5 Будова і властивості наплавлених шарів
Будова і властивості зони наплавлення і наплавлених шарів, визначається умовами нагрівання і охолодження при наплавленні:
швидкістю наростання температури;
максимальною температурою нагрівання;
швидкістю зниження температури при охолодженні.
Якщо вважати, що температура наплавлювальної ванни завжди дещо вища температури плавлення матеріалу, то термічні цикли різних способів одношарового наплавлення будуть різними (рисунок 5.1).
Рисунок 5.1 – Термічні цикли наплавлення
1 – плазмово-дугове наплавлення; 2 – автоматичне наплавлення під шаром флюсу; 3 – ручне дугове наплавлення; 4 – електрошлакове наплавлення.
Швидкість нагрівання має значення для стану рідкої наплавлювальної ванни і розмірів зерен матеріалу після охолодження. Швидкість охолодження визначає структурні перетворення у наплавлюваному матеріалі і у зоні термічного впливу. Розмір, структура і властивості зони термічного впливу визначається розподілом у ній температур (рисунок 5.2).
Рисунок 5.2 – Розподіл температури і орієнтовні структурні стани у зоні термічного впливу:
1 – зона перегріву; 2– зона гартування; 3 – зона неповного гартування; 4 – зона відпускання; 5 – зона старіння.
Рисунок 5.3 – Зміна твердості у зоні термічного впливу
Відповідно розподілу температури у зоні температурного впливу змінюються властивості матеріалу (рисунок 5.3). Зміна властивостей матеріалу у зоні термічного впливу буде відрізнятися для матеріалів різних складів.
Розмір, структура і властивості зони термічного впливу визначається приведеним вище розподілом в ній температур, а також товщиною матеріалу, яка визначає швидкість охолодження.
У всіх випадках у зв’язку з термічним стиском локально нагрітої зони наплавлення виникають тимчасові і залишкові напруження (рисунок 5.4).
Рисунок 5.4 – Епюра залишкових напружень
у зоні наплавленого шару
Тимчасові напруження навіть при відносно невеликому їх рівні можуть викликати появу кристалізаційних (гарячих) тріщин.
Можливість утворення тріщин в наплавленому металі після охолодження викликана роллю залишкових напружень в крихкому металі шару особливо при наявності концентраторів напружень.
Способи поставки наплавленого матеріалу:
штучні електроди для ручного дугового наплавлення;
провід суцільного перерізу для автоматичного наплавлення під шаром флюсу;
порошковий дріт, порошкова стрічка для автоматичного наплавлення під шаром флюсу;
порошки;
керамічні стрічки, прутки, кільця;
трубчасті електроди;
флюси плавлені;
флюси керамічні.
6 Класифікація умов роботи наплавленого матеріалу
На сьогоднішній день найбільш практичною для використання видається класифікація умов роботи наплавленого матеріалу запропонована авторами [1], яка містить 12 позицій умов експлуатації. На відміну від класифікації, яка була прийнята для країн РЕВ і передбачала 42 позиції умов експлуатації (що значно утруднювало вибір матеріалу для наплавлення) пропонована класифікація є достатньо простою і у більшості випадків може бути використана для практичного вибору матеріалу для наплавлення.
Відповідно до цієї класифікації на основі аналізу літературних джерел з даного питання було визначено необхідний фазовий і хімічний склад для кожної групи умов експлуатації деталі та розроблено зведену таблицю “Умови роботи наплавлюваних матеріалів, орієнтовний фазовий склад, структура та хімічний склад наплавлюваних матеріалів для різних умов роботи”.
В даній таблиці використано наступні умовні позначення структурних складових наплавлених матеріалів: А – аустеніт; Ф – ферит; НА – нестабільний аустеніт; М – мартенсит; К – карбіди; Б – бориди.
