Вплив мікроструктури високовуглецевих шарів, отриманих методом електродугового наплавлення …

Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3

105

Савуляк В.І.,
Шенфельд В.Й.,
Панасюк С.О.
Вінницький національний технічний
університет,
м. Вінниця, Україна
E-mail: vsavulyak@mail.ru

ВПЛИВ МІКРОСТРУКТУРИ
ВИСОКОВУГЛЕЦЕВИХ ШАРІВ,

ОТРИМАНИХ МЕТОДОМ
ЕЛЕКТРОДУГОВОГО НАПЛАВЛЕННЯ

З ВИКОРИСТАННЯМ ВУГЛЕЦЕВИХ
ВОЛОКНИСТИХ МАТЕРІАЛІВ,

НА ПАРАМЕТРИ ЗНОСОСТІЙКОСТІ
В УМОВАХ АБРАЗИВНОГО СЕРЕДОВИЩА

УДК 620.178: 621.891

У статті подано результати дослідження зносостійкості в умовах абразивного середовища високовуглеце-

вих покриттів, нанесених методом електродугового наплавлення з використанням вуглецевих волокнистих матеріа-
лів, досліджено вплив їх мікростуктури. Аналіз отриманих даних показав, що більшу зносостійкість в умовах абра-
зивного середовища мають покриття з ледебуритною структурою. Найбільшу інтенсивність зношування мають ви-
соковуглецеві покриття з мартенситно-аустенітною структурою.

Ключові слова: зносостійкість, тертя, покриття, фазові перетворення, абразивне середовище.

Вступ

Аналіз причини виходу з ладу елементів машин та механізмів показує, що приблизно 50 % з них

мають ознаки абразивного зношування. В деяких випадках кількість зношених деталей внаслідок дії аб-
разиву може досягати навіть 80 %. Абразивному зношуванню піддається велика кількість
сільськогосподарських, гірничих, транспортних, дорожньо-будівельних машин та транспортуючих
пристроїв, вузлів металургійного обладнання, робочих коліс та напрямних апаратів гідравлічних турбін,
лопаток газових турбін, бурильного обладнання нафтової та газової промисловості тощо [1, 2].

З погляду зношування та міцності матеріалу, основним елементом, що впливає на тривалість ро-
боти окремих елементів машин, є поверхневий шар. Наплавлення, як один із способів формування по-
верхневого шару і його експлуатаційних властивостей, дозволяє одержати шари з відповідним хімічним
складом з необхідною міцністю та стійкістю до абразивного зношування.

Зносостійкість матеріалу залежить від багатьох факторів, які впливають на взаємодію поверхонь
тертя, але, на погляд авторів [3], вельми суттєвою є структура поверхневих шарів тертя, яка
характеризується енергією взаємодії між фазами, когезією, а відповідно і протидією виниканню
дислокаційних дефектів, що веде до викришування твердих фаз. Це є наслідком того, що дислокації кон-
центруються на границях зерен, підвищуючи крихкість матеріалу.

В роботах [4, 5] автори доводять, що за рахунок контрольованого тепловведення можливо керу-
вати структуроутворенням наплавленого високовуглецевого покриття. Це пояснюється тим, що при
регулюванні швидкості наплавлення від 26 до 11 м/год (рідка зварювальна ванна існує від 0,8 до 5 с)
спостерігається зміна швидкості кристалізації та охолодження наплавленого металу. Швидкість
кристалізації в інтервалі температур 1700 … 1500 °С – від 2000°С/с до 800°С/с, в інтервалі температур
1500 … 1000 °С – від 1800°С/с до 600°С/с. Швидкість охолодження в інтервалі температур 1000 … 500 °С
змінюється від 730°С/с до 350°С/с, а в інтервалі температур 500 … 50 °С – від 120°С/с до 70°С/с .

Для роботи в парах тертя «високовуглецеве покриття – сталь» необхідно отримувати структури,
у яких відсутні структурно-вільні карбіди.

Мета і постановка задачі

Метою роботи є визначення впливу мікроструктури високовуглецевих шарів, отриманих мето-

дом електродугового наплавлення з використанням вуглецевих волокнистих матеріалів, на параметри
зносостійкості в умовах абразивного середовища.

Виклад матеріалів досліджень

Для вивчення впливу структури наплавлених високовуглецевих покриттів на параметри зносо-

стійкості використовувались зразки з різними структурами. Відповідні структури високовуглецевих пок-
риттів отримали шляхом зміни швидкості охолодження наплавленого металу [6].

