Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет35667610.17212/1994-6309-2025-27.4-287-308MATERIAL SCIENCEМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕResearch ArticleStudy of abrasive wear resistance of flux-cored wires during surfacing on high-manganese Hadfield steelИсследование абразивной износостойкости порошковых проволок при наплавке на высокомарганцовистую сталь Гадфильдаhttps://orcid.org/0000-0001-6519-561X57210311769AAP-4915-20213455-0836KarlinaYulia I.КарлинаЮлия Игоревна
Russian Federation

Ph.D. (Engineering)

канд. техн. наук

jul.karlina@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9137-940456769690400JTT-2083-20233445-3288KonyukhovVladimir Yu.КонюховВладимир Юрьевич
Russian Federation

Ph.D. (Engineering), Professor

канд. техн. наук, профессор

konyukhov_vyu@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9062-655457222118655KKT-9622-20245697-2740OparinaTatiana A.ОпаринаТатьяна Александровна
Russian Federation

Assistant

ассистент

martusina2@yandex.ruNational Research Moscow State University of Civil EngineeringНациональный исследовательский Московский государственный строительный университетIrkutsk National Research Technical UniversityИркутский национальный исследовательский технический университетCherepovets State UniversityЧереповецкий государственный университет274VOL 27, NO4 (2025)ТОМ 27, №4 (2025)28730807122025Copyright ©; 2025, Karlina Y.I., Konyukhov V.Y., Oparina T.A.Copyright ©; 2025, Карлина Ю.И., Конюхов В.Ю., Опарина Т.А.2025Karlina Y.I., Konyukhov V.Y., Oparina T.A.Карлина Ю.И., Конюхов В.Ю., Опарина Т.А.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/356676

Introduction. Austenitic high-manganese steel is commonly used in various railway and mining components, such as crusher plates, where high impact and abrasive resistance and sliding wear resistance are required, as it exhibits a unique combination of high toughness and high work-hardening ability. Therefore, it is important to understand the behavior of wear-resistant materials such as austenitic high-manganese steel under impact and sliding wear. However, this steel has a limitation: it develops its high work-hardening ability only under high impact loads and high-stress conditions. Alternatively, various hardening methods, surfacing, or replacement with low-carbon, high-alloy steels and high-chromium cast irons are used. The purpose of this study is to evaluate the abrasive wear resistance of flux-cored wires during surfacing on high-manganese Hadfield steel. Methods and materials. This study examines surfacing wires whose main alloying elements are chromium, vanadium, and tungsten. The chemical composition of the surfaced samples was determined using a BRUKER S1 TITAN portable X-ray fluorescence analyzer for metals and alloys. A Duramin-40 AC3 hardness tester (STRUERS APS, Ballerup, Denmark) was used to measure Rockwell hardness. 1.1% C-13% Mn steel demonstrated an initial bulk hardness of HRc = 23 ± 3. Specimens for microstructural study were selected from cast and surfaced samples. The microstructures were examined by optical microscopy after etching in 2.5% nitric acid solutions, rinsing in methanol, and immersion in 15% HCl solution. Impact abrasive wear tests were conducted on a DUCOM (TR-56-M3) impact abrasive wear testing machine (made in India). Results and discussion. An analysis of a cross-section of a 1.1% C-13% Mn steel specimen after abrasive wear testing revealed crack propagation beneath the surface of the part, with no visible connection to the surface, indicating that cracks initiated both at and below the surface. The microstructure of the surfaced layers, rich in finely dispersed boron carbides dispersed in the martensitic matrix, combined with a lamellar molybdenum boride phase, suggests that the material surfaced on Hadfield steel may possess higher hardness and wear resistance than the base material. Industrial tests of surfaced beaters revealed that the dominant wear mechanisms are micro-cutting, pitting, and micro-fracture (chipping and micro-indentation). Based on the results of the studies of surfacing materials, it can be concluded that wires with chromium content in the range of 3–6% have the characteristics for applications requiring high abrasive wear resistance in the mining industry.

