Методы легирования

Получение наплавленного слоя с особыми свойствами, как правило, связано с получением сплавов со значительным количеством легирующих элементов. В качестве наплавочных материалов используются покрытые электроды (ГОСТ 10051-75), стальная сварочная проволока (ГОСТ 2246-70, ГОСТ 10543-98), порошковая наплавочная проволока (ГОСТ 26101-84), наплавочные ленточные электроды, наплавочные литые прутки (ГОСТ 21449-75, ГОСТ 16130-90), плавленые карбиды вольфрама, порошки из сплавов для наплавки (ГОСТ 21448-75), гибкие шнуры, флюсы для наплавки. Значительное количество наплавочных материалов изготавливается по отраслевым ТУ (техническим условиям). При дуговой наплавке плавящимся или неплавящимся электродом, в среде защитных инертных газов, плазменной электрошлаковой наплавке химический состав наплавленного металла по всем основным легирующим элементам примерно соответствует химическому составу электродного материала. Дополнительного устойчивого легирования наплавленного металла в результате металлургических взаимодействий наплавляемого металла с газовой фазой (например, азотом или кислородом, которые можно добавлять к инертному газу, как правило, аргону) обычно достичь не удается.
При наплавке плавящимся электродом в углекислом газе приходится считаться с потерями легирующих элементов за счет их окисления.
При сварке в среде защитных газов легирование наплавленного металла достигается в основном выбором соответствующего присадочного металла (электродная проволока сплошного сечения, порошковая и др.) или применением дополнительных наплавочных материалов (паст, перед сваркой наносимых на кромки, или присадочных прутков, порошков, засыпаемых на поверхность перед сваркой или вдуваемых в сварочную ванну, дополнительных проволок, прутков, укладываемых на поверхность или подаваемых в сварочную ванну, и др.).
Наплавка электродами, имеющими специальные покрытия, позволяет получить довольно значительное легирование через составляющие электродного покрытия (обычно вводимые в покрытия в виде порошков металлов, сплавов или углеродистых составляющих) или посредством выбора состава металлического стержня электрода.
Переход легирующих элементов из стержня и покрытия электрода зависит от свойств элемента (его сродства к кислороду, температуры испарения и др.), от композиции электродного покрытия металла стержня электрода, а также от коэффициента массы покрытия (табл. 1). Варьируя составы электродного стержня, количество и состав покрытия, можно получить множество составов наплавленного металла, легированных различными элементами и, следовательно, обладающими различными свойствами в исходном состоянии после наплавки или после последующей термообработки. При наплавке покрытыми электродами состав наплавленного металла весьма незначительно зависит от режима наплавки (главным образом усиливается выгорание углерода при значительном увеличении силы сварочного тока и напряжения дуги). При ручной наплавке покрытыми электродами стабильность качества сильно зависит от квалификации сварщика, а производительность наплавки низкая (0,5... 2,0 кг/ч).

Табл. 1 Характеристики некоторых марок наплавочных электродов

Марка электрода	Тип электрода по ГОСТ 10051-75 или тип наплав­ленного металла	Покры­тие	Твердость наплавлен­ного ме­талла	Положения наплавки	Назначение
ОЗН-300М	11ГЗС	Основ­ное	270... 360 НВ	Нижнее	Наплавка быстроизнашиваемых деталей из низкоуглеродистых и низколегированных сталей (валы, оси, крестовины)
ОЗШ-3	Э-37Х9С2	Основ­ное	53... 59 HRC	Нижнее, верти­кальное	Наплавка обрезных и вырубных штампов холодной и горячей (до 650 °С) штамповки быстроизнашиваемых деталей машин
ОЗИ-3	Э-90Х4М4ВФ	Основ­ное	59... 64 HRC	Нижнее	Наплавка штампов холодной и горячей (до 650 °С) штамповки, быстроизнашивае­мых деталей горно-металлургического и станочного оборудования
Т-590	Э-320Х25С2ГР	Специ­альное	58... 64 HRC	Нижнее, наклонное	Наплавка быстроизнашиваемых стальных и чугунных деталей (умеренные ударные нагрузки)
ЦН-6Л	Э-08Х17Н8С6Г	Основ­ное	29,5... 39 HRC	Нижнее	Наплавка уплотнительных поверхностей деталей арматуры котлов, работающих при температурах до 570 °С и давлении до 78 МПа
ОЗШ-8	11Х31МЗГСЮФ	Основ­ное	51... 57 HRC	Нижнее, наклонное	Наплавка кузнечно-штамповочной оснаст­ки, работающей в сверхтяжелых условиях термической усталости (до 1100 °С) и больших давлениях

Значительно более высокая производительность наплавки достигается при механизированных способах, в частности при дуговой автоматической наплавке под флюсом. Для наплавки применяют плавленые и керамические флюсы. Легирование наплавленного металла определяется составом электродной проволоки и металлургическими взаимодействиями между расплавленным металлом и флюсом-шлаком или дополнительно вводимыми в сварочную ванну компонентами в виде насыпаемой на поверхность изделия крупки, содержащей легирующие элементы, или в виде пасты с легирующими составляющими, наносимой на поверхность.
Наиболее распространены методы легирования при наплавке под флюсом путем использования следующих материалов:

Рис. 5. Конструкции порошковых электродных лент

1) Углеродистой или легированной электродной проволоки сплошного сечения, металлической холоднокатаной, литой или спрессованной из порошков ленты и нелегирующих или слаболегирующих, относительно слабоокислительных плавленых и реже керамических флюсов (хотя иногда для наплавки углеродистых и низколегированных сталей используют высококремнистые, высокомарганцовистые флюсы, приводящие к окислению ряда легирующих элементов при наплавке);
2) Порошковой проволоки (порошковых лент) при тех же флюсах, позволяющей вводить до ~40 % легирующих металлических составляющих к общей массе проволоки. В ленты сложной формы (рис. 5) может быть введено до 70 % легирующих металлических составляющих. Флюсы такие же как в варианте 1;
3) Легирующих флюсов, в основном керамических, содержащих легирующие металлические добавки, и флюсов-смесей. Из керамических флюсов максимально удается ввести в наплавленный металл до 30... 35 % легирующих элементов. Металлические наплавочные материалы - низкоуглеродистые и низколегированные или такие же, как в варианте 1, реже - в варианте 2;
4) Предварительной засыпки и дозированного нанесения или введения порошка, укладки на наплавляемую поверхность легированных прутков и др.; флюс обычно не легирующий, как в варианте 1;
5) Дополнительной проволоки, вводимой в дугу и подключенной в сварочную цепь параллельно основному металлу. Масса такой расплавляемой дополнительной проволоки может доходить до 0,8 массы расплавляемой основной проволоки. Этот метод одновременно уменьшает и количество расплавляемого при наплавке основного металла (уменьшает γ0).
Влияние режима при наплавке под флюсом на химический состав наплавленных слоев значительно большее, чем при наплавке покрытыми электродами. Это определяется значительно большим проплавлением основного металла и большим влиянием режима на относительную массу переплавляемого флюса, т.е. количества переплавляемого флюса на 1 кг расплавляемой электродной проволоки.
Применение в качестве плавящегося электрода ленты весьма целесообразно. При этом уменьшается γ0 (меньшее число слоев позволяет получить желаемый состав), ослабляется влияние режима на относительную массу переплавляемого шлака, достигается более ровная наплавленная поверхность.
В качестве наплавочных применяют обычно ленты холоднокатаные толщиной 0,4... 10 мм и шириной 20... 100 мм, а также ленты, получаемые прокаткой залитого в охлаждаемые валки жидкого металла (например, чугуна) и спрессованные холодной прокаткой из порошков и дополнительно спеченные - металлокерамические (табл. 2).
Весьма разнообразные составы наплавленного металла могут быть получены посредством порошковых проволок, изготовляемых из низкоуглеродистой ленты и сердечника, состоящего из смеси металлических порошков или смеси металлических порошков и газошлакообразующих.
Примеры химического состава наплавленного металла при наплавке порошковыми проволоками под флюсом и открытой дугой, а также при применении порошковых лент (см. рис. 5) приведены в табл. 3. При наплавке чаще всего используют плавленые флюсы марок АН-20 (в сочетании с низколегированными и высоколегированными проволоками), АН-60 (при больших скоростях наплавки при низкоуглеродистой и низколегированной проволоках). Флюсы 48-ОФ-6, АН-26 применяют в сочетании с высоколегированными проволоками. При наплавке чугунной лентой используют флюсы АН-28 и АН-27, которые позволяют дополнительно легировать металл хромом до 1 %.
Керамические флюсы обычно используют при наплавке низкоуглеродистой и низколегированной проволокой. Так, керамический флюс АНК-18 (~6,5 % СаСО3; ~27 % CaF2; ~28 % MgO; ~18 % А12О3; ~2,5 % Na2O + К2О; ~6 % Сr; ~2,5 % Мn; ~0,16 % С; ~2 % Аl; ~0,25 % Ti; -0,25 % Si и 3,5 % Fe) при использовании нелегированной проволоки марки Св-08А по ГОСТ 2246-70 при оптимальных режимах обеспечивает получение наплавленного металла состава: 0,15... 0,25 % С; 0,2... 0,4 % Si; 1,0... 1,8 % Мn; 3... 5 % Cr; S < 0,04 %; Р < 0,03 %; 35... 45 HRC.
При электрошлаковой наплавке легирование осуществляется за счет электродного материала, в качестве флюса обычно используют флюсы АНФ-1, АН-8, АН-22 и электропроводный в твердом состоянии АН-25 (в основном для начала электрошлакового процесса).
При использовании дуги с неплавящимся электродом (угольным без защиты от воздуха или вольфрамовым с защитой инертными газами) легирование обеспечивается в основном только наплавляемым материалом и его перемешиванием с основным металлом.

