СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

НАПЛАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ (Г аврилюк В. С.)

34.1. Материалы для износостойкой и коррозионностойкой наплавки

Сущность наплавки состоит в нанесении методами сварки либо другими спо­собами на поверхность детали слоя, обладающего требуемым комплексом свойств Непременным условием наплавки является получение хорошего сплавления, отсутствие нли в отдельных случаях минимальное количество пор и трещин.

34.1.1. Перлитные материалы

Состав перлитных материалов (Нп-25, Нп-20ХГСА, Нп-90ХГСА и др.) обеспечивает в зависимости от скорости охлаждения наплавки перлитно-сор - битную структуру Твердость наплавленного металла находится на уровне 25-—40 HRC Износостойкость наплавленного слоя значительно уступает мар­тенситной структуре, поэтому сопротивление износу при трении невысоко Наплавочные материалы этого класса часто применяют для создания «под­слоя», на который наплавляют слой повышенной твердости

34.1.2. Мартенситные материалы

Данные материалы характеризуются образованием мартенситной струк­туры сразу после наплавки Обладая повышенной твердостью, стойкостью при абразивном износе, наплавка этого типа характеризуется пониженными пластическими свойствами, хрупкостью, склонны к образованию холодных трещин При работе в условиях ударного нагружения возможны отколы по основному металлу или в зоне сплавления

Низколегированные мартенситные материалы (Нп-40ХЗГ2МФ, Нп - 40Х2Г2М, Нп-50Х6ФМС и др ), процент легирующих элементов в которых относительно невысок, обеспечивают в наплавке мартенситно-бейнитные структуры и отличаются сравнительно невысокой твердостью (45—50 HRC). Свойства наплавки повышаются в основном увеличением содержания в ней углерода и хрома, что приводит к соответствующему увеличению доли мар­тенситной составляющей.

Значительно большей твердостью характеризуются борсодержащие мар­тенситные наплавки (ЛС-У10Х7ГР1, ПЛУ-25Х25ГЗФ2РН, ПП-АН125, ПП-АН 170), в структуре которых по границам высокоуглеродистого мартен­сита расположены твердые карбиды и бориды. Материал отлично сопротив­ляется абразивному износу, задирам, но из-за повышенной хрупкости не может быть рекомендован для работы в условиях динамических нагрузок. Наплавка обладает повышенной склонностью к образованию горячих и хо­лодных трещин, поэтому ведут ее, как правило, с подогревом и применением одного или нескольких подслоев.' Отпуск в результате наложения несколь­ких слоев практически не снижает твердости.

Для обеспечения повышенной сопротивляемости к задирам применяют наплавочные материалы, содержащие в своей структуре наряду с мартенси­том значительное количество аустенитной фазы (Нп-50Х6ФМС, Нп-30Х5).

Мартенситные хромистые материалы типа Нп-30Х13 после наплавки имеют в основном мартенситную структуру с небольшим содержанием фер­рита. Износостойкость наплавки повышается с увеличением углерода. Низ­коуглеродистые наплавки, помимо достаточной износостойкости, обладают повышенной жаростойкостью и антикоррозионными свойствами. Увеличение количества углерода (Э-120Х12Г2СФ) приводит к появлению в структуре ледебуритной составляющей, что резко повышает износостойкость наплавки и делает ее пригодной для наплавки режущих кромок инструмента.

34.1.3. Высокомарганцовистые аустенитные материалы

Материалы типа Нп-Г12А при резком охлаждении от температуры 1 ООО С образуют аустенитную структуру с повышенной вязкостью и плас­тичностью. Длительная выдержка при температурах выше 400 °С приводит к выделению по границам зерен карбидов и вторичной перлитной фазы, приводящих к снижению пластичности. Уменьшение содержания С снижает вероятность образования, вторичных фаз. В зоне сплавления основного низ­коуглеродистого или низколегированного металла и наплавки возможно об­разование хрупкой мартенситной прослойки и появление трещин. Для избе­жания их рекомендуют применение промежуточного слоя из хромистомарган­цовистой наплавки типа Нп-30Х10Г10Т.

34.1.4. Высокохромистые материалы

Высокохромистые материалы на основе железа типа Э-300Х28НЧСЧ, Э-320Х25С2ГР позволяют получать структуру, матрица которой состоит из аустенита с вкраплениями мелкодисперсных частиц карбидов В и Сг, при­дающих наплавке высокую твердость. Поскольку твердость в основном опре­деляется количеством карбидов, она практически не изменяется в процессе иагрева и не зависит от скорости охлаждения. Тем не менее, наплавку сле­дует производить при предварительном подогреве деталей до температур 400—500 °С с целью избежания появления горячих трещин, а также умень­шать скорость охлаждения.

Добавка Nb, W, Мо и других карбидообразователей способствует большому повышению твердости и появленню способности наплавки к вто­ричному твердению: износостойкость при этом повышается.

