ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Поверхностные свойства деталей машин и инструментов играют важную роль в их эксплуатационных характеристиках, когда интерактивное механическое воздействие на поверхность металла приводит к износу. Необходима модификация поверхностных свойств детали, особенно в критически важных промышленных приложениях. Свойства поверхности, такие как твердость и износостойкость металлического материала, могут быть в первую очередь изменены либо путем введения какой-либо новой фазы или элемента в поверхность, либо путем обработки (лазером, плазмой, электронным лучом) поверхности основного материала для разработки желаемых фаз в матрице. Метод дуговой сварки вольфрамовым электродом в защитном газе (GTAW) имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами, в первую очередь в отношении точности управления, быстродействия и универсальности в применении при относительно низкой стоимости. Технически этим методом можно проводить легирование поверхности металла быстрее и с большей равномерной глубиной по сравнению с цементацией и азотированием. В процессе дугового нагрева поверхность модифицируется путем расплавления пасты или обмазки, предварительно нанесенной на подложку, посредством быстрого приложения интенсивного тепла дуги. Это приводит к большому тепловому градиенту с высокой скоростью нагрева и охлаждения аналогично принципу лазерной и электронно-лучевой наплавки. Цель работы: провести оценку возможности поверхностного легирования низкоуглеродистой стали системой Fe-Cr-C методом дуговой сварки вольфрамовым электродом в защитном газе (GTAW). Методы. В работе рассмотрены низкоуглеродистые стали на примере стали Ст3, которая использовалась в качестве подложки и на поверхность которой наносилось покрытие (толщиной не более 1 мм) в экспериментах по методу поверхностного легирования системой Fe-Cr-С посредством дуговой сварки вольфрамовым электродом в защитном газе (GTAW). В качестве сплава покрытия применялась порошковая смесь Fe,Cr₂О₃. Размер частиц в смеси составлял 45 мкм. Образцы исследовались методами оптической и электронной микроскопии, а также рентгенофазовым методом. Проведены испытания на стойкость к абразивному износу. Результаты и обсуждения. Проведенные нами исследования показали, что в процессе дуговой сварки вольфрамовым электродом в защитном газе (GTAW) при оплавлении пасты системы Fe-Сr-C форма и размер зоны сплавления (ЗС) на поверхности стали определяются параметрами дуги, такими как ток, напряжение и скорость движения дуги, в то время как ванна расплавленного металла защищена от атмосферного загрязнения защитным газом – инертным аргоном. Добавление в защитный газ углекислого газа увеличивает тепловложение дуги. Для формирования серии гиперэвтектических твердых легированных поверхностных слоев системой из Fe-Сr-C были разработаны варианты паст с различным содержанием углерода и хрома с целью исследования их микроструктуры, износостойкости и механизма износа. Получены положительные результаты увеличения абразивной износостойкости в 2–3 раза.

1. Welding processes for wear resistant overlays / P.F. Mendez, N. Barnes, K. Bell, S.D. Borle, S.S. Gajapathi, S.D. Guest, H. Izadi, A.K. Gol, G. Wood // Journal of Manufacturing Processes. – 2014. – Vol. 16 (1). – P. 4–25. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2013.06.011.

2. Kanishka K., Acherjee B. A systematic review of additive manufacturing-based remanufacturing techniques for component repair and restoration // Journal of Manufacturing Processes. – 2023. – Vol. 89. – P. 220–283. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2023.01.034.

3. Майоров В.С. Лазерное упрочнение металлов // Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / под ред. В.Я. Панченко. – М.: Физматлит, 2009. – С. 439–469.

4. Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.Б. Электронно-лучевая закалка поверхностного слоя стали вне вакуума // Физическая мезомеханика. – 2006. – № 9. – С. 181–184. – DOI: 10.24411/1683-805X-2006-00026.

5. Балановский А.Е. Основные вопросы теории плазменного поверхностного упрочнения металлов (Обзор. Ч. 1) // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2015. – № 12. – С. 18–30.

6. Балановский А.Е. Упрочнение поверхности катода при взаимодействии с катодными пятнами дугового разряда // Теплофизика высоких температур. – 1993. – Т. 31, № 2. – С. 328–330.

