Связь свойств наплавленных слоев с выбором сварочных материалов

В ряде случаев условия эксплуатации для поверхностных слоев значительно отличаются от условий эксплуатации всего осталь­ного материала изделия. Так, например, кроме обеспечения общей прочности, что определяется свойствами металла и сечением де­талей, часто поверхностный слой должен работать на абразивный или абразивно-ударный износ (направляющие станин, зубья ков­шей землеройных орудий, некоторые поверхности рельсов, же­лоба валков канатно-подъемных устройств и др.).

Для некоторых поверхностей условия работы дополнительно усложняются по­вышенной температурой, эрозионно-коррозионным воздействием окружающей среды и др. (например, клапаны двигателей, уплотнительные поверхности задвижек). Часто поверхности испыты­вают коррозионное воздействие среды: морской воды, различных реагентов в химических производствах и пр.

Получение достаточно работоспособных и одновременно эко­номически целесообразных изделий и деталей в таких случаях осуществляется различными приемами: выбором материала из­делия, в частности различных биметаллов (малоуглеродистая сталь + нержавеющая; сталь + томпак; сталь + титан и др.), поверхностной термообработкой (газопламенной или высокоча­стотной поверхностной закалкой) или другими видами поверх­ностного упрочнения (электроискровым и др.), нанесением тонких поверхностных слоев (металлизация, напыление, гальванические покрытия), наплавкой значительных слоев на поверхность.

Процессы наплавки занимают одно из важных мест в совре­менной сварочной технике не только при ремонте и восстановле­нии первоначальных размеров и свойств деталей. При изготовле­нии деталей на их поверхности наплавкой наносят слои метал­лов специальных, целесообразных составов, обладаю­щих износостойкостью, жароупорностью, кислотостойкостью и пр.

В ряде случаев для изготовления детали вместо дорогостоя­щих металлов и сплавов могут применяться дешевые металлы - (малоуглеродистая сталь или сталь специальных свойств), с наплавкой из металла того состава, который будет обеспечивать необходимые рабочие характеристики изделия.

Замена бронзовых изделий стальными с бронзовой на­плавкой; изделий из высоколегированных сталей изделиями из углеродистых сталей с высоколегированной наплавкой и пр. Обычно такие конструкции более экономичны, чем конструкции, изготовленные целиком из одного дорогостоящего металла, а в ряде случаев более надежны в эксплуатации.

При выполнении наплавок со специальными свойствами, отли­чающимися от свойств основного металла изделия, приходится учитывать ряд обстоятельств. Так, наличие в составе наплавки (например, сплава на медной основе) составляющих основного металла (железа) значительно снижает рабочие характеристики поверхностного слоя. Максимальное снижение доли основного металла в наплавленном слое, как правило, является одной из основных задач при выполнении наплавочных работ, хотя при этом следует обеспечивать необходимую надежность связи на­плавки с основным металлом, что во многих случаях опреде­ляется достаточным проплавлением наплавляемой поверхности.

Составляющие металла наплавки и основной металл могут образовывать химические соединения, снижающие прочность со­единения наплавленного слоя с основой. Например, наплавка титана на железные сплавы всегда приводит к появлению слоя хрупких интерметаллидов, снижающих прочность связи наплавки с основным металлом.

Интерметаллидные прослойки такого типа образуются уже в процессе наплавки, особенно в зоне переменного состава — вблизи границы сплавления, либо за счет диффузион­ных процессов при длительном нагреве, при наплавке изделия с предварительным нагревом и от последующих нагревов в многослойных наплавках, либо при термической обработке,

а также при эксплуатации наплавленных изделий при повышен­ных температурах. В некоторых случаях интерметаллиды образу­ются очень быстро. Так, при сварке взрывом соединения сталь — титан участки таких интерметаллидов в месте соединения обнаруживаются иногда даже без последующих нагревов.

В связи с тем, что некоторые необходимые эксплуатационные свойства, например сопротивление абразивному износу, опреде­ленным образом связаны с повышением твердости металла, мно­гие наплавочные сплавы малопластичны и могут образовывать в наплавленных слоях трещины. Этому способствует не только затрудненность тепловых сокращений при охлаждении металла от расплавленного состояния до комнатных температур, но и обычно имеющее место различие коэффициентов линейного рас­ширения наплавки и основного металла.

В связи с тем, что в однослойных наплавках обычно не удается избежать такого количества составляющих основного металла, которые не ухудшали бы иногда недопустимо свойств наплавлен­ной поверхности, приходится применять многослойные наплавки.

Так, например, при дуговой наплавке легированных сплавов на железной и никелевой основе плавящейся электродной про­волокой под флюсом в первом слое доля основного металла обычно составляет 50 - 65 %. Состав наплавленного слоя, близкий к со­ставу электродной проволоки, в этом случае может быть получен только при пяти-, семислойной наплавке.

