Продолжение таблицы 5.3

Для обеспечения высокой стойкости против разрушения при различных видах изнашивания наплавленный металл должен отвечать требуемым свойствам. Свойства материала определяются химическим составом и структурой, на формирование которых значительное влияние оказывают легирующие элементы.

Бор. Имея малый атомный радиус (0,09 нм) бор, однако, малорастворим в большинстве металлов, применяемых для восстановления деталей (хром, железо, кобальт, никель, медь, вольфрам). При легировании бором этих металлов образуются высокотвердые бориды Ме_хВ_у. Высокая микротвердость боридов (12000–37000 МПа) и малая растворимость бора в металлах обеспечивает значительное повышение твердости сплава. Борсодержащие покрытия имеют высокую износостойкость. Характерной особенностью является образование в условиях трения скольжения с большими удельными нагрузками вторичных борсодержащих структур оксидного типа, выполняющих роль смазки и снижающих силы трения и интенсивность изнашивания деталей пары трения. Наряду с повышением твердости бор сильно охрупчивает сплавы. Это обусловлено хрупкостью боридов и образующихся эвтектических структур. Охрупчивание особенно сильно при совместном легировании бором и углеродом. Бор – относительно дорогой легирующий элемент. В покрытиях, работающих с ударными нагрузками, ограничивают содержание бора. Образование легкоплавких эвтектик при легировании бором повышает технологические свойства этих сплавов. Особенно это важно для самофлюсующихся порошков. В них бор является основным легирующим элементом.

Углерод. Большинство наплавочных сплавов в той или иной степени легировано углеродом. Такое широкое применение углерода обусловлено его низкой стоимостью и высоким упрочняющим действием. Он является основным карбидообразующим элементом. При доэвтоктоидном содержании углерода (менее 0,8 %) формируется покрытие, обладающее высокой ударостойкостью при сравнительно хорошей износостойкости. При большем содержании углерода при наличии карбидообразующих металлов существенно возрастает износостойкость, особенно абразивная, однако стойкость к ударным нагрузкам снижается. Углерод резко снижает коррозионную стойкость покрытий, поэтому для коррозионно-стойких покрытий содержание углерода уменьшают. Содержание углерода более 1,2 % применяется редко: в том случае, когда необходима большая твердость. На технологические свойства сплавов углерод оказывает отрицательное влияние, ухудшает свариваемость и увеличивает склонность к трещинообразованию.

Хром находит широкое применение в наплавочных сплавах. Следует отметить, что сплавы системы Fe–Cr практического значения как наплавочные не имеют из-за образования хрупкой σ-фазы FeCr и относительно небольшого упрочнения. Наибольшее влияние хрома на эксплуатационные свойства износостойких сплавов проявляются при наличии углерода. Высокий уровень эксплуатационных свойств сплавов Fe–Cr–С обусловлен количеством, размерами, морфологий и микротвердостью карбидов и металлической основы.

В наплавленном металле хром может образовывать следующие карбиды: орторомбический Cr₃C₂, тригональный Cr₇C₃ и кубический Cr₂₃C₆. Карбид Cr₃C₂ в сплавах Fe–Cr–С встречается редко. Как правило, при содержании хрома менее 7% образуются карбиды цементитного типа, легированные хромом. В цементите может растворяться до 20 % хрома. При содержании хрома более 8 % в чугуне с 3 % углерода количество карбидов цементитного типа уменьшается за счет образования карбидов Cr₇C₃ и Cr₂₃C₆. Именно эти карбиды предпочтительны в износостойких сплавах.

Основной путь регулирования количества и типа карбидов в износостойких сплавах – выдерживание требуемого соотношения Cr/C в сплаве. Экономические издержки такого подхода обусловили интенсивную разработку экономно-легированных износостойких сплавов. В этих сплавах требуемое количество, тип и морфология карбидных фаз формируется за счет рационального легирования более сильными карбидообразующими элементами, такими как ванадий, титан, вольфрам, молибден. В этом случае образуются преимущественно карбиды МС и М₃С, способствующие повышению эксплуатационных характеристик сплавов. В сплавах с дефицитом по углероду, а также в легированных бором могут присутствовать дополнительно карбиды М₂₃С₆. Указанные сплавы обладают высокой твердостью и износостойкостью.

Эффективным приемом регулирования количества, морфологии и типа карбидной фазы в хромистых износостойких сплавах является термическая обработка. Хром повышает коррозионную и окалиностойкость покрытий. С увеличением количества хрома ухудшается свариваемость, повышается вероятность образования трещин в покрытиях.

