2.3.1.3 Вплив легуючих елементів на перетворення у сталях

Основними легуючими елементами, які визначають склад і структуру наплавлених шарів, є вуглець, хром, вольфрам, бор, марганець, нікель, кобальт, кремній, титан, алюміній.

Вуглець – основний карбідоутворюючий елемент. При його вмісті до 0,6 % у поєднанні з іншими карбідоутворювачами виникають сплави з доевтектоїдною структурою, які мають високу ударну стійкість при відносно високій зносостійкості. При вмісті вуглецю більше 2 % утворюються заевтектоїдні структури з кількістю карбідів до 40 % при вмісті аустеніту не менше 20 %. Такі сплави мають високу зносостійкість і понижену стійкість до ударів.

Хром – карбідоутворюючий елемент. У залежності від вмісту вуглецю і температури плавлення хром утворює карбіди різного складу: Cr₂С₂, Cr₇С₃, Cr₁₃С₆. З підвищенням вмісту хрому зростає твердість і зносостійкість сплавів, але знижується пластичність і підвищується схильність до утворення кристалізаційних тріщин. Хром сприяє зміцненню основи сплаву – аустеніту і мартенситу, але, як і вуглець, підвищує карбідну неоднорідність. Хром підвищує стійкість сплаву до корозії.

Вольфрам – карбідоутворюючий елемент. Розчиняється у фериті. З вуглецем утворює два карбіди: WC і WC₂. Вольфрам підвищує зносостійкість і жаростійкість сплавів.

Бор – легуючий елемент, вплив якого при багатокомпонентному легуванні вивчено недостатньо. З вуглецем, хромом і іншими карбідоутворюючими елементами бор утворює різні з'єднання у вигляді боридів і карбоборидів. Введення невеликої кількості бору значно підвищує твердість і зносостійкість сплаву, але різко знижує в'язкість, що приводить до утворення тріщин при наплавленні. Бор має флюсуючі властивості і сприяє пониженню температури плавлення сплаву.

Кремній – сильний розкислювач, карбідів не утворює. Він є складовою твердого розчину. Сприяє підвищенню жаростійкості і червоностійкості сплавів. При вмісті його більше 4 % структура наплавлених шарів погіршується: понижується ударна в'язкість і підвищується крихкість. По границях зерен кремній може утворювати легкоплавкі прошарки, які сприяють утворенню тріщин.

Марганець, як і кремній, є складовою частиною твердого розчину. Розчиняється у фериті, підвищуючи міцність сплаву. Розчиняється в аустеніті, збільшуючи його кількість. Марганець є хорошим розкислювачем. При відповідних концентраціях у зварювальній ванні він сприяє видаленню сірки, зв'язуючи її у сульфат марганцю (МпS), який переходить у шлак, запобігаючи тим самим утворенню легкоплавких плівок на границях кристалів.

Нікель – цінний легуючий елемент, який дозволяє у широких межах регулювати кількість аустеніту у сплаві, отримуючи наплавлені шари з різними фізико–механічними властивостями. Введення 3 – 5 % Ni у сплави з вмістом до 1,5 % С дає можливість отримати від 30 до 45 % аустеніту, що різко підвищує в'язкість сплаву, не понижуючи його зносостійкості [1]. Характерною особливістю нікелю є його вплив на коефіцієнт лінійного розширення. З підвищенням вмісту нікелю у сплаві його коефіцієнт лінійного розширення різко зменшується, а при вмісті 36 % Ni він досягає мінімального значення, після чого знову збільшується. Змінюючи вміст нікелю можна отримувати сплави з різним коефіцієнтом лінійного розширення, впливати на якість наплавлення.

Титан – активний карбідоутворюючий елемент і сильний розкислювач. З азотом титан утворює міцні нітриди, які переходять у шлак.

Алюміній – карбідів не утворює, розчиняється у фериті, сприяє графітизації. Є сильним розкислювачем, а з киснем утворює оксиди, які важко плавляться і при певних умовах переходять у шлак. З азотом алюміній утворює стійкі нітриди AlN, які також переходять у шлак.

Кобальт – ні карбідоутворюючий, ні графітизуючий елемент. Він сприяє підвищенню жароміцності і в'язкості сплаву.

Ванадій – сильний карбідоутворювач, зміцнює основу сплаву. Утворює карбіди дрібнодисперсної форми з рівномірним розподілом їх в основі сплаву.

За зростаючим ступенем спорідненості до вуглецю і стійкості карбідних фаз карбідоутворюючі елементи розміщаються у такій послідовності: Fe  Mn  Cr  Mo  W  Nb  V  Zr  Ti [3].

При невеликій кількості карбідоутворюючих елементів відбувається їх розчинення з утворенням легованого цементиту. Склад легованого цементиту може бути виражений формулою ( Fe, М )₃С, де М – легуючий елемент.

Розчинення карбідів вольфраму, ванадію, молібдену, титану, ніобію відбувається при високих температурах. Надлишкові карбіди, які утворюються цими елементами, розміщаються по границях зерен, сповільнюючи їх ріст. Швидкість росту зерна сповільнюють також оксиди алюмінію Al₂O₃, титану TiО₂ .

Усі легуючі елементи, за винятком кобальту, сповільнюють процеси ізотермічного розпаду аустеніту і підвищують його стійкість.