Сплавы на базе кобальта более дефицитны и дороги. Не­смотря на это, наплавки такими сплавами (например, КВ5Х13, КВ20Х30) применяются довольно широко, так как они обеспечи­вают наибольшую жаропрочность при относительно непро­должительной эксплуатации. Наплавка этих сплавов, известных под обобщающим названием стеллитов, обычно производится при высоком (~700 °С) предварительном подогреве деталей и за­медленном охлаждении их после наплавки.

Такие сплавы используются для наплавок прессовых матриц для обработки титановых сплавов, выхлопных клапанов авиационных двига­телей, уплотнительных поверхностей арматуры пара высокого давления и других деталей.

Кроме рассмотренных наплавочных материалов для ряда из­делий наиболее целесообразными являются материалы других составов. Так, например, для ударных нагрузок с наклепом (концы рельсов, крестовин, соединительные муфты прокатных ста­нов и др.) наиболее работоспособными являются высокомарган­цовистые стали типа Г13. Они также весьма эффективны при ре­монте дробильно-размольного оборудования.

В условиях работы при высоких температурах, например при горячей обработке (штамповка, ковка), металл должен обладать высокой твердостью при высоких температурах — краскостойкостью. Эти свойства в железных сплавах достигаются их леги­рованием хромом, ванадием, молибденом и вольфрамом.

Некоторые типичные составы высоковольфрамовых сталей приведеныв табл. 13. Стали типа Р18 и Р9 являются по существу быстрорежущими сталями, Сталь ЗХ2В8 наиболее широко применяются для наплавки рабочих используемыми в режущих инструментах для сохра­нения режущих свойств кромки при высоких температурах.

Высоковольфрамовый чугун Х10В14 при наплавке имеет склон­ность к образованию трещин, но весьма стоек, например в усло­виях работы поверхностей большого конуса засыпного аппарата доменных печей, повышая их износостойкость по сравнению с угле­родистой сталью 35У в 15 раз.

Высоковольфрамовые стали и чугуны для наплавки представлены

на табл. 13.

Таблица 13

Иногда в качестве наплавочных материалов применяют такие сплавы, которые не расплавляются полностью, а лишь частично растворяются в расплавленном металле и, «вмерзая» в него при его затвердевании, сохраняют в основном свою структуру и свой­ства. Такие составляющие с высокой температурой плавления и твердостью, расположенные в более мягкой матрице, при доста­точной прочности этих включений и их связи с матрицей против выкрашивания создают очень высокую стойкость против абра­зивного износа.

В качестве таких твердых сплавов, применяемых для армиро­вания изнашивающихся деталей, могут использоваться карбиды вольфрама и сплавы с боридами хрома. Некоторые из них при­ведены в табл. 14.

В целях исключения полного растворения или расплавления твердых частиц процессы наплавки, вызывающие значительный перегрев наплавляемого металла (например, дуговая сварка пла­вящимся электродом), применяться не должны. В этих случаях применяется либо наплавка с расплавлением основы индуктором ТВЧ, либо газопламенная или аргонодуговая наплавка с соот­ветствующей подачей присадки.

Литые карбидные сплавы и сплавы с боридами хрома

Таблица 14

Как указывалось ранее, для наплавок применяются и сплавы на медной основе. Такие сплавы обладают хорошими антифрик­ционными свойствами и высокой коррозионной стойкостью. Не­которые из типовых составов, применяемых для наплавки приведены в табл. 15

.

Наплавочные сплавы на медной основе

Таблица 15

Алюминиевые бронзы обладают высокой плотностью, хорошей коррозионной стойкостью в морской воде, слабых кислотах и щелочах, хорошо обрабатывается режущим инструментом. По­верхности, наплавленные бронзой, хорошо работают при трении металла о металл. Наплавку алюминиевыми бронзами исполь­зуют в заготовках червячных колес, сухарей и других деталей узлов трения. В связи с высокой коррозионной стойкостью алю­миниевая бронза применяется для наплавки в деталях гидротур­бин, подверженных кавитации и эрозии.

Оловянно-фосфористые бронзы являются хорошим антифрик­ционным материалом. Некоторые из них (Бр.ОФ5,5-0,3) приме­няются в узлах трения при наличии ударных нагрузок.

Наплавка бронзой Бр.КМцЗ-1,5 применяется главным об­разом для деталей, подверженных коррозии (задвижки и кла­паны, работающие в морской воде).

Наплавки медных сплавов плохо работают на абразивный из­нос при повышенных температурах (выше ~200 °С).

Рассмотрение только типовых составов для наплавочных ра­бот дает основание заключить, что, применяя различные напла­вочные (сварочные) материалы, можно получить весьма разно­образные комбинации служебных характеристик деталей различ­ного назначения. И в этих случаях необходим правильный выбор сварочных материалов.

Дата добавления: 2014-11-29