Упрочняющая наплавка защищает детали от различных видов износа, придавая поверхности детали специфические свойства. Упрочняющая наплавка применяется как при ремонте изношенных деталей. так и при изготовлении новых деталей. Требуемые свойства деталей получают за счет нанесения на их поверхностность слоя металла, который обеспечивает хорошее сопротивление износу. Нанесение упрочняющих слоев может осуществляться различными способами сварки. Повышенная твердость не всегда подразумевает хорошее сопротивление износу и увеличение срока службы изделия. Число наплавленных слоев также может сказываться на уровне твердости и значительно влиять на способность сопротивляться износу.
Факторы износа
Существует большое число факторов износа, которые проявляются как в чистом виде, так и в комбинации друг с другом. Следовательно, для обеспечения максимального коэффициента полезного действия упрочнения, наплавочный металл должен быть тщательно выбран
Марку упрочняющего металла следует выбирать как компромисс между каждым фактором износа. Поэтому, когда исследуется механизм износа, определяют, какой фактор является главным, а какой второстепенным.
Опыт показывает, что для того, чтобы выбрать оптимальный металл для упрочняющей наплавки, необходимо знать следующее:
- каковы основные факторы износа;
- какая марка основного металла упрочняемой детали;
- какие способы сварки предпочтительно использовать;
- какая требуется окончательная механическая обработка детали.
Если основной фактор износа — абразивное изнашивание, а второстепенный — ударное изнашивание, то упрочняющий металл следует применять такой, чтобы он имел хорошее сопротивление абразивному износу, а также достаточное сопротивление ударному износу. Чтобы упростить общее представление о факторах износа они могут быть разделены на характерные типы.
Износ при трении металла о металл или адгезионный износ
Этот тип износа возникает при трении одной детали о другую, например: при вращении валов в подшипниках, при контакте звездочек с цепями, при работе пары шестеренок и т.д. Мартенситные сплавы хорошо противостоят износу металла о металл. Аустенитно-марганцовистые и кобальтовые сплавы также хорошо сопротивляются этому виду износа. Кобальтовые сплавы используются для деталей, работающих при высоких температурах и в окислительных средах.
Обычно контакт между поверхностями материалов одинаковой твердости дает чрезмерный износ. Поэтому для пары трения выбирают материалы различной твердости.
Ударный износ
Металлические детали деформируются, частично ломаются и даже полностью разрушаются, если их поверхности не защищены от воздействия ударного износа. Ударный износ имеет место в дробильном и размольном оборудовании, где дробятся горные породы или гравий. При этом образуются мелкие абразивные частицы, поэтому поверхности оборудования требуется одновременно защищать и от абразивного износа.
Аустенитно-марганцовистые стали после нагартовки поверхности оказывают большое сопротивление чистому ударному износу, благодаря их высокой поверхностной твердости и относительно мягкой сердцевине. Мартенситные сплавы также оказывают сопротивление умеренному ударному износу, но в меньшей степени, нежели аустенитно-марганцовистые. Интенсивному ударному износу подвержены плиты дробилок, ударные молоты, железнодорожные крестовины и рельсы.
Абразивный износ мелкими минеральными частицами
Этот тип износа возникает при скольжении острых частиц по металлической поверхности с различной скоростью. Износ происходит посредством стачивания металла частицами, которые подобны маленьким режущим инструментам. Чем тяжелее частица и более острая у нее форма, тем серьезнее истирание.
Этот вид износа встречается у землеройного оборудования, сельскохозяйственного инструмента, при транспортировке минералов. Благодаря отсутствию ударных нагрузок, хрупкие высокоуглеродистые хромистые стали и карбидосодержащие сплавы прекрасно противостоят этому виду износа.
Интенсивный абразивный износ при наличии давления
Этот тип износа присутствует, когда маленькие твердые абразивные частицы, находясь между двумя металлическими деталями, дробятся и размалываются. Типичными деталями, подвергающимися этому виду износа, являются форсунки, вращающиеся дробилки, лопасти смесителей, лезвия скребков. Для упрочнения таких деталей применяются аустенитно-марганцовистые, мартенситные и карбидосодержащие сплавы. Карбидные сплавы обычно содержат мелкие, равномерно распределенные по объему титановые карбиды, которые хорошо противостоят такому виду износа.
Высокотемпературный износ
Когда металлы эксплуатируются длительное время при высоких температурах, они обычно теряют прочность. В результате работы при высоких температурах появляются термические усталостные трещины. Термоудары, вызванные циклическими термическими напряжениями, наблюдаются у инструментов и штампов для ковки и горячей обработки. При работе в окислительной среде поверхность металла покрывается окисной пленкой, которая разрушается при охлаждении и процесс окисления повторяется. Мартенситные стали, содержащие 5-12% хрома, имеют хорошее сопротивление термическому усталостному износу. Сплавы с карбидами хрома прекрасно сопротивляются износу при температурах до 600°С. Для работы в условиях повышенных температур часто используют сплавы на никелевой или кобальтовой основе. При высоких температурах работают прокатные ролики, штампы, ножи гильотин, пуансоны, матрицы для горячей обработки металла и т.п.
