055

This paper examines the low productivity of ion-plasma nitriding (IPN) of HS6-5-2 DIN (1.3343 EN) high-speed steel widely used in the production of metal-cutting tools. Conventional IPA modes are characterized by long process cycles (up to 40 hours) entailing high energy consumption and limiting process productivity. Furthermore, nitriding without additional intensification methods exhibits a number of drawbacks reducing the quality of the hardened layer, namely insufficient diffusion zone depth, a sharp microhardness gradient at the layer–base interface, which increases the risk of delamination under contact loads, and a suboptimal wear mechanism with a predominance of adhesive action, which reduces tool life. Therefore, it is a relevant line of research to try to find effective methods for intensifying diffusion processes that can reduce processing time, while simultaneously improving the performance characteristics of the hardened layer.

The paper studies the effect of a magnetic field as an intensifier of ion-plasma nitriding on the diffusion layer growth kinetics in the HS6-5-2 DIN (1.3343 EN) high-speed steel, its structural and phase state, microhardness, and tribological properties. Experiments were conducted on a modernized VELU-5 setup equipped with a magnetic system for generating a closed magnetic field with an induction of 30 to 40 mT. Nitriding was performed in a N₂–H₂–Ar gas mixture, with an arrangement of 0.5–0.1–0.4 volume parts, respectively, at 500 °C for 2 hours.

Acknowledgement: The study was carried out with the financial support of state assignment No. FRRR-2026-0005 “Studying new coating materials produced by assisted vacuum-arc deposition for strengthening hard-alloy metal-cutting tools used for processing materials in aero-engine manufacturing”.

Keywords: ion-plasma nitriding, magnetic field, HS6-5-2, microhardness, diffusion coefficient, wear resistance

References:

