Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет39225910.17212/1994-6309-2026-28.1-275-294MATERIAL SCIENCEМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕResearch ArticleStudy of abrasive wear resistance of low-carbon steel surface-alloyed with the Fe-C-Cr system using gas tungsten arc welding (GTAW)Исследование абразивной износостойкости низкоуглеродистой стали, поверхностно легированной системой железо-хром-углерод с использованием метода дуговой сварки вольфрамовым электродом в защитном газе (GTAW)https://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 университет15032026281VOL 28, NO1 (2026)ТОМ 28, №1 (2026)27529407032026Copyright ©; 2026, Karlina Y.I., Konyukhov V.Y., Oparina T.A.Copyright ©; 2026, Карлина Ю.И., Конюхов В.Ю., Опарина Т.А.2026Karlina 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/392259

Introduction. The surface properties of machine parts and tools play a significant role in their performance when the interactive mechanical action on the metal surface leads to wear. Modifying the surface properties of components is essential, particularly in critical industrial applications. Surface properties such as hardness and wear resistance of a metallic material can be primarily enhanced either by introducing a new phase or element into the surface layer, or by surface treatment (e.g., laser, plasma, or electron beam) of the base material to develop the desired phases within the matrix. Gas tungsten arc welding (GTAW) offers several advantages over other methods, primarily in terms of precision, speed, and versatility at a relatively low cost. Technically, it is capable of alloying the metal surface more quickly and uniformly compared to conventional carburizing and nitriding processes. During arc heating, the surface is modified by melting a paste or coating pre-applied to the substrate through the rapid application of intense arc heat. This results in a steep thermal gradient accompanied by high heating and cooling rates, similar to the principles of laser and electron beam cladding. The objective of the present study is to evaluate the feasibility of surface alloying of low-carbon steel with the Fe–C–Cr system using gas tungsten arc welding (GTAW). Methods. The paper examines low-carbon steels using St3 steel as an example. The steel served as the substrate and was coated with a layer (≤1 mm thick) in experiments employing the Fe–C–Cr surface alloying method via GTAW. A powder mixture of Fe and Cr?O? was used as the coating alloy, with a particle size of 45 μm. The samples were examined using optical and electron microscopy, as well as X-ray diffraction. Abrasion resistance tests were also conducted. Results and discussion. Our research has shown that during gas tungsten arc welding (GTAW), when melting a Fe–C–Cr paste, the shape and size of the fusion zone (FZ) on the steel surface are determined by arc parameters such as current, voltage, and travel speed, while the molten metal pool is protected from atmospheric contamination by an inert argon shielding gas. Adding carbon dioxide to the shielding gas increases the arc's heat input. To produce a series of hypereutectic hardfaced surface layers using the Fe–C–Cr system, paste variants with varying carbon and chromium contents were developed to study their microstructure, wear resistance, and wear mechanism. Positive results were obtained, demonstrating a two- to three-fold increase in abrasive wear resistance.

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.

Chromium carbidesAlloyingWelding arcVoltageWearCoatingКарбиды хромаЛегированиеСварочная дугаНапряжениеИзносПокрытиеWelding 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.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.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.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.Балановский А.Е. Основные вопросы теории плазменного поверхностного упрочнения металлов (Обзор. Ч. 1) // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2015. – № 12. – С. 18–30.Балановский А.Е. Упрочнение поверхности катода при взаимодействии с катодными пятнами дугового разряда // Теплофизика высоких температур. – 1993. – Т. 31, № 2. – С. 328–330.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.