7. Структура и свойства поверхностных слоев низкоуглеродистой стали, полученных методом наплавки углеродсодержащих порошковых смесей и последующей закалки / А.А. Лосинская, Е.А. Дробяз, В.А. Батаев, Н.В. Плотникова, М.Г. Голковский // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2013. – № 4 (61). – С. 5–11.

8. Лосинская А.А., Головин Д.Д. Формирование высокоуглеродистых слоев на стали и их закалка с использованием мощного электронного пучка, выведенного в атмосферу // Перспективы науки. – 2013. – № 10 (49). – С. 7–10.

9. Свойства защитных покрытий из эвтектического хромованадиевого чугуна, полученных электронно-лучевой наплавкой в вакууме / Н.С. Белоусова, Б.В. Дампилон, В.Г. Дураков, Л.В. Еремина, А.А. Лосинская, Н.С. Мочалина // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2011. – № 3 (52). – С. 80–84.

10. Морфология боридов железа в поверхностном слое, наплавленном электронным лучом / И.А. Батаев, Н.В. Курлаев, О.Г. Ленивцева, О.А. Бутыленкова, А.А. Лосинская // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2012. – № 1 (54). – С. 85–89.

11. Structure of surface layers produced by non-vacuum electron beam boriding / I.A. Bataev, A.A. Bataev, M.G. Golkovski, 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.

12. Структура и свойства стали после вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошков титана, тантала, молибдена и графита / Д.О. Муль, Е.А. Дробяз, И.К. Чакин, В.В. Самойленко, В.С. Ложкин, Р.А. Доставалов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2013. – № 3 (60). – С. 115–120.

13. Электронно-лучевая наплавка титан- и танталсодержащих порошковых смесей на образцы из стали 40X / Д.О. Муль, Н.С. Белоусова, Д.С. Кривеженко, Л.И. Шевцова, А.А. Лосинская // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2014. – № 2 (63). – С. 117–126.

14. Структурные особенности и износостойкость слоев, сформированных наплавкой самофлюсующегося никелевого сплава и бора электронным лучом, выведенным в воздушную атмосферу / Т.А. Зимоглядова, Е.Г. Бушуева, А.А. Штерцер, Б.Е. Гринберг, Н.Н. Соболева, Е. Коллманнсбергер, И.К. Чакин, Д.С. Бибко, А.В. Леонов, Д.Э. Сафарова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 2. – С. 89–103. – DOI: 10.17212/1994-6309-2020-22.2-89-103.

15. Балановский А.Е., Ву Ван Гюи. Технологическое повышение качества поверхности деталей с плазменной цементацией // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2017. – № 3 (69). – С. 16–24. – DOI: 10.12737/24960.

16. Балановский А.Е., Гречнева М.В., Ву Ван Гюи. Исследование структуры рельсовой стали после плазменного поверхностного упрочнения // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2015. – № 11 (131). – С. 23–32.

17. Балановский А.Е., Ву В.Г. Насыщение поверхности металла углеродом при плазменной поверхностной обработке // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2017. – Т. 13, № 9 (153). – С. 403–415.

18. Ву Ван Гюи, Балановский А.Е. Исследование износостойкости поверхности стали после плазменной цементации с использованием углеродосодержащей пасты // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2017. – Т. 21, № 4. – С. 10–21. – DOI: 10.21285/1814-3520-2017-4-10-21.

19. Ву Ван Гюи, Балановский А.Е. Физические основы технологии плазменной поверхностной цементации деталей на примере втулки шпинтона пассажирского вагона // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2017. – Т. 21, № 3. – С. 10–22.

20. Балановский А. Е., Гюи В.В. Плазменная поверхностная цементация с использованием графитового покрытия // Письма о материалах. – 2017. – Т. 7, № 2 (26). – С. 175–179. – DOI: 10.22226/2410-3535-2017-2-175-179.

21. Tsai N.S., Eagar T.W. Distribution of the heat and current fluxes in gas tungsten arcs // Metallurgical transactions B. – 1985. – Vol. 16 (4). – P. 841–846. – DOI: 10.1007/BF02667521.

22. Yüksel N., Sahin S. Wear behavior–hardness–microstructure relation of Fe–Cr–C and Fe–Cr–C–B based hardfacing alloys // Materials & Design. – 2014. – Vol. 58. – P. 491–498. – DOI: 10.1016/j.matdes.2014.02.032.

