Исследование механических свойств соединений аустенитного и аустенитно-ффритного металлов наплавки с перлитным основ­ным металлом/ полученных различными способами наплавки, освещены во многих работах [11, 12, 24, 34, 52, 58, 70, 73 ИДР-]. В большинстве работ значительное внимание уделено исследованиям1 механических свойств аустенитного и аустенитно - ферритного металла, полученного многослойной наплавкой. Это объясняется, видимо, тем, что при рассматриваемых большинством авторов способах наплавки получить хорошие физико-химические свойства в первом слое наплавленного нержавеющего материала практически не удается из-за большого его загрязнения элемен­тами основного металла. На механические свойства соединений, полученных наплавкой аустенитных и аустенитно-ферритных не­ржавеющих сталей на стали перлитных классов, влияют следую­щие факторы [34]:

1) значительная разница в свойствах металла наплавки и основного металла;

2) искаженность структуры зоны сплавления материалов раз­личных структурных классов, приводящая к сосредоточению в ней различных несовершенств кристаллической решетки типа вакан­сий и дислокаций;

3) наличие поля остаточных термических напряжений, обу­словленных разностью коэффициентов линейного расширения наплавленного и основного металлов.

Причиной остаточных напряжений, возникающих при сварке и наплавке, являются неравномерность распределения темпера­туры и жесткость свариваемых элементов.

При наплавке аустенитного металла на перлитные стали из-за большого отличия в свойствах различных зон наплавленного со­единения характер распределения остаточных напряжений может отличаться количественно, а в некоторых случаях и качественно, от характера распределения, возникающего при наплавке анало­гичных по форме соединений из однородных по свойствам матери­алов.

Различия в характере распределения остаточных напряжений в данном случае определяются существенной разницей теплофизи­ческих и механических характеристик основного и наплавляемого металлов, таких как коэффициенты линейного расширения и тепло­проводности, модуль упругости и предел текучести материалов. Так, различие коэффициентов линейного расширения перлитной стали 20 и аустенитной стали марки Х18Н10Т в интервале темпе­ратур 20—200° С составляет около 40%.

Проведенный [67] упруго-пластический расчет остаточных напряжений в листе с аустенитной наплавкой после отпуска при 600° С показал, что'в процессе охлаждения с 600 до 20° С в металле наплавки возникают напряжения, величина которых достигает предела текучести металла наплавки.

Остаточные напряжения в различных зонах соединения, полу­ченного наплавкой аустенитного материала на перлитную сталь, предложено определять [67] по формулам:

на наружной поверхности наплавки

о„. н = от. н [ 1 — i|) (4 — Зг|з) ]; (85)

на границе сплавления аустенитной стали с перлитной

г = от. н [1 — "Ф (4 — Зг|)) (3 — 2і|з) ]. (86)

На границе сплавления перлитной стали с аустенитной на­плавкой

О п. г = aT. Н 1—4 + Ц (3 — 2г|))]; (87)

на наружной кромке перлитной стали

О — плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой Св-08А; Л — плазменной струей проволокой Св-06Х19НІОТ; X— аргоно-дуговым способом неплавящимся электродом с при­садочной проволокой Св-06Х19Н10Т; ф —вручную электродами ЭА-395/9; А — вручную электродами ЭА-400/10

О п. Н = ог. „ 1|з (2 — Зг|>), (88)

где аг.„ — предел текучести аустенитной наплавки; г|) = (h — толщина наплавленного слоя; Н — толщина ос­

новного металла).

Исследование остаточных продольных напряжений, возникаю­щих в биметаллических соединениях, производилось на образцах, полученных наплавкой различными способами аустенитных, аусте - нитно-ферритных и перлитных материалов на стали 09Г2, Ст.4с, типа CxJl и др.

Измерение остаточных продольных напряжений в наплавлен­ных соединениях производилось с помощью электрических дат-
меров остаточных продоль­ных напряжений в наплав­ленных соединениях и их распределение по сечению образца представлены на рис. 67. Результаты заме­ров остаточного продоль­ного напряженного состоя­ния в соединениях, полу­ченных наплавкой аусте­нитных материалов на сталь 09Г2 различными методами, представлены в табл. 20.

Чйкоіз с базой 20 мм и прямыми зймёрамй относительных дефор­маций компаратором с ценой деления 0,001 мм на базе 100 мм[3]. Напряжения определялись по формуле для линейного напря­женного состояния: а = гЕ, (89) где а — напряжение в данной точке в кгс/см[4]; є — относительная деформация, определяемая разностью по­казаний электрических датчиков, или разностью показа­ний компаратора, полученных замерами, произведенными до и после вырезки элементов из наплавленных пластин; Е — модуль упругости в кгс/см2; принятый Е = 2 -106 кгс/см2. Схема проведенных за- Таблица 20 Результаты замеров продольных остаточных напряжений компаратором й электрическими датчиками в пластине из стали 09Г2 толщиной 14 мм от плазменной наплавки на ее поверхность одного продольного валика присадочной проволокой Св-06Х19Н9Т