Випробуваннями на знос піддавалися наплавлені зразки з такими структурами (по три зразки в
серії): Ледебурит 100%; Аустеніт 20% + Мартенсит 10% + Ледебурит 70%; Аустеніт 60% + Мартен-

Вплив мікроструктури високовуглецевих шарів, отриманих методом електродугового наплавлення …

Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3

106

сит 30% + Ледебурит 10%; Аустеніт 60% + Мартенсит 40%; Мартенсит 80% +Аустеніт 20%; Мартенсит
90% +Аустеніт 10%. [6].

Нанесення покриття виконувалось на установці для наплавлення в середовищі захисних газів
УД-209М, дротом Нп-30ХГСА. В якості джерела вуглецю застосували вуглецеву тканину марки УУТ-2
ТУ6-06 И 78-85, із щільністю 250 г/м2.

Після наплавлення зразки шліфувалися на глибину до 1 мм.
Досліджування зношування високовуглецевих покриттів, отриманих наплавленням з викори-

станням вуглецевих волокнистих матеріалів, проводились за схемою торцевого тертя (рис. 1), яка роз-
роблена та використовується на кафедрі технології підвищення зносостійкості Вінницького
національного технічного університету. На пружній основі установки 1 наклеєні тензодатчики 7. За до-
помогою датчиків 7 визначається момент тертя та нормальне навантаження, значення яких за допомо-
гою аналогово-цифрового перетворювача 8 виводяться на комп’ютер. На пружній основі 1 за допомогою
шпильок закріплюється також контртіло 3. Конструкція захищена кожухом 2. При терті в абразивному
середовищі на контртіло насипається абразив, Зразки 5 за допомогою гвинтів закріплюються в тримачеві 4.

Визначався момент тертя, шлях тертя, швидкість тертя і нормальне зусилля, яке змінювали за
допомогою гир. Величину зношування визначали за втратою маси зразка шляхом зважування на
аналітичних вагах RADWAG AS220C.

Кількісно інтенсивність зношування поверхні (масова та лінійна) визначалась за формулами
(1, 2).

/ ,мІ m L  [мг/км], (1)
де ∆m – ваговий знос, мг;
L – шлях тертя, км.

410





LS
m

I л , (2)

де ∆m – ваговий знос, г;
S – площа тертя зразка, см2;
ρ – густина матеріалу зразка, г/см3;
L – шлях тертя, км.

Рис. 1 – Схема для випробування на зношування:
1 – пружна основа установки; 2 – кожух; 3 – контртіло;

4 – тримач зразків; 5 – зразки; 6 – шпильки;
7 – тензодатчики; 8 – аналогово-цифровий перетворювач

Твердість поверхонь, які досліджуються складає HRC 41 … 60 в залежності від структури

покриття. Твердість контртіла - HRC 54 … 56. Зразки перед зважуванням промивались авіаційним
бензином, а потім висушувались в термостаті при 373 К протягом 1 год.

Величина основних параметрів процесу тертя визначались після завершення процесу припрацю-
вання, стабілізації коефіцієнта тертя і вагового зносу пари тертя.

В табл. 1 показані режими зношування в умовах абразивного тертя.

Вплив мікроструктури високовуглецевих шарів, отриманих методом електродугового наплавлення …

Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3

107

Таблиця 1
Режими зношування в умовах абразивного тертя

№ Параметри Величина
1 Швидкість тертя, Vt 0,9 м/с
2 Питоме навантаження на зразок, Q 5 МПа
3 Вид тертя Абразивне
4 Шлях тертя 14000 м

5 Матеріал абразива Кварцевий пісок фракцією 600 мкм і твердістю 13500 МПа

Результати експерементальних досліджень зношування зразків з різними структурними

складовими в абразивному середовищі при різному шляху тертя показані в табл. 2.

Таблиця 2
Зношування наплавлених високовуглецевих зразків з різними структурними складовими

в абразивному середовищі при різному шляху тертя

Ваговий знос, г
шлях тертя, м № з/п

Структура покриття Твердість, HRС

3500 7000 10500 14000
1 Мартенсит 90% +Аустеніт 10% 54 0,035 0,065 0,086 0,105
2 Мартенсит 80% +Аустеніт 20% 54 0,042 0,077 0,106 0,131
3 Аустеніт 60% + Мартенсит 40% 48 0,058 0,107 0,149 0,187

4 Аустеніт 60% + Мартенсит 30% + + Ледебурит 10% 44 0,045 0,084 0,115 0,138

5 Аустеніт 20% + Мартенсит 10% + +Ледебурит 70% 51 0,027 0,05 0,07 0,088

6 Ледебурит 100% 60 0,021 0,039 0,054 0,068

Кінетика зношування високовуглецевих покриттів при наступних структурних складових пок-
риття показана на рис. 2.

