Search

This paper reports a study into estimating the impact of dissolved Si and Cr on the crystalline structure, certain mechanical characteristics, and stability of manganese austenite. The theoretical study was based on the first-principle calculations within a density functional theory (DFT) for austenite structures, which were modeled in the form of 2×2×2 superlattices based on a face-centered cubic lattice.Atoms in the model superlattices were arranged considering the experimental results from analyzing the Mossbauer spectrum and the X-ray phase analysis of experimental alloys corresponding to high manganese steels. The superlattices that represented the structure of the alloyed austenite contained the C atom in the central octahedral pore, which, relative to the Si(Cr) and Mn atoms, was located in the first and second coordinating spheres, respectively.The analysis of calculation results reveals that the dissolution of Si and Cr in manganese austenite leads to an increase in the stability of the austenite phase, both according to the results from modeling within the DFT and based on the findings from the thermodynamic analysis. At the same time, the austenite phase is transferred to the region of plastic materials according to the ratio of the volumetric elasticity to shear modules of ≥1.75 (a B/G criterion). Determining the density of electronic states shows that among the structures studied, the lowest number of electrons at the Fermi level, which indicates the highest electrochemical stability, is characterized by manganese austenite alloyed by Cr.The results of this study provide grounds for expanding the systems of alloying high manganese steels by introducing a significant amount (up to 10 at. %) of Si and Cr, in particular for the application of wear, shock, and corrosion-resistant coatings by the method of electric arc surfacing, Проведено оцінку впливу розчинених Si та Cr на кристалічну структуру, деякі механічні характеристики та стабільність марганцевого аустеніту. Теоретичні дослідження проводили шляхом першопринципних розрахунків у рамках теорії густини функціоналу (DFT) для аустенітних структур, які було змодельовано у вигляді надграток 2×2×2 на основі гранецентрованої кубічної гратки.Розміщення атомів у модельних надгратках проводили із урахуванням експериментальних результатів аналізу месбауерівського спектру та рентгенівського фазового аналізу дослідних сплавів, що відповідають високомарганцевим сталям. Надгратки, які відображали структуру легованого аустеніту містили атом С у центральній октаедричній порі, який по відношенню до атомів Si(Cr) та Mn був розташований у першій та другій координаційних сферах, відповідно.Аналіз результатів розрахунків показує, що розчинення Si та Cr у марганцевому аустеніті до збільшення стабільності аустенітної фази, як за результатами моделювання в рамках DFT так і за результатами термодинамічного аналізу. При цьому аустенітна фаза переходить в область пластичних матеріалів відповідно до співвідношення між модулями об’ємної пружності та зсуву ≥1,75 (критерій B/G). Визначення густини електронних станів показує, що серед досліджених структур найнижчою кількістю електронів на рівні Фермі, яка свідчить про найвищу електрохімічну стабільність, характеризується марганцевий аустеніт легований Cr.Результати проведених досліджень дають підстави для розширення систем легування високомарганцевих сталей шляхом введення значної кількості (до 10 ат. %) Si та Cr, зокрема для нанесення зносо-, ударо-, та корозійностійких покриттів методом електродугового наплавлення., Проведена оценка влияния растворенных Si и Cr на кристаллическую структуру, некоторые механические характеристики и стабильность марганцевого аустенита. Теоретические исследования проводили путем первопринципных расчетов в рамках теории функционала плотности (DFT) для аустенитных структур, которые были смоделированы в виде сверхрешеток 2×2×2 на основе гранецентрированной кубической решетки.Размещение атомов в модельных сверхрешетках проводили с учетом экспериментальных результатов рентгеновского фазового и мессбауэровского анализа экспериментальних сплавов, отвечающих высокомарганцевим сталям. Сверхрешетки, которые отображали структуру легированного аустенита содержали атом С в центральной октаэдрической поре, который по отношению к атомам Si (Cr) и Mn находился в первой и второй координационных сферах, соответственно.Анализ результатов расчетов показывает, что растворение Si и Cr в марганцевом аустените к увеличению стабильности аустенитной фазы, как по результатам моделирования в рамках DFT так и термодинамического анализа. При этом, аустенитная фаза переходит в область пластических материалов в соответствии с соотношением между модулями объемной упругости и сдвига ≥1,75 (критерий B/G). Определение плотности электронных состояний показывает, что среди исследованных структур наиболее низким количеством электронов на уровне Ферми, свидетельствующем о высокой электрохимической стабильности, характеризуется марганцевый аустенит легированный Cr.Результаты проведенных исследований дают основания для расширения систем легирования высокомарганцевых сталей путем введения значительного количества (до 10 ат. %) Si и Cr, в частности для нанесения износо-, ударо- и коррозионностойких покрытий методом электродуговой наплавки.

