Композиционные наплавочные сплавы

Композиционные наплавочные сплавы получили распространение для наплавки деталей, работающих в сложных условиях кавитационно-эрозионного и ударно-абразивного износа.

Эти сплавы состоят из матрицы и твердых частиц, которые вводятся в матрицу в процессе наплавки, при этом матричный слой связывает (сживает) эти частицы. Как правило, в качестве упрочняющих частиц применяют карбиды вольфрама W2C и WC, которые имеют высокую микротвердость, большую плотность, высокую температуру плавления и сравнительно нехрупки. Один из таких материалов — зернистый релит (эвтектический сплав W2C + WC) — получают путем дробления небольших слитков. Грануляция зерен 0,28 — 2,5 мм. Доказано преимущество (в плане износо- и ударостойкости) сфероидальных зерен релита, получаемых путем расплавления жидкого сплава в безокислительной среде. Такие зерна лучше сопротивляются ударным нагрузкам. Количество твердых частиц в композиционных сплавах должно быть большим — не менее 60 % площади сечения наплавленного слоя.

Схема электрошлакового литья биметаллических слитков и отливок массой до 300 кг
Схема электрошлакового литья биметаллических слитков и отливок массой до 300 кг: 1 — полый бронзовый электрод; 2 — источник питания (потребляемая мощность 650 кВт, двухфазная цепь 360 В, напряжение вторичной обмотки 46 — 75 В); 3 — водоохлаждаемый кристаллизатор; 4 — чугунная часть отливки; 5 — шлаковый гарнисаж; 6 — ванна расплавленного металла; 7 — поддон; 8 — затвердевшая бронзовая часть отливки; 9 — механизм перемещения электрода.

С помощью этих сплавов восстанавливаются эксплуатационные свойства изношенных деталей, работавших в условиях интенсивного абразивного, гидроабразивного и кавитационно-эрозионного изнашивания.

Этот технологический процесс широко внедрен и применяется на Белорусском металлургическом заводе (г. Жлобин) для восстановления дорогостоящих деталей, которые приобретались за границей.

Наплавку композиционных сплавов производят таким образом, чтобы предотвратить растворение зерен карбидов в матричном сплаве. Например, при дуговой наплавке рекомендуется использовать косвенную дугу, а присадочный материал вводить в «холодную» часть сварочной ванны. Можно применять газовую, индукционную, электрошлаковую наплавку, а также наплавку трением.

Одной из разновидностей таких композиций являются плавленные карбиды вольфрама, сплавленные с другими металлами. Их выпускают в виде кусков с острыми кромками, температура плавления — около 3000 °С. При наплавке куски карбидов «вваривают» в углубления на поверхности детали так, чтобы режущие грани выступали над поверхностью. В пространство между карбидами наплавляют другой твердый сплав, чаще всего с помощью электродов (ГОСТ 10051-75). В процессе работы промежуточный сплав изнашивается быстрее, поэтому режущая часть плавленных карбидов выступает. При использовании плавленных карбидов для бурового инструмента достигается повышение его эксплуатационных свойств.

Сплавы системы Fe-Mn-Cr с содержанием до 13 % марганца позволяют получить наплавленный металл с физико-механическими характеристиками, близкими к стали Г13Л и к высоколегированным сплавам систем Fe-Mn-Mo-Cr и Fe-Mn-Nf-Cr, содержащих более 13 % марганца. Из них изготовляются наплавочные электроды, обеспечивающие состав наплавок типа 90ХГ14М, 120ХЗГ13М и 100ХЗГ18НЗ. Высокие эксплуатационные свойства наплавленных деталей обеспечиваются аустенитной металлической основой и мелкодисперсными карбидами. При испытании на гидроабразивный износ наплавочные материалы обеспечивали высокую износостойкость.

Однако при использовании наплавочных материалов на железной основе чаще используют системы легирования Cr-Mn-Ni, Cr-W-V и Cr-Ni-B. Во многие наплавочные материалы, содержащие карбидообразующие и нитридообразующие элементы, в качестве легирующих компонентов входят углерод и азот. Легирование азотом и нитридообразующими элементами (Ti, Al, V, Nb, В) приводит к появлению нитридов, которые препятствуют росту зерна.