Рис. 2 – Кінетика абразивного зношування високовуглецевих покриттів з структурним складом:
1 – Мартенсит 90% +Аустеніт 10%;
2 – мартенсит 80% +Аустеніт 20%;
3 – аустеніт 60% + Мартенсит 40%;

4 – аустеніт 60% + Мартенсит 30% + Ледебурит 10%;
5 – аустеніт 20% + Мартенсит 10% + Ледебурит 70%;

6 – ледебурит 100%

Кількісно інтенсивність зношування поверхні на шляху тертя 14000 метрів визначалась за фор-
мулою (2) [7]. Отримані розрахунки зведено до табл. 3.

2
4

Шлях тертя, м

Зн
ос

, г

0,02

0,08
0,06

0,04

0,1
0,12

0,14
0,16
0,18

0,2

0
0 3500 7000 10500 14000

Вплив мікроструктури високовуглецевих шарів, отриманих методом електродугового наплавлення …

Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3

108

Таблиця 3
Інтенсивність зношування високовуглецевого покриття

за умови зміни структурних складових покриття в абразивному середовищі
Інтенсивність зношування, Іл · 10-7 (шлях тертя 14000 м)

мартенсит 90%
аустеніт 10%

мартенсит 80%
аустеніт 20%

аустеніт 60%
мартенсит 40%

аустеніт 60%
мартенсит 30%
ледебурит 10%

аустеніт 20%
мартенсит 10%
ледебурит 70%;

ледебурит 100%

1,9 2,4 3,4 2,5 1,6 1,2

На рис. 3 показана зносостійкість високовуглецевих покриттів з різними структурами в умовах
абразивного середовища (шлях тертя 14000 м).

Рис. 3 – Зносостійкість високовуглецевого покриття
з різними структурами в умовах абразивного середовища

Як показано вище, високу зносостійкість в процесі абразивного зношування з невисокими пито-

мими тисками в контакті показують залізовуглецеві сплави з мартенситно - аустенітно - ледебуритною
структурою. При часі існування зварювальної ванни в рідкому стані 1,2 секунди, отримане покриття
складається з двох шарів. Швидкість кристалізації в інтервалі температур 1700 … 1000 °С для такого ре-
жиму нанесення покриття складає 1600…1500 °С/с. Швидкість охолодження в інтервалі температур
1000 … 500 °С складає 570 °С/с, а в інтервалі температур 500 - 50 °С складає 100 °С/с.

Накладемо криву охолодження на термокінетичну діаграму та прослідкуємо можливі структурні
перетворення отриманого покриття (рис. 4, а).

а б

Рис. 4 – Термокінетична діаграма та крива охолодження наплавленого покриття:
а – (tр = 1,2 с);
б – (tр = 0,8 с)

Структурні складові

Л 100% А10%,
М90%,

А20%,
М80%,

А60%, М40%,

А60%,
М30%,
Л10%

А20%, М10%,
Л70%

Зн
ос

ос
ті

йк
іс

ть

Вплив мікроструктури високовуглецевих шарів, отриманих методом електродугового наплавлення …

Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3

109

При данних швидкостях охолодження, в інтервалі температур від 670 °С до 540 °С, відбуваеться
перетворення аустеніту в ледебурит. При температурі 140 °С та нижче відбувається утворення високо-
вуглецевого пластинчастого мартенситу з переохолодженого аустеніту (Hµ 960), а частина аустеніту
залишається (рис. 5). Але за рахунок ще більш повільного охолодження концентрація мартенситу в на-
плавленому шарі буде складати біля 20 … 30 % (рис. 5).

Ледебурит Мартенсит Аустеніт

Рис. 5 – Мікроструктури верхнього шару
наплавленого високовуглецевого покриття при tp = 1,2 c

Перехідна зона розглянутих зразків складається з відносно дрібної цементитної сітки, яка
охоплює пластинки високовуглецевого мартинситу (рис. 6).

Рис. 6 – Мікроструктури перехідної зони
наплавленого високовуглецевого покриття при tp= 1,2 c

Зменьшення часу існування зварювальної ванни в рідкому стані до 1 секунди, збільшує

швидкість кристалізації та швидкість охолодження. Швидкість кристалізації в інтервалі температур
1700 … 1000 °С складає 1900 … 1630 °С/с. Швидкість охолодження в інтервалі температур 1000 …5 00 °С
складає 650 °С/с, а в інтервалі температур 500 … 50 °С складає 110 °С/с. Структурні перетворення отри-
маного високовуглецевого покриття подібні до перетворень, що відбуваються при часі існування
зварювальної ванни в рідкому стані 1,2 сек (рис. 4, а). Але кількість мартенситу зменьшується приблизно
до 5 … 10 % (рис. 7).