Никель находит широкое применение в сплавах для защитных покрытий. Он неограниченно растворим в железе и является сильным аустенизирующим элементом. Собственных высокотвердых фаз в сплавах железа никель не образует. Его влияние заключается в существенном повышении стойкости покрытий к ударным нагрузкам. С увеличением содержания никеля повышается вязкость сплава практически без ущерба для износостойкости. Никель – дорогой легирующий элемент, поэтому его количество в износостойких сплавах на основе железа ограничивают. Исключение составляют сплавы для коррозионно-стойких покрытий. Легирование никелем повышает свариваемость сплавов, снижая склонность к образованию трещин. В самофлюсующихся порошках никель применяют в качестве основы сплава. В этом случае достигается высокая коррозионная и износостойкость, а также технологичность нанесения покрытия благодаря образованию в системе Ni–Cr–B-Si гетерогенной структуры эвтектического типа с низкой температурой плавления (менее 1000 ºС).

Кремний. В силу металлургических особенностей производства кремний является постоянным спутником сплавов на основе железа, в том числе наплавочных. В Fe растворяется до 15 % Si. В системе Fe–Si образуется ряд силицидов: Fe₃Si, FeSi, FeSi₂, Fe₃Si₂, Fe₅Si₃.

Кремнийсодержащие сплавы для износостойких покрытий, как правило, содержат углерод, хром и ряд других легирующих элементов. Кремний не образует самостоятельных карбидов, является ферритообразующим элементом, он снижает количество остаточного аустенита. В отдельных случаях возможна графитизация наплавленного слоя. Легирование кремнием наплавочных сплавов упрочняет ферритную матрицу и способствует увеличению карбидов М₇С₃.

По мере увеличения содержания в сплавах кремния количество его в матрице резко повышается. Добавка даже 4 % Si приводит к увеличению его содержания в матрице > 10 %, так как ни первичные, ни эвтектические карбиды М₇С₃ не растворяют кремний. При увеличении содержания кремния относительное количество хрома в твердом растворе снижается на 55–70 %. Все это дает повышение твердости и износостойкости наплавки.

В отдельных случаях зафиксировано образование карбидосилицидной фазы. Кремний повышает коррозионную стойкость железоуглеродистых сплавов. Находят применение коррозионно-стойкие сплавы с содержанием кремния >12 %. Однако механические и триботехнические свойства указанных сплавов низки. Высококремнистый наплавленный слой склонен к образованию пор и имеет низкую трещиностойкость.

Марганец. Карбидообразующая способность марганца несколько выше, чем у железа, но, как правило, собственных карбидов в стали он не образует, растворяясь в цементите. Однако при большом содержании марганца, например, в ферромарганце, образуются карбиды марганца Mn₃C, Mn₇C₃. Значение марганца для износостойких сплавов обусловлено его аустенизирующей способностью и стабилизацией карбидов. Следует также отметить, что легированный марганцем карбид (FeMn)₃С менее хрупок, чем цементит. По стабилизирующему воздействию на аустенит марганец подобен никелю.

Замена никеля марганцем значительно удешевляет сплав. Марганец подавляет превращение в бейнитной области, растягивает во времени превращение в перлитной области при одновременном интенсивном снижении температуры мартенситного превращения. Поэтому наплавленные слои, легированные марганцем, имеют в структуре значительное количество остаточного аустенита. Образуемая при этом структура (остаточный аустенит, мартенсит, карбиды) обладает высокими эксплуатационными свойствами, особенно в условиях ударных нагрузок. Для сплавов Fe–Cr–Mn–C оптимальным является содержание 2–4 % Mn.

Для получении маретнситно-аустенитных сплавов с небольшим содержанием остаточного аустенита рекомендовано ограничивать содержание марганца до 4 %. Если требуется получить чисто аустенитные сплавы, необходимо содержание марганца > 5%.

Повысить эксплуатационные свойства марганцовистых наплавок можно за счет термической обработки. Обнаружен эффект дисперсионного твердения – сфероидизация первичных и выпадение вторичных карбидов. Эффективно легирование марганцем бористых наплавочных сплавов. В этом случае уменьшается количество хрупкого цементита за счет образования карбида Fe_0,4Mn_3,6C на фоне боридов Fe₂B. Однако для аустенизации сплава и повышения его ударостойкости необходимо дополнительное легирование никелем. Увеличение количества аустенита при легировании марганцем неравноценно по эффекту, достигаемому путем легирования никелем.

Характеристика основных фазовых составляющих металлических пойкрытий состоит в следующем. Феррит является наименее благоприятной фазовой составляющей основы сплава, так как он имеет невысокие твердость, износостойкость, вязкость и сопротивление разрушению. Он может находиться в наплавленном металле при наличии мартенсита и небольшого количества упрочняющей фазы.

Наилучшей основой наплавленного металла является смесь аустенита с мартенситом. При этом в зависимости от наличия и энергии ударных составляющих при работе детали количество аустенита и мартенсита должно быть различным: чем больше ударные нагрузки, тем больше должно быть аустенита. Желательно, чтобы мартенсит в этом случае был низкоуглеродистым, например, благодаря связыванию углерода карбидообразующими элементами. Количество и тип высокотвердых фаз влияют на износостойкость покрытий. Увеличение содержания карбидов, боридов, нитридов значительно повышает твердость покрытия. Однако износостойкость при этом может не увеличиваться. Это обусловлено морфологией и физико-механическими свойствами высокотвердых фаз.