Page Header

The Comparison of Welding Polarities on Microstructures and Wear Behaviour of Hardfacing Metal Using Submerged Arc Welding with Added Metal Powder

Buntoeng Srikarun, Prapas Muangjunburee


งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อเปรียบเทียบชนิดของขั้วกระแสเชื่อมระหว่างกระแสตรงขั้วบวก (DCEP) กับกระแสสลับ (AC) ที่ส่งผลต่อสมบัติทางโลหวิทยาและสมบัติทางกลของโลหะพอกแข็งชนิดมาร์เทนไซต์ที่เชื่อมลงบนเหล็กกล้าผสมโครเมียมต่ำ สภาวะการเชื่อมแบ่งเป็นการเชื่อมโลหะพอกแข็ง 1 ชั้นและ 3 ชั้นด้วยกระแส DCEP และกระแส AC ซึ่งเชื่อมด้วยกรรมวิธีการเชื่อมอาร์กใต้ฟลักซ์ที่มีการเติมผงโลหะ จากนั้นทำการศึกษาส่วนผสมทางเคมี โครงสร้างมหภาค และโครงสร้างจุลภาคของโลหะพอกแข็ง การทดสอบความแข็งและการสึกหรอถูกใช้สำหรับการตรวจสอบสมบัติทางกลของโลหะพอกแข็ง นอกจากนี้ยังมีการตรวจสอบลักษณะผิวที่สึกหรอของโลหะพอกแข็งด้วยเช่นกัน ผลการศึกษาพบว่าโลหะพอกแข็งของการเชื่อมด้วยกระแส AC มีความหนามากกว่าการเชื่อมด้วยกระแส DCEP โครงสร้างจุลภาคของทุกสภาวะการเชื่อมประกอบด้วยโครงสร้างมาร์เทนไซต์และออสเทนไนต์ ผิวที่เกิดการสึกหรอส่วนใหญ่เป็นการสึกหรอแบบการตัดและการไถ การเชื่อมพอกแข็งด้วยกระแส AC เกิดการเจือจางน้อยกว่าการเชื่อมด้วยกระแส DCEP ทำให้โลหะพอกแข็งของการเชื่อมด้วยกระแส AC มีเฟสมาร์เทนไซต์มากกว่า ส่งผลให้ความแข็งและความต้านการสึกหรอมีมากกว่า ดังนั้นการเชื่อมพอกแข็งด้วยกระแส AC จึงเหมาะสมกว่าการเชื่อมด้วยกระแส DCEP

The objective of this research is to compare the types of welding polarities between direct current electrode positive (DCEP) and alternating current (AC) that affect the metallurgical and mechanical properties of martensitic weld deposits onto a low chromium alloy steel. The welding conditions can be divided into 1 layer and 3 layers using DCEP and AC welded by submerge arc welding with metal powder addition. Then, the chemical composition, macrostructure, and microstructure of the deposited layers were studied. Hardness and wear testing for mechanical properties and worn surface characteristics of the hardfaced deposits were examined as well. The results showed that the deposited layer using AC polarity was thicker than that using DECP polarity. The microstructure of the deposited layer for all welding conditions consisted of martensite and austenite. The worn mechanisms of the hardfaced surfaces were mainly cutting and plowing. Hardfacing with AC polarity led to less dilution than that with DCEP polarity. As a result, the deposited microstructure using AC polarity contained higher martensite phase resulting in higher hardness and wear resistance. Therefore, AC polarity is more suitable for hardfacing application than DCEP polarity.



[1] J. Rendón and M. Olsson, “Abrasive wear resistance of some commercial abrasion resistant steels evaluated by laboratory test methods,” Wear, vol. 267, no. 11, pp. 2055–2061, 2009.

[2] A. Sundström, J. Rendón, and M. Olsson, “Wear behaviour of some low alloyed steels under combined impact/abrasion contact conditions,” Wear, vol. 250, no. 1–12, pp. 744–754, 2001.

[3] W. Zhang, Z. Zhong, and S. Kang, “Microstructures and mechanical properties of a martensitic steel welded with flux-cored wires,” International Journal of Coal Science & Technology, vol. 2, no. 3, pp. 254–260, 2015.

[4] E. O. Correa, N. G. Alcântara, L. C. Valeriano, N. D. Barbedo, and R. R. Chaves, “The effect of microstructure on abrasive wear of a Fe–Cr–C– Nb hardfacing alloy deposited by the open arc welding process,” Surface and Coatings Technology, vol. 276, pp. 479–484, 2015.

[5] R. Bendikiene and L. Kavaliauskiene, “The effect of plastic deformation rate on the wear performance of hardfaced coatings,” Welding in the World, vol. 61, no. 5, pp. 893–900, 2017.

[6] E. Badisch and C. Mitterer, “Abrasive wear of high speed steels: Influence of abrasive particles and primary carbides on wear resistance,” Tribology International, vol. 36, no. 10, pp. 765– 770, 2003.

[7] Z. Pei, R. Song, Q. Ba, and Y. Feng, “Dimensionality wear analysis: three-body impact abrasive wear behavior of a martensitic steel in comparison with Mn13Cr2,” Wear, vol. 414, pp. 341–351, 2018.

[8] A. Botes, A. S. Bolokang, I. Kortidis, and V. Matjeke, “Structure-property relationship of the laser cladded medium carbon steel: The use of butter layer between the substrate and the top clad layer,” Surfaces and Interfaces, vol. 14, pp. 296–304, 2019.

[9] J. H. Bulloch and J. L. Henderson, “Some considerations of wear and hardfacing materials,” International Journal of Pressure Vessels and Piping, vol. 46, no. 3, pp. 251–267, 1991.

[10] R. V. Prado, B. Uquillas, J. Y. Aguilar, Y. Aguilar, and F. Casanova, “Abrasive wear effect of sugarcane juice on sugarcane rolls,” Wear, vol. 270, no. 1–2, pp. 83–87, 2010.

[11] G. Chakraborty, C. R. Das, S. K. Albert, A. K. Bhaduri, S. Murugesan, and A. Dasgupta, “Effect of alloy 625 buffer layer on hardfacing of modified 9Cr-1Mo steel using nickel base hardfacing alloy,” Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 25, no. 4, pp. 1663–1672, 2016.

[12] V. Balasubramanian, R. Varahamoorthy, C. S. Ramachandran, and C. Muralidharan, “Selection of welding process for hardfacing on carbon steels based on quantitative and qualitative factors,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 40, no. 9–10, pp. 887–897, 2009.

[13] G. R. C. Pradeep, A. Ramesh, and B. D. Prasad, “A review paper on hardfacing processes and materials,” International Journal of Engineering Science and Technology, vol. 2, no. 11, pp. 6507– 6510, 2010.

[14] B. Gülenç and N. Kahraman, “Wear behaviour of bulldozer rollers welded using a submerged arc welding process,” Materials & Design, vol. 24, no. 7, pp. 537–542, 2003.

[15] P. F. Mendez, N. Barnes, K. Bell, S. D. Borle, S. S. Gajapathi, S. D. Guest, H. Izadi, A. K. Gol, and G. Wood, “Welding processes for wear resistant overlays,” Journal of Manufacturing Processes, vol. 16, no. 1, pp. 4–25, 2014.

[16] R. P. Singh, R. K. Garg, and D. K. Shukla, “Mathematical modeling of effect of polarity on weld bead geometry in submerged arc welding,” Journal of Manufacturing Processes, vol. 21, pp. 14–22, 2016.

[17] R. E. Toma, S. D. Brandi, A. C. Souza, and Z. Morais, “Comparison between DC (+) and square wave AC SAW current outputs to weld AISI 304 for lowtemperature applications,” Welding Journal, vol. 90, no. 9, pp. 44-1-44-8, 2011.

[18] S. D. Borle, I. Le Gall, and P. F. Mendez, “Primary chromium carbide fraction control with variable polarity SAW,” Welding Journal, vol. 94, no. 1, pp. 1–7, 2015.

[19] A. Sharma, A. K. Chaudhary, N. Arora, and B. K. Mishra, “Estimation of heat source model parameters for twin-wire submerged arc welding,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 45, no. 11–12, pp. 1096–1103, 2009.

[20] H. Om and S. Pandey, “Effect of heat input on dilution and heat affected zone in submerged arc welding process,” Sadhana, vol. 38, no. 6, pp. 1369–1391, 2013.

[21] J. J. Coronado, H. F. Caicedo, and A. L. Gómez, “The effects of welding processes on abrasive wear resistance for hardfacing deposits,” Tribology International, vol. 42, no. 5, pp. 745– 749, 2009.

[22] H. Z. Oo, B. Srikarun, and P. Muangjunburee, “The effects of heat input and polarity on wear resistance of Fe-3.5% Cr steel hardfaced using submerged arc welding,” Materials Research Express, vol. 6, no. 10, pp. 1–11, 2019.

[23] R. Hossain, F. Pahlevani, and V. Sahajwalla, “Effect of small addition of Cr on stability of retained austenite in high carbon steel,” Materials Characterization, vol. 125, pp. 114– 122, 2017.

[24] E. E. T. ELSawy, M. R. EL-Hebeary, and I. S. E. El Mahallawi, “Effect of manganese, silicon and chromium additions on microstructure and wear characteristics of grey cast iron for sugar industries applications,” Wear, vol. 390, pp. 113–124, 2017.

[25] R. L. Klueh, P. J. Maziasz, and A. E. Lee, “Manganese as an austenite stabilizer in Fe–Cr–Mn–C steels,” Materials Science and Engineering: A, vol. 102, no. 1, pp. 115–124. 1988.

Full Text: PDF

DOI: 10.14416/j.kmutnb.2021.10.004

ISSN: 2985-2145