3.2. Типи і властивості наплавленою металлу

Сьогодні найбільше практичне значення має класифікація наплавленого металу за хімічним складом (табл. 3.3) і структурними ознаками.

Склад легуючих елементів у наплавленому металі визначає його структуру і властивості, відповідність умовам експлуатації виробу тощо.

Наплавлений метал типів D і Е (табл. 3.3) застосовується для підвищення корозійної стійкості, останніх типів – для підвищення зносостійкості виробів.

Стійкість хромонікелевого наплавленого металу (тип D) проти загальної корозії в окислювальних агресивних середовищах дуже висока. Важче забезпечити високу стійкість проти міжкристалітної корозії. У цьому випадку оптимальною структурою є аустеніто-феритна з вмістом 5 – фериту від 2 до 8%.

Хромисті сталі (з вмістом хрому 11...19 %, тип Е) також корозійне стійкі. Окрім того вони відрізняються високою міцністю при звичайних і високих температурах, високою твердістю і зносостійкістю.

Дуже високу зносостійкість дозволяють отримати високовулецеві хромисті сталі (120X12Н, 200X12ВФ) зі структурою, яка складається з ледебуритної евтектики і залишкового аустеніту.

Для підвищення зносостійкості головним завданням є правильний вибір для конкретного виду зношування раціональної системи легування і оптимального вмісту легуючих елементів.

Залежно від розмірів і властивостей абразивних частинок, які спричиняють зношування деталей, і характеру дії абразиву на поверхню металу, руйнування при зношуванні проходить за різними механізмами:

а) мікрорізання;

б) деформування, наклеп і руйнування наклепаного металу;

в) ударно-абразивне руйнування;

г) втомлене зношування;

д) гідроабразивне чи газоабразивне зношування.

Незалежно від механізму первинним актом, що призводить до руйнування, є вкорінення абразивної частинки у поверхню метала. Протидіяти впливу абразивного середовища може метал, який має тверду складову (карбіди, бориди, нітриди, інтерметалеві сполуки). У багатьох випадках ці функції може виконувати мартенсит. Тверді частинки карбідів та інших сполучень повинні міцно утримуватися матрицею – основою сплаву. Роль матриці в сталях і сплавах можуть виконувати мартенсит, ферит, аустеніт, ледебурит. Відповідно до цього класифікація зносостійкого наплавленого металу за структурними ознаками містить такі класи:

1) мартенситний (М);

2) мартенситно-карбідний (окрім карбідів можуть бути довільні тверді частинки – бориди, карбонітриди, інтерметаліди та ін.) (М+К);

3. ферито-карбідний (Ф+К);

4. аустеніто-карбідний (А+К);

5. ледебурито-карбідний (Л+К);

6. змішаний, наприклад М+А, M+JI, та ін.

На рис. 3.11 наведено значення відносної зносостійкості матеріалів, які класифіковані в табл. 3.3.

Стійкість відповідних табл. 3.3 матеріалів проти газоабразивного зношування наведено на рис. 3.12.

Наплавлений метал мартенситного класу може бути отримано при наплавленні середнє - чи високовуглецевою сталлю (наприклад, дротами Нп-35, Нп-65Г, Нп-ЗОХГСА); відповідно до табл. 3.3 це типи А і В.

Структура такого наплавленого металу складається переважно з мартенситу і різної кількості залишкового аустеніту, наявний також голковий троостит. Мікромеханізм руйнування металу залежить від вмісту вуглецю – з його збільшенням змінюється від в'язкого ( 0,15...0,20% C) до змішаного квазікрихкого (0,25... 0,40 % С) і далі до суто крихкого (більш 0,40 % С).

Властивості мартенситної матриці залежать від вмісту вуглецю. Низьковуглецевий мартенсит має знижену зносостійкість, але завдяки більш високій (порівняно з високовуглецевим мартенситом) в'язкості краще утримує включення твердих часток і підвищує опір ударно-абразивному зношуванню.

Зростання вмісту вуглецю в мартенситі приводить до підвищення зносостійкості в умовах тертя по абразиву. При ударно-абразивному зношуванні підвищення зносостійкості має місце тільки до певного вмісту вуглецю в мартенситі (0,8...1%), після цього – знижується.