№ точек	По компара­тору (база 100 мм)	По электриче­ским датчикам (база 20 мм)
		СО	N	С<Э
X		’о	2	'о	з-
о. о. «	W a a	І	Л) *	І	О <>
1		+79	—1660	+69	—1420
2		—31	+650	—33	+693
3		—35	+785	—31	+651
4		+40	—840	+44	—924
5		+90	—1900	+80	—1680
	і	+23	—480	—14	+394
	2	—18	+378	-15	+315
	3	—27	+597	—21	+440
	4	—11	+230	—16	+336
	5	—50	+ 1050	—52	+ 1092

Из анализа приведен­ных результатов видно, что наименьшие продоль­ные остаточные напряже­ния возникают при на­плавке плазменной струей с токоведущей присадоч­ной проволокой марки Св-06Х19Н10Т, а наиболь­шие при ручной аргоно- дуговой наплавке этой же проволокой на сталь 09Г2.

Остаточные продольные напряжения, возникающие

при автоматической наплавке под слоем флюса аустенитных материалов на сталь 09Г2 и при ручной дуговой наплавке электро­дами ЭА-400/10 и ЭА-395/9, занимают промежуточное положение между значениями остаточных напряжений, возникающих при

ручной аргоно-дуговой>наплавке и при наплавке'плазменной струей проволокой Св-06Х19Н10Т на ту же сталь. Это указывает на пря­мую связь глубины проплавления основного металла, получаемого при наплавке, с остаточными продольными напряжениями, воз­никающими в результате наплавки аустенитных материалов на перлитные стали.

Интересно отметить, что остаточные продольные напряжения, возникающие при наплавке плазменной струей проволокой марки Св-08А на пластину из стали 09Г2 примерно на 350 кгс! см% меньше таковых, возникающих при наплавке присадочной проволокой марки Св-06Х19Н10Т при прочих равных условиях. Это объяс­няется, видимо, тем, что, во-первых, расплавленный аустенитный металл обладает меньшим теплосодержанием, чем малоуглеро­дистый из-за разницы в температурах плавления, и, во-вторых, тем, что при наплавке аустенитного металла в переходных зонах возможно образование структур, в которых развиваются напряже­ния, по знаку обратные общим продольным напряжениям, возни­кающим в пластине при наплавке.

Результаты некоторых исследований механических свойств наплавленных соединений представлены в табл. 21, 22. Анализ приведенных результатов исследований показывает, что при наплавке плазменной струей с токоведущей присадочной прово­локой типа 18-8 уже в первом слое наплавки можно получить металл с высокими механическими свойствами. Другие способы наплавки позволяют получить такие же механические свойства наплавленного металла только при многослойной наплавке.

Проведенные испытания биметаллических образцов, получен­ных наплавкой плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой типа 18-8 на малоуглеродистые и низколегированные стали, на растяжение и статический изгиб показали, что при каче­ственном выполнении наплавки статическая прочность биметал­лических образцов не снижается.

Качество соединений нержавеющего аустенитного металла с основным, полученных наплавкой плазменной струей с токо­ведущей присадочной проволокой типа 18-8 на сталь 09Г2, про­верялось испытанием образцов на отрыв и срез, испытаниями гагаринских образцов, изготовленных из металла наплавки и основного металла (с границей сплавления по середине образ­ца), а также испытаниями образцов на отрыв и срез (табл. 21 и 22).

Высокие механические свойства соединений нержавеющих сталей с малоуглеродистыми, полученных наплавкой плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой, имеют место и при испытании на ударную вязкость (табл. 23). Испытания проводи­лись на образцах Менаже с надрезом по зоне сплавления и со сме­щениями от зоны сплавления в металл наплавки и в основной металл.

Рис. 68. График [выносливости соединения, полученного наплавкой плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой Св-06Х19Н10Т на сталь 09Г2

Рис. 69. График выносливости соединений, полученных различными способами наплавки аустенитных материалов на сталь 09Г2

■Таблица 21

Сравнительные данные механических свойств наплавленного металла при различных способах наплавки

нержавеющих сталей на некоторые марки сталей

Способ наплавки	Количество слоев	Основной металл	Присадочный материал	Гагаринские образцы (из металла наплавки)
ст		б	■ф
кгс/мм2	%
Наплавка плазменной струей с токоведущей при­садочной проволокой	1	Сталь 09Г2	CB-06X19H10T Св-02Х19Н9	36,2—39,2	51,7—52,8	24,0—25,0	56,5—75,2
37,2 35,2—37,1	52,5 50,2—51,3	24,5 25,0—27,0	63,5 58,2—77,2
36,1	50,5	26,1	65,6
Автоматическая на­плавка под слоем флюса двумя проволоками *	2	Сталь АК-25	Св-05Х 19Н9Ф2С2+ +Св-05Х19Н9Ф2С2 Св-04Х19Н11МЗ+ +Св-08Х25Н5ТМФ	34,6—35,2	94,0—100,0	4,0—6,0	—
96,0 63,0—64,0	5,0 14,0—21,0
35,0	63,5	17,0
Автоматическая арго - но-дуговая наплавка пла­вящимся электродом с по­дачей дополнительной присадочной проволоки и поперечными колебани­ями **	Много­ слойная наплавка	Сталь хромомо­ либдено­ вая	Св-Х18Н11М+ +Св-Х18Н11М Св-1 ОХ 16Н25М6+ +CB-10X16H25M6	39,2—54,2	53,4—75,0	13,0—32,0	—
44,7 43,3—54,7	62,3 72,0—79,9	22,5 20,6—46,0
47,0	74,6	38,5
Автоматическая на­плавка под слоем флюса ленточным электродом *** * По данным [52]. ** По данным Т. И. И *** По данным В. В. А	Много­ слойная наплавка вановой и В. рдентова, Т. I	Сталь хромомо­ либдено­ вая Буланцева. 1. Ивановой и К.	CB-10X16H25M6 Св-1Х18Н9Б К. Младзневского.	35,8—45,5	62,5—67,7	26,0—39,1	—
41,7 36,1—40,3	65,1 -6278—66,0	27,3 37,4—44,8
38,2	64,4	39,8