Введение. Аустенитная высокомарганцовистая сталь обычно используется в различных компонентах железнодорожной и горнодобывающей промышленности (например, для плит дробилок), где требуется высокая ударная абразивная стойкость и стойкость к износу скольжения, поскольку эта сталь демонстрирует уникальное сочетание высокой вязкости и высокой способности к упрочнению. Поэтому важно знать поведение износостойких материалов, таких как аустенитная высокомарганцовистая сталь, при ударном истирании и износе скольжения. Однако эта сталь имеет ограничение, заключающееся в том, что она развивает свою высокую способность к упрочнению только при высоких ударных нагрузках и условиях высокого напряжения. В качестве альтернативы используются различные способы упрочнения, наплавки или замена низкоуглеродистыми высоколегированными сталями и высокохромистыми чугунами. Цель настоящей работы: провести оценку абразивной износостойкости порошковых проволок при наплавке на высокомарганцовистую сталь Гадфильда. Методы и материалы исследований. В работе рассмотрены наплавочные проволоки, где основными легирующими элементами являются хром, ванадий и вольфрам. Химический состав наплавленных образцов был определен с помощью портативного рентгенофлоуресцентного анализатора металлов и сплавов BRUKER S1 TITAN. Твердомер Duramin-40 AC3 (STRUERS APS, Ballerup, Дания) использовался для измерения твердости по Роквеллу. Сталь 110Г13Л показала исходную объемную твердость HRc = 23 ± 3. Образцы для микроструктурного исследования отбирали из литых и наплавленных образцов. Микроструктуры исследовали методом оптической микроскопии после травления в 2,5%-м растворе азотной кислоты, промывки в метаноле и выдержки в 15%-м растворе HCl. Испытания на ударный абразивный износ проводились на машине для испытания на ударный абразивный износ DUCOM TR-56-M3 (Индия). Результаты и обсуждение. В результате анализа поперечного сечения образца стали 110Г13Л после испытаний на абразивное изнашивание было обнаружено распространение трещин под поверхностью детали без видимой связи с поверхностью, это говорит о том, что трещины зарождались как на поверхности, так и под поверхностью. Микроструктура наплавленных слоев, богатая мелкодисперсными карбидами бора, диспергированными в мартенситной матрице, в сочетании с пластинчатой фазой борида молибдена, позволяет предположить, что материал, нанесённый на сталь Гадфильда, может обладать более высокой твёрдостью и износостойкостью, чем подложка. Проведенные промышленные испытания наплавленных бил показали, что доминирующими механизмами износа являются микропорезы, точечная коррозия и микроразрывы (сколы и микровмятины). По результатам исследований наплавочных материалов можно сделать вывод о том, что проволоки с содержанием хрома в диапазоне 3–6 % обладают характеристиками для применений, требующих высокой абразивной износостойкости, в горнодобывающей промышленности.