34.1.5. Коррозионностойкие материалы

Обычно наплавка проводится на изделиях из хромистых илн хромони­келевых аустенитных сталей. Ферритная коррозионностойкая наплавка обес­печивается при высоком содержании Сг и весьма низком С. Наплавки этого типа в отношении к общей коррозии существенно уступают аустеннтным, но превосходят последние по стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Технологические свойства аустенитной наплавки достаточно высоки. Од­нако при наплавке на стали мартенситного класса следует опасаться появ­ления холодных трещии в зоне сплавления. Рекомендуется применять пред­варительный подогрев до относительно невысоких температур —100—150 °С. Превышение этой температуры может привести к замедленному охлаждению наплавки и ее охрупчиванию

34.2. Виды наплавочных материалов

34.2.1. Покрытые электроды

Электроды для ручной дуговой наплавки изготавливают по ГОСТ 10051—75. В качестве стержня обычно используют про­волоку диаметром от 3 до 5 мм, реже до 8 мм.

ГОСТ 10051—75 устанавливает 44 типа наплавочных элек­тродов (табл. 34.1). Значительное количество электродов для наплавки слоев с особыми свойствами изготавливается по от­раслевым ТУ. Проверка твердости наплавленного металла про­изводится по ГОСТ 9466—75 и ГОСТ 9013—59, а химического состава и остальных свойств — по ГОСТ 9466—75.

Твердость наплавки характеризуется индексами, указываю­щими ее величину по Виккерсу и Роквеллу, а следующие цифры (1 или 2) указывают соответственно, в каком состоянии она измерялась; непосредственно после наплавки—1 или после последующей термообработки — 2.

Так, например, в электродах марки ОЗН-350Ц 400/41-1 ин­дексы характеризуют: 400 — твердость по Бриннеллю, 41—по Роквеллу, 1—характеристики определялись непосредственно после наплавки.

34.2.2. Проволока стальная сварочная

Проволока для наплавки (ГОСТ 2246—70) и проволока сталь­ная наплавочная (ГОСТ 10543—75) для автоматической на­плавки под флюсом', в защитных газах, а также для газовой наплавки может изготовляться из стали, выплавленной элек - трошлаковым (Ш), вакуумно-дуговым (ВД), или вакуумно­индукционным (ВИ) переплавами (табл. 34.2). Обычно для наплавки применяют проволоки диаметром от 0,8 до 6 мм. С целью уменьшения оксидов в металле наплавки проволоки содержат увеличенное количество раскислителей — Mn, Si, Al, Ті.

34.2.3. Порошковая наплавочная проволока

Порошковая проволока (ПП) представляет собой тонкостен­ную металлическую оболочку, заполненную легирующими и шлакообразующими порошками, стабилизаторами дуги и рас-

кисляющими компонентами. Она позволяет получать наплавку практически любого заданного состава (табл. 34.3). Наиболее часто применяют ПП диаметром от 1,6 до 3 мм с использова­нием дугового процесса в защитных газах открытой дугой или под флюсом. Ввиду отсутствия общесоюзного стандарта на ПП ее изготовляют по техническим условиям.

34.2.4 Наплавочные ленточные электроды

В СССР ленточные электроды или ленты производятся толщи­ной от 0,4 до 1 мм при ширине от 20 до 200 мм (табл. 34.4).

Ленты подразделяются на стальные холоднокатаные, по­рошковые и металлокерамические. Все ленты изготовляются по техническим условиям. Нередко для целей наплавки при­меняют стандартизованную стальную ленту, предназначенную для других целей (ГОСТ 4986—70). В последнее время разра­ботана серия порошковых наплавочных лент (ЛП), представ­ляющих собой оболочку из низколегированных или специаль­ных сталей с сердцевиной, заполненной шихтой из легирующих материалов и флюса. Металлокерамическую ленту изготовляют методом спекания порошкообразных компонентов (ЛС), обе­спечивая ей необходимые прочностные и пластические свойства.

Ленты поставляют потребителям в рулонах и применяют преимущественно при автоматической наплавке под флюсом.

ТАБЛИЦА 34 4

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ НАПЛАВЛЯЕМЫХ ЛЕНТ

Рекомендуемые марки леит*

Абразивный износ, сопровожда­ющийся большими удельными давлениями и ударными нагруз­ками

Износ от трения по металлу при больших давлениях и повышен­ных температурах Термическая усталость

Интенсивный износ с ударными нагрузками при повышенных температурах в агрессивных сре­дах

ПЛ-АН126 (42), ПЛ-У25Х25ГЗФ2РН (54), ПЛ-У30Х30ГЗТЮ(50), ПЛ-АН 171 (66),

ПЛ-АН10 (54), ПЛ-У40Х38ГЗРТЮ (52), ЛС-70ХЗНМА (56), ЛС-20Х10Г10Т (24)

ПЛ-АН 111 (60), ЛС-5Х4ВЗФС (42),

АС-5Х4В2М2ФС (46), ЛС-1Х14НЗ (48!