Таблиця 3.3. Класифікація наплавленого металу залежно від його хімічного складу, прийнята Міжнародним інститутом зварювання (МІЗ)

Тип	мовне позначення	Вміст елементів, мес. %									Приблизна твердість у робочому стані, HRC
		С	Mn	r	і	W	V	о	о	Інші
Нелеговані або низьколеговані сталі (0,4% С)	А	0,4	0,5-3,0	0-3	0-3	–	–	0-1	–	–	40
Нелеговані або низьколеговані сталі (0,4 %С)	В	0,4	0,5-3,0	0-5	0-3	–	–	0-1	–	–	60
Аустенітні високомарганиеві сталі	С	0,5-1,2	11-16	0-1	0-3	–	–	0-1	–	–	50
Аустенітні хромонікелеві сталі	D	0,3	1-8	13-30	5-25	–	–	–	–	-1 Ті, 0-1,Nb	40
Хромисті стані	Е	,2-2,0	,3-1,5	5-30	0-5	-1,5	0-0,05	0-1	–	–	45
Швидкоріжучі сталі	F	0,6-1,5	0,5	-6	–	,5-18	-3	-10	0-15	–	62
Високохромисгі спеціальні чавуни	G	1,5-5,0	0-6	25-35	0-4	0-5	0-1	0-3	0-5	0-1,5 ТІ, 0-1,5 В	60
Хромовольфрамові теплостійкі сталі	Н	0,2-0,5	1,0	1-5	0-5	-10	,15-1,5	0-4	–	–	45
Кобальтові сплави з хромом І вольфрамом	N	0,7-3,0	0,4	25-33	0-3	3-25	–	0-3	30-70	6 Fe	40
Нікелеві сплави з хромом і бором	Qa	1,0	–	8-18	65-85	–	–	–	1-1,5	2-5 Si 2-5 B	55
Нікелеві сплави з молібденом	Qв	0,12	–	0-18	60-80	0-20	8-35	8-35	0-2,5	4-7 Fe	200 НВ
Карбідні сплави: зернисті, спечені	Р	3	2	–	–	45	–	–	–	–	67

Рис. 3.11. Відносна зносостійкість різних типів наплавленого металу при випробуваннях на машинах Х4-Б (суцільні лінії) і НК (штрихові)

Рис. 3.12. Вплив кута атаки на газоабразивне зношування наплавленого металу при випробуваннях кварцом (а) і колошниковим пилом (б): 1 – металокерамічні сплави Со–WC (інші позначки кривих вказані в табл.3.3)

Більш високу твердість порівняно з наплавленим металом мартенситного класу має метал мартенсито-карбідного класу. В цьому випадку найбільш поширеною системою легування с Fe-C-Cr. Зносостійкість сплавів такої системи залежить від будови і кількості карбідів хрому, а також від властивостей твердого розчину, легованого вуглецем і хромом. Завдяки значно більш сильній, ніж у заліза, спорідненості хрому до вуглецю у структурі хромистих сталей утворюються стійкі карбіди (Fe,Cr)₃C; (Fe,Cr)₇C; (Fe, Cr)₂₃C₆, котрі є зміцнюючою фазою, забезпечуючи високу зносостійкість.

Із сплавів системи Fe-C-Cr достатньо високу стійкість для умов тертя по абразиву має наплавлений метал У10Х5ГС (близько 1,0 % С, 4,5 % Cr, 0,5 % Mn, 0,5 % Si). Він має структуру легованого аустеніту з карбідами і крупними голками мартенситу [15].

Значне підвищення зносостійкості сплавів системи Fe-C-Cr досягається при додатковому легуванні бором. Будова боридної фази при цьому залежить не тільки від вмісту бору (звичайно – до 1 %), але й вуглецю, змінюючись від кубічного бориду Ме₂₃(В)₆ (при 0,9...1% С) до тетрагонального МеВС (при 2...2,9%С).

Окрім мартенситу і фериту (в тому числі ферито-цементитної суміші -сорбіту, перліту) матрицями зносостійкого наплавленого металу можуть бути аустеніт і ледебурит. Аустеніт має більш високу в'язкість і міцність, ніж ферит.

Це сприяє, з одного боку, поліпшенню утримання частинок твердої фази, а з іншого, – загальному підвищенню зносостійкості, особливо при ударно-абразивному зношуванні. Окрім того, аустеніт може перетворюватися на мартенсит при пластичному деформуванні, що супроводжує процес зношування. Це також сприяє додатковому підвищенню зносостійкості.

