Легирование наплавленного металла и влияние легирующих элементов на свойства металлопокрытий

В процессе наплавки на поверхность детали для восстановления размеров и повышения износостойкости наносится расплавленный металл. Цель расплавления, обработки и кристаллизации металла при наплавке - получение металлопокрытия высокого качество, имеющего надежное сплавления с основным металлом, необходимый состав и структуру, обеспечивающие требуемые свойства (твердость, износостойкость и усталостную прочность) [2]. С этой целью проводят легирование металла шва различными элементами. Введение в металл добавок различных элементов для улучшения или придания ему особых механических или физико-механических свойств ( жаростойкость, кислотоупорность, износостойкость и др) называют легированием. В качестве легирующих добавок используют углерод, хром, марганец , кремний , никель , молибден, вольфрам, ванадий и другие элементы.

Введение в состав наплавленного металла легирующих добавок осуществляют четырьмя способами:

• -    применяют легированную электродную проволоку или ленту с использованием в качестве защиты обычных флюсов или инертных газов;

• -    характеризуется введением легирующих добавок через порошковые проволоки или ленты;

• -    используют легирующие флюсы в сочетании с низкоуглеродистыми электродными проволоками или лентами;

• -    на наплавляемую поверхность изделия наносят легирующие примеси – порошки, пасты и т.п., затем наплавку выполняют электродными проволоками,    добиваясь полного    расплавления    легирующих

материалов[2].

Важным результатом легирования должно быть равномерное распределение легирующих элементов в наплавленном металле, 2

обеспечивающее однородность его химического состава. Способ легирования выбирают в зависимости от способа наплавки и требований к однородности наплавляемого металла. Если наплавленный металл содержит углерода (>0,4%), то изменением скорости его охлаждения можно получить различные закалочные структуры ( троостит, мартенсит) и, следовательно, различную твердость. Твердость наплавленного металла зависит от его структуры. Присутствие в структуре различного рода карбидов, нитридов и других химических соединений способствует значительному увеличению твердости и износостойкости наплавленного металла.

Все режимы наплавки, влияющие на образование закалочных структур, воздействуют и на получение более твердых покрытий. Структура наплавленного металла зависит от его химического состава и скорости охлаждения.

Износостойкость наплавленного металла в основном предопределяется его структурой и твердостью. Поэтому все условия наплавок, способствующие получению металла с повышенной твердостью, в большинство случаев обеспечивают получение наиболее износостойких покрытий. В наплавленном металле должно содержаться оптимальное количество карбидообразующих элементов. Все виды наплавки приводят к возникновению в наплавленном металле остаточных напряжений. Сжимающие напряжения повышают предел выносливости, а растягивающие - снижают. Повышение содержания углерода приводит к снижению остаточных напряжений. Отпуск наплавленных образцов при 3000С уменьшает величину остаточных напряжений на 20…30%, а при 6000С – почти полностью их снимает[3].

Зона сплавления в основном определяется переходными составами металла от основного к шву (рис.1).

Рисунок 1 - Микроструктура зоны сплавления наплавленного металла

Формирование микроструктуры в переходной зоне наплавленный слой основной металл связано в значительной мере со степенью проплавления и смешивания основного и наплавленного металлов, а также с диффузионными процессами на границе сплавления. При этом происходит переход углерода, хрома, марганца и других элементов из материала образуемого покрытия в основной металл, или наоборот, в зависимости от их концентрации в металле наплавки или детали.

Чем больше разница по концентрации, например, углерода между наплавляемым и основном металлами, тем быстрее происходит его диффузия. Более полному протеканию диффузионных процессов, кроме резкого изменения температурного состояния, препятствует также образуемые при наплавке карбиды.

Для случая эксплуатации восстановленных наплавкой (сваркой) деталей в условиях знакопеременных нагрузок и особенно при меняющихся температурах важным является учет совместной работы металлопокрытий и основного металла с переменным коэффициентом теплового расширения у границы сплавления[3]. В связи с различием величин этих коэффициентов по границе сплавления и в прилегающих объемах шва и основного металла при нагревах и охлаждениях возникают напряжения и развиваются пластические деформации тем большие, чем больше различие в значениях коэффициентов тепловых расширений.