Структура та властивості антифрикційних сплавів Fe-Cu-S після лазерної обробки
The object of research is the most promising antifriction alloys – gray cast iron, alloyed with copper and sulfur. It is noted that the use of copper as an alloying element in quantities exceeding its solubility in iron, allows to obtain in cast iron perlite-ferrite structure with inclusions of copp...
Gespeichert in:
| Datum: | 2023 |
|---|---|
| Автори та афіліації: |
|
| Ключові слова: | keywords |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Physico-technological Institute of Metals and Alloys
2023
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/128 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Metal and Casting of Ukraine |
| Завантажити файл: |
|
Institution
Metal and Casting of Ukraine| _version_ | 1871465346308767744 |
|---|---|
| author | Марковський, Є.А. Шатрава, О.П. Олексенко, І.В. Пелікан, О.А. |
| author_facet | Марковський, Є.А. Шатрава, О.П. Олексенко, І.В. Пелікан, О.А. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Є.А. Марковський",
"institution": "Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України"
},
{
"author": "О.П. Шатрава",
"institution": "Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України"
},
{
"author": "І.В. Олексенко",
"institution": "Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України"
},
{
"author": "О.А. Пелікан",
"institution": "Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України"
}
] |
| author_sort | Марковський, Є.А. |
| baseUrl_str | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-22T13:37:39Z |
| description | The object of research is the most promising antifriction alloys – gray cast iron, alloyed with copper and sulfur. It is noted that the use of copper as an alloying element in quantities exceeding its solubility in iron, allows to obtain in cast iron perlite-ferrite structure with inclusions of copper ε-phase. The article presents the results of a number of studies of laser thermal irradiation on the structure and properties of certain antifriction alloys. It is established that as a result of laser processing there is a significant increase in the concentration of alloying fusible elements in the surface layer of the samples in the area of laser exposure depending on the time of action of laser radiation. Structural phase analysis of the laser treatment zone, presented in the article, revealed a significant and positive effect of laser irradiation on the formation and distribution of phases. It was determined that starting from the processing speed V = 1.7 mm/s, a pronounced (80–120 mkm) hardening zone of the investigated alloys is observed on the surface of the samples. The paper presents data that indicate that in the vast majority of cases in the laser zone there is a significant (up to 1600 kg/mm2) increase in the microhardness of the main structural phase components of the experimental alloys. An analysis of the results of the wear test of the obtained samples is presented, which showed that with decreasing irradiation time, the intensity of their wear decreases, which is associated with an increase in the microhardness of the main phases on the surface in the treatment area. The positive effect of laser treatment on increasing the wear resistance of the studied experimental samples and friction pairs in general is also noted and the prospects of using this method of processing to improve the tribotechnical properties of iron-alloyed alloys of copper and sulfur are predicted. |
| first_indexed | 2026-03-12T15:50:39Z |
| format | Article |
| fulltext |
19ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
та сіркою. Використання міді в якості легуючого еле-
мента в кількостях, що перевищують її розчинність в
залізі, дозволяє отримувати в чавуні перліто-феритну
структуру сплаву з включеннями мідної ε-фази. До-
даткове легування даного сплаву сіркою призводить
до виникнення в його структурі компактних включень
комплексних сульфідів в результаті взаємодії атомів
сірки з міддю та залізом в литому металі, які відпо-
відають сполуці 55Cu25Fe20S.
Матеріали такого типу мають високі експлуатаційні
властивості, проте часто вони потребують додаткової
термічної обробки з метою підвищення їх експлуата-
ційних властивостей. Багатьма дослідниками [5–11]
доведено, що термічне зміцнення поверхні сплавів
лазерним випромінюванням дозволяє істотно підви-
щити фізико-механічні характеристики оброблюваних
О
станнім часом в Україні і світі збільшилася кіль-
кість досліджень з розробки нових зносостійких
сплавів, застосування яких дозволить суттєво
скоротити використання традиційних кольорових
металів, а також зменшити застосування мастильних
матеріалів, які важко піддаються утилізації і станов-
лять постійну загрозу навколишньому середовищу.
Існуючі літературні дані різних авторів [1–4] присвя-
чено питанням формування низьколегованих зносос-
тійких сплавів на основі заліза, термодинамічним роз-
рахункам утворення хімічних та інтерметалідних фаз,
що дозволяють зробити висновок про актуальну необ-
хідність отримання антифрикційних сплавів для різних
деталей, що працюють в екстремальних умовах.
Найбільш перспективними, на наш погляд, анти-
фрикційними сплавами є сірі чавуни, леговані міддю
ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020, № 4 (323), xx-xx
УДК 621.74.074:621.795
Є.А. Марковський , д-р техн. наук, проф.