Основной металл
Существует две основные группы металлов, которые подвергаются упрочняющей наплавке: углеродистые и низколегированные стали; аустенитно-марганцовистые стали. Чтобы различать эти материалы, можно использовать магнит. Углеродистые и низколегированные стали являются магнитными. Аустенитно-марганцовистые стали не магнитны. После упрочнения, однако, эти стали становятся магнитными. Рекомендации по сварке этих сталей абсолютно различны Так содержание углерода и легирующих элементов в углеродистых и низколегированных сталях требует предварительного подогрева, медленного охлаждения и последующей термической обработки. Температуры предварительного подогрева приведены в таблице на странице.
Аустенитно-марганцовистые стали должны свариваться без подогрева и последующей термообработки. Температура деталей из аустенитно-марганцовистых сталей при наплавке должна быть не более 200°С, так как эти материалы становятся хрупкими при перегреве.
Способы дуговой сварки, применяемые при наплавке.
Ниже описаны наиболее распространенные способы сварки, которые применяются при упрочняющей наплавке.
Ручная дуговая сварка покрытыми электродами, SMAW
- позволяет осуществлять наплавку больших площадей;
- является сравнительно недорогим способом сварки;
- является универсальным способом, позволяющим осуществлять упрочняющую наплавку
на открытом воздухе и в различных пространственных положениях.
Дуговая сварка порошковой проволокой, FCAW
- позволяет производить упрочняющую наплавку на различные детали;
- обладает высокой производительностью;
- может использоваться в полевых условиях, благодаря возможности проведения сварки от
крытой дугой; - при сварке самозащитной проволокой нет необходимости в применении защитных газов.
Дуговая сварка под флюсом, SAW
- выполняется только в нижнем положении;
- обладает высокой скоростью наплавки;
- позволяет восстанавливать изношенные поверхности большой протяженности;
- характеризуется отсутствием разбрызгивания металла и отсутствием светового излучения при горении дуги.
Окончательная механическая обработка деталей, упрочненных наплавкой
Обрабатываемость упрочненной поверхности определяется типом наплавленного металла, так как некоторые из них могут легко обрабатываться, а некоторые вообще механически не обрабатываются. Кроме того, многие высоколегированные наплавленные материалы приводят к появлению “рельефных трещин”, которые формируются поперек наплавленного металла при его охлаждении и могут оказывать влияние на основной металл. Поэтому перед выбором наплавочных материалов для упрочнения следует ответить на следующие вопросы: Требуется ли токарная обработка после сварки или более предпочтительной является шлифовка? Приемлемы ли рельефные трещины?
Как правило, если твердость наплавленного металла меньше 40 HRC, то возможна токарная обработка. Если твердость больше 40 HRC, то необходима шлифовка. Рельефные трещины часто не оказывают пагубного влияния на качество наплавки и не являются причиной скалывания металла и разрушения деталей. Однако, если детали подвергаются интенсивному нагружению с изгибом, то необходимо наносить пластичные буферные слои перед упрочняющей наплавкой, чтобы предотвратить развитие трещин в основном металле. Вероятность появления рельефных трещин возрастает при низких значениях сварочного тока и высоких скоростях сварки.
Типы наплавочных материалов
Наплавочные материалы могут быть разделены на группы согласно их характеристикам,
свойствам и сопротивляемости износу:
Металлы на основе железа:
- мартенситные стали;
- аустенитные стали;
- сплавы с большим содержанием карбидов.
Металлы на основе других металлов:
- сплавы на кобальтовой основе;
- сплавы на никелевой основе.
Свойства перечисленных наплавочных материалов следующие:
Аустенитные:
- обладают прекрасным сопротивлением ударному износу;
- хорошо подходят для восстановления геометрии изношенных деталей;
- обладают хорошим сопротивлением абразивному износу.
Мартенситные:
- используются при восстановлении геометрии изношенных деталей и для упрочняющей наплавки;
- обладают хорошей износостойкостью при трении металла о металл;
- обладают хорошим сопротивлением ударному износу;
- обладают хорошим сопротивлением абразивному износу.
Сплавы с большим содержанием карбидов:
- обладают прекрасным сопротивлением абразивному износу;
- обладают хорошей термической стойкостью;
- обладают хорошей коррозионной стойкостью;
- характеризуются низким сопротивлением ударному износу.
Сплавы на кобальтовой и никелевой основе:
- хорошо сопротивляются большинству типов износа;
- характеризуются низким сопротивлением ударному износу;
- из-за высокой стоимости они применяются тогда, когда сплавы с большим содержанием карбидов не обеспечивают требуемую износостойкость; никелевые сплавы имеют меньшую стоимость, чем кобальтовые.
