2.3.1 Будова і властивості наплавлених шарів

Будова і властивості зони наплавлення і наплавлених шарів визначаються умовами нагрівання і охолодження – швидкістю зростання температури, максимальною температурою і швидкістю зниження температури при охолодженні.

Швидкість нагрівання має значення для стану рідкої ванни і розміру зерна після кристалізації. Швидкість охолодження визначає структурні перетворення у наплавленому металі і зоні термічного впливу (ЗТВ).

Розмір, структура і властивості ЗТВ визначаються розподілом у ній температур (рисунок 2.4). Ці фактори залежать як від термічного циклу наплавлення, так і від товщини металу, яка визначає швидкість охолодження. Відповідно до розподілу температур змінюються властивості ЗТВ для різних сталей по–різному.

1 – зона перегрівання; 2 – зона гартування; 3 – зона неповного гартування; 4 – зона відпускання; 5 – зона старіння

Рисунок 2.4 – Розподіл температур у зоні термічного впливу

В усіх випадках, у зв'язку зі стисканням локально нагрітих зон наплавлення, у зоні валика виникають тимчасові і залишкові напруження розтягу (рисунок 2.5). Тимчасові напруження, навіть при невеликому значенні, можуть викликати появу кристалізаційних (гарячих) тріщин, якщо погано підібрано метал для наплавлення, який утворює жорсткий каркас в інтервалі кристалізації і має невелику міцність поблизу лінії солідус.

Можливість утворення тріщин у наплавленому шарі після вистигання (холодні тріщини) пов'язана з виникненням залишкових напружень у крихкому металі шару через понижений опір руйнування такого металу з часом, особливо при наявності концентраторів напружень.

Основне значення для зносостійкості у різних умовах зношування мають хімічний, фазовий склад і структура наплавленого металу. Ці умови визначають вибір наплавних матеріалів.

Рисунок 2.5 – Епюра залишкових напружень у зоні наплавленого шару

Відновлення геометричних розмірів виробів методами наплавлення виконують найчастіше у випадках зношування абразивом або у присутності абразиву. Для виробів, які працюють у спряжених парах тертя, найчастіше використовують матеріали, близькі за складом до основного металу або, які утворюють метал, придатний до наступної хіміко–термічної обробки.

Наплавлений метал складається з двох фазових складових:

– основи (матриці), у котрій розміщені частинки різного розміру і форми;

– зміцнюючої або твердої фази.

Наплавними матеріалами, як правило, є сплави на залізній основі – сталі і чавуни. Зараз досить часто використовують сплави на нікелевій основі. У сплавах на залізній основі матрицею можуть бути: ферит, аустеніт, мартенсит. У чавунів – ледебурит, хоча ледебурит і перліт заевтектоїдних сталей матрицями можна вважати умовно, оскільки вони мають гетерогенну будову.

2.3.1.1 Матриця сплаву

Функції матриці різносторонні. При абразивному зношуванні вона повинна: а) чинити опір впровадженню абразивних частинок і переміщенню своїх твердих фаз (карбідів, інтерметалідів, боридів); б) утримувати і не давати викришуватись твердим складовим сплаву; в) бути основним елементом сплаву, який визначає стійкість до ударів.

Таблиця 2.2 – Порівняльні значення твердості фаз і абразивів

Фази	Ферит	Аустеніт	Мартенсит	Кварц	Карбід
Твердість НВ	 100	 250	 600	 1000 Н	 2300 Н

Таблиця 2.3 – Ударна в'язкість фаз

Фази	Ферит	Аустеніт	Мартенсит низько вуглецевий
Ударна в'язкість КСU, МДжм2	 1,6	 3,0	0,6

З таблиці 2.2 і 2.3 видно, що сама матриця, навіть мартенситна, не може протидіяти абразивним частинкам.

Найбільшу стійкість до ударів забезпечує матриця аустеніту. Найкраще поєднання НВ і КСU має низьковуглецевий мартенсит.

Аустеніт – найбільш в'язка матриця. Він добре закріплює тверді карбіди і боридні включення. При високих питомих навантаженнях і ударах аустеніт здатний зміцнюватись за рахунок наклепу – підвищення щільності дислокацій, зв'язаних з деформацією. Під час наклепу твердість аустеніту зростає у залежності від його складу і величини пластичної деформації від 400 до 500 НV. Таким чином, аустеніт, якщо він утворює матрицю наплавленого металу, може сприяти підвищенню зносостійкості, особливо при ударно–абразивному зношуванні. При великому вмісті у наплавленому металі хрому (від 5 до 10 %) і марганцю (від 8 до 15 %) аустеніт отримує здатність до перетворення при деформації у мартенсит з підвищенням твердості до 700 НV і підвищенням зносостійкості. У залежності від ступеню деформації і складу металу це перетворення А  М може бути повним і частковим. Часткове перетворення особливо бажане, так як у матриці залишається аустеніт, який підвищує стійкість до ударів. У наплавленому металі з нестабільним аустенітом корисно мати у вихідному стані від 30 до 40 % М з тим, щоб у процесі роботи і перетворення А  М кількість його збільшилась від 60 до 70 % і у матриці залишалось від 30 до 40 % аустеніту, який не розпався.

Найгірші властивості у матриці має ферит. Він має низьку зносостійкість. В'язкість і ступінь наклепу у нього нижчі, ніж в аустеніту.

Таким чином, найкращою матрицею у наплавленому металі є аустенітно–мартенситна. При великому вмісті мартенситу (від 70 до 80 %) бажано, щоб він був низьковуглецевим, а решта від 20 до 30 % аустеніту були стабільними, не схильними до перетворень. При меншій кількості мартенситу у матриці він може мати більше вуглецю, а від 70 до 80 % аустеніту повинні бути схильні до часткового перетворення А  М при зношуванні. Наведені значення орієнтовні і повинні коректуватись у залежності від умов зношування, а також кількості і якості зміцнюючої фази.