О.П. Шатрава, канд. техн. наук, ст. наук. співр., e-mail: shatrava@ptima.kiev.ua
І.В. Олексенко, наук. співр., e-mail: svs@ptima.kiev.ua
О.А. Пелікан, наук. співр., e-mail: otmlp@ptima.kiev.ua
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України (Київ, Україна)
Структура та властивості антифрикційних сплавів Fe-Cu-S
після лазерної обробки
Об’єктом досліджень визначено найбільш перспективні антифрикційні сплави – сірі чавуни, леговані міддю та
сіркою. Відзначається, що використання міді в якості легуючого елемента в кількостях, що перевищують її роз-
чинність у залізі, дозволяє отримувати в чавуні перліто-феритну структуру з включеннями мідної ε-фази. У статті
представлено результати низки досліджень впливу лазерного термічного опромінення на структуру і властивості
визначених антифрикційних сплавів. Встановлено, що в результаті лазерної обробки відбувається істотне збіль-
шення концентрації легуючих легкоплавких елементів у поверхневому шарі зразків в зоні лазерного впливу за-
лежно від часу дії лазерного випромінювання. Структурно-фазовий аналіз зони лазерної обробки, який наведено
у статті, виявив суттєвий і позитивний вплив лазерного опромінення на утворення та розподіл фаз. Визначено,
що починаючи зі швидкості обробки V = 1,7 мм/с, на поверхні зразків спостерігається яскраво виражена (тов-
щиною 80–120 мкм) зона загартування досліджуваних сплавів. В роботі наведено дані, які свідчать про те, що
в переважній більшості випадків в зоні лазерного впливу спостерігається істотне (до 1600 кг/мм2) збільшення
мікротвердості основних структурно-фазових складових дослідних сплавів. Представлено аналіз результатів ви-
пробування на зношування отриманих зразків, який показав, що при зменшенні часу опромінення інтенсивність
їх зношування знижується, що пов’язано зі збільшенням мікротвердості основних фаз на поверхні в зоні обробки.
Також зазначається позитивний вплив лазерної обробки на підвищення зносостійкості досліджуваних експери-
ментальних зразків і пар тертя у цілому та прогнозується перспективність використання даного методу обробки
для підвищення триботехнічних властивостей сплавів на основі заліза, легованих міддю та сіркою.
Ключові слова: лазерне зміцнення, антифрикційні сплави, комплексні сульфіди, рентгеноспектральний ана-
ліз, включення міді, триботехнічні властивості.
https://doi.org/10.15407/steelcast2019.10.064
ТЕПЛОФІЗИЧНІ ТА ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ ТВЕРДІННЯ
МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
20 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ТЕПЛОФІЗИЧНІ ТА ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ ТВЕРДІННЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
Схема лазерної обробки: h – глибина зони лазерно-
го впливу (ЗЛВ); b – ширина зони впливу; ЗО – зона оплав-
лення; ЗТВ – зона термічного впливу
Рис. 1.
Вивчення структури зразків проводили на оптич-
ному мікроскопі «EPIQUANT», хімічний склад струк-
турних складових литого композиту (ЛК) визначали
за допомогою скануючого електронного мікроскопа з
мікроаналізатором РЕММА-102.
Випробування зразків на тертя і зношування прово-
дили за схемою вал (контртіло) – вкладиш (дослідний
зразок). Відношення площі зразка до площі контртіла
(коефіцієнт перекриття) k ≈ 0,08. Контртіло виготовля-
ли із загартованої сталі 5 (НRC 47). Швидкість ковзан-
ня становила 1 м/с, питоме навантаження – 5 МПа.
матеріалів. Перевагами лазерного зміцнення є: мож-
ливість регулювання товщини і властивостей зміцне-
ного шару з мінімальними термічними напруженнями,
можливість обробки тонкостінних і важкодоступних
ділянок практично на будь-яких заготовках або гото-
вих деталях як фінішної обробки [12–13].
Метод лазерної обробки поверхонь даних мета-
левих сплавів слід розглядати як додаткову фінішну
технологічну операцію для підвищення триботехніч-
них властивостей деталей зi сплавів на основі заліза,
легованих Сu і S, що мають в структурі самостійну
сульфідну фазу [14].
Методика експериментальних досліджень.
Об'єктом досліджень був обраний сплав СЧCuS, мо-
дифікований добавкою мікропорошку ZrO2 масовою
часткою 0,1 %. Хімічний склад дослідного сплаву
був наступним (в мас. част. %): 2,8 С; 1,04 Si; 0,10 P;
0,63 S; 0,18 Mn; 8,00 Cu; 0,02 Zr; решта Fe.
Тертьову торцеву поверхню зразків зі сплаву
СЧCuS в литому стані обробляли лазерним проме-
нем по кільцю, що практично забезпечувало оброб-
ку 75–80 % площі тертя. Поверхні зразків обробляли
лазерним випромінюванням зі змінною швидкістю пе-
реміщення поверхні зразка, в результаті чого зміню-
вався час впливу на оброблювану поверхню від мак-
симального до мінімального за обраними режимами
обробки.