Plasma boridingAmorphous boronIron boridesCoatingПлазменное борированиеАморфный борБориды железаПокрытиеTweedale G., Paton W.D.M. Sir Robert Abbott Hadfield F.R.S (1858–1940) and the discovery of manganese steel // Notes and Records of the Royal Society of London. – 1985. – Vol. 40 (1). – P. 63–74.Gauzzi F., Rossi M., Verdini B. Cold-working induced martensitic transformation in 12 percent Mn austenitic steel (Hadfield steel) // Metallurgia Italiana. – 1971. – Vol. 63 (11). – P. 555.Dastur Y.N., Leslie W.C. Mechanism of work hardening in Hadfield manganese steel // Metallurgical transactions A. – 1981. – Vol. 12 (5). – P. 749–759. – DOI: 10.1007/BF02648339.Bhattacharyya S. A friction and wear study of Hadfield manganese steel // Wear. – 1966. – Vol. 9 (6). – P. 451–461. – DOI: 10.1016/0043-1648(66)90136-0.The deformation, strain hardening, and wear behavior of chromium-alloyed Hadfield steel in abrasive and impact conditions / M. Lindroos, M. Apostol, V. Heino, K. Valtonen, A. Laukkanen, K. Holmberg, V.T. Kuokkala // Tribology Letters. – 2015. – Vol. 57 (3). – P. 24. – DOI: 10.1007/s11249-015-0477-6.Тен Э.Б., Базлова Т.А., Лихолобов Е.Ю. Влияние внепечной обработки на структуру и механические свойства стали 110Г13Л // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2015. – № 3. – С. 26–28.Болобов В.И., Бочков В.С., Цинянь С. Износостойкость стали Гадфильда при больших удельных нагрузках // Горное оборудование и электромеханика. – 2012. – № 10. – С. 12–14.Исследование механизмов абразивного и ударно-абразивного изнашивания высокомарганцевой стали / В.М. Колокольцев, К.Н. Вдовин, В.П. Чернов, Н.А. Феоктистов, Д.А. Горленко, В.К. Дубровин // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – 2017. – № 2. – C. 54–62. – DOI: 10.18503/1995-2732-2017-15-2-54-62.Разработка износостойких деталей из высокомарганцевой модифицированной стали 110Г13Л / Ш.М. Чоршанбиев, К.А. Каримов, Ш.Р. Адилова, Н.Д. Тураходжаев, A. Еркинджонов, М.М. Мирмухамедов, Дж.Х. Шарипов, З.Р. Обидов, Х. Комолов // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. – 2024. – Т. 17 (2). – С. 175–185. – На англ. яз. – EDN ITXLPA.Болобов В.И., Чупин С.А. Влияние вида упрочняющей обработки на износостойкость материалов горного оборудования // Записки Горного института. – 2015. – Т. 216. – С. 44–48.Износостойкость стали 110Г13Л в различных абразивных средах / В.И. Болобов, А.П. Баталов, В.С. Бочков, С.А. Чупин // Записки Горного института. – 2014. – Т. 209. – С. 17–22.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.Features of investigation of steels with a metastable austenitic structure / V.G. Teplukhin, A.I. Popov, V.N. Kudryavtsev, D.S. Fomin, M.M. Radkevich // Advances in Mechanical Engineering: Selected contributions from the conference “Modern engineering: Science and education”, Saint Petersburg, Russia, June 2022. – Cham: Springer Nature Switzerland, 2023. – P. 164–171. – DOI: 10.1007/978-3-031-30027-1_18.Formation of a dissipative structure of metastable austenite for raising the wear resistance of carbon steels / M.A. Filippov, V.P. Shveikin, V.A. Sharapova, S.M. Nikiforova, M.S. Khadyev // Metal Science and Heat Treatment. – 2023. – Vol. 64 (9). – P. 509–515. – DOI: 10.1007/s11041-023-00854-w.Surface wear in Hadfield steel castings DOPED with nitrided vanadium / K. Vdovin, A. Pesin, N. Feoktistov, D. Gorlenko // Metals. – 2018. – Vol. 8 (10). – P. 845. – DOI: 10.3390/met8100845.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.Operational factors of new flux cored wires of the Fe–C–Si–Mn–Cr–Ni–Mo system for surfacing of protective plates of shearer cutting drums / N. Kozyrev, A. Usoltsev, R. Kryukov, A. Gusev, I. Osetkovskiy // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2019. – Vol. 377. – P. 012022. – DOI: 10.1088/1755-1315/377/1/012022.Эксплуатационные показатели новых порошковых проволок системы Fe-C-Si-Мn-Сr-Ni-Mo / Н.А. Козырев, А.А. Усольцев, Р.Е. Крюков, А.И. Гусев, И.В. Осетковский // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. – 2019. – Т. 75, № 7. – С. 860–869. – EDN HQDATQ.Наплавка порошковыми проволоками систем C–Si–Mn–Мо–V–В и C–Si–Mn–Cr–Mo–V деталей горнорудного оборудования / А.И. Гусев, Н.В. Кибко, М.В. Попова, Н.А. Козырев, И.В. Осетковский // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. – 2017. – Т. 60, № 4. – С. 318–323. – DOI: 10.17073/0368-0797-2017-4-318-323.