In most cases formation of binary and solid solutions between refractory compounds such as carbides and borides of Ti, Nb, Mo and V leads to the significant increasing of microhardness and grain refinement in comparision with pure components. It is caused by differences in atomic radii together with electron-electron interactions leading to the appearance significant stresses in crystal lattice. In multicomponent systems the values of such stresses increase when number of solution components becomes more than two and continue to increase up to its decomposition into several phases. The goal of this study was to determine the temperature and concentration ranges of existence of solid solution based on four refractory carbides (NbC, TiC, Mo2C and VC) in system with Fe during step by step alloying in equimolar amounts and its general properties. Theoretical determination of the temperature dependencies of the stable phase regions, phase amounts and its composition were performed using CALPHAD technique. Calculations were performed for Fe-rich alloys of Fe-Nb-Ti-Mo-V-C system which were presented in form of pseudobinary Fe - carbide diagrams. Samples for structure and properties investigations were prepeared using flux-cored arc welding with hardfacing alloys corresponding to typical sections of pseudobinary systems on low carbon steel substrate. Microstructure investigations were performed using scanning electron microscopy (SEM) and microhardness measurements. Hardness was also measured by Rockwell technique (scale C). Results show, that equimolar alloying with chosen carbides leads to the formation of a complex (Nb, Mo, Ti, V)C carbides with high thermodynamic stability. During proposed step by step aloying hardness increases from 27 to 52 HRC when number of carbide components increases. It alows to use proposed alloying system in specified concentration ranges for development of new hardfacing materials for working conditions, where failure of surface layer caused by high dynamic and (or) cyclic loads may occur., В данной работе с использованием методики CALPHAD проведен термодинамический анализ системы Fe-Nb-Mo-Ti-V-C в концентрационных диапазонах, соответствующих сплавам для наплавки на основе Fe, легированных карбидными фазами в равных объемных количествах. Проведены основные экспериментальные исследования и показано, что в условиях выбранного способа легирования в структуре формируются многокомпонентные карбидные фазы с повышенной твердостью., У цій роботі із використанням методики CALPHAD здійснено термодинамічний аналіз системи Fe-Nb-Mo-Ti-V-C у концентраційних діапазонах, які відповідають сплавам для наплавлення на основі Fe, легованих карбідними фазами у рівних об’ємних кількостях. Проведено основні експериментальні дослідження та продемонстровано, що за умов вибраного способу легування в структурі формуються багатокомпонентні карбідні фази із підвищеною твердістю.