Для лазерної обробки застосовувався безперер-
вний СО2-лазер (на базі технологічного комплексу
«Комета-2» з номінальною потужністю 1 кВт) з оплав-
ленням поверхні. Обробка здійснювалася без покрит-
тя в середовищі захисного газу (Ar). Теплове джерело
(рис. 1) густиною потужності Wp = 5 х 108 Вт/м2 пере-
міщувалося зі швидкістю V від 0,8 до 2,1 мм/с, діа-
метр плями фокусування становив dп = 1,5 мм. При
цьому на зразку спостерігали зону лазерної дії (ЗЛД),
що включає в себе зону оплавлення (ЗО) і зону тер-
мічного впливу (ЗТВ).
Вихідна структура сплаву СЧCuS + ZrO2 Рис. 2.
Структура оплавленого фрагмента сплаву СЧCuS+
+ ZrO2 (V = 0,8 мм/c)
Рис. 3.
Мікротвердість зон обробки СЧCuS + ZrO2 лазерним
променем по перерізу від поверхні зразка (V = 0,8 мм/c)
Рис. 4.
21ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ТЕПЛОФІЗИЧНІ ТА ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ ТВЕРДІННЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
Зразки до і після випробувань зважували і визнача-
ли інтенсивність зношування, яка являла собою від-
ношення втрати маси зразка (кг) до площі тертя (см2).
Результати та обговорення. Вихідна структу-
ра литого сплаву СЧCuS + ZrO2 (рис. 2) являє собою
половинчастий чавун, що складається з сорбітно-
трооститної матриці і первинних карбідів, компактних
сульфідних включень, середній розмір яких складає
30 мкм і в більшості випадків мають оторочку з ε-Сu
фази, а також окремі включення мідної фази кулястої
форми розмірами до 50 мкм. Раніше проведені до-
слідження [2–4] експериментальних сплавів СЧCuS +
+ZrO2 показали наступні показники твердості фаз:
матриця – 370, карбід – 850, ε-Сu фаза – 105, сульфід
165 HV (кг/мм2), твердість сплаву – 450 НВ.
На рис. 3 наведено структуру оплавленої зони на
поверхні сплаву СЧCuS + ZrO2 по режиму V = 0,8 мм/с.
Структура даного зразка характерна тим, що на
поверхні зони оплавлення утворився наплав мідної
фази, нижче якого розташована зона розплавленого
і закристалізованого сплаву дисперсної структури.
Розмір структурних фаз становить 1–5 мкм.
Утворення мідної фази на поверхні оплавленого
об’єму пов'язане з тим, що в структурі металу знахо-
дилися включення ε-Сu фази (див. рис. 2).
На рис. 4 наведено дані мікротвердості по глиби-
ні мідного шару і переходу від мідного шару до зо-
ни оплавлення сплаву. Слід зазначити, що твердість
мідного шару падає по глибині від 180 до 80 кг/мм2.
У той же час, оплавлений шар сплаву, що знаходить-
ся під мідним шаром, має високу твердість – твер-
дість гартівних структур з рідкого стану металу, а са-
ме 600–800 кг/мм2. Досить високу твердість має шар
оплавленого металу без наявності міді, мінімальна
твердість якого ~ 500 кг/мм2.
Структура зони оплавлення по режиму V =
= 1,1 мм/с представлена на рис. 5 і характерна тим,
що крім оплавлення і твердіння під впливом променя
лазера відбулося часткове розпилювання (видален-
ня) металу з поверхні оброблюваної ділянки зразка.
Розміри оплавленої зони по ширині приблизно такі ж,
як і в попередньому зразку і складають ~ 1 мкм, в той
же час товщина шару менше – 250 мкм. Приблизно
посередині оплавленої зони (рис. 6) спостерігається
область з високою твердістю (до 1400 кг/мм2).
Подальше зниження часу лазерної обробки (об-
робка V = 1,3 мм/с) показує ті ж структурні ефекти,
що і при обробці по режиму V = 1,1 мм/с. На поверхні
зразка спостерігається лункоподібна ділянка оплав-
лення (рис. 7), однак розміри як по ширині, так і по
глибині зменшуються: відповідно 600 і 200 мкм. На
рис. 8 наведено результати вимірювання мікротвер-
дості по глибині обробленої лазером ділянки поверх-
ні. Тут, як і в попередньому випадку, є пік твердості
(~ 1600 кг/мм2), проте його положення по відношенню
до попереднього зразка зсунуто до поверхні.
Структура оплавленого фрагмента сплаву СЧCuS +
+ ZrO2 (V = 1,1 мм/c)
Рис. 5. Мікротвердість зон обробки СЧCuS + ZrO2 лазерним
променем по перерізу від поверхні зразка (V = 1,1 мм/c)
Рис. 6.