Разработана и внедрена в производство порошковая проволока АН-132 (ЗХВ2М2ВФ), содержащая 0,3 % С, 3,2 % Cr, 2,4 % Мо и 2,4 % W, обеспечивающая твердость наплавки 560 — 580 НВ. Системы легирования и области применения высококачественных наплавочных материалов для быстроизнашиваемых деталей приведены в таблице.

Наплавку ленточным электродом целесообразно применять в тех отраслях промышленности, где требуется получение деталей с особыми и дифференцированными свойствами.

Системы легирования и области применения высококачественных наплавочных материалов для быстроизнашиваемых деталей

Вид изнашивания Наименование типовых деталей Наплавочные электроды Система легирования
Абразивное изнашивание при очень больших удельных нагрузках Зубья дробилок, сегменты, детали гусеничных цепей, звездочки, резцы машин для резки мерзлого грунта и др. ЦН-10
ЕВ/2 ООК
ЕВ 23 / 200
ENSCoMol ВСН-6 ОЗИ-1 Релит ТЗ
Mn
Mn-Ni
Cr-Мо-В
Со-Мо
Cr-W-V
Cr-W-V
W2C-WC
Гидроабразивный износ Детали насосов и гидротурбин, защитные втулки валов, детали смесителей, земснарядов, черпалок, фейдеров, экскаваторов, подшипники гидроприводов, плунжерных насосов Сплавы 80Х4Cr
Сплавы на Ni-основе
35Х7Г7С
30Х24Н6М4С
35Х23Н7С
Cr
С—Cr—Si—В—Fе
Cr-Mn-Si
Cr-Ni-Mo
Cr-Ni-Si
Абразивное изнашивание при значительных ударных нагрузках Рабочие органы строительных и дорожных машин, ковши,  зубья экскаваторов. Лопасти фунтосмесительных машин и шнеков, детали шахтного оборудования, била молотковых дробилок, гибочные штампы холодной штамповки ЦР16
ЕВ4/60S
EBR4 / 60
ЕВ10/40
EWWN1
ENS18V8
ENSW2MO-B
ОЗИМ
ЦНИИН-4
ЖСН-60Р
ЕВЗ / 50(60)ts
Nb-Cr-Si
W-Co-Cr-V
Cr-W-V
Cr-W-V
W-Cr
W-Cr-V
Cr-W-V
Cr-Mn
Cr-Mn-Ni
Cr-W-Mo
W-Cr-V
Абразивный и гидроабразивный износ с ударными нагрузками при повышенных температурах Конусы и седла клапанов, зубья дисковых пил горячей резки, лопасти дымососов, штампы горячей штамповки ОЗИ-4
ОЗИ-5
Е669.04 (Е52г)
VUZVN1
VUZR5
ЭНГ
ПП-Св-Н
ЛС-5Х4ВЗФС
Co-W-Mo-Cr
Co—В—Mo—Cr
Cr-W-V
Co-Mo
Co-W-Mo
Ni-B-W-Si
Mo-Fe
Cr-W-V-Si

Монолитная наплавочная проволока и гомогенные наплавочные материалы применяются преимущественно для металлизации (напыления) и вибродуговой наплавки. Для металлизации применяется монолитная проволока из углеродистой стали, меди и ее сплавов, алюминия и цинка.

Наплавка малоуглеродистой электродной проволокой (Св.08, Св.0,5) под керамическим флюсом позволяет получить микролегированный марганцем, кремнием и хромом наплавленный металл. При автоматической наплавке электродная монолитная проволока из цветных металлов применяется также для изготовления двухслойных изделий (наплавка цветных металлов на сталь, чугун и другие сплавы). Диаметр электродной проволоки обычно не превышает 2 — 3 мм.

На основании промышленных испытаний рекомендован ряд сплавов (например, марки ЗОХЗМ2Г2ДФС и ЗОХ5ГЗД2МФ), обладающих лучшим сочетанием свойств и технологических характеристик. Сплав марки ЗОХ5ГЗД2МФ может быть получен наплавкой малоуглеродистой проволокой Св.08А или лентой из стали 08кп под керамическим флюсом ЖСН-6. В состоянии после наплавки твердость указанного металла составляет 41 — 43 HRC, а механическая обработка его вызывает затруднения. Отпуск (старение) при температуре 500 — 560 °С с последующим замедленным охлаждением позволяет повысить твердость металла до 50 — 52 HRC