In the present study the coatings of the Fe-Mn-Si-V-C system, deposited using surfacing by flux-cored arc welding (FCAW) were investigated. Thermodynamic study of the Fe-Mn-Si-V-C alloying system were carried out using CALPHAD approach. Microstructure investigations were performed using optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction analysis (XRD). Hardness measurements of the surfaced layers were performed in deformed and undeformed state using Rockwell technique as well as microhardness measurements. Dry sand/ rubber wheel abrasion tests were used to compare the proposed coatings with the serial ones. The results show that the structure of Fe-Mn-Si-V-C-based surfacing alloy consists of two major phases, namely austenite which forms large dendritic grains and VC0.88 carbide inclusions, allocated along austenite grain boundaries as well as in the grains central regions. Hardness values in deformed and undeformed state for different VC content are in the range of 30–35 HRC and 42–45 HRC, respectively. The abrasion resistance of the proposed surfacing is almost two times higher than serial high-manganese steel-based surfacing alloy (Lastec 22)., В настоящей работе исследовались покрытия системы Fe-Mn-Si-V-C, нанесенные с использованием наплавки порошковой лентой (FCAW). Термодинамические исследования системы Fe-Mn-Si-V-C были выполнены с использованием методики CALPHAD. Исследование микроструктуры выполняли с помощью оптической микроскопии (OM), сканирующей электронной микроскопии (SEM), энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) и рентгенофазового анализа., У роботі досліджувалися покриття системи Fe-Mn-Si-V-C, нанесені з використанням наплавлення порошковою стрічкою (FCAW). Термодинамічні дослідження системи Fe-Mn-Si-V-C були виконані з використанням методики CALPHAD. Дослідження мікроструктури проводили методами оптичної мікроскопії (OM), сканувальної електронної мікроскопії (SEM), енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії (EDS) та рентгенівського фазового аналізу.

In this work it was established that the structure of surfacing materials based on the Fe-Ti-B-C system depends on the brand of powders that were used for production of flux-cored electrodes. Two experimental electrodes of Fe-Ti-B-C were studied using two different brands of Ti powders. The brands were PHT and PTM, that are obtained by various methods. Microstructure of the coating with PHT Ti are characterized with the structure without hard TiB2 and TiC phases, which is a proof of the absence of “in-situ” synthesis reaction during FCAW surfacing. Such structure is also characterized by low hardness. Microstructure of the coating with PTM Ti consist of uniformly distributed hard phases in metal matrix, which is a proof of “in-situ” synthesis reaction during FCAW surfacing. The hardness of such structure is higher than the hardness of the previous example. The experiment shows that using powders of different brands can significantly affect the structure and physical and mechanical properties of the surfacing., Исследование структуры износостойких поверхностных слоев, полученных методом наплавки порошковыми проволоками системы Fe-Ti-B-C с использованием порошка титана различных серийных марок ПТХ и ПТМ. Определение микроструктуры проведено методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), измерена твердость слоёв., Дослідження структури зносостійких поверхневих шарів, отриманих методом наплавлення порошковими дротами системи Fe-Ti-B-C з використанням порошку титану різних серійних марок ПТХ та ПТМ. Визначення мікроструктури проведено методом сканувальної електронної мікроскопії (СЕМ), виміряна твердість шарів.

This paper reports a study into the formation of the phase composition, structure, and properties of arc welding coatings by the flux-cored electrode materials from the Fe-Mo-B-C system. The welding alloys were applied using the flux-cored arc welding (FCAW) electrodes, which consisted of a shell made from the low-carbon steel filled with a reaction powder mixture that contained boron carbide and molybdenum in a ratio of 1:1.The calculation of the phase composition of alloys that correspond to the surfaced layers by a CALPHAD method using the Thermo-Calc OpenCalphad software shows that under the equilibrium conditions the boride phases of molybdenum and ferrite cannot co-exist. The main phase of such alloys is a FeMo2B2 compound, which forms the eutectics with austenite. Given that the eutectic structures with borides are characterized by high brittleness, the introduction of components