Структура оплавленого фрагмента сплаву СЧCuS +
+ ZrO2 (V = 1,3 мм/c)
Рис. 7. Мікротвердість зон обробки СЧCuS + ZrO2 лазерним
променем по перерізу від поверхні зразка (V = 1,3 мм/c)
Рис. 8.
22 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ТЕПЛОФІЗИЧНІ ТА ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ ТВЕРДІННЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
меня було проведено мікрорентгеноспектральний
аналіз розподілу у фрагментах оплавлення таких
елементів, як мідь і сірка, які визначають утворення
самостійної фази – сульфідів.
На рис. 13 наведено зміни вмісту зазначених еле-
ментів в умовному масштабі. Для випадку оплав-
лення значного обсягу сплаву СЧCuS + ZrO2 з утво-
ренням наплаву з міді (див. рис. 3) визначено, що в
даному місці проходження лазерного променя в при-
поверхневому шарі зразка була достатня концентра-
ція як самостійних включень ε-Cu фази, так і значних
за розміром мідних оторочок при сульфідних вклю-
ченнях.
Дослідження зносостійкості пар тертя з леговани-
ми чавунами в умовах граничного тертя (рис. 14) по-
казали, що час лазерної обробки (швидкість перемі-
щення зразка) істотно впливає як на зміну твердості
зони лазерної дії, так і на інтенсивність її зношування.
Аналіз отриманих даних показав, що при зміні
швидкості переміщення зразка (часу опромінення)
спостерігається кілька характерних тенденцій. Зі змен-
шенням часу опромінення зразків інтенсивність їх зно-
шування знижується. Це пояснюється збільшенням
мікротвердості основних фаз в зоні обробки (рис. 4,
6, 8, 10, 12). Однак для досліджуваних контртіл тертя
спостерігається зворотна тенденція – зі збільшенням
твердості зразків інтенсивність зношування контртіла
зростає. Причому інтенсивність цього зростання іс-
На рис. 9 представлено структуру зони обробки
лазером зразка по режиму V = 1,7 мм/с. У цьому ви-
падку проявляється ефект відсутності досить чіткої
границі переходу від оплавленої і закристалізованої
зони металу. Дрібнодисперсна частина оплавленого
металу розташована над шаром рекристалізованого
матеріалу типу загартованого сплаву з високим нагрі-
ванням 900–1000 °С. Ця структурна особливість об-
робленого лазерним променем шару металу знижує
твердість по всіх точках по глибині шарів з фіксацією
максимальної твердості до 950 кг/мм2 (рис. 10).
Обробка сплаву СЧCuS + ZrO2 по режиму V =
= 2,1 мм/с є по суті поверхневим гартуванням. Ширина
шару залишається досить великою, а товщина в серед-
ньому – 150 мкм. Відсутня границя шару гартування,
але є перехідний шар товщиною до 20–30 мкм (рис. 11).
На рис. 12 представлено дані щодо мікротвердості за-
гартованого шару по глибині, з яких випливає, що мак-
симум твердості 1150 кг/мм2 спостерігається у поверхні
шару, а на певній глибині (~ 90 мкм) – зона мінімальної
твердості (600 кг/мм2), що пов'язано з відпуском шару
гартування за рахунок тепла (нагрівання) зразка.
Мікротвердість матриці, карбідів і сульфідів сплаву
СЧCuS + ZrO2 по 4–5 вимірах свідчать про складний
вплив загального нагріву і охолодження циліндрич-
них зразків при торцевій обробці поверхні сплаву.
Для визначення особливостей структуроутворен-
ня в сплаві СЧCuS + ZrO2 під впливом лазерного про-
Структура оплавленого фрагмента сплаву СЧCuS +
+ ZrO2 (V = 1,7 мм/c)
Рис. 9. Мікротвердість зон обробки СЧCuS + ZrO2 лазерним
променем по перерізу від поверхні зразка (V = 1,7 мм/c)
Рис. 10.
Структура оплавленого фрагмента сплаву СЧCuS +
+ ZrO2 (V = 2,1 мм/c)
Рис. 11. Мікротвердість зон обробки СЧCuS + ZrO2
(V = 2,1 мм/c)
Рис. 12.
23ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ТЕПЛОФІЗИЧНІ ТА ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ ТВЕРДІННЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
Висновки
Аналіз отриманих результатів дозволяє зроби-
ти однозначний висновок про істотний і позитивний
вплив лазерного опромінення на властивості дослі-
джуваних сплавів.
Виходячи з результатів досліджень видно, що в
переважній більшості випадків у зоні лазерного впли-
ву спостерігається істотне (до 1600 кг/мм2) збільшен-
ня мікротвердості основних структурних складових
дослідних сплавів.
Дослідження впливу режимів лазерної обробки
дозволило визначити оптимальні значення наступ-
них величин: густина потужності лазерного випромі-
нювання – Wp = 5 х 108 Вт/м2, діаметр плями фокусу-
вання – dп = 1,5 мм, швидкість переміщення зразка –
V = 1,1 мм/с.
Результати випробувань на зношування дослідних
сплавів дозволяють зробити висновок про перспек-
тивність застосування сплавів на основі заліза з до-
даванням Cu і S як ефективних замінників дорогих
зносостійких сплавів на основі міді.
Розподіл міді та сірки по мідному наплаву і зоні пе-
реходу оплавленого фрагмента до матричного по глибині
від поверхні
Рис. 13.
тотно вища, ніж інтенсивність зниження зносу зразків.
Це призводить до значно більшого зношування пар
тертя залежно від режимів обробки.
Виходячи з результатів розподілу основних струк-
турних складових досліджуваного сплаву по глибині
зони лазерного впливу (рис. 13), а також структурно-
фазового аналізу (рис. 3, 5, 7, 9, 11), можна зробити
висновок про те, що при лазерній обробці в зоні ла-
зерного впливу ближче до поверхні спостерігається
підвищений вміст міді.
Це підвищення, безсумнівно, сприятливо впли-
ває на умови тертя в парі, особливо при сухому тер-
ті. Також логічно припустити, що при більшому часі
опромінення температура на поверхні зразка вище,
що сприяє міграції легкоплавких (Cu) елементів на
поверхню зразка під час лазерної обробки. Цьому
процесу також сприяє підвищений час знаходження
вихідних структур сплаву в нагрітому стані.
1. Гаврилюк В.П., Марковский Е.А., Тихонович В.И. Трибология литейных сплавов. Киев: ФТИМС НАН Украины, 2007.
428 с.
2. Марковский Е.А., Олексенко И.В., Гаврилюк В.П., Ильченко В.Д., Панасенко Д.Д. Влияние термоциклической обработ-
ки на структуру и износостойкость серого чугуна, легированного медью и серой. Процессы литья. 2002. № 2. С. 10–15.
3. Олексенко И.В., Марковский Е.А., Гаврилюк В.П., Качко Н.А. Износостойкость чугунов, легированных медью и серой:
Тез. докл. Литейное производство на рубеже столетий. Киев: ФТИМС НАН Украины, 2003. С. 61–63.
4. Марковский Е.А., Олексенко И.В., Гаврилюк В.П., Качко И.В. Триботехнические свойства сплавов системы Cч+Cu+S
при трении скольжения. Металл и литье Украины. 2006. № 6. С. 7–11.
ЛІТЕРАТУРА
Інтенсивність зношування пар тертя сплаву СЧCuS
після лазерної обробки і сталі марки Ст5 загартованої:
1 – знос сплаву СЧCuS після лазерної обробки; 2 – знос
контртіла із сталі марки Ст5заг; 3 – сумарний знос пари
тертя. I – V = 0,8; II – V = 1,1; III – V = 1,3; IV – V = 1,7;
V – V = 2,1 (мм/c)
Рис. 14.
24 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ТЕПЛОФІЗИЧНІ ТА ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ ТВЕРДІННЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
5. Григорянц А.Г., Сафонов А.Н. Методы поверхностной лазерной обработки. М.: Высшая школа, 1987. 191 с.
6. Коваленко В.С., Котляров В.П. Справочник по технологии лазерной обработки. К.: Техніка, 1985. 167 с.
7. Bingxu Wang, Yuming Pan, Yu Liu, Gary C. Barber, Feng Qiu, Ming Hua. Wear behavior of composite strengthened gray
cast iron by austempering and laser hardening treatment. Journal of Materials Research and Technology. 2020. Vol. 9. Iss. 2.
P. 2037–2043. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.12.036
8. Югов В.И., Афанасьева Л.Е., Барабонова И.А., Раткевич Г.В. Упрочнение конструкционной стали с помощью многока-
нального СО2 лазера. Письма о материалах. 2017. Т. 7. № 1. С. 8–11. DOI: https://doi.org/10.22226/2410-3535-2017-1-8-11
9. Tarasiuk W., Gordienko A.I., Wolocko A.T., Piwnik J., Szczucka-Lasota B. The tribological properties of laser hardened steel
42CrMo4. Archives of Metallurgy and Materials. 2015. Vol. 60. Iss. 4. P. 2939–2943. DOI: 10.1515/amm-2015-0469
10. Rodziňák D., Čerňan J., Zahradníček R. Effect of laser hardening on the properties of PM steels. Acta Metallurgica Slovaca.
2013. Vol. 19. No. 4. P. 282–291. DOI: http://dx.doi.org/10.12776/ams.v19i4.142
11. Hwang, H.-T., Song, H.-S., Kim, J.-D., Song, M.-K., Kim, Y.-K. Surface treatment in edge position of spheroidal cast iron for
mold materials by using high power diode laser. Korean Journal of Materials Research. 2009. No. 19 (9). P. 457–461.
