INCREASING THE RESOURCE OF WORKING PARTS OF SOIL CULTIVATION EQUIPMENT BY OPTIMIZING THE COMPOSITION OF POWDER WIRES FOR ELECTROSLAG SURFACING

Keywords: electroslag surfacing; powder wire; modifying additives; carbides; oxides; wear resistance; working parts of soil cultivation equipment; economic efficiency

Abstract

The article substantiates an approach to increasing the service life of working parts of soil cultivation equipment by rationalising the composition of powder (electrode) wires for electroslag surfacing in a current-supplying crystalliser with constant reverse polarity current. For ten experimental wire compositions, a comprehensive assessment of the properties of coatings was carried out according to the following indicators: hardness (HRC), abrasive wear (mass loss Δm, g) and corrosion resistance (mass loss Δm, mg after 72 hours in 5 % NaCl). In addition, the technological stability of surfacing and the tendency of layers to porosity and cracking were analysed. A formalised multi-criteria selection procedure was proposed based on the integral quality index K, which aggregates the normalised criteria of ’hardness–wear resistance–corrosion resistance’ and takes into account the technological limitations of the process (slag bath stability, heat input control, defect minimisation). According to the integral ranking, the most balanced operational properties were provided by wire No. 6, which was accepted as the basic prototype. The effectiveness of carbide-oxide modification (NbC, ZrO₂, Al₂O₃, graphite) in combination with high chromium alloying for the formation of a dispersion-strengthened and technologically suitable structure is demonstrated. The recommended composition range for powder wire for wear-resistant coatings is: Cr 50–60 %, C 3–4 %, NbC 5–8 %, ZrO₂ 5–10 %, Al₂O₃ 5–7 %, graphite 2–3 %, microimpurities V and Mo 1–2 %. Field tests on ploughshares and cultivator tines confirmed a reduction in wear of approximately 40 % compared to serial parts. Technical and economic justification for 1,000 hectares showed a reduction in direct costs from 42,800 UAH to 29,276.8 UAH and savings of 13,523.2 UAH (31.6 %), confirming the feasibility of introducing the proposed wire compositions in repair production and service departments. Practical value – reproducibility of compositions on standard workshop equipment.

References

A., Kapustianskyi M. Formation and properties of NbCreinforced layers obtained by electroslag surfacing in a small-diameter current-fed crystallizer. Technology Audit and Production Reserves. 2025. Vol. 5, No. 1 (85). P. 30–35. DOI: 10.15587/2706-5448.2025.341827.
2. Tekeste M. Z., Balvanz L. R., Al-Aani F. et al. Hardened edges effects on wear characteristics of cultivator sweeps using circular soil bin test. Journal of Tribology. 2022. Vol. 144, No. 2. 024501. DOI: 10.1115/1.4050805.
3. Tulaganova L., Yunushuzhaev S., Juraeva G. Improving the wear resistance and durability of cultivator tools. Journal of Physics: Conference Series. 2022. Vol. 2373. 022026. DOI: 10.1088/1742-6596/2373/2/022026.
4. Rogovskii I. L., Titova L. L., Voinash S. A., Troyanovskaya I. P. Engineering management of tillage equipment with concave disk spring shanks. INMATEH – Agricultural Engineering. 2020. Vol. 60, No. 1. P. 45–52. DOI: 10.35633/INMATEH-60-05.
5. Białobrzeska B., Jasiński R., Konat Ł., Szczepański Ł. Analysis of the properties of hardox extreme and hardox 500 steels in hardness tests. Metals. 2021. Vol. 11. Art. 162. DOI: 10.3390/met11010162.
6. Archard J. F. Contact and rubbing of flat surfaces. Journal of Applied Physics. 1953. Vol. 24, No. 8. P. 981–988. DOI: 10.1063/1.1721448.
7. Hutchings I. M., Shipway P. Tribology: friction and wear of engineering materials. 2nd ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2017. 412 p.
8. Kou S. Welding metallurgy. 2nd ed. Hoboken, NJ : Wiley-Interscience, 2003. 461 p.
9. Захаров А. В., Рибалко І. М., Сайчук О. В., Боровик О. Ю. Процес електрошлакового наплавлення з використанням електродних порошкових дротів. International Science Journal of Engineering & Agriculture. 2023. Vol. 2, No. 1. P. 1–9. DOI: 10.46299/j.isjea.20230201.01.
10. Захаров А. В., Рибалко І. М., Тіхонов О. В., Сайчук О. В. Дослідження зношуючої здатності ґрунтів та її вплив на довговічність робочих органів ґрунтообробних машин. Науковий вісник ТДАТУ. 2023. Вип. 13, т. 1. С. 106–117. DOI: 10.31388/sbtsatu.v13i1.359.
11. ISO 6508-1:2016. Metallic materials – Rockwell hardness test – Part 1: Test method. Geneva : International Organization for Standardization, 2016.
12. ASTM G65-16 (2021). Standard test method for measuring abrasion using the dry sand/rubber wheel apparatus. West Conshohocken, PA : ASTM International, 2021.
13. ISO 9227:2022. Corrosion tests in artificial atmospheres – Salt spray tests. Geneva : International Organization for Standardization, 2022.
14. Захаров А. В., Рибалко І. М., Тіхонов О. В., Гончаренко О. О. Модифікування реноваційних покриттів для підвищення зносостійкості культиваторних лап. Вісник ХНТУ. 2022. Вип. 4 (83). С. 37–42.
15. Schramm F., Kalácska Á., Pfeiffer V., Sukumaran J., De Baets P., Frerichs L. Modelling of abrasive material loss at soil tillage via scratch test with the discrete element method. Journal of Terramechanics. 2020. Vol. 91. P. 275–283. DOI: 10.1016/j.jterra.2020.08.002.
16. de Sousa J. M. S., Gil G. S., Barbosa M. dos S., Garcia D. N., Lobato M. Q., Machado P. C. Tribological performance under abrasive wear of Fe–Cr–C+Nb coating deposited by FCAW process. Wear. 2023. Vol. 523. 204824. DOI: 10.1016/j.wear.2023.204824.
17. Holmberg K., Kivikytö-Reponen P., Härkisaari P., Valtonen K., Erdemir A. Global energy consumption due to friction and wear in the mining industry. Tribology International. 2017. Vol. 115. P. 116–139. DOI: 10.1016/j.triboint.2017.05.010.
18. Захаров А. В., Рибалко І. М., Сайчук О. В. Металургійні процеси плавлення і перенесення електродного та присадного матеріалів у шлаковій ванні при електрошлаковому наплавленні. Вісник Львівського торговельно-економічного університету. 2023. Вип. 33. С. 12–18. DOI: 10.36477/2522-1221-2023-33-02.
19. Kuskov Yu. M. Application of flux-cored wires at surfacing, remelting and in metallurgy. The Paton Welding Journal. 2019. No. 3. P. 27–33.
20. Paton B. E., Yushchenko K. A., Kozulin V. P., Lychko I. I. Electroslag welding process analysis. The Paton Welding Journal. 2019. No. 10. P. 33–40.
21. Нетяга А. В., Кусков Ю. М., Проскудін В. М. та ін. Підвищення зносостійкості великомодульних прямозубих зубчастих коліс шляхом наплавлення. Сучасна електрометалургія. 2021. № 4. С. 9–15. DOI: 10.37434/sem2021.04.02.
22. Захаров А. В., Рибалко І. М., Тіхонов О. В. Зносостійкість та ресурс відновлених і зміцнених електрошлаковим наплавленням лемішів і культиваторних стрілчастих лап. Збірник наукових праць НУК. 2024. № 4 (497). С. 20–27. DOI: 10.15589/znp2024.4 (497).4.
23. Рибалко І. М., Захаров А. В., Сайчук О. В., Коротій В. О. Дослідження причин проплавлення основного металу при електрошлаковому наплавленні і методи його регулювання. Вісник Херсонського національного технічного університету. 2023. № 4 (87). С. 129–136. DOI: 10.35546/kntu2078-4481.2023.4.15.
24. Захаров А. В., Рибалко І. М., Сайчук О. В.Фізико-хімічні властивості флюсів та їхні технологічні параметри. International Science Journal of Engineering & Agriculture. 2022. Vol. 1, No. 5. P. 70–76. DOI: 10.46299/j.isjea.20220105.09.
Published
2026-05-08
Section
TOPICAL ISSUES OF SCIENTIFIC AND PRACTICAL MATERIALS SCIENCE