Ramazanov, K.N., Vardanyan, E.L., Nazarov, A.Yu., Muhamadeev, V.R., Nikolaev, A.A., and Muhamadeev, I.R. Effect of thermal cyclic nitriding modes on microstructure and chemical composition of titanium alloy surface layers. Uprochnyayushchie Tekhnologii i Pokrytiya, 2023, 19, 4 (220), 186–192. (In Russian). DOI: 10.36652/1813-1336-2023-19-4-186-192.
Nikolaev, A.A., Asylbaev, A.V., Farrakhova, R.A., Pronin, E.A., and Esipov, R.S. The content of the austenitic phase of a dual-phase magnetic material on the basis of siliceous steel upon changes in the composition of a gaseous mixture. Russian Electrical Engineering, 2022, 93 (12). 767–771. DOI: 10.3103/s1068371222120082.
Nagimov, R.Sh., Vafin, R.K., Nikolaev, A.A., and Asylbaev, A.V. Studying the influence of the process conditions of ion nitriding in an arc discharge on the part temperature and the nitrided layer depth during complex ion-plasma processing. Tekhnologiya Mashinostroeniya, 2024, 5, 31–38. (In Russian).
Ramazanov, K.N., Vardanyan, E.L., Mukhamadeev, V.R., Nazarov, A.Yu., Mukhamadeev, I.R., and Nikolaev, A.A. The study of influence of the reaction gases ratio at the Ti-Al-C-N coating deposition on the cutting tool wear resistance. Frontier Materials & Technologies, 2022, 3–2, 32–43. (In Russian). DOI: 10.18323/2782-4039-2022-3-2-32-43.
Petrova, L.G., Belashova, I.S., and Bibikov, P.S. Advances in technological productivity of thermochemical treatment for hardfacing of high alloyed aviation steels. Science Intensive Technologies in Mechanical Engineering, 2022, 8, 3–11. (In Russian). DOI: 10.30987/2223-4608-2022-8-3-11.
Petrova, L.G. and Sergeeva, A.S. Phase structure control in austenite steels during surface strengthening by high-temperature nitride hardening. Science Intensive Technologies in Mechanical Engineering, 2020, 6, 3–11. (In Russian). DOI: 10.30987/2223-4608-2020-6-3-11.
Bibikov, P., Belashova, I., and Prokofyev, M. Nitridation technology specifics of high-alloy corrosion-resistant steels of aviation purposes. Vestnik Moskovskogo Aviatsionnogo Instituta, 2021, 28 (2), 206–215. (In Russian). DOI: 10.34759/vst-2021-2-206-215.
Krioni, N.K. and Mingazheva, A.A. Increasing the wear resistance of machine parts by nitriding with integrated surface preparation. Materials. Technologies. Design, 2021, 3, 2 (4), 43–50. (In Russian). DOI: 10.54708/26587572_2021_32443.
Konstantinov, V.M., Myshkevich, P.S., and Korneeva, E.K. Improving the effectiveness of nitration of steels by preliminary thermodiffusion alloying. Aktualnye Voprosy Mashinovedeniya, 2025, 14, 338–341. (In Russian).
Konstantinov, V.M. and Leshok, V.A. The effect of preliminary plastic deformation on ion-plasma nitriding of the 40KhMFA steel. In: Sovremennye tekhnologii dlya zagotovitelnogo proizvodstva: sbornik trudov konferentsii [Modern Technologies for Blank Production, Minsk, April 27, 2023: Proceedings]. BNTU Publ., Minsk, 2023, p. 150–152. (In Russian).
Perevalova, O.B., Panin, A.V., and Sinyakova, E.A. Peculiarities of the surface strengthening of 12Cr ferrite-martensite steel under superposed ion-plasma nitriding and ultrasonic treatment. Fizika i Khimiya Obrabotki Materialov, 2012, 3, 43–50. (In Russian).
Shestopalova, L.P. Nizkotemperaturnoe azotirovanie legirovannykh staley cherez nanooksidnyi baryer [Low-Temperature Nitriding of Alloy Steels Through a Nano-oxide Barrier: Cand. Thesis]. Moscow, 2009, 197 p. (In Russian).