12. Новицький В.Г., Гаврилюк В.П., Панасенко Д.Д., Шатрава А.П. Свойства литых гетерогенных Fe-Cr-Cu-C – cплавов по-
сле лазерной обработки. Металловедение и термическая обработка металлов. 2012. № 9. 2012. C. 15–23.
13. Лихошва В.П., Пелікан О.А., Діюк Л.М., Шатрава О.П. Технології відновлення зношених робочих органів дробильно-
розмелювальних машин. Зб. наук. статей за результатами виконання програми України «Проблеми ресурсу і безпеки
експлуатації конструкцій, споруд та машин», ІЕЗ ім. Є.О. Патона, 2012. С. 533–537.
14. Марковский Е.А., Олексенко И.В., Шатрава А.П. Лазерная обработка как дополнительный метод повышения трибо-
технических свойств сплавов на основе чугунов, легированных Cu и S. Металл и литье Украины. 2017. № 8–10.
С. 78–83.
Надійшла 05.08.2020
REFERENCES
1. Havrylyuk, V.P., Markovskyi, E.A., Tikhonovich, V.I. (2007). Tribology of cast alloys. Kyiv: PTIMA NAS of Ukraine, 428 p. [in
Russian].
2. Markovskyi, E.A., Oleksenko, I.V., Havrylyuk, V.P., Il’chenko, V.D., Panasenko, D.D. (2002). The influence of thermal cycling
on the structure and wear resistance of gray cast iron alloyed with copper and sulfur. Casting processes, no. 2, pp. 10–15
[in Russian].
3. Oleksenko, I.V., Markovskyi, E.A., Havrylyuk, V.P., Kachko. N.A. (2003). Wear resistance of cast iron alloyed with copper and
sulfur: Abstracts. Liteinoe proizvodstvo na rybezhe stoletiy. Kyiv: PTIMA NAS of Ukraine, pp. 61–63 [in Russian].
4. Markovskyi, E.A., Oleksenko, I.V., Havrylyuk, V.P., Kachko, N.A. (2006). Tribological properties of alloys of the system
Сч+Cu+S during sliding friction. Metal and Casting of Ukraine, no. 6, рр. 7–11 [in Russian].
5. Grigoriants, A.G., Saphonov, A.N. (1987). Surface Laser Methods. Moscow: Vysshaia shkola, 191 p. [in Russian].
6. Kovalenko, V.S., Kotl’jarov, V.P. (1985). Laser Technology Reference. Kyiv: Tekhnika, 167 p. [in Russian].
7. Bingxu Wang, Yuming Pan, Yu Liu, Gary C. Barber, Feng Qiu, Ming Hua (2020). Wear behavior of composite strengthened
gray cast iron by austempering and laser hardening treatment. Journal of Materials Research and Technology, vol. 9, iss. 2,
рp. 2037–2043, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.12.036
8. Yugov, V.I., Afanasieva, L.E., Barabanova, I.A., Ratkevich, H.V. (2017). Hardening of structural steel by a multichannel CO2
laser. Lett. Mater., vol. 7, no. 1, pp. 8–11 [in Russian].
9. Tarasiuk, W., Gordienko, A.I., Wolocko, A.T., Piwnik, J., Szczucka-Lasota, B. (2015). The tribological properties of laser
hardened steel 42CrMo4. Archives of Metallurgy and Materials, vol. 60, iss. 4, pp. 2939–2943, doi: 10.1515/amm-2015-0469
10. Rodzinjk, D., Chernian, J., Zahradníchek, R. (2013). Effect of laser hardening on the properties of PM steels. Acta Metallurgica
Slovaca, vol. 19, no. 4. pp. 282–291, doi: http://dx.doi.org/10.12776/ams.v19i4.142
11. Hwang, H.-T., Song, H.-S., Kim, J.-D., Song, M.-K., Kim, Y.-K. (2009). Surface treatment in edge position of spheroidal cast
iron for mold materials by using high power diode laser. Korean Journal of Materials Research, no. 19 (9), pp. 457–461.
12. Novitskiy, V.G., Havrylyuk, V.P., Panasenko, D.D., Shatrava, A.P. (2012). Properties of cast heterogeneous Fe-Cr-Cu-C –
alloys after laser treatment. Metallovedenie i termycheskaia obrabotka metallov, no. 9, pp. 15–23 [in Russian].
13. Likhoshva, V.P., Pelikan, O.A., Diyuk, L.M., Shatrava, A.P. (2012). Technologies for restoration of worn working bodies of
crushing and grinding machines. Zb. nauk. statei za rezul’tatamy vykonannia programy Ukrainy “Problemy resursu i bezpeky
ekspluatatsii konstruktsii, sporud ta mashyn”, IEZ im. Ye.O. Patona, pp. 533–537 [in Ukrainian].