Прикладом аустенітного зносостійкого наплавленого металу (тип С, табл. 3.3) є високомарганцева сталь Гадфільда 1 10Г12Л. Окрім карбідної фази, аустенітна матриця зносостійкого наплавленого металу може містити боридну і карбо-боридну фази. Це досягається легуванням бором (до 5 % і більше) при одночасно високому вмісті хрому (10...20 % і більше). У цьому випадку наплавлений метал практично набуває властивостей дисперсно зміцненого композиційного матеріалу - надтверді частинки у в'язкій і пластичній матрицях.

У високовуглецевому легованому наплавленому металі матрицею (основою) може бути ледебурит – евтектика системи Fe-Fe₃C – механічна суміш аустеніту і цементиту, яка містить 4,3 % С. Із сплавів ледебуритно-карбідного класу (тип G, табл. 3.3) найбільш поширені високохромисті чавуни типу сормайт. Сплав 300Х28Н4С4 отримав назву сормайт-1, а 180Х16Н2С2 –сормайт-2. їх використовують для відновлення і зміцнення деталей при абразивному, ударно-абразивному, гідро- і газоабразивному зношуванні. Залежно від вмісту вуглецю і легуючих елементів наплавлений високохромистий чавун має доевтектичну, евтектичну і заевтектичну структури. Найбільш високу зносостійкість мають заевтектичні чавуни, які містять у структурі первинні карбіди хрому Сr₇С₃. Додаткове легування бором завдяки утворенню твердих карбо-боридів суттєво підвищує абразивну зносостійкість високохромистих чавунів, але знижує ударостійкість. Для підвищення пластичності матриці і поліпшення міцності її зв'язку з твердими складовими збільшують вміст у сплаві нікелю (наприклад, 500Х40Н40С2РЦ).

Композиційні сплави (тип Р, табл. 3.3) мають зерна твердого компонента, які спаяні матрицею (сплавом-зв'язком). Твердим компонентом є різноманітні карбіди і бориди, мікротвердість котрих вище, ніж карбіду вольфраму. Однак карбіди вольфраму W₂C, і особливо WC, перевершують всі останні за міцністю і модулем пружності і відрізняються високою щільністю і температурою плавлення, завдяки чому тонуть в розчиненій сталі. Найчастіше в композиційних матеріалах використовують евтектичний сплав W₂C і WC –зернистий реліт, який містить 3,5% С. Карбіди вольфраму швидко розчинюються в розплавлених металах при температурі більше 1200 °С. Зменшення розчинення зерен реліту дозволяє використовувати зв'язки нікелевих (наприклад, 55Х15Н75С3Р3) чи мідних сплавів (наприклад, марганцевого мельхіору, який містить близько 60 % Си, 20 % Мn і 20 % Ni). Крім того, для зменшення розчинення зерна реліту повинні бути сферичної форми, щільними, без дефектів у вигляді тріщин, пор і раковин, розмірами 1...1,5 мм, із захисним покриттям (наприклад, нікелевим) товщиною 0,05...0,15 мм.

В умовах експлуатації наплавленого виробу при високих температурах поряд з високою зносостійкістю наплавлений метал повинен мати й високу теплостійкість. Це досягається додатковим легуванням сильними карбідоутворюючими елементами – вольфрамом, молібденом, ванадієм. Поширені сплави мартенситно-карбідного класу системи Fe-C-Cr-W (тип Н, табл. 3.3). З цих сплавів найбільш високими властивостями характеризується наплавлений метал 35В9Х3ФС, подібний до відомої штампової сталі 3Х2В8. Метал має аустенітно-мартенситно-карбідну структуру, руйнується за змішаним квазікрихким механізмом, що і обумовлює його низьку стійкість до термоциклічного впливу. Зносостійкість при високих температурах і особливо його теплостійкість значно вище, ніж у сплавів системи Fe-C-Cr. Висока теплостійкість хромовольфрамових сталей обумовлена низькою швидкістю коагуляції карбідів.

Твердість наплавленого металу при різних температурах наведено на рис. 3.13. Зносостійкість і термічну втомленість наплавленого металу відповідного легування наведено на рис. 3.14.

