3.1.6 Выбор способа легирования

Автоматическая наплавка большого количества одинаковых изде-лий встречается довольно редко. На большинстве заводов необходима наплавка изделий различных типоразмеров, а это означает, что способ легирования должен обеспечить получение металла требуемого сос-тава в достаточном диапазоне режимов.

Если сопоставлять эти данные с графиком, приведенным на рис. 3.5, то окажется, что первый режим может дать нужный состав наплавленного металла при способах легирования 1, 2 и 3, а второй режим приемлем только при способах 1 и 2. Чтобы получить нужный состав при легирующем флюсе (способ 3), необходимо поднять напряжение дуги до 35…38 В. Во многих случаях это невозможно из-за стекания металла. В данном случае для наплавки валков двух типоразмеров нужно иметь два различных легирующих флюса либо применять электродную проволоку разных диаметров, что в производственных условиях неудобно, а иногда и невозможно.

Пример из области наплавки плоских деталей. При наплавке поверхности ножа вдали от режущей кромки применяется оптимальный режим: ток – 350…380 А, напряжение – 28…32 В. У самой кромки, во избежание стекания металла, напряжение нужно снизить до 25…28 В. На графике рис. 3.5 видно, что такое изменение, не нарушая существенно состава металла при легировании по способам 1 и 2, вызовет нежелательное отклонение состава при легировании через флюс по способу 3. В данном случае при наплавке одного изделия нужная ширина диапазона режимов может быть обеспечена только при легировании через проволоку.

Требуемая точность легирования наплавленного металла, естест-венно, зависит от типа избранного износостойкого сплава. Так, при нап-лавке быстрорежущей стали Р18 требуется получить в наплавленном слое 0,75 ± 0,05 % С и 18,3 ±0,7 % W; иначе говоря, допускается отк-лонение в пределах 4…7 % от среднего содержания примеси. При нап-лавке слоя стали Х12М (1,45…1,70 % С, 11,0…12,5 % Сr и 0,4…0,6 Мо) допустимое отклонение от среднего составляет 6…8 %. При наплавке других высоколегированных инструментальных сталей также требуется точность легирования, измеряемая допустимым отклонением в 5…10 % от среднего содержания примеси.

При наплавке слоя низколегированной стали, приближающейся по составу к марке 12ГС или 18ХГСА, допустимое отклонение от среднего значительно больше: оно составляет примерно 15…20 %. В этом случае требования к точности легирования могут быть понижены.

Нет надобности требовать высокой точности легирования при наплавке грубых изделий, например деталей дробильно-размольных ме-ханизмов. Состав наплавленного металла может в этом случае изме-няться в достаточно широких пределах, и это не отражается заметно на службе наплавленных деталей.

3.2 Структурообразование наплавленного металла

Состав легирующих элементов в наплавленном металле определяет его структуру и свойства, соответствие условиям эксплуатации изделия. В зависимости от условий эксплуатации поверхностных слоев требования к наплавленному слою различны. Наплавленные слои укрупненно можно классифицировать по пяти группам:

– стали (углеродистые и высокоуглеродистые, хромомарганцевые, хромистые, высокохромистые и молибденовые);

– специальные сплавы на основе железа (высокохромистые чугуны, сплавы с хромом и бором, сплавы с кобальтом, молибденом и вольфра-мом);

– сплавы на основе никеля и кобальта (хромоникелевые сплавы с бо-ром и кремнием, никелевые сплавы с молибденом, кобальтовые сплавы с хромом и вольфрамом);

– карбидные сплавы (с карбидом вольфрама, ванадия и хрома);

– сплавы на медной основе (бронзы алюминиевые, оловянно-фосфо-ристые).

В наплавленном металле и околошовной зоне даже при небольшом содержании углерода часто образуется видманштетовая структура (иголь-чатый феррит) с низкими характеристиками прочности и пластичности. При многослойной наплавке эта структура часто исключается за счет тер-мического влияния слоев наносимых последовательно. В околошовной зо-не видманштетовая структура может быть устранена только общей или местной термообработкой с нагревом выше верхней критической точки. При большой скорости охлаждения может образоваться мартенсит, осо-бенно при использовании легированного наплавленного металла или по-вышенного содержания углерода. Мартенсит характеризуется высокой твердостью (> 500 HV), низкой пластичностью и вязкостью, сопровож-дается высокими напряжениями 2-го рода. Замедленное охлаждение спо-собствует получению промежуточных игольчатых структур: бейнита (450…500 HV), троостита (380…420 HV), сорбита (300…350 HV).

Перлит, сорбит и троостит, образовывающиеся при распаде переохлажденного аустенита, представляют собой ферритно-цементитную смесь с разной степенью дисперсности. В отличие от перлита сорбит и троостит не являются равновесными структурами и в сталях неэвтектоидного состава содержится углерода больше или меньше 0,8 %.

Мартенситное превращение происходит без изменения концентра-ции и диффузионных процессов (в отличие от перлитного). Образование мартенсита начинается с конкретной для каждой марки стали температуры М_н. Превращение происходит в широкой области температур. При этом, чем ниже температура относительно точки М_н, тем больше образуется мартенсита. Выдержка при постоянной температуре способствует замед-лению аустенитного превращения. Точка М_н определяется составом спла-

ва. Исследования показали, что все легирующие элементы (заисключени=

ем Al, Co,Si) понижают точку М_н (рис. 3.6).

^{Рисунок 3.6 – Влияние легирующих элементов на температуру}

^{точки Мн (1 % С)}

Для конструкционных низколегированных сталей в зависимости от их состава установлены эмпирические зависимости температур начала Т_мн и окончания Т_мк мартенситного преобразования:

Т_мн = 539 – 423С – 30,4Mn–17,7 Nі –12,1Cr –7,5Mo; (3.1)

Т_мк= 346 – 474С – 33Mn – 17Nі – 17Cr – 21Mo. (3.2)

Для инструментальных сталей установлена следующаязависимость температуры началаТ_мнмартенситного преобразования

Т_мн = 520 – 320С – 45Mn–5,0Si –30Cr –20Mo. (3.3)

В легированных сталях максимальная твердость металла определяе-тся химическим составом и скоростью охлаждения. С применением низко-углеродистых и низколегированных проволок и малой доли основного металла твердость наплавленного металла минимальная и немного увели-чивается с повышением скорости охлаждения.

При использовании легированных проволок и большой доли основ-ного металла в наплавленном образуется бейнитно-мартенситная структу-ра и его твердость более заметно зависит от скорости охлаждения, опреде-ляемой из уравнений:

при наплавке валика на массивное тело

(3.4)

при наплавке валика на лист произвольной толщины

,(3.5)

где – коэффициент теплопроводности, ;

V – скорость наплавки, ;

q – количество тепла, введенное в деталь, _;

Т_о – начальная температура наплавляемой детали,⁰С;

Т – температура минимальной устойчивости аустенита,⁰С;

– безразмерный критерий процесса охлаждения, зависящий от свойств наплавленного металла и условий охлаждения.

Наиболее резко понижает точку М_нуглерод (рис. 3.7).

Рисунок 3.7 – Положение мартенситных точек М_к и М_н в

зависимости от содержания углерода

Элементы, снижающие температуру -мартенситного превра-щения, увеличивают склонность металла к образованию холодных зака-лочных трещин (особенно углерод ). В среднелегированном металле тем-пература мартенситного превращения снижается при повышении содер-жания Mn, Ni, Сr, Mo и других легирующих элементов.

Образование закалочных структур и напряжений 2-го рода влияет на возникновение холодных трещин, которые могут появиться при наличии в металле свыше 25…30 % мартенсита. Повышение содержания углерода и насыщение водородом способствуют образованию холодных трещин. Водород поступает из атмосферы дуги в результате его растворения в жидком металле путём термодиффузии из менее нагретых зон основного металла. Максимальная растворимость водорода в железе при температуре 2450⁰ С и при давлении в 1 атм равна 40,5 см³/100г металла. При температурах, близких до Т_пл, растворимость водорода составляет 26…28 см³/100 г металла. Наличие в атмосфере дуги О₂, F, Cℓ способствует образованию соединений с водородом, не растворяющихся в жидком железе (ОН, НF, HCℓ и т.д.). Такое же положительное влияние оказывает содержание во флюсах или электродных покрытиях CaF₂.В результате его реакции с SiO₂ с образованием SiF₄ и реакции последнего с водородом образуется НF. В основных шлаках SiO₂ находится в связанном состоянии, поэтому при их применении HF образуется в меньшем количестве. Введение в основные покрытия низколегированных электродов 20…30 % TiO₂ способствует подобно Si0₂образованию HF в атмосфере дуги.

Вследствие малых размеров атомов водорода их подвижность в же-лезе выше, нежели других элементов (углерода и азота). При этом в менее плотной решетке больше, чем в -решетке (энергия активации, соот-ветственно, равна 13 400 и 41 500 Дж/моль). На диффузионную подвиж-ность водорода в железе влияют примеси, легирующие элементы и тип структуры стали. Углерод и кремний существенно замедляют диффузию водорода, за ними в данном направлении следуют хром и никель. По мере снижения скорости охлаждения в углеродистой стали структуры находятся в следующем порядке: пластинчатый перлит, сорбит, зернистый перлит, троостит и мартенсит.

Водород содействует образованию холодных трещин не только в наплавленном металле, но и в околошовной зоне. На рис. 3.8 приведен гра-фик влияния различных элементов через эквивалент углерода(см.рис.3.5) на критическое содержание водорода в низко- и среднелегированном металле.

Эквивалент углерода, %

Рисунок 3.8 – Влияние Сэкв на критическое содержание водорода

в наплавленном металле и наличие в нем трещин

Эквивалент углерода определялся по формуле

. (3.6)

Чем больше С_экв, тем при меньшем содержании водорода образуются холодные трещины.

Влияние диффузионного водорода Н_д в наплавленном металле на склонность разных сталей к образованию холодных трещин приведено на рис. 3.9.

–––– – Н_д= 4см³/100г; – – Н_д=1см³/100г

Рисунок 3.9 – Влияние диффузионного водорода Н_дв наплавленном металле на склонность разных сталей к образованию холодных трещин

Так как содержание углерода существенно влияет на свойства метал-ла, эквивалент углерода часто используют в качестве показателя склоннос-ти наплавленного металла к образованию холодных трещин. Используется несколько формул для определения эквивалента углерода, отличающихся наличием дополнительных факторов.

Для определения эквивалента углерода (С_экв) Международным инс-титутом сварки ( МИС ) предложена зависимость

. (3.7)

При С_экв< 0,4 % трещин нет, при С_экв = 0,4 … 0,7 % необходим предварительный подогрев; при Сэкв 0,7…1,0 % – высокотемпературный подогрев.

Д. Сеферианом предложена иная зависимость

С_экв = _x+ _p , (3.8)

где _x – химический эквивалент углерода,

; (3.9)

_p – размерный эквивалент углерода, который определяет размеры изделия,

, (3.10)

где S – толщина изделия, мм.

Японцами И. Ито и К. Бессио вместо _экв предложено оценивать склонность к образованию холодных трещин параметром Р_обр по формуле

(3.11)

гдеt – толщина металла, мм;

Н – объём (количество) диффузионного водорода в металле,

см /100г металла.

Если Р_обр 0,3, то холодные трещины не образуются; если Р_обр> 0,4, то холодные трещины образуются со 100%-ной вероятностью.

Для определения С_эквинструментальных сталейпредложена формула

С_экв = С + (3.12)

Для определения С_экв углеродистых и низколегированных сталей предложена формула

^{. (3.13)}

При этом максимальная твердость по Викерсу при нагрузке 100 Н определяется из выражения

Н_max = 660С_экв 40. (3.14)

При HV < 500 линейная зависимость твердости металла от С_экв под-тверждена практикой.

Часто наплавленный металл по химическому составу отличается от основного и вероятность образования трещин становится у основного ме-талла больше. Поэтому предварительный подогрев осуществляется, исходя из данных о твердости околошовной зоны. Для разных низколегированных сталей Д. Сеферианом рекомендована формула

(3.15)

а японцами – (3.16)

где Р_обр – склонность к образованию холодных трещин,

для инструментальных сталей установлена следующая зависимость

Т _под =(670 – 10² ),^оС (3.17)

Для предотвращения холодных трещин в инструментальных сталях температура предварительного подогрева должна превышать температуру начала мартенситного превращения М_н

Т_под = 595 – 1,12 ТМ_н(3.18)

На основе практики предложены следующие температуры подогрева (табл. 3.1).

Таблица 3.1 – Рекомендуемые температуры подогрева металла в зависимости от твердости

Твердость, HV	Температура подогрева, °С
До200	Без подогрева
200…250	При необходимости
250…325	Свыше 150
Свыше 325	Свыше 250

В результате систематических исследований установлено:

– склонность к замедленному разрушению при отсутствии диффузи-онного водорода имеют легированные стали с содержанием углерода 0,3 % и более;

– критическое содержание мартенсита, обуславливающее склонность к замедленному разрушению, зависит от содержания в нем углерода;

– в сталях с содержанием менее 0,2 % С склонность к замедленному разрушению проявляется при определенном критическом совместном со-держании мартенсита и диффузионного водорода;

– при достаточно высоком критическом содержании диффузионно- го водорода склонной к замедленному разрушению при отсутствии мартенсита становится структура бейнита.

При наплавке в большинстве случаев проблемой является также пре-дотвращение образования горячих трещин. Механизм их следующий. Во время кристаллизации наплавленного металла на границах зерна образует-ся легкоплавкий расплав (эвтектика), который является причиной разру-шения металла под влиянием усадочной деформации. Для оценки чувстви-тельности к горячим трещинам предложен показатель H.С.S. (склонность к горячим трещинам), который рассчитывается по уравнению

^(3.19)

^{При H.C.S.<1,7 трещины не возникают. Условием возникновения горячих трещин при наплавке H.C.S.>2, в то время как при обычной сварке низколегированной стали трещины возникают при H.C.S.= 4.}

4.7 Полиметаллические электродные материалы [3]

Решением задач наплавки сложнолегированных сплавов может быть и применение способа легирования наплавленного металла путем подачи в зону сварочной дуги нескольких отдельных проволок, определенных соста-вов и размеров (например, как при наплавке алюминиевых бронз). Однако наплавка с использованием отдельных проволок характеризуется неодно-родностью химического состава наплавки вследствие раздельного плавле-ния проволок и отсутствия общей капли на торце электрода.

Невозможность использования стандартных сварочных аппаратов ввиду необходимости разработки специальных подающих механизмов (из-за различной скорости плавления применяемых проволок), а также значи-тельная неоднородность наплавленного металла затрудняют его использо-ваниепри сварке сложнолегированных сплавов, например, высокопрочных алюминиевых бронз, дополнительно легированных Ni, Mn, Fe.

Известны предложения наплавки электродными материалами в виде полиметаллического пучка (свитых проволок). Такое легирование наплав-ленного металла имеет ряд преимуществ, но встречаются определенные трудности при его реализации. В частности при подаче компонентов жгута

раздельно с разной скоростью, а сам жгут формируется лишь у поверхности наплавочной ванны.

Своеобразная форма поверхности полиметаллических проволок-жгутов требует разработки специальных механизмов подачи, у которых, например, подающее звено может быть выполнено в виде втулки с внутрен-ней многозаходной резьбой, соответствующей профилю подаваемого жгу-та. Однако на практике, при решении задач разработки электродных мате-риалов для наплавки сложнолегированных сплавов возникает, как правило, необходимость изготовления жгутов сложной композиции (при разных сос-тавах и диаметрах исходных составляющих), что сильно усложняет задачу разработки соответствующих механизмов.

Дополнительные возможности при решении указанных задач дает применение разработанных в ЗНТУ полиметаллических наплавочных про-волок, изготовленных путем совместного механизированного волочения через твердосплавную фильеру металлической ленты (оболочки) и сердеч-ника из освоенных промышленностью материалов (например, проволок).

Изменяя исходные размеры и состав ленты и составляющих сердеч-ника, которые, как правило, представляют собой цельнотянутые проволоки круглого сечения, можно получить полиметаллическую проволоку практи-чески с любым содержанием легирующих элементов. Такое легирование гарантирует постоянство содержания легирующих элементов по всей длине проволоки, меньшую зависимость ее сварочно-технологических свойств и качества от длительности хранения, возможность изготовления проволоки различных составов и размеров (от 1,2 до 6,0 мм). Кроме этого, при введе-нии легирующих элементов в составе цельнотянутых проволок их взаимо-действие с окружающей дугу атмосферой протекает менее интенсивно, чем в случае порошкообразных компонентов, что способствует более полному переходу легирующих элементов в наплавочную ванну и уменьшению пы-левыделения. При этом отпадает необходимость в проведении предварите-льных работ с ферросплавами (например, дробление, размол, сушка и т.д.), что существенно упрощает технологию производства проволок. Способ изготовления полиметаллической проволоки дает возможность заменить весьма сложные и трудоемкие процессы производства как цельнотянутых, так и порошковых проволок аналогичных составов более простым, менее трудоемким и технологичным процессом. Полиметаллическая проволока такой конструкции обеспечивает возможность ведения процесса высоко-производительными методами автоматической и полуавтоматической нап-лавки и металлизации с использованием стандартного сварочного оборудо-вания.

Область применения полиметаллических проволок достаточно широка как при изготовлении стержней штучных электродов, так и собственно присадочной проволоки для наплавки плавящимся электродом (или неплавящимся) в защитных газах и под флюсом алюминиевых бронз, монель-металла и других сплавов. Их использование в экспериментальных исследованиях и на производстве открывает большие возможности.

Так, конструкция стержня электрода в виде полиметаллической про-волоки позволила варьировать содержанием алюминия в наплавленном металле в пределах от 0 до 18 %, получив при этом составы алюминиевых бронз (например, типа БрА14; БрА15; БрА18), которые сложно обеспечить при наплавке традиционными сварочными материалами (электродами и порошковой проволокой).

На практике довольно часто возникает необходимость износостойкой наплавки с повышенной твердостью и сравнительно удовлетворительной пластичностью. С этой целью для наплавки высокоалюминиевой бронзы (12…15 % Аℓ) используется электрод со стержнем из полиметаллической проволоки, на который наносится покрытие на основе криолита и фторис-того натрия. Такие электроды применяются при ремонте деталей машин, эксплуатируемых в условиях коррозионно-механических воздействий, по-лусухого трения и т.д.

Применение стержней в виде полиметаллической проволоки позволяет изготавливать электроды с нанесением покрытия – опрессовкой. Эти электроды обладают хорошими сварочно-технологическими свойствами. На оптимальном режиме (d_э= 5 мм; I_св= 150...160 А; U_д = 28...30 В) коэффициент наплавки составляет 18…19 г/А ч, а потери не превышают 10…12 %. Указанные электроды нашли применение при восстановительной наплавке высокоалюминиевой бронзой изношенных роторов питателей низкого давления установок непрерывной варки целлюлозы типа «Камюр» (Швеция).

Электродные материалы нашли свое применение при наплавке греб-ных винтов судов на подводных крыльях. При этом эрозионная стойкость лопастей повысилась более, чем вдвое по сравнению с новыми или нап-лавленными латунью ЛК80-3.

Применительно к механизированной заварке дефектов литья высоко-прочной алюминиевой бронзы БрАНМцЖ8,5-4-4-1,5, учитывая ее низкую деформационную способность и сложность изготовления цельнотянутой проволоки аналогичного состава, предложена полиметаллическая проволока диаметром 2,8 мм марки ПК-БрАНМцЖ8,5-3-4-1. Она состоит из медной оболочки M1 сечением 0,3 10 мм и сердечника в виде проволок

АД-1; НП-2; МНМц3-12. Опыт промышленного внедрения проволоки показал, что она позволяет получать наплавленный металл с заданными механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью как при сварке в среде защитных газов, так и под флюсом.