Kreindel, M.Y., Osipov, I.V., and Rempe, N.G. Plasma parameters in the reflecting discharge with hollow-cathode. Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki, 1992, 62 (10), 165–169. (In Russian).
Lopatin, I.V. Generatsiya obyemnoy plazmy v razryadakh nizkogo davleniya s polym katodom dlya azotirovaniya poverkhnosti metallov [Generation of Volume Plasma in Low-Pressure Discharges with a Hollow Cathode for Nitriding of Metal Surfaces: Cand. Thesis]. Tomsk, 2013, 161 p. (In Russian).
Koval, N.N. Istochniki nizkotemperaturnoy plazmy i elektronnykh puchkov na osnove dugovykh razryadov nizkogo davleniya s polym anodom [Sources of Low-Temperature Plasma and Electron Beams Based on Low-Pressure Arc Discharges with a Hollow Anode: Doctoral Thesis in the Form of a Scientific Report]. Tomsk, 2000, 74 p. (In Russian).
-Kibalnikova, O.V., Mikhajlova, A.M., Seryanov, Yu.V., and Baskakov, A.V. Effect of magnetic field on Fe-Ni-Cr steels nitriding. Fizika i Khimiya Obrabotki Materialov, 2002, 3, 86–89. (In Russian).
Brokman, A. and Tuler, F. A study of the mechanisms of ion nitriding by the application of a magnetic field. Journal of Applied Physics, 1981, 52 (10), 468–471.
Lakhtin, Yu.M., Kogan, Ya.D., Shpis, G.-I., and Bemer, Z. Teoriya i tekhnologiya azotirovaniya [Theory and Technology of Nitriding]. Metallurgiya Publ., Moscow, 1991, 320 p. (In Russian).
Gudmundsson, J.T., Alami, J., and Helmersson, U. Evolution of the electron energy distribution and plasma parameters in a pulsed magnetron discharge. Applied Physics Letters, 2001, 78 (22), 3427–3429. DOI: 10.1063/1.1376150.
Pastukh, I.M. Teoriya i praktika bezvodorodnogo azoirovaniya v tleyushchem razryade [Theory and Practice of Hydrogen-Free Nitriding in Glow Discharge]. NNTs KhFTI Publ., Kharkov, 2006, 361 p. (In Russian).
Goncharenko, I.M., Grigoriev, S.V., Koval, N.N., and Ivanov, Yu.F. Evolution of the structure and phase composition of hardened 4140 steel in the process of plasma nitriding. In: 5th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, Russia, September 24–29, 2000: Proceedings, TPU, Tomsk, 2000, pp. 330–333.
Vafin, R.K. Vliyanie ionnogo azotirovaniya v tleyushchem razryade s magnitnym polem na strukturu i fazovyi sostav instrumentalnykh staley [Effect of Ion Nitriding in a Glow Discharge with a Magnetic Field on the Structure and Phase Composition of the R6M5 and Kh12 Tool Steels: Synopsis of Candidate Thesis]. Tomsk, 2013, 18 p. (In Russian).
Vafin, R.K., Asylbaev, A.V., Mamontov, D.V., and Sklizkov, I.D. RF Patent No. 2777900 C2, Byull. Izobret. No. 23, 2022.
Lieberman, M.A. and Lichtenberg, A.J. Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, Wiley, New York, 1994, 572 p.
Andreev, A.A., Shulaev, V.M., and Sablev, L.P. Nitriding of steels in a gas arc discharge of low pressure. Fizicheskaya Inzheneriya Poverkhnosti, 2006, 4 (3–4), 191–197.
Lakhtin, Yu.M. and Kogan, Ya.D. Azotirovanie stali [Nitriding of Steel]. Mashinostroenie Publ., Moscow, 1976, 256 p. (In Russian).
Petrova, L.G. Control of phase composition of nitrided layers in multicomponent alloys. Metal Science and Heat Treatment, 2002, 44 (3–4), 148–153. DOI: 10.1023/A:1019634523844.
Chatterjee-Fisher, R., Eissell, F.-W. et al. Azotirovaniye i karbonitrirovaniye [Nitriding and Carbonitriding]. Metallurgiya Publ., Moscow, 1990, 280 p. (In Russian).