Рис. 3.13. Твердість наплавленого металу при різних температурах: 1 – ХН80СР; 2 – ХР80СРЗ; 3 – ХН65МКВЮ; 4 - стеліт (0,9 % С, 30 % Сr, 4 % W, 2 % Si, Co – інше)

До теплостійкого наплавленого металу типу Н можна віднести і економно легований (безвольфрамовий) наплавлений метал Х5МФ.

Високою корозійною стійкістю в особливо агресивних середовищах у поєднанні з високою жаростійкістю, стійкістю до задирів при терті металу об метал і зносостійкістю відрізняються нікелеві сплави з хромом і бором (тип Q_a), а також з молібденом (табл. 3.3, тип Q_б).

Таблиця 3.4. Властивості металу, наплавленого порошковими дротами і стрічками під флюсом (ПФ) або відкритою дугою (ВД)

Марка дроту або стрічки	Тип наплавленого металу	Спосіб наплавлення	Твердість, HRC після
			наплавлення	наклепу
ПП-3Х2В8	3Х2В8	ПФ	44...52	—
ПП-25Х5ФМС	25Х5ФМС	ПФ	40...46	—
ПП-АН120	20Х2Г2М	ПФ	350. .400 НВ	—
ПП-АН103	У20Х12	ПФ	40... 44	48...56
ПП-АН104	У20Х12ВФ	ПФ	40...44	48...56
ПП-АН138	08X15Н2	ПФ	28...34	—
ПП-АН105	Г13Н4	ВД	20...25	40...45
ПП-АН106	1Х14Т	ВД	42...48	—
ПП-АН121	20ХГТ	ВД	280...350 НВ	—
ПП-АН122	30Х5Г2М	ВД	50...56	—
ПП-АН124	250Х17Т	ВД	42...48	50...56
ПП-АН125	200X15СТР	ВД	50...58	—
ПП-АН130	25Х5НФ	ВД	40...46	—
ПП-АН170	70Х2Р3Т	ВД	60...65	—
ПП-АН138	08X15Н2	ПФ, ВД	220...250	—
ПЛ-АН101	300Х25НЗС5	ПФ, ВД	50...55	—
ПЛ-АН102	—	ПФ, ВД	52...56	—
ПЛАН111	Сr3С3 – Ni	ПФ, ВД	48...55	—

Сплави легкоплавкі мають властивості самофлюсуючих припоїв. У структурі наплавленого металу – складна евтектика, бориди нікелю і хрому.

До жароміцних сплавів з високою стійкістю проти зношування і окислення при температурах до 1000 °С належать кобальтові сплави з хромом і вольфрамом (табл. 3.3 тип N). До них належать, наприклад, стеліти (110Х28К63В4, 140Х29К5В8, 190Х29К6В5С2, 250Х32К44В17, 250Х27К61М5НЗ). Склад заліза не повинен перевищувати 4%, тому наплавлення здійснюється в режимі "зварювання-паяння".

У структурі стелітів – твердий розчин і карбідна евтектика, а також надлишкові карбіди вольфраму і хрому. Твердість наплавленого металу сягає 54...58 HRC.

Для прикладу в табл. 3.4 наведено властивості металу, наплавленого в різних умовах.

Приклади матеріалів для наплавлення зносостійких покриттів на різні групи металів наведені в табл. 3.5.

Таблиця 3.5. Матеріали для зносостійких покриттів

№	Група	Приклади сплавів	Твердість після наплавлення	Твердість після наклепу
1	Нелеговані та низьколеговані матеріали	Св-08Г, 15Г2С, 15Г2Х, 15ХТ2С, 25X3, 18Г4, 20Г5	160... 400 НВ	–
2	Низьковуглецеві високолеговані сталі	Нп-110ГІ3, Нп-30Х10Г10, УІ5Х25Г2Н4С	200...250НВ	450...500 НВ
	Високомарганцеві аустенітні сталі	Нп-Г13А	220...280 НВ	450...550НВ
3	Середньо- і високолеговані високовуглецеві сталі та чавуни	У40Х20Г2С, У35Х14Г5С2, У55Х12Г10С, У35Х7Г5С, У35Х25Г2Т2	480...620НВ	–
4	Маріенситно-старіючі сплави	25Х5ФМС, 35В9Х3СФ, 08Н4М2Д2Ю	350...400 НВ	–
5	Матеріали, додатково леговані бором	У35Х20Г2Р3, У14Х20Р, УІ7Х20Р, УІ2Х3Р, У12Х8В12Р	56...63 HRC	–