Таблиця 6.1 – Умови роботи наплавлюваних матеріалів, орієнтовний фазовий склад, структура та хімічний склад наплавлюваних матеріалів для різних умов роботи
№ з/п |
Умови роботи наплавлюваного матеріалу |
Вид зношування |
Приклади деталей |
Фазовий склад і орієнтовна структура |
Хімічний склад |
|
Матриця |
Зміцнююча фаза |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
1. |
Робота по сипучому абразиву |
Абразивне |
Клики і зуби ковшів екскава-торів, деталі брикетувальних пресів та формувальних машин |
М (60-70%) |
К,Б (30-40%) |
С – 1,4-3,5 % Cr – 10-25 % Mn, B, Ni, Si |
2. |
Робота в гідро абразивному або струменево-абразивному потоці |
Газо-абразивне, струменево-абразивне |
Штуцери, форсунки, насадки, засувки, елементи газодобувного і газотранспортного обладнання |
а) М (60%), А(10%) |
К,Б (30%) |
С – 1,4-3,5 % Cr – 10-25 % Mn, B, Ni, Si
|
б) М (60%), А(20%) |
К (20%) |
С – 0,8-2,0 % Cr – 10-15 % Mn, Ni, Si
|
||||
Продовження таблиці 6.1 |
||||||
№ з/п |
Умови роботи наплавлюваного матеріалу |
Вид зношування |
Приклади деталей |
Фазовий склад і орієнтовна структура |
Хімічний склад |
|
Матриця |
Зміцнююча фаза |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
3. |
Ударна дія крупних абразивних частинок |
Ударно-абразивне |
Породоруйнівний інструмент, деталі дробильних агрегатів |
а) М (40%), А(40%) |
К (20%) |
С – 0,7-1,5 % Cr – 5-25 % W – до 15 % Mn, Ni |
б) НА (А(70%), М(20%)) |
К (10%) |
С – 0,3-0,7 % Cr – 5-10 % Mn –7-9 % Ni, Si, Mo, V |
||||
4. |
Ковзання у рідкому середовищі з абразивом |
Гідро-абразивне |
Деталі насосів, змішувачів, землерийних машин |
М (60%), А(10%) |
К,Б (30%) |
С – до 3,0 % Cr – 5-10 % Mn, B, Si, Ti
|
Продовження таблиці 6.1 |
||||||
№ з/п |
Умови роботи наплавлюваного матеріалу |
Вид зношування |
Приклади деталей |
Фазовий склад і орієнтовна структура |
Хімічний склад |
|
Матриця |
Зміцнююча фаза |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
5. |
Тертя металу по металу без змащування у присутності сипучого абразиву |
Зношування спряжених пар тертя у присутності абразиву |
Деталі гусеничних машин, ланцюги і зірочки екскаваторів, запірна арматура |
М (70%) |
К (30%) |
С – до 2,0 % Cr – до 12 % Mn, Ni, Mo |
6. |
Кочення металу по металу |
Тертя кочення |
Колісні пари, підшипники кочення |
М (90%) |
К (10%) |
С – до 1,0 % Cr – до 15 % Ni, Mo, W
|
7. |
Тертя металу по металу зі змащуванням |
Зношування спряжених пар тертя |
Вали, вісі |
М (90-100%) |
К (0-10%) |
С – до 1,5 % Cr – до 5 % Mn – до 3% Ni, Mo, W |
Продовження таблиці 6.1 |
||||||
№ з/п |
Умови роботи наплавлюваного матеріалу |
Вид зношування |
Приклади деталей |
Фазовий склад і орієнтовна структура |
Хімічний склад |
|
Матриця |
Зміцнююча фаза |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8. |
Зношування при граничному змащуванні |
Зношування спряжених пар тертя і контактна втома |
Зуби шестерень |
а) М (90-100%) |
К (0-10%) |
С – до 1,2 % Cr, Mn, Ni
|
б) Ф (70-80%) |
К (20-30%) |
С – 0,4 % Cr, Mn, Ni
|
||||
9. |
Дія гідравлічного потоку |
Кавітація |
Плунжери насосів, лопасті гідротурбін, гребні вали |
М (20-30%) НА (70-80%) |
– |
С – 0,3-0,7 % Cr –5-10 % Mn – 7-9% Ni, Mo |
10. |
Клапан з сідлом в потоці з абразивом |
Зношування спряжених пар тертя і контактна втома |
Клапани бурових насосів |
а) М (40%), А(40%) |
К (20%) |
С – 1,0-1,5 % Cr – до 20 % Ni – 40-60 % |
б) М (40%), Ф(40%) |
К (20%) |
С – до 1,5 % Cr – до 20 % Ti |
||||
Продовження таблиці 6.1 |
||||||
№ з/п |
Умови роботи наплавлюваного матеріалу |
Вид зношування |
Приклади деталей |
Фазовий склад і орієнтовна структура |
Хімічний склад |
|
Матриця |
Зміцнююча фаза |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
11. |
Клапан у потоці гарячих газів |
Окислювальне зношування і прогорання |
Клапани двигунів внутрішнього згорання |
а) М (40%), А(40%) |
К (20%) |
С 2,0 % Cr 25 % Ni, Mn |
б) М (20%), А(60%) |
К (20%) |
С – до 20 % Cr – до 30 % Co – до 60 % |
||||
12. |
Дія абразиву у корозійно-активному середовищі |
Корозійно-механічне |
Насоси і апарати хімічних виробництв, обладнання газоконденсатних родовищ |
а) М (20%), А(60%) |
К (20%) |
С 2,0 % Cr – до 10 % Ni, Mn |
а) М (15%), А(80%) |
К (5%) |
С – до 0,1 % Cr 15 % Ni 80 % Mo |
||||