Табл. 2 Состав некоторых электродных наплавочных лент, %

Состояние наплавки	Марка ленты	С	Si	Мn	Сr	Ni	W	Мо	Прочие элементы
Холодно­катаные	65Г 12X13 07Х18Н9ТЮ	0,6 ...0,7 0,09 ...0,14 ≤0,09	0,17 ...0,37 0,30 ...0,70 ≤0,8	0,9...1,2 0,30 ...0,70 ≤2,0	≤0,30 12...14 17...19	≤0,30 ≤0,60 8...10	-	-	- - Ti 1,0... 1,4 А1 0,60 ...0,95
Литые	ЛЛ-УЗОГС ЛЛ-40Х13	2,8 ...3,5 0,6 ...0,8	1,2…1,8 0,4... 0,8	0,6...1,5 0,9	14...17	—	—	—	S и P ≤ 0,10 S и Р ≤ 0,04
Металлоке-рамические	ЛС-5Х4ВЗФС ЛС-70ХЗНМ(А)	0,6 ...0,8 0,9 ...1,1	≤0,5 ≤0,7	0,0...0,4 0,0... 0,4	4,5...5,5 4,2...4,8	0,9... 1,2	3,5... 4,5	0,8... 1,1	V 0,6 ...0,8

Табл. 3 Состав и твердость наплавленного металла

Назначение порошковых проволок, лент	Марка	Состав, %	HRC
С	Si	Мп	Сг	W	Ti	прочие элементы
Проволоки для наплавки под флюсом	ПП-НП-35В9 ХЗСФ	0,3... 0,4	0,5... 0,7	0,6... 0,7	2,2...2,7	7,5... 9,5	-	V 0,2... 0,5	44... 50
Проволоки для наплавки открытой дугой	ПП-Нп-У35 Х17РТ	3,2... 3,8	<0,5	<0,8	16... 18	-	0,3...0,5	В 0,8...1,1	54... 58
Ленты	ПЛ-Нп-300Х 25НЗСЗ	3,0	3,0	0,8		-	-	№3,0	52...57

При ручном процессе можно применять стержни из проволок сплошного сечения (согласно ГОСТ 10543-75 или 2246-70 или другого состава), литые прутки из не-деформируемых сплавов (высокохромистый чугун - сормайт, а также кобальтовые стеллиты типа ВЗК и др.), порошковые присадки (трубка с сердечником из твердых термически стойких карбидов - ликар), а также порошкообразные (размером 100... 750 мкм) и зернистые наплавочные материалы (сталинит - смесь феррохрома, ферромарганца, чугунной стружки и нефтяного кокса).
Некоторые характеристики литых прутков для аргонодуговой наплавки неплавящимся электродом приведены в табл. 4.
В ряде случаев механизированной наплавкой аргонодуговым методом вольфрамовым электродом можно расплавлять уложенные на место наплавки заготовки наплавочного материала, выполненного в виде литья или из прессованных порошков. При достаточно хорошо подобранном режиме такая наплавочная заготовка (брикет, кольцо и пр.), расплавляясь, нагревает лежащую под жидким металлом поверхность до оплавления, в результате чего расплав соединяется с основным металлом.
По такой схеме можно получать наплавленные слои любой композиции, хотя при этом необходимо учитывать и возможность образования трещин в слое или по зоне сплавления. В качестве присадки при аргонодуговой наплавке можно использовать спеченные из порошков прутки. Аналогично получается соединение и при плазменной наплавке при го рении дуги на проволоке из наплавляемого сплава (например, медной или бронзовой). В этом случае перегретый металл расплавленной проволоки осуществляет необходимую тепловую подготовку к оплавлению поверхности, не включенной в цепь дуги наплавляемой детали.

Табл. 4 Литые присадочные прутки для наплавки

Приса­дочные прутки	Размеры, мм	Состав, %
диа­метр	длина	С	Si	Мп	Ст	Ni	W	Со	Fe
Сормайт	6...7	...450	2,5 ...3,3	2,8 ...3,5	≤1,5	...31	3...5	-	-	Осталь­ное
Сплав ВНХ-1	6...8	≥ 100	0,5 ...1,2	1,5 ...2,5	≤0,5	...40	...60	-	-	≤5
Пр-ВЗК	4...8	...500	1,0 ...1,3	2,0 ...2,7		...32	0,5 ...2,0	4...5	...63	≤2
Пр-С27	4... 8	...500	3,3 ...4,5	1,0 ...2,6	1,0... 1,5	...28	1,5 ...2,0	0,2 ...0,4	-	Осталь­ное

Имеются плазмотроны, в которых через дугу, горящую между электродом и соплом плазмотрона, вдувается мелкий порошок (обычно с размером частиц до 100 мкм) наплавляемого материала; он расплавляется, перегревается до необходимой температуры и, поступая на наплавляемую поверхность в виде капель, приводит к оплавлению основного металла и установлению металлической связи (свариванию) наплавляемого металла с основным.
Возможности регулирования химического состава наплавляемого металла при таких способах очень широки.

Дата добавления: 2014-01-07