14. Markovskyi, E.A., Oleksenko, I.V., Shatrava, A.P. (2017). Laser treatment as an additional method to increase the tribotechnical
properties of alloys based on cast irons alloyed with Cu and S. Metal and Casting of Ukraine, no. 8–10, pp. 78–83 [in Russian].
Received 05.08.2020
25ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ТЕПЛОФІЗИЧНІ ТА ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ ТВЕРДІННЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
Summary Ye.A. Markovskyi , Dr. Sci. (Engin.), Professor
O.P. Shatrava, PhD (Engin.), Senior Researcher,
e-mail: shatrava@ptima.kiev.ua
I.V. Oleksenko, Senior Researcher, e-mail: svs@ptima.kiev.ua
O.A. Pеlikan, Senior Researcher, e-mail: otmlp@ptima.kiev.ua
Physico-technological Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine
(Kyiv, Ukraine)
Structure and properties of antifriction Fe-Cu-S alloys after laser treatment
The object of research is the most promising antifriction alloys – gray cast iron, alloyed with copper and sulfur. It is noted that
the use of copper as an alloying element in quantities exceeding its solubility in iron, allows to obtain in cast iron perlite-ferrite
structure with inclusions of copper ε-phase. The article presents the results of a number of studies of laser thermal irradia-
tion on the structure and properties of certain antifriction alloys. It is established that as a result of laser processing there is
a significant increase in the concentration of alloying fusible elements in the surface layer of the samples in the area of laser
exposure depending on the time of action of laser radiation. Structural phase analysis of the laser treatment zone, presented
in the article, revealed a significant and positive effect of laser irradiation on the formation and distribution of phases. It was
determined that starting from the processing speed V = 1.7 mm/s, a pronounced (80–120 mkm) hardening zone of the in-
vestigated alloys is observed on the surface of the samples. The paper presents data that indicate that in the vast majority of
cases in the laser zone there is a significant (up to 1600 kg/mm2) increase in the microhardness of the main structural phase
components of the experimental alloys. An analysis of the results of the wear test of the obtained samples is presented, which
showed that with decreasing irradiation time, the intensity of their wear decreases, which is associated with an increase in the
microhardness of the main phases on the surface in the treatment area. The positive effect of laser treatment on increasing
the wear resistance of the studied experimental samples and friction pairs in general is also noted and the prospects of using
this method of processing to improve the tribotechnical properties of iron-alloyed alloys of copper and sulfur are predicted.
Laser hardening, antifriction alloys, complex sulfides, х-ray spectral analysis, copper inclusion,
tribotechnical properties.Keywords
|
| id | oai:oai.metalsandcasting.com:article-128 |
| institution | Metal and Casting of Ukraine |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-23T01:00:34Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Physico-technological Institute of Metals and Alloys |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwmetalsandcastingcom/da/2d92593415ce631b98541f3d42f5f9da.pdf |
| spelling | oai:oai.metalsandcasting.com:article-1282026-07-22T13:37:39Z Structure and properties of antifriction Fe-Cu-S alloys after laser treatment Структура та властивості антифрикційних сплавів Fe-Cu-S після лазерної обробки Марковський, Є.А. Шатрава, О.П. Олексенко, І.В. Пелікан, О.А. laser hardening antifriction alloys complex sulfides х-ray spectral analysis copper inclusion tribotechnical properties лазерне зміцнення антифрикційні сплави комплексні сульфіди рентгеноспектральний аналіз включення міді триботехнічні властивості The object of research is the most promising antifriction alloys – gray cast iron, alloyed with copper and sulfur. It is noted that the use of copper as an alloying element in quantities exceeding its solubility in iron, allows to obtain in cast iron perlite-ferrite structure with inclusions of copper ε-phase. The article presents the results of a number of studies of laser thermal irradiation on the structure and properties of certain antifriction alloys. It is established that as a result of laser processing there is a significant increase in the concentration of alloying fusible elements in the surface layer of the samples in the area of laser exposure depending on the time of action of laser radiation. Structural phase analysis of the laser treatment zone, presented in the article, revealed a significant and positive effect of laser irradiation on the formation and distribution of phases. It was determined that starting from the processing speed V = 1.7 mm/s, a pronounced (80–120 mkm) hardening zone of the investigated alloys is observed on the surface of the samples. The paper presents data that indicate that in the vast majority of cases in the laser zone there is a significant (up to 1600 kg/mm2) increase in the microhardness of the main structural phase components of the experimental alloys. An analysis of the results of the wear test of the obtained samples is presented, which showed that with decreasing irradiation time, the intensity of their wear decreases, which is associated with an increase in the microhardness of the main phases on the surface in the treatment area. The positive effect of laser treatment on increasing the wear resistance of the studied experimental samples and friction pairs in general is also noted and the prospects of using this method of processing to improve the tribotechnical properties of iron-alloyed alloys of copper and sulfur are predicted. Об’єктом досліджень визначено найбільш перспективні антифрикційні сплави – сірі чавуни, леговані міддю та сіркою. Відзначається, що використання міді в якості легуючого елемента в кількостях, що перевищують її розчинність у залізі, дозволяє отримувати в чавуні перліто-феритну структуру з включеннями мідної ε-фази. У статті представлено результати низки досліджень впливу лазерного термічного опромінення на структуру і властивості визначених антифрикційних сплавів. Встановлено, що в результаті лазерної обробки відбувається істотне збільшення концентрації легуючих легкоплавких елементів у поверхневому шарі зразків в зоні лазерного впливу залежно від часу дії лазерного випромінювання. Структурно-фазовий аналіз зони лазерної обробки, який наведено у статті, виявив суттєвий і позитивний вплив лазерного опромінення на утворення та розподіл фаз. Визначено, що починаючи зі швидкості обробки V = 1,7 мм/с, на поверхні зразків спостерігається яскраво виражена (товщиною 80–120 мкм) зона загартування досліджуваних сплавів. В роботі наведено дані, які свідчать про те, що в переважній більшості випадків в зоні лазерного впливу спостерігається істотне (до 1600 кг/мм2) збільшення мікротвердості основних структурно-фазових складових дослідних сплавів. Представлено аналіз результатів випробування на зношування отриманих зразків, який показав, що при зменшенні часу опромінення інтенсивність їх зношування знижується, що пов’язано зі збільшенням мікротвердості основних фаз на поверхні в зоні обробки. Також зазначається позитивний вплив лазерної обробки на підвищення зносостійкості досліджуваних експериментальних зразків і пар тертя у цілому та прогнозується перспективність використання даного методу обробки для підвищення триботехнічних властивостей сплавів на основі заліза, легованих міддю та сіркою. Physico-technological Institute of Metals and Alloys 2023-06-15 Article Article Рецензована Стаття application/pdf https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/128 Metal and Casting of Ukraine; Vol. 28 No. 4 (2020): Metal and Casting of Ukraine Метал та лиття України ; Том 28 № 4 (2020): Метал та лиття України 2706-5529 2077-1304 uk https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/128/129 Авторське право (c) 2023 Є.А. Марковський, О.П. Шатрава, І.В. Олексенко, О.А. Пелікан https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | лазерне зміцнення антифрикційні сплави комплексні сульфіди рентгеноспектральний аналіз включення міді триботехнічні властивості Марковський, Є.А. Шатрава, О.П. Олексенко, І.В. Пелікан, О.А. Структура та властивості антифрикційних сплавів Fe-Cu-S після лазерної обробки |
| title | Структура та властивості антифрикційних сплавів Fe-Cu-S після лазерної обробки |
| title_alt | Structure and properties of antifriction Fe-Cu-S alloys after laser treatment |
| title_full | Структура та властивості антифрикційних сплавів Fe-Cu-S після лазерної обробки |
| title_fullStr | Структура та властивості антифрикційних сплавів Fe-Cu-S після лазерної обробки |
| title_full_unstemmed | Структура та властивості антифрикційних сплавів Fe-Cu-S після лазерної обробки |
| title_short | Структура та властивості антифрикційних сплавів Fe-Cu-S після лазерної обробки |
| title_sort | структура та властивості антифрикційних сплавів fe-cu-s після лазерної обробки |
| topic | лазерне зміцнення антифрикційні сплави комплексні сульфіди рентгеноспектральний аналіз включення міді триботехнічні властивості |
| topic_facet | laser hardening antifriction alloys complex sulfides х-ray spectral analysis copper inclusion tribotechnical properties лазерне зміцнення антифрикційні сплави комплексні сульфіди рентгеноспектральний аналіз включення міді триботехнічні властивості |
| url | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/128 |
| work_keys_str_mv | AT markovsʹkijêa structureandpropertiesofantifrictionfecusalloysafterlasertreatment AT šatravaop structureandpropertiesofantifrictionfecusalloysafterlasertreatment AT oleksenkoív structureandpropertiesofantifrictionfecusalloysafterlasertreatment AT pelíkanoa structureandpropertiesofantifrictionfecusalloysafterlasertreatment AT markovsʹkijêa strukturatavlastivostíantifrikcíjnihsplavívfecuspíslâlazernoíobrobki AT šatravaop strukturatavlastivostíantifrikcíjnihsplavívfecuspíslâlazernoíobrobki AT oleksenkoív strukturatavlastivostíantifrikcíjnihsplavívfecuspíslâlazernoíobrobki AT pelíkanoa strukturatavlastivostíantifrikcíjnihsplavívfecuspíslâlazernoíobrobki |