Выбор состава наплавленного металла.

Современная сварочная техника использует для наплавки сплавы разного состава. Наплавленный металл можно классифицировать по разным признакам: структуре, химическому составу, назначению.

Для характеристики наплавленного металла данных только о химическом составе и твердости недостаточно. В зависимости от скорости охлаждения, режима термообработки и от ориентации первичных кристаллитов по отношению к разрушающим нагрузкам наплавленный металл одного и того же химического состава обладает разной работоспособностью.

Тип наплавленного металла выбирают на основе анализа условий службы рабочих поверхностей наплавляемой детали. Поэтому важнейшим свойством наплавленного металла является способность его сопротивляться определенным видам изнашивания.

Абразивный износ обусловлен наличием абразивной среды в зоне трения; разрушение поверхностей трения происходит в результате местного пластического деформирования, микроцарапания и микрорезания абразивными частицами. Абразивный износ испытывают многие детали почвообрабатывающих машин, загрузочных и разгрузочных устройств строительных и дорожных машин.

Как видно на рис.1, наивысшей износостойкостью обладает наплавленный металл типов F и P, т.е. с высоким содержанием вольфрама. В тип Р включены также композиционные сплавы, полученные пропиткой литого карбида вольфрама вязким сплавом-связкой. Несколько уступает упомянутым типам наплавленный металл типа G, но значительно дешевле высоковольфрамовых сплавов. Среди сплавов типа G более высокой износостойкостью обладают заэвтектические высокохромистые чугуны с бором.

Рис. 1. Относительная износостойкость неплавленного металла при испытаниях на машинах Х4-Б (толстые линии) и НК (тонкие линии).

Многие детали (ножи дорожных машин, лемехи плугов, работающие в почве с валунами, била дробилок) испытывают абразивный износ с ударами.

Налавленный металл, предназначенный для работы в абразивной среде, условно разделен на три группы, отличающиеся по склонности к выкрашиванию, оцененной на основании опыта эксплуатации наплавленных деталей.

Металлы У30Х14СМФ, 70Х11Н3, 70Х20Р3Т и Г13Н4 применяются для наплавки деталей, изготовленных не только из углеродистых сталей, но и из аустенитной стали 110Г13Л.

Газоабразивный износ вызывается механическим действием твердых частиц, перемещаемых потоком газа. Разрушение поверхности происходит в результате срезания, выкрашивания, выбивания и многократного пластического деформирования поверхностных микрообъемов. Этому виду износа подвергаются детали трасс пневмотранспорта, лопатки пылевых вентиляторов и насосов, клапаны, конусы и чаши загрузочных устройств доменных печей, сопла реактивных двигателей, работающих на твердом топливе.

Интенсивность изнашивания определяется скорость, свойствами и формой частиц, температурой и степенью запыленности газового потока, физико- химическими свойствами изнашиваемого материала. Важнейшим кинематическим фактором является угол наклона вектора скорости абразивных частиц к поверхности изнашиваемой детали – угол атаки. Изменение угла атаки сопровождается изменением процесса разрушения поверхностного слоя и скорости изнашивания. Поэтому газоабразивную износостойкость оценивают при регламентированном угле атаки.

Гидроабразивный износ во многом сходен с газоабразивным, но носителем абразивных частиц является не газ, а жидкость. Гидроабразивному износу подвергаются рабочие колеса и улитки земснарядов и песковых насосов, лопатки и камеры гидротурбин, работающие на реках, несущих большое количество абразивных частиц, а также пульпопроводы гидротранспорта. Интенсивность гидроабразивного износа во многом зависит от условий обтекания детали жидкостью, которые в конечном счете определяют углы встречи абразивной частицы с изнашиваемой поверхностью.

Наиболее высокой износостойкостью обладали высокохромистые чугуны. Они в 10-60 раз превосходили износостойкость низкоуглеродистой стали. В доэвтектических чугунах увеличение количества эвтектики сопровождалось повышением износостойкости. Еще более высокой износостойкостью обладали заэвтектические чугуны. Максимальная износостойкость была достигнута для сплава, содержащего 0,7-0,8% С и 20-25% Cr, при дополнительном легировании его бором до 3,0%.

Кавитационная эрозия появляется в результате импульсного механического воздействия гидравлических ударов потока жидкости на поверхность металла. Кавитации подвержены гребные винты, лопасти и камеры проточного тракта гидротурбин, рабочие колеса и камеры различных гидромашин. Наличие коррозионной среды ускоряет процесс кавитационного разрушения. Поэтому для работы в условиях кавитации применяют коррозионные стали.

Высокой стойкостью против кавитационного разрушения обладают хромистые стали с мартенситной структурой. Применение этих сталей для наплавки затруднено из-за появления трещин и необходимости предварительного подогрева деталей. Более технологичны аустенитные хромоникелевые стали 18-8, но более высокой износостойкостью обладают стали с нестабильным аустенитом, который при микроударном нагружении превышается в мартенсит. К сталям с нестабильным уастенитом относятся 30Х10Г10, Х15Н8, Х13Н9. Наличие в структуре δ-феррита снижает кавитационную стойкость, поэтому стали с высоким содержанием хрома (20-25%) хуже противостоят кавитации, чем стали с 13-15% Cr.

Высокую кавитационную стойкость имеют нержавеющие мартенситостареющие стали 0Х12Н5АМ2Т. Эти стали приобретают необходимые свойства в результате воздействия термического цикла сварки и поэтому специальной термообработки не требуют.

Для наплавки гребных винтов из медных сплавов применяют двухфазные алюминиевые бронзы (10-14% Al). В наплавленных высокоалюминиевых бронзах образуется метастабильная β-фаза, способная под действием микроударных нагрузок превращаться в мартенситоподобную β^’ – фазу, обладающую высокими упругими свойствами. Это значительно повышает общую кавитационную стойкость сплава.

Термическая усталость – это изменения структуры и формы, сопровождающиеся разрушением материалов в результате действия циклических нагревов и охлаждений. Трещины – наиболее характерный вид разрушения, вызываемый термической усталостью. Трещины возникают на поверхности детали после определенного числа циклов. Их количество непрерывно увеличивается с возрастанием числа циклов. В результате образуется сетка трещин, которую часто называют сеткой разгара. Характеристикой сопротивления материалов термической усталости обычно служит число циклов до появления трещин. Стандартная методика испытаний на термическую усталость пока отсутствует, поэтому сравнительные данные получают лишь при определенных параметрах работы испытательного стенда.

Термической усталости подвержены многие детали оборудования и различный инструмент: валки горячей прокатки, штампы для горячей штамповки, пресс-формы для литья под давлением, хоботы завалочных машин, контейнеры для прессования профилей. С проблемой термической усталости чаще всего приходится сталкиваться при решении задач, связанных с наплавкой прокатных валков и штампов для горячей обработки металлов. В качестве наплавляемого металла является применение штамповых сталей для горячей обработки. Прокатные валки, штампы для горячей обработки испытывают не только тепловые удары, которые приводят к трещинам термической усталости, но подвергаются одновременно и износу испытанием. Скорость распространения трещин в глубь металла и скорость испытания могут быть разными. Поэтому на изношенной поверхности детали отразится результат действия процесса, протекающего с большой скоростью, т.е. сетка трещин, либо задиры и риски. Различные типы наплавленного металла обладают разной склонностью к образованию трещин термической усталости и сопротивлением износу.