was conducted in the form of a reaction mixture in order to obtain the in situ formed boride phases in the form of separate structural components.Analysis of the results of studying the microstructure and phase composition of coatings reveals that they consist of three main structural components: the eutectic (FeMo2B2+ferrite) and the grains of molybdenum tetraboride MoB4. Thus, under the conditions of arc welding using the reaction mixture, an irregular structure is formed, which is favorable in terms of ensuring wear resistance due to the high microhardness of MoB4>27 GPa.The hardness of the coatings obtained is at the level of 63–65 HRC, and the wear resistance is higher compared to standard high-chromium alloys (grades Т620 and Т590) by 2‒2.5 times. This makes it possible to recommend the coating of a given system for hardfacing the working surfaces of equipment in the coal, processing, woodworking industries, etc., where abrasive wear is the dominant type of surface wear, Исследовано формирование фазового состава, структуры и свойств электродуговых покрытий порошковыми электродными материалами системы Fe-Mo-B-C. Сплавы для наплавки наносились с использованием дуговой наплавки порошковыми проволоками (FCAW), которые состояли из оболочки из низкоуглеродистой стали, заполненной реакционной порошковой смесью, которая содержала карбид бора и молибден в пропорции 1: 1.Расчет фазового состава сплавов, соответствующих наплавленным слоям методом CALPHAD с использованием программ Thermo-Calc и OpenCalphad, показывает, что при равновесных условях боридные фазы молибдена и феррит не могут сосуществовать. Основной фазой таких сплавов является соединение FeMo2B2, которая образует эвтектику с аустенитом. Учитывая, что для эвтектических структур с боридами характерна высокая хрупкость, то использование компонентов проводилось в виде реакционной смеси для получения in situ сформированных боридных фаз в виде отдельных структурных составляющих.Анализ результатов исследования микроструктуры и фазового состава покрытий показывает, что они состоят из трех основных структуриних составляющих: феррита эвтектики (FeMo2B2 + феррита) и зерен тетраборида молибдена MoB4. Таким образом, в условиях наплавки реакционной смесью формируется неравновесная структура, которая является благоприятной с позиции обеспечения износостойкости через высокую микротвердость MoB4> 27 ГПа.Твердость полученных покрытий находится на уровне 63–65 HRC, а износостойкость выше по сравнению с серийными высокохромистыми сплавами (электроды марок Т620 и Т590) в 2-2,5 раза. Это позволяет рекомендовать покрытия данной системы для укрепления рабочих поверхностей оборудования в угольной, перерабатывающей, деревообрабатывающей и др. отраслях, где доминирующим видом износа поверхностей является абразивный, Досліджено формування фазового складу, структури і властивостей електродугових покриттів порошковими електродними матеріалами системи Fe-Mo-B-C. Сплави для наплавлення наносилися з використанням дугового наплавлення порошковими дротами (FCAW), які складались із оболонки з низьковуглецевої сталі, заповненої реакційною порошковою сумішшю, яка містила карбіду бору та молібден у пропорції 1:1.Розрахунок фазового складу сплавів, які відповідають наплавленим шарам методом CALPHAD з використанням програм Thermo-Calc OpenCalphad, показує, що за рівноважних умов боридні фази молібдену та ферит не можуть співіснувати. Основною фазою таких сплавів є сполука FeMo2B2 , яка утворює евтектику із аустенітом. Враховуючи, що для евтектичних структур із боридами характерна висока крихкість, то введення компонентів проводилось у вигляді реакційної для отримання in situ сформованих боридних фаз у вигляді окремих структурних складових.Аналіз результатів дослідження мікроструктури та фазового складу покриттів показує, що вони складаються із трьох основних структуриних складових: фериту евтектики (FeMo2B2+фериту) та зерен тетрабориду молібдену MoB4. Таким чином, за умов наплавлення реакційною сумішшю формується нерівноважна структура, яка є сприятливою із позиції забезпечення зносостійкості через високу мікротвердість MoB4 > 27 ГПа.Твердість отриманих покриттів знаходиться на рівні 63 – 65 HRC, а зносостійкість є вищою порівняно із серійними високохромистими сплавами (марок Т620 та Т590) у 2–2,5 рази. Це дозволяє рекомендувати покриття даної системи для зміцнення робочих поверхонь обладнання у вугільній, переробній, деревообробній та ін. галузях, де домінуючим видом зношування поверхонь є абразивне

The formation of the phase composition, structure, and properties of electric-arc coatings by electrode materials based on high-manganese austenite steel, which is strengthened by twinning steel alloyed by titanium and niobium carbides, was studied. Hardfacing alloys were applied using flux-cored arc welding (FCAW), which consisted of a shell of low-carbon steel filled with a powder mixture containing ferrosilicon manganese, graphite, rutile, fluorite, carbide of niobium or titanium.The phase composition of the coatings was calculated by the CALPHAD method using the Thermo-Calc and Dictra software to simulate equilibrium and non-equilibrium alloy cooling, respectively. The results of calculations show that the cooling conditions at hardfacing lead to the formation of the structure of metastable manganese austenite and minor (0.2 % by weight) amount of carbide of cementite type M3C. This amount of the carbide phase cannot adversely affect the ability of austenite to deformation strengthening. Crystallization of titanium and niobium carbides begins at a high temperature of ~2,400 K and does not affect the phase transformations of austenite into the liquid and solid state. Thus, after cooling, the coating structure mainly consists of two phases, specifically, austenite and niobium or titanium carbide MS in an amount of ~9 vol. %.According to the results from studying the microstructure using scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy of the selected area, the MС carbide phase is released as evenly distributed small particles of the shape that is close to cubic. Carbide particles are mainly located inside austenite grains.Measurement of the hardness of hardfacing coatings shows that at alloying high-manganese austenite steel with niobium and titanium carbides, the hardness significantly increases in hardfacing state from 22 to 35 HRC and after cold plastic deformation from 44 to 52 HRC. The research of wear resistance under conditions of wear by the "dry sand – rubber roller" pattern shows that TiC and NbC additives can significantly (by 1.6–1.8 times) improve wear resistance of hardfacing coatings.Due to the ability to deformation strengthening in combination with high abrasion resistance, the obtained materials for hardfacing the systems Fe–Mn–Nb–Si–C and Fe–Mn–Ti–Si–C can be recommended for application to working surfaces of digging machines, Исследовано формирование фазового состава, структуры и свойств электродуговых покрытий электродными материалами на основе высоколегированной аустенитной упрочняемой двойникованием (twinning) стали, легированной карбидами титана и ниобия. Сплавы для наплавки наносились с использованием дуговой наплавки порошковой проволокой (FCAW), состоящей из оболочки из низкоуглеродистой стали, заполненной порошковой смесью, содержащей ферросиликомарганец, графит, рутил, флюорит, карбид ниобия или титана.Фазовый состав покрытий рассчитывали методом CALPHAD с использованием программ Thermo-Calc и Dictra для моделирования равновесного и неравновесного охлаждения сплава, соответственно. Результаты расчетов показывают, что условия охлаждения при наплавке приводят к образованию метастабильной структуры марганцевого аустенита и незначительных (0,2 мас. %) количеств карбида цементитного типа M3C. Такое количество карбидной фазы не может негативно повлиять на способность аустенита к деформационному упрочнению. Кристаллизация карбидов титана и ниобия начинается при высокой температуре ~2400 K и не влияет на фазовые превращения аустенита в жидком и твердом состоянии. Таким образом, после охлаждения структура покрытия в основном состоит из двух фаз, а именно аустенита и карбида МС ниобия или титана в количестве ~9 об. %.По результатам исследования микроструктуры с использованием сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии выделенной области карбидная МС фаза выделяется в виде равномерно распределенных мелких частиц формы близкой к кубической. Частицы карбида в основном расположены внутри аустенитных зерен.Измерения твердости наплавки показывают, что при легировании высокомарганцевой аустенитной стали карбидами ниобия и титана она значительно возрастает в наплавленном состоянии с 22 до 35 HRC и после холодной пластической деформации с 44 до 52 HRC. Исследование износостойкости в условиях изнашивание по схеме “сухой песок – резиновый ролик” показывает, что добавки TiC и NbC могут значительно (в 1,6–1,8 раза) улучшить износостойкость наплавки.Благодаря способности к деформационному упрочнению в сочетании с высокой абразивной износостойкостью полученные наплавочные материалы систем Fe–Mn–Nb–Si–C и Fe–Mn–Ti–Si–C могут быть рекомендованы для нанесения на рабочие поверхности землеройных машин, Досліджено формування фазового складу, структури і властивостей електродугових покриттів електродними матеріалами на основі високомарганцевої аустенітної сталі, що зміцнюється двійникуванням (twinning) легованої карбидами титану і ніобію. Сплави для наплавлення наносилися з використанням дугового наплавлення порошковими дротами (FCAW), які складались із оболонки з низьковуглецевої сталі, заповненої порошковою сумішшю, яка містила ферросилікомарганець, графіт, рутил, флюорит, карбід ніобію або титану.Фазовий склад покриттів розраховували методом CALPHAD з використанням програм Thermo-Calc і Dictra для моделювання рівноважного і нерівноважного охолодження сплаву, відповідно. Результати розрахунків показують, що умови охолодження при наплавленні призводять до утворення структури метастабільного марганцевого аустеніту і незначної (0,2 мас. %) кількості карбіду цементитного типу M3C. Така кількість карбідної фази не може негативно вплинути на здатність аустеніту до деформаційного зміцнення. Кристалізація карбідів титану та ніобію починається при високій температурі ~2400 K і не впливає на фазові перетворення аустеніту в рідкому і твердому стані. Таким чином, після охолодження структура покриття в основному складається з двох фаз, а саме аустеніту і карбіду МС ніобію або титану в кількості ~9 об. %.За результатами дослідження мікроструктури з використанням скануючої електронної мікроскопії та енергодисперсійного рентгенівської спектроскопії виділеної області карбідна фаза МС виділяється у вигляді рівномірно розподілених дрібних частинок форми близької до кубічної. Частинки карбідів в основному розташовані всередині аустенітних зерен.Вимірювання твердості наплавлених покриттів показують, що при легуванні високомарганцевої аустенітної сталі карбідами ніобію і титану твердість значно зростає в наплавленому стані з 22 до 35 HRC та після холодної пластичної деформації з 44 до 52 HRC. Дослідження зносостійкості в умовах зношування за схемою "сухий пісок – гумовий ролик" показує, що добавки TiC і NbC можуть значно (в 1,6–1,8 рази) покращити зносостійкість наплавлених покриттів.Завдяки здатності до деформаційного зміцнення в поєднанні з високою абразивною зносостійкістю отримані матеріали для наплавлення систем Fe–Mn–Nb–Si–C і Fe–Mn–Ti–Si–C можуть бути рекомендовані для нанесення на робочі поверхні землерийних машин

We have developed a method and an apparatus for determining the relative wear resistance of materials under conditions of friction on a loose abrasive. The study suggests an algorithm for calculating geometric parameters of abrasive particles, which makes it possible to present the contours of abrasive particles, used to determine the wear resistance, as functions and to calculate the sharpness parameter of particles SPLm, which is in close correlation with the intensity of wear for abrasives of various shapes. This technique was used to analyze the geometric parameters of selected abrasive particles before and after the tests by the Lorentz force method and after the tests on the developed apparatus. A regression analysis has resulted in an equation that determines a correlation between the wear intensity for steel and the parameters of the abrasive particle’s sharpness SPLm, roundness R, convexity C, and size (Fmax).The suggested method and apparatus for determining the relative wear resistance of materials under conditions of friction on a loose abrasive improve the efficiency of tribotechnical testing by allowing testing of materials for wear by a loose abrasive at a significant specific pressure of the abrasive and at a high degree of exchange in the abrasive mass in the area of interaction between the working surface of the sample and the abrasive, which increases the ability of abrasive silicon carbide particles ~1.4 times compared to the Lorentz force method., Розроблено методику та пристрій для визначення відносної зносостійкості матеріалів в умовах тертя по незакріпленому абразиву. Запропоновано методику, що дозволяє представити контури абразивних частинок у вигляді функцій та розрахувати параметр гостроти частинок SPLm. Даний параметр знаходиться у тісній кореляції з інтенсивністю зношування для абразивів різної форми., Разработана методика и устройство для определения относительной износостойкости материалов в условиях трения по незакрепленному абразиву. Предложена методика, позволяющая представить контуры абразивных частиц в виде функций и рассчитать параметр остроты частиц SPLm, который находится в тесной корреляции с интенсивностью износа для абразивов различной формы.