Основной металл	Электродная проволока	Гагаринские образцы (граница сплавления по­середине образца)	ан (при 20° С), кгс-м/см*	Образцы для испытания наплавлен­ного металла
°т		б		на отрыв	на срез	На статиче­ский изгиб наплавкой
внутрь	нару­ жу
кГс/мм8	%	ов, кгс/мм2	а, град
09Г2 09Г2	Св -06Х19Н10Т Св-02Х19Н9	36 0—41 2	426—58,8	13 7—25,0	12,0—45 0	5 3—17,8	54,0—95,0	46,4—66,5	180 180	180 180
377 35 0—42 1	520 43 0—57,6	18,9 140—260	31,0 140—46,0	11,4 6,4—16,4	700 56,0—83,0	54,0 48,0—68,0
37,4	51 5	19 2	340	12 2	66 0 t	52 0

Таблица 22

	Расстояние, надреза от границы сплавления в мм	Надрез по границе сплавле­ния
В сторону основного металла	В сторону наплавленного металла
3,0	2,5	2,0	1,5	1,0	0,5	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0
Ударная вязкость при тем­пературе +20° С в кГ <м/смг	14,0—17,7	16,2—185	15,1—18,8	16,0—19,2	12,6—18	9,0—24	14—27	20—25	24,2—27,4	12 4—28	20—27	22—26	5 3—17,8
16,5	17,0	172	16,8	17	150	18 6	21 3	25,8	220	234	25,1	114

Таблица 23

Механические свойства соединений наплавленного металла с основным при наплавке нержавеющих сталей на низколегированную сталь 09Г2 плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой

Результаты испытаний на ударную вязкость наплавленных образцов с надрезом на границе сплавления и в районе границы сплавления

Испытания на вибрационную прочность проводились при сим-, метричном цикле растяжение — сжатие (г = —1) на базе 5 x10е циклов. Результаты испытаний на усталость, форма и размеры образцов представлены на рис. 68, 69.

Испытания на усталость проводились на двух типах плоских образцов: с наплавкой по всему сечению расположенной в сере­дине рабочей части образцов (рис. 68) и с наплавкой по всей по - - верхности образцов (рис. 69). Первый тип образцов изготовлялся из заготовок, полученных многослойной наплавкой нержавеющей стали на торец пластины из малоуглеродистой стали с последую­щей приваркой к наплавленному металлу пластины той же марки стали, что и основной металл. При этом приварка производилась вручную электродами с повышенным запасом аустенитности марки ЭА-395/9. Второй тип образцов изготовлялся из заготовок, полученных наплавкой нержавеющей стали на поверхность пла­стины из малоуглеродистой стали. При этом наплавка автоматом под слоем флюса (кривая 2) и плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой выполнялась за один проход, а ручная дуговая наплавка (кривая 3) и ручная аргоно-дуговая наплавка (кривая 4)—за три прохода. Это объясняется возможностями дан­ных способов наплавки.

Из приведенных результатов испытаний на усталость видно (рис. 69), что передел выносливости образцов, полученных на­плавкой плазменной струей (с учетом толщины наплавленного слоя; кривая 1), соответствует пределу выносливости основного металла.

Предел выносливости этих образцов, определяемых по сечению (без учета толщины наплавленного металла), примерно на 20% выше предела выносливости основного металла. В то же время из опубликованных работ [24, 73] известно, что при наплавке нержавеющих сталей на углеродистые предел выносливости на­плавленных соединений снижается на 20—70% по сравнению с основным металлом.

Наименьшее значение предела выносливости соответствует способу наплавки, обеспечивающему более развитые хрупкие прослойки в зоне переменного состава и наибольшие остаточные напряжения. В данном случае установлена связь между продоль­ными остаточными напряжениями и пределом выносливости наплавленных соединений. Наименьший предел выносливости в данном случае получен при ручной аргоно-дуговой наплавке. При этом же способе наплавки получено наибольшее зна­чение микротвердости в зоне переменного состава (рис. 63), а также наибольшее значение продольных остаточных напряжений (рис. 67).

Способ наплавки нержавеющих сталей плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой обеспечивает высокую коррозионную стойкость наплавленного металла. Минимальная

доля участия основного металла в первом слое металