13.2 Роль легирования износостойкого наплавленного металла

Как уже отмечалось, износостойкий наплавленный металл является высокоуглеродистым. Введение в такой высокоуглеродистый сплав на железной основе легирующих элементов оказывает двоякое действие. С одной стороны, карбидообразующие легирующие элементы участвуют в образовании карбидной фазы и часто определяют ее характер. Ряд элементов образует бориды, карбобориды, карбонитриды. Наибольшее значение для формирования свойств наплавленного металла имеют карбиды. С другой стороны, легирующие элементы влияют на характер и свойства матрицы сплава. Влияние на характер матрицы связано, главным образом, с изменением устойчивости аустенита и изменением продуктов распада при его охлаждении после наплавки. Кроме того, легирующие элементы на диаграмме состояния «железо – углерод» сдвигают влево критические точки эвтектоидного и эвтектического превращений и способствуют образованию чугунов при меньшей концентрации углерода, чем это показано на диаграмме состояния «железо – углерод». Таким образом, легирование может обеспечить получение мартенситной, аустенитной и ледебуритной матриц, а также матриц из смесей указанных фаз. Важно и то, что, регулируя легирование качественно и количественно, можно весьма благоприятную аустенитную матрицу сделать стабильно аустенитной и частично нестабильной, способной к частичному превращению в мартенсит при деформации поверхностных слоев, сопровождающей изнашивание.

Влияние легирующих элементов на износостойкость в результате изменения природы карбидной фазы или других твердых частиц связано с изменением их твердости и сопротивления разрушению.

Значение твердости карбидов для стойкости против абразивного изнашивания связано с условиями взаимодействия их с частицами абразива. При малых давлениях в условиях скольжения металла по абразиву (или абразива по металлу) абразив будет вдавливаться в металлическую поверхность и затем царапать ее при скольжении. Чем выше твердость карбидов, тем сильнее они будут противодействовать вдавливанию и, соответственно, менее глубокими будут царапины.

Твердость карбидов железа находится на уровне твердости кварца, и они не могут оказать активного сопротивления этому абразиву. Наиболее эффективным для таких условий изнашивания должно быть легирование высокоуглеродистой стали бором, когда наличие высокого содержания углерода приведет к образованию соединения B₄С. При малом содержании углерода легирование бором должно быть менее эффективным, так как в этом случае могут образоваться бориды легирующих элементов. При этом наименее эффективным является введение бора в низкоуглеро­дистые высокохромистые сплавы, потому что борид хрома имеет минимальную твердость по сравнению с другими боридами.

В безборидных сплавах с твердыми частицами карбидов наиболее эффективно легирование вольфрамом и титаном, дающими наиболее твердые карбиды.

При воздействии абразивных частиц на твердые составляющие сплавы (карбиды, бориды и др.) большое значение имеют свойства матрицы, в которой эти карбиды расположены. С ростом прочности матрицы будет повышаться ее сопротивление изнашиванию при трении по абразиву, что приведет к более продолжительному противодействию абразиву твердых частиц сплава, так как, если матрица будет плохо противостоять изнашиванию при ее износе, карбиды или бориды будут оголяться и вываливаться. С другой стороны, чем прочнее матрица, тем сильнее она будет сопротивляться вдавливанию карбида под действием давящих на него абразивных частиц. Такое значение матрицы будет возрастать с ростом давления абразива на поверхность металла.

При повышении давления абразива на поверхность металла, особенно при ударно-абразивном износе, с повышением роли динамической составляющей влияние легирующих элементов и роль твердых частиц сплава изменяется. При высоких давлениях, особенно при ударно-абразивном изнашивании, с повышением энергии удара будет увеличиваться роль хрупкости сплава и его фазовых составляющих. Наиболее твердые составляющие, которые чаще всего являются наиболее хрупкими, будут разрушаться – крошиться, в результате чего они потеряют способность сопротивляться действию на металл абразивных частиц.

Наиболее стойкими при отсутствии ударов являются спеченный карбид вольфрама (релит) и борсодержащие высокоуглеродистые сплавы. При увеличении энергии удара все борсодержащие сплавы быстро теряют свою износостойкость. Однако борсодержащий сплав с низким содержанием углерода 12Х7В13Р с увеличением энергии удара лучше сохраняет износостойкость, чем сплавы с высоким содержанием углерода: 32Х25С2ГР, 32Х23С2ГРТ, 35Х15Г3Р. Наилучшим образом сохраняют износостойкость при значительном повышении энергии удара вольфрамсодержащие сплавы (13…15 % W) с умеренным содержанием углерода (0,9…1,6 %). Безвольфрамовые сплавы с таким же содержанием углерода хуже сохраняют износостойкость при увеличении энергии удара.

Помимо карбидной и боридной фаз, на износостойкость рассмотренных сплавов влияет и их матрица. Для сплавов 32Х25С2ГР, 32Х23С2ГРТ, 32Х15ГЗР матрица ледебуритная, что объясняет их низкую ударостойкость и высокую износостойкость при отсутствии ударов. Наилучшую ударостойкость и износостойкость обеспечивает аустенитно-мартенситная матрица с карбидами вольфрама сплавов 30Х4В17Ф, 13Х14В13Ф2. Замена в этой матрице карбидов вольфрама на карбид хрома (сплав 15Х15М2АТ) снижает стойкость против ударно-абразивного износа. Еще сильнее снижает стойкость против ударно-абразивного износа появление боридов в аустенитно-мартенситной матрице (сплав 12Х7В13Р).

Помимо карбидообразующих элементов и бора, в износостойкий наплавленный металл вводят некарбидообразующие никель и кремний. Никель вводят обычно немного, для повышения вязкости феррита или аустенита и повышения устойчивости матрицы против действия ударных нагрузок. Кремний в износостойком наплавленном металле упрочняет матрицу и тем самым позволяет повысить износостойкость сплава при отсутствии ударных нагрузок.