Вплив мікроструктури високовуглецевих шарів, отриманих методом електродугового наплавлення …

Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3

110

Рис. 7 – Мікроструктури наплавленого валка
високовуглецевого покриття при tp = 1 c

Перехідна зона складається з високовуглецевого пластинчастого мартенситу та залишкового

аустеніту (рис. 8).

Рис. 8 – Мікроструктури перехідної зони наплавленого
високовуглецевого покриття при tp=1 с

Для зварювальної ванни з часом існування в рідкому стані 0,8 секунди швидкість кристалізації в

інтервалі температур 1700 … 1000 °С складає 2000 … 1800 °С/с. Швидкість охолодження в інтервалі
температур 1000 … 500 °С складає 730 °С/с, а в інтервалі температур 500 … 50 °С складає 120 °С/с. Ви-
користовуючи термокінетичну діаграму, прослідкуємо структурні перетворення отриманого високовуг-
лецевого покриття (рис. 4, б). При температурі 650 °С починається перетворення аустеніту в ледебурит
(рис. 9). Дане перетворення закінчиться при температурі 540 °С. Отримане покриття має структуру
білого чавуну.

Рис. 9 – Мікроструктури наплавленого
високовуглецевого покриття при tp=0,8 с

Ледебурит

Вплив мікроструктури високовуглецевих шарів, отриманих методом електродугового наплавлення …

Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3

111

Рис. 10 – Мікроструктура перехідної зони наплавленого
високовуглецевого покриття при tp= 0,8 с

Перехідна зона складається з високовуглецевого пластинчастого мартенситу, який утворився за

рахунок відводу тепла в матеріал заготовки. Внаслідок цього збільшилась швидкість охолодження. Та-
кож залишилася невелика кількість аустеніту (рис. 10).

Висновки

За рахунок контрольованого тепловведення можливо керувати структуроутворенням наплавле-

ного високовуглецевого покриття, його фізико-механічними властивостями, та зносостійкістю.
Аустеніт та вторинні структури в умовах абразивного середовища впливають слабко на

інтенсивність зношування. Найкраще працюють структури з ледебуритною структурою (HRC 60). Вик-
ришування крихких твердих включень суттєво не змінюють ситуацію, оскільки в середовищі і так багато
включень абразиву.

Аналіз отриманих даних показав, що найменшу інтенсивність зношування (більшу
зносостійкість) в умовах абразивного середовища мають високовуглецеві покриття з ледебуритною
структурою. Найбільшу інтенсивність зношування (меньшу зносостійкість) мають високовуглецеві по-
криття з мартенситно-аустенітною структурою.

Література

1. Попов С. М. Триботехнічні та матеріалознавчі аспекти руйнування сталей і сплавів при

зношуванні / С. М. Попов, Д. А. Антонюк, В. В. Нетребко. – Запоріжжя: ЗНУ, ВАТ «Мотор Січ». – 2010.
– 368 с.

2. Сорокин В. М. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин / В. М. Со-
рокин, А. С. Курников. – Н.: Новгород: ВГАВТ, 2006. – 296с.

3. Лобурак В. Я. Вплив структури поверхні тертя на зносостійкість матеріалу / В. Я. Лобурак,
І. Й. Перкатюк // Фізика і хімія твердого тіла. –2012. – № 3. – С. 778-780.

4. Савуляк В. І. Вплив мікроструктури високовуглецевих шарів, отриманих методом електроду-
гового наплавлення з використанням вуглецевих волокнистих матеріалів, на параметри зносостійкості в
умовах сухого тертя ковзання / В. І. Савуляк, В. Й Шенфельд, С. О. Панасюк // Наукові нотатки, вип. 49,
ч. 1. – Луцьк, 2015 – С. 139 - 143.

5. Savulyak V. I. Obtaining high-carbon coatings from martensite-austenitic structure for work under
conditions of sliding friction without lubricants / V. I. Savulyak, V. Y. Shenfeld, S. O. Panasyuk // TEHNOMUS
«New Technologies and Products in Machines Manufacturing Technologies» journal / Romania, 2015 – s462–
468.