Р. К. Вафин

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО АЗОТИРОВАНИЯ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ С МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ С ОДНОВРЕМЕННЫМ ПОВЫШЕНИЕМ КАЧЕСТВА УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ СТАЛИ Р6М5

В работе рассмотрена проблема низкой производительности ионно-плазменного азотирования (ИПА) быстрорежущей стали Р6М5, широко применяемой в производстве металлорежущего инструмента. Традиционные режимы ИПА характеризуются длительностью технологического цикла (до 40 часов), что приводит к значительным энергозатратам и ограничивает производительность процесса. Кроме того, при азотировании без использования дополнительных методов интенсификации наблюдается ряд недостатков, связанных с качеством упрочненного слоя: недостаточная глубина диффузионной зоны, резкий градиент микротвердости на границе «слой – основа», повышающий риск отслоения при контактных нагрузках, а также неоптимальный механизм изнашивания с преобладанием адгезионной составляющей, что снижает эксплуатационную стойкость инструмента. В связи с этим актуальным направлением является поиск эффективных методов интенсификации диффузионных процессов, позволяющих сократить время обработки при одновременном улучшении эксплуатационных характеристик упрочненного слоя. Изучено влияние магнитного поля как фактора интенсификации ионно-плазменного азотирования на кинетику роста диффузионного слоя, структурно-фазовое состояние, микротвердость и трибологические свойства быстрорежущей стали Р6М5. Эксперименты проводились на модернизированной установке
ВЭЛУ-5, оснащенной магнитной системой для создания замкнутого магнитного поля с индукцией 30–40 мТл. Азотирование осуществлялось в смеси газов N₂–H₂–Ar (с соотношением 0,5–0,1–0,4 объемных частей соответственно) при температуре 500 °C в течение 2 часов.

