Investigation of high-temperature wear behavior of Ni-Mo alloyed hardfacing coatings applied on hot strip mill vertical rolls by submerged arc welding

Abstract

In this study, hot strip mill vertical rolls made of AISI 4140 steel, commonly used in the iron and steel industry's hot rolling section, were coated with ER430 and E430+EC410NiMo using the submerged arc welding (SAW) method. The coatings were characterized through scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), microhardness, and wear testing (room 24 °C, 300 °C, and 600 °C). XRD analysis showed that in the ER430 sample, the dominant phase was α-ferrite phase and a small amount of γ (austenite) phase observed, while in the ER 430+EC410NiMo sample, the α-ferrite phase was the dominant phase, but the γ (austenite) phase in the structure was more severe and additionally M6C carbide phase was formed. Coating thicknesses and microhardness values of ER430 and ER430+EC410NiMo coatings were measured as 1.5 mm and 3.75 mm thicknesses, and 533±42 HV0.1 and 473±35 HV0.1 respectively. The increase in hardness on the surface of coated specimens resulted in higher wear resistance compared to the uncoated specimens under all conditions. Regarding average friction coefficient values, coated specimens generally exhibited lower values, although in some cases, the average friction coefficient was higher. In the wear tests, the lowest wear volume losses occurred in the tests conducted at 300°C, while the highest wear volume losses were observed in the tests at 600°C. Upon evaluating the wear mechanisms, it was determined that adhesive and oxidative wear mechanisms were generally dominant in the coated specimens. At higher temperatures, oxidative wear mechanisms became more prominent. ER430+EC410NiMo coatings exhibited better wear resistance compared to ER430, which can be attributed to the toughness effect of γ (austenite) and M6C phases in these coatings. Consequently, it was concluded that applying powder deposition coatings onto hot strip mill vertical rolls made of AISI 4140 steel could enhance their wear resistance, thereby increasing productivity in manufacturing processes.

Bu çalışmasında, demir çelik endüstrisi sıcak haddeleme kısmında kullanılan AISI 4140 çeliğinden imal edilen sıcak hadde dikey makaralara toz altı kaynak yöntemiyle ER430 ve E430+EC410NiMo kaplamaları uygulanmıştır. Kaplamaların karakterizasyonu taramalı elektron mikroskobu, enerji dağılım spektroskopisi, mikrosertlik ve aşınma davranışları (oda sıcaklığı, 300 °C, 600 °C) gerçekleştirilmiştir. XRD analizleri, ER 430 numunesinde kaplanan tabakaların baskın olarak α-ferrit fazı ve yanında γ (östenit) fazı, ER 430+EC 410Ni numunesinde ise α-ferrit fazının yanı sıra γ (östenit) ve M6C fazlarının da varlığı tespit edilmiştir. Kaplama kalınlıkları ve mikrosertlik değerleri, ER430 ve ER430+EC410NiMo için sırasıyla 1,5 mm ve 3,75 mm kaplama kalınlığına ve 533±42 HV0.1 ile 473±35 HV0.1 sertlik değerlerine sahiptir. Kaplanmış numunelerin yüzeyindeki sertlik artışıyla tüm koşullarda işlemsiz numuneye göre daha yüksek aşınma dirençleri göstermiştir. Ortlama sürtünme katsayı değerleri bakımından ise genellikle kaplanmış numunler daha düşük sürütnme kaysayısı değerleri sergilemişken bazı durumlarda ise ortalama sürtünme katsayısı daha yüksek olarak gerçekleşmiştir. Aşınma testlerinde en düşük aşınma hacim kayıpları 300 °C'deki testlerde, en yüksek aşınma hacim kayıpları ise 600 °C'deki testlerde gerçekleşmiştir. Aşınma mekanizmaları değerlendirildiğinde, kaplanmış numunelerde genellikle adhezif ve oksidasyon aşınma mekanizmalarının baskın aşınma mekanizması olduğu tespit edilmiştir. Yüksek sıcaklıklarda ise oksidasyon aşınma mekanizmasının daha belirgin olduğu tespit edilmiştir. ER430+EC410NiMo kaplamaları, ER430'a göre daha iyi aşınma direnci sergilemiştir, bu durum bu kaplamada γ (östenit) ve M6C fazlarının tokluk etkisine atfedilebilir. Sonuç olarak, AISI 4140 çeliğinden imal edilen sıcak hadde dikey makaralara uygulanan tozaltı kaynak kaplamaları bu makaraların aşınma direncini artırarak üretimde verimlilik artırabileceği tespit edilmiştir.