Св-2Х13 (44)

ЛС-08Х21Н9Т, СВ-04Х19Н11МЗ,

ПЛ-АН150, Св-03Х22Н11Б6,

СВ-10Х16Н25АМ6, Св-08Х19Н10Г2Б,

Св-04Х20Н10Г2Б, Св-07Х25Н13,

Св-ОЗХ 15Н35Г7М6Б

34.2.5. Прутки для наплавки

Литые прутки для наплавки износостойкого слоя на детали, работающие в условиях интенсивного абразивного изнашива­ния, ударных нагрузок, повышенных температур или агрессив­ных средах, согласно ГОСТ 21449—75 подразделяются на пять марок (табл. 34.5) и их изготовляют с номинальными диамет­рами от 4 до 8 мм и длиной 350—500 мм.

Широкое применение в судостроении и химическом маши­ностроении находит наплавка прутковыми материалами на ос­нове Си. В табл. 34.6 приведены основные марки прутковых материалов, выпускаемых по ГОСТ 16130—85.

34.2.6. Плавленые карбиды вольфрама (релиты)

Карбиды вольфрама применяют для особо износостойких на­плавок, работающих в условиях абразивного износа с удар­ными нагрузками. Наплавку производят восстановительным газовым пламенем, плазмой или в индукторах. Наплавленный

слой характеризуется высокой твердостью (HV 500—700) и по­вышенной склонностью к образованию трещин и пор. Релито - вые наплавочные материалы изготовляют по ТУ в виде зерно­вого (3) или трубчатозернового (ТЗ) релита (ТУ 48-42-34—70) и ленточного АН-ЛЗ (ТУ 26-02-769—77), каждый из которых может иметь шесть степеней зернистости (табл. 34.7).

34.3. Дефекты наплавки

Наиболее распространенным дефектом всех разновидностей наплавок, существенно снижающим эксплуатационные харак­теристики наплавленного слоя, являются трещины, возникаю­щие в наплавленном или основном металле. Наиболее часто трещины возникают при наплавке на основной металл с не­удовлетворительной свариваемостью или при очень высокой твердости наплавленного слоя, что связано с малой пластич­ностью металла в температурном интервале хрупкости (горя­чие трещины), с чрезмерно большими напряжениями в основ­ном металле и в наплавке, вызванными фазовыми превраще­ниями при остывании (холодные трещины).

Вероятность возникновения трещин при наплавке так же, как и при сварке, определяется химическим составом основ­ного и присадочного материала, жесткостью наплавляемой кон­струкции, режимом наплавки и тесно связана с формирова­нием первичной структуры и скоростью охлаждения. Кроме того, следует иметь в виду, что различные коэффициенты тер­мического расширения основного металла и наплавленного слоя существенно повышают вероятность их появления.

Металлографический анализ показал, что в большинстве случаев очагами разрушения в наплавленном металле явля­ются микроскопические горячие трещины, появляющиеся в ин­тервале температур кристаллизации и раскрывающиеся затем при остывании. Зародыши этих трещин проходят по зонам сра­стания кристаллитов, раскрытие их проходит как по границам зерен, так и по телу зерна. Холодные трещины могут образо­вываться как в основном металле в зоне термического влия­ния, так и в самом валике, особенно если речь идет о твердых наплавках.

Определить сопротивляемость образованию холодных или горячих трещин можно количественно по методикам, разрабо­танным в МВТУ, на испытательных машинах типа ЛТП-1-6, ЛТП-2-5; иногда для этой цели используют опытную наплавку на жесткую конструкцию. Существуют косвенные расчетные методы определения склонности к горячим трещинам при на­плавке (см. гл. 6).

Для расчета склонности к образованию ХТ иногда приме­няют следующую методику: подсчитывают углеродный экви­валент по уравнению СЭ = С + !/б Mn + ’/24 Si + ’Ato Ni + Vs Cr + + lU Mo + '/u Nb. Учитывая, что между углеродными эквива­лентами Сэ и максимальной твердостью существует почти ли­нейная зависимость, по формуле HV= (660 Сэ + 40) ±40 с до­статочной точностью определяют твердость HV, а затем, поль­зуясь экспериментальными данными, требуемую температуру подогрева:

Значения HV........................................ до 200................. 200—250 250—325 325

Требуемая температура подогре­ва, °С Без подо - По необхо - 150—250 250

грева димости

В наплавке нередко появляются поры, вызванные загряз­нением наплавочных материалов, их влажностью, применением чрезмерно больших токов, длиной дуги или нарушением за­щиты. Дефекты типа подрезов, шлаковых включений, излиш­ней деформации изделия, несплавлений вызваны в основном неправильно назначенным режимом наплавки или его несоблю­дением.