При использовании данной проволоки в широком диапазоне режимов наплавки (от U_д = 24...26 В до 36...40 В и от I_СВ= 180...240 А до 480...520 А) ее составляющие плавятся с образованием общей капли на торце электро-да, что объясняется наличием естественного конвективного теплообмена между ними (способствующего выравниванию температуры нагрева), а также интенсивных конвективных потоков в капле (улучшающих в ней ус-ловия теплоотдачи). Наплавленный металл характеризуется достаточно од-нородным распределением легирующих элементов.

Для изготовления стержней для наплавки под флюсом используется полиметаллическая проволока типа ПК-БрАНТ12-4-1. Для дуговой нап-лавки в аргоне и плазменной наплавки используется проволока типа ПК-БрАНХ10-2-1 и ПК-БрАНХ12-4-0,5.

Для наплавки изношенных поверхностей чугунных деталей в различ-ных отраслях народного хозяйства и, в первую очередь, в нефтехимической и целлюлозно-бумажной промышленности (например, при наплавке кор-пусов насосов высокого давления и цапф вакуум-фильтров установок неп-рерывной варки целлюлозы) используется также полиметаллическая про-волока, содержащая: никелевую проволоку 40...60 %; алюминиевую про-волоку 1...4 %; титановую проволоку 1,5...4,5 %; медную оболочку – остальное.

Электроды с полиметаллическим стержнем, состоящим из медной ленты и никелевой проволоки с покрытием (55 % рутила; 7 % хлористого натрия; 24 % плавикового шпата; 8 % титанового порошка; 6 % алюминиевого порошка; 30 % жидкого стекла от массы сухой смеси) используются при нанесении промежуточного подслоя перед наплавкой износостойкой высокоалюминиевой бронзы.

Наплавка износостойких высококремнистых медноникелевых сплавов (46...50 % Ni и 4...6 % Si) может успешно осуществляться электродами со стержнем из полиметаллической проволоки (медь – оболочка, стержень – никелевая проволока соответствующих размеров) диаметром3,5 мм и покрытием на базе CaO-CaF₂-TiO₂-NaF. Для механизированной наплавки в сочетании с указанной проволокой рекомендуется керамический флюс на основе CaO-CaF₂. При этом порошок кристаллического кремния вводится в обмазку электродов или в керамический флюс. Эти электродные материа-лы используются при наплавке роторов питателей высокого давления уста-новок непрерывной варки целлюлозы.

Использование электродной проволоки для дуговой наплавки, выпол-ненной в виде металлической трубки, внутри которой протянут скрученный пучок отдельных проволочек, обеспечивает равномерную его подачу при наплавке и гарантирует однородную глубину проплавления по сечению ва-лика.

С целью повышения коррозионной стойкости наплавленного металла применяют электродный материал, у которого оболочка выполнена из алюминия, а стержень – из нихрома (70...90 %).

Возможно изготовление полиметаллических проволок для наплавки алюминиевых бронз открытой дугой и в среде углекислого газа. С этой целью рекомендуется внутрь оболочки проволоки вводить порошковую добавку ( 10 %) из компонентов, обеспечивающих защиту расплавленно-го металла и сварочной ванны от окружающей среды. В виде добавки мож-но вводить также порошкообразные компоненты для дополнительного ле-гирования наплавленного металла (например, для модифицирования).

Использование электродных материалов в виде полиметаллических проволок, обладающих определенными преимуществами, открывает ши-рокие возможности различных сталей и сплавов при наплавке. Процесс во-лочения полиметаллических проволок обладает существенными особенностями, по сравнению с известными процессами получения сплошных, порошковых и биметаллических проволок, обусловленными следующими факторами:

– присутствие в очаге деформации двух, трех и более материалов, от-личающихся размерами, составами, состоянием поставки, физическими и механическими свойствами;

– отсутствие металлической связи по контактным поверхностям сов-местно обрабатываемых материалов;

– наличие незаполненных объемов в поперечном сечении проволок при выбранных исходных размерах составляющих, обеспечивающих заданный ее состав.

Перечисленные факторы способствуют произвольному расположе-нию составляющих в оболочке и являются причиной неоднородности деформации составляющих и в целом проволоки и требуют серьезного детального изучения.

В настоящее время разработан Национальный стандарт Украины ДСТУ ЕN 14700 «Материалы сварочные. Сварочные материалы для нап-лавки» (см. приложение Б).