Благодарность: Исследование выполнено при финансовой поддержке государственного задания № FRRR-2026-0005 «Исследование новых материалов покрытий, полученных методом асси-стированного вакуумно-дугового осаждения, для упрочнения металлорежущих инструмен-тов из твердого сплава, применяемых для обработки материалов авиадвигателестрои-тельной отрасли».

Ключевые слова: ионно-плазменное азотирование, магнитное поле, Р6М5, микротвердость, коэффициент диффузии, износостойкость

Библиография:

Влияние режимов термоциклического азотирования на микроструктуру и химический состав поверхностных слоев титанового сплава / К. Н. Рамазанов, Э. Л. Варданян, А. Ю. Назаров, В. Р. Мухамадеев, А. А. Николаев, И. Р. Мухамадеев // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2023. – Т. 19, 4 (220). – С. 186–192. – DOI: 10.36652/1813-1336-2023-19-4-186-192.
The content of the austenitic phase of a dual-phase magnetic material on the basis of siliceous steel upon changes in the composition of a gaseous mixture / A. A. Nikolaev, A. V. Asylbaev, R. A. Farrakhova, E. A. Pronin, R. S. Esipov // Russian Electrical Engineering. – 2022. – Vol. 93 (12). – P. 767–771. – DOI: 10.3103/s1068371222120082.
Исследование влияния технологических режимов ионного азотирования в дуговом разряде на температуру детали и глубину азотированного слоя при комплексной ионно-плазменной обработке / Р. Ш. Нагимов, Р. К. Вафин, А. А. Николаев, А. В. Асылбаев // Технология машиностроения. – 2024. – № 5. – С. 31–38.
Исследование влияния соотношения реакционных газов при осаждении покрытия системы Ti-Al-C-N на изностойкость режущего инструмента / К. Н. Рамазанов, Э. Л. Варданян, В. Р. Мухамадеев, А. Ю. Назаров, И. Р. Мухамадеев, А. А. Николаев // Frontier Materials & Technologies. – 2022. – №№ 3–2. – C. 32–43. – DOI: 10.18323/2782-4039-2022-3-2-32-43.
Петрова Л. Г., Белашова И. С., Бибиков П. С. Совершенствование технологий химико-термической обработки для поверхностного упрочнения высоколегированных сталей авиационного назначения // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2022. – № 8 (134). – С. 3–11. – DOI: 10.30987/2223-4608-2022-8-3-11.
Петрова Л. Г., Сергеева А. С. Контроль фазового состава аустенитных сталей при поверхностном упрочнении методом высокотемпературного азотирования // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2020. – № 6 (108). – С. 3–11. – DOI: 10.30987/2223-4608-2020-6-3-11.
Бибиков П. С., Белашова И. С., Прокофьев М. В. Особенности технологии азотирования высоколегированных коррозионностойких сталей авиационного назначения // Вестник Московского авиационного института. – 2021. – Т. 28 (2). – С. 206–215. – DOI: 10.34759/vst-2021-2-206-215.
Криони Н. К., Мингажева А. А. Повышение износостойкости деталей машин азотированием с комплексной подготовкой поверхности // Materials. Technologies. Design. – 2021. – Т. 3, 2 (4). – С. 43–50. – DOI: 10.54708/26587572_2021_32443.
Константинов В. М., Мышкевич П. С., Корнеева Е. К. Повышение эффективности азотирования сталей предварительным термодиффузионным легированием // Актуальные вопросы машиноведения. – 2025. – Т. 14. – С. 338–341.
Константинов В. М., Лешок В. А. Влияние предварительной пластической деформации на ионно-плазменное азотирование стали 40ХМФА // Современные технологии для заготовительного производства, Минск, 27 апреля 2023 г. : сборник трудов конференции. – Минск : БНТУ, 2023. – С. 150–152.
Перевалова О. Б., Панин А. В., Синякова Е. А. Особенности поверхностного упрочнения 12Cr ферритно-мартенситной стали при совмещении ионно-плазменного азотирования и ультразвуковой обработки // ФиХОМ. – 2012. – № 3. – С. 43–50.
Шестопалова Л. П. Низкотемпературное азотирование легированных сталей через нанооксидный барьер : дис. … канд. техн. наук : 05.02.01. – Москва, 2009. – 197 с.
Крейндель Ю. Е., Осипов И. В., Ремпе. Н. Г. Параметры плазмы в отрицательном разряде с полым катодом // ЖТФ. – 1992. – Т. 62 (10). – С. 165–169.
Лопатин И. В. Генерация объемной плазмы в разрядах низкого давления с полым катодом для азотирования поверхности металлов : дис. … канд. техн. наук : 05.27.02. – Томск, 2013. – 161 с.
Коваль Н. Н. Источники низкотемпературной плазмы и электронных пучков на основе дуговых разрядов низкого давления с полым анодом : дис. … докт. техн. наук в форме науч. докл. : 05.27.02. – Томск, 2000. – 74 с.
Кибальникова О. В., Махайлова А. М., Баскаков А. В. Влияние магнитного поля на азотирование сталей системы Fe-Ni-Cr // Физика и химия обработки материалов. – 2002. – № 3. – С. 86–89
Brokman A., Tuler F. A study of the mechanisms of ion nitriding by the application of a magnetic field // Journal of Applied Physics. – 1981. – Vol. 52 (1). – P. 468–471.
Теория и технология азотирования / Ю. М. Лахтин, Я. Д. Коган, Г.–И. Шпис, 3. Бемер // М. : Металлургия, 1991. – 320 с.
Gudmundsson J. T., Alami J., Helmersson U. Evolution of the electron energy distribution and plasma parameters in a pulsed magnetron discharge // Applied Physics Letters. – 2001. – Vol. 78 (22). – P. 3427–3429. – DOI: 10.1063/1.1376150.
Пастух И. М. Теория и практика безводородного азотирования в тлеющем разряде. – Харьков : ННЦ ХФТИ, 2006. – 361с.
Evolution of the structure and phase composition of hardened 4140 steel in the process of plasma nitriding / I. M. Goncharenko, S. V. Grigoriev, N. N. Koval, Yu. F. Ivanov // 5th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, Russia, September 24–29, 2000 : Proceedings. – Tomsk : TPU, 2000. – P. 330–333.
Вафин Р. К. Влияние ионного азотирования в тлеющем разряде с магнитным полем на структуру и фазовый состав инструментальных сталей Р6М5 и Х12 : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.16.01. – Томск, 2013. – 18 с.
Патент № 2777900 C2 Рос. Федерация. Способ диагностики плазмы и зонд Ленгмюра с защитным кольцом для его реализации : № 2021100442 : заявл. 12.01.2021 : опубл. 11.08.2022 / Вафин Р. К., Асылбаев А. В., Мамонтов Д. В., Склизков И. Д.
Lieberman M. A., Lichtenberg A. J. Principles of Plasma Discharges and Materials Processing. – New York : Wiley, 1994. – 572 p.
Андреев А. А., Шулаев В. М., Саблев Л. П. Азотирование сталей в газовом дуговом разряде низкого давления // Фізична інженерія поверхні. – 2006. – № 4 (3–4). – С. 191–197.
Лахтин Ю. М., Коган Я. Д. Азотирование стали – М. : Машиностроение, 1976. – 256 с.
Petrova L. G. Control of phase composition of nitrided layers in multicomponent alloys // Metal Science and Heat Treatment. – 2002. – Vol. 44 (3–4). – P. 148–153. – DOI: 10.1023/A:1019634523844.
Азотирование и карбонитрирование / Р. Чаттерджи–Фишер, Ф.-В. Эйзелл и др. – М. : Металлургия, 1990. – 280 с.

Библиографическая ссылка на статью

Vafin R. K. Increasing the Productivity of Ion-Plasma Nitriding in a Glow Discharge with a Magnetic Field with a Simultaneous Increase in the Quality of the Hardened Layer of the Hs6-5-2 Din (1.3343 En) Steel // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2026. - Iss. 2. - P. 42-55. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2026.2.042-055. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2026-2/2026-2_570.html
(accessed: 26.09.2026).