23. Evolution of surface morphology and mechanical characterization of GTAW welded SDSS thin sheets / S. Kumar, A. Ramakrishna, N.S. Madugula, N. Kumar, M. Kapoor, H.S. Bhatia // Results in Surfaces and Interfaces. – 2025. – Vol. 18. – P. 100412. – DOI: 10.1016/j.rsurfi.2024.100412.

24. Modeling segregation of Fe–C alloy in solidification by phase-field method coupled with thermodynamics / T.Z. Gong, Y. Chen, W.Y. Hao, X.Q. Chen, D.Z. Li // Metals. – 2023. – Vol. 13 (6). – P. 1148. – DOI: 10.3390/met13061148.

25. Ab initio study of local structures during cooling of liquid Fe-C and Fe-Cr-C alloys / C. Xu, Y. Chen, T. Gong, Y. Shi, J. Wang, X. Chen, P. Liu, Y. Guo, D. Li // Computational Materials Science. – 2022. – Vol. 212. – P. 111572. – DOI: 10.1016/j.commatsci.2022.111572.

26. Atamert S., Bhadeshia H.K.D.H. Microstructure and stability of Fe-Cr-C hardfacing alloys // Materials Science and Engineering: A. – 1990. – Vol. 130 (1). – P. 101–111. – DOI: 10.1016/0921-5093(90)90085-H.

27. Laser surface hardening of carburized steels: A review of process parameters and application in gear manufacturing / J. Kluczynski, K. Jasik, J. Luszczek, J. Pokropek // Materials. – 2025. – Vol. 18 (15). – P. 3623. – DOI: 10.3390/ma18153623.

28. Lach L. Recent advances in laser surface hardening: techniques, modeling approaches, and industrial applications // Crystals. – 2024. – Vol. 14 (8). – P. 726. – DOI: 10.3390/cryst14080726.

29. Decarburization during laser surface processing of steel / N. Maharjan, W. Zhou, Y. Zhou, N. Wu // Applied Physics A. – 2018. – Vol. 124 (10). – P. 682. – DOI: 10.1007/s00339-018-2104-5.

30. Application of plasma surface quenching to reduce rail side wear / M.V. Konstantinova, A.E. Balanovskiy, V.E. Gozbenko, S.K. Kargapoltsev, A.I. Karlina, M.G. Shtayger, E.A. Guseva, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012146. – DOI: 10.1088/1757-899X/560/1/012146.

31. Processing and application of ultra disperse wastes of silicon production in construction / V.V. Kondratiev, A.I. Karlina, E.A. Guseva, M.V. Konstantinova, A.A. Kleshnin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 463 (3). – P. 032068. – DOI: 10.1088/1757-899X/463/3/032068.

32. Complex metallographic researches of 110G13L steel after heat treatment / A.E. Balanovsky, M.G. Shtayger, V.V. Kondrat'Ev, S.A. Nebogin, A.I. Karlina // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 411 (1). – P. 012014. – DOI: 10.1088/1757-899X/411/1/012014.

33. Comparative metallographic analysis of the structure of St3 steel after being exposed to different ways of work-hardening / A.E. Balanovsky, M.G. Shtayger, M.V. Grechneva, V.V. Kondrat'ev, A.I. Karlina // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 411 (1). – P. 012012. – DOI: 10.1088/1757-899X/411/1/012012.

34. Capability enhancement of production of activating fluxes for arc welding using ultradispersed products of silicon waste processing / N.N. Ivanchik, A.E. Balanovsky, M.G. Shtayger, I.A. Sysoev, A.I. Karlina // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 411 (1). – P. 012035. – DOI: 10.1088/1757-899X/411/1/012035.

35. Development of rolling procedures for pipes of K55 strength class at the laboratorial mill / R.R. Adigamov, K.A. Baraboshkin, P.A. Mishnev, A.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2022. – Vol. 24. – P. 60–66. – DOI: 10.17580/cisisr.2022.02.09.

36. Change in the properties of rail steels during operation and reutilization of rails / K. Yelemessov, D. Baskanbayeva, N.V. Martyushev, V.Y. Skeeba, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 1043. – DOI: 10.3390/met13061043.