6. Савуляк В. І. Вплив швидкості наплавлення на зносостійкість високовуглецевих шарів, нане-
сених методом електродугового наплавлення з використанням вуглецевих волокнистих матеріалів / В. І.
Савуляк, В. Й Шенфельд, О. Б. Янченко // «Наукові нотатки» міжвузівський збірник (за галузями знань
«машинобудування та металообробка», «інженерна механіка», «металургія та матеріалознавство») / ви-
пуск 41 частина 1 – Луцьк, 2013 – С. 224-229.

7. Сафонова Б. П. Инженерная трибология: оценка износостойкости и ресурса трибосопряжений
/ Б. П. Сафонова, А. В. Бегова. – Новомосковск, 2004. – 65 с.

Надійшла в редакцію 16.09.2015

Вплив мікроструктури високовуглецевих шарів, отриманих методом електродугового наплавлення …

Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3

112

Savulyak V.I., Shenfeld V.Y., Panasiuk S.O. Effect of high-carbon layer microstructure obtained by arc

welding using carbon fiber materials, the parameters of durability to abrasion environment.

The aim is to determine the effect of high-carbon layer microstructure obtained by arc welding using carbon fiber

materials, the parameters of durability to abrasion environment.
Introduction article shows the importance of the problem by exploring the authors.
The main article provides partial equipment on which tests conducted on samples of high carbon wear. Installation

is developed and used to improve the wear resistance technology department of Vinnytsia National Technical University.
High carbon samples had different structure. There are modes in which the samples tested for wear.

Shown wear high carbon intensity of coverage provided coverage changes structural components in abrasive
environments. Further highlights high wear resistance carbon coatings with different structures abrasion protection (by
rubbing 14,000 m). Also, an analysis of the impact of each layer of high-microstructure obtained by arc welding using carbon
fiber materials, the parameters of durability to abrasion environment.

At the end of the article, the authors suggest the findings of the study. Analysis of the data showed that a greater
wear resistance under abrasive environment with coverage of ledeburytnoyu structure. The greatest intensity of wear have a
covering of high carbon martensite-austenitic structure.

Key words: wear resistance, friction, coatings, phase transformations, abrasive environment.

References

1. Popov S.M., AntonyukD.A., Netrebko V.V. Trybotekhnichni ta materialoznavchi aspekty

ruynuvannya staley i splaviv pry znoshuvanni, Zaporizhzhya: ZNU, VAT «Motor Sich», 2010, 368 s.
2. Sorokyn V.M., SorokynV.M. , Kurnykov A.S. Osnovy trybotekhniky y uprochnenyia poverkhnostei

detalei mashyn. N.: Novhorod: VHAVT, 2006. 296s.
3. Loburak V.Ia., Perkatiuk I.I. Vplyv struktury poverkhni tertia na znosostiikist materialu. Fizyka i

khimiia tverdoho tila. 2012. № 3.– S. 778–780.
4. Savuliak V.I., ShenfeldV.I, Panasiuk S.O. Vplyv mikrostruktury vysokovuhletsevykh shariv,

otrymanykh metodom elektroduhovoho naplavlennia z vykorystanniam vuhletsevykh voloknystykh materialiv,
na parametry znosostiikosti v umovakh sukhoho tertia kovzannia. «Naukovi notatky» mizhvuzivskyi zbirnyk (za
haluziamy znan «mashynobuduvannia ta metaloobrobka», «inzhenerna mekhanika», «metalurhiia ta
materialoznavstvo»). vypusk 49 chastyna 1. Lutsk, 2015. S.139–143.

5. Savulyak V. I., ShenfeldV.I, Panasiuk S.O. Obtaining high-carbon coatings from martensite-
austenitic structure for work under conditions of sliding friction without lubricants. TEHNOMUS «New Tech-
nologies and Products in Machines Manufacturing Technologies» journal. Romania, 2015. s. 462–468.

6. Savuliak V. I. ShenfeldV.I, Yanchenko O.B. Vplyv shvydkosti naplavlennia na znosostiikist vysok-
ovuhletsevykh shariv, nanesenykh metodom elektroduhovoho naplavlennia z vykorystanniam vuhletsevykh vo-
loknystykh materialiv. «Naukovi notatky» mizhvuzivskyi zbirnyk (za haluziamy znan «mashynobuduvannia ta
metaloobrobka», «inzhenerna mekhanika», «metalurhiia ta materialoznavstvo»). vypusk 41 chastyna 1. Lutsk,
2013. S.224–229.

7. Safonova B. P., Begova A.V. Inzhenernaya tribologiya: otsenka iznosostoykosti i resursa triboso-
pryazheniy. Novomoskovsk, 2004. 65 s.

bookmark1