Шляхова Г.В., Данилов В.И. Исследование влияния электродуговой наплавки на структуру и свойства покрытий // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. – 2024. – Т. 67, № 4. – С. 433–439. – DOI: 10.17073/0368-0797-2024-4-433-439.Metlitskii V.A. Flux-cored wires for arc welding and surfa­cing of cast iron // Welding International. – 2008. – Vol. 22 (11). – P. 796–800. – DOI: 10.1080/09507110802593646.Pulsed TIG cladding of a highly carbon-, chromium-, molybdenum-, niobium-, tungsten- and vanadium-alloyed flux-cored wire electrode on duplex stainless steel X2CrNiMoN 22-5-3 / D. Muta?cu, O. Karancsi, I. Mitelea, C.M. Craciunescu, D. Buzdugan, I.D. U?u // Materials. – 2023. – Vol. 16 (13). – P. 4557. – DOI: 10.3390/ma16134557.Exploring the trends in flux-cored arc welding: scientometric analysis approach / A. Swierczynska, B. Varbai, C. Pandey, D. Fydrych // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2024. – Vol. 130 (1). – P. 87–110. – DOI: 10.1007/s00170-023-12682-6.Golyakevich A.A., Orlov L.N., Maksimov S.Yu. Peculiarities of welding process using metal cored wire of TMV5-MK grade // The Paton Welding Journal. – 2019. – Vol. 6. – P. 50–53. – DOI: 10.15407/tpwj2019.06.10.Sabzi M., Obeydavi A., Mousavi Anijdan S.H. The effect of joint shape geometry on the microstructural evolution, fracture toughness, and corrosion behavior of the welded joints of a Hadfield steel // Mechanics of Advanced Materials and Structures. – 2019. – Vol. 26 (12). – P. 1053–1063. – DOI: 10.1080/15376494.2018.1430268.Eremin E.N., Losev A.S. A flux-core wire for hardfacing sealing surfaces of stop valves // Welding International. – 2016. – Vol. 30 (3). – P. 216–219. – DOI: 10.1080/09507116.2015.1044268.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.Lee C.M., Woo W.S., Roh Y.H. Remanufacturing: Trends and issues // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology. – 2017. – Vol. 4 (1). – P. 113–125. – DOI: 10.1007/s40684-017-0015-0.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.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 (6). – P. 1043. – DOI: 10.3390/met13061043.Investigation of macro and micro structures of compounds of high-strength rails implemented by contact butt welding using burning-off / M.G. Shtayger, A.E. Balanovskiy, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina, Yu.I. Karlina, A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012190. – DOI: 10.1088/1757-899X/560/1/012190.Surface hardening of structural steel by cathode spot of welding arc / A.E. Balanovskiy, M.G. Shtayger, A.I. Karlina, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, Yu.I. Karlina, A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012138. – DOI: 10.1088/1757-899X/560/1/012138.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.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.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.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.Defining efficient modes range for plasma spraying coatings / E.A. Zverev, V.Yu. Skeeba, P.Yu. Skeeba, I.V. Khlebova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2017. – Vol. 87 (8). – P. 082061. – DOI: 10.1088/1755-1315/87/8/082061.Influence of welding regimes on structure and properties of steel 12KH18N10T weld metal in different spatial positions / R.A. Mamadaliev, P.V. Bakhmatov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1255–1264. – DOI: 10.1007/s11015-022-01271-9.Plasma-arc surface modification of metals in a liquid medium / A.E. Balanovsky, M.G. Shtayger, V.V. Kondrat'ev, V. Van Huy, A.I. Karlina // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 411 (1). – P. 012013. – DOI: 10.1088/1757-899X/411/1/012013.Karlina A.I., Karlina Y.I., Gladkikh V.A. Studying the microstructure, phase composition, and wear resistance of alloyed layers after laser surface melting of low-carbon steel 20 // Metallurgist. – 2024. – Vol. 68 (5). – P. 757–766. – DOI: 10.1007/s11015-024-01782-7.Study of wear of an alloyed layer with chromium carbide particles after plasma melting / A.I. Karlina, Y.I. Karlina, V.V. Kondratiev, R.V. Kononenko, A.D. Breki // Crystals. – 2023. – Vol. 13 (12). – P. 1696. – DOI: 10.3390/cryst13121696.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.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.