37. Determination of rail steel structural elements via the method of atomic force microscopy / A.E. Balanovskiy, M.G. Shtaiger, V.V. Kondratyev, A.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2022. – Vol. 23. – P. 86–91. – DOI: 10.17580/cisisr.2022.01.16.

38. Description of the complex of technical means of an automated control system for the technological process of thermal vortex enrichment / V.V. Kondrat'ev, V.O. Gorovoy, A.D. Kolosov, R.V. Kononenko, V.Y. Konyukhov // Journal of Physics: Conference Series. – 2020. – Vol. 1661 (1). – P. 012101. – DOI: 10.1088/1742-6596/1661/1/012101.

39. An investigation into the behavior of cathode and anode spots in a welding discharge / A.I. Karlina, A.E. Balanovskiy, V.V. Kondratiev, V.V. Romanova, A.G. Batukhtin, Y.I. Karlina // Applied Sciences Switzerland. – 2024. – Vol. 14 (21). – P. 9774. – DOI: 10.3390/app14219774.

40. Checking of convergence of the finite element model for the software complex Simufact Welding with the real experiment using the method of additive manufacturing WAAM / A.I. Karlina, V.V. Kondratyev, A.E. Balanovskiy, N.A. Astafyeva // CIS Iron and Steel Review. – 2025. – Vol. 29. – P. 82–88. – DOI: 10.17580/cisisr.2025.01.15.

41. Study of hardness distribution in a rail welded joint after welding with accelerated cooling / A.I. Karlina, V.V. Kondratyev, V.E. Gozbenko, R.V. Kononenko // CIS Iron and Steel Review. – 2024. – Vol. 28. – P. 56–62. – DOI: 10.17580/cisisr.2024.02.10.

42. Porosity reduction in metal with hybrid wire and arc additive manufacturing technology (WAAM) / A.I. Karlina, V.V. Kondratyev, A.E. Balanovskiy, N.A. Astafyeva, E.A. Yamshchikova // CIS Iron and Steel Review. – 2024. – Vol. 27. – P. 91–95. – DOI: 10.17580/cisisr.2024.01.14.

43. Hybrid processing: The impact of mechanical and surface thermal treatment integration onto the machine parts quality / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, A.V. Kutyshkin, K.A. Parts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 126 (1). – P. 012016. – DOI: 10.1088/1757-899x/126/1/012016.

44. Research on the possibility of lowering the manufacturing accuracy of cycloid transmission wheels with intermediate rolling elements and a free cage / E.A. Efremenkov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, M.V. Grechneva, A.V. Olisov, A.D. Ens // Applied Sciences. – 2022. – Vol. 12 (1). – P. 5. – DOI: 10.3390/app12010005.

45. Martyushev N.V., Skeeba V.Yu. The method of quantitative automatic metallographic analysis // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 803 (1). – P. 012094. – DOI: 10.1088/1742-6596/803/1/012094.

46. Skeeba V.Yu., Ivancivsky V.V. Reliability of quality forecast for hybrid metal-working machinery // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2018. – Vol. 194 (2). – P. 022037. – DOI: 10.1088/1755-1315/194/2/022037.

47. Methods and technologies for ensuring the reliability of excitation of synchronous generators of small hydroelectric power stations in Uzbekistan / B. Kenjaev, D. Paluanov, D. Mamatkulov, V. Romanova // E3S Web of Conferences. – 2020. – Vol. 216. – P. 01065. – DOI: 10.1051/e3sconf/202021601065.

48. Advanced approach to compensation of reactive power in isolated arctics electrical supply systems / N. Solonina, K. Suslov, Z. Solonina, V. Romanova // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – Vol. 2032 (1). – P. 012113. – DOI: 10.1088/1742-6596/2032/1/012113.

49. Romanova V., Khromov S., Suslov K. Multi-factor analysis of external effects influencing the operational reliability of asynchronous electric motors // E3S Web of Conferences. – 2020. – Vol. 216. – P. 01084. – DOI: 10.1051/e3sconf/202021601084.

50. Description of the complex of technical means of an automated control system for the technological process of thermal vortex enrichment / V.V. Kondrat'ev, V.O. Gorovoy, A.D. Kolosov, R.V. Kononenko, V.Y. Konyukhov // Journal of Physics: Conference Series. – 2020. – Vol. 1661 (1). – P. 012101. – DOI: 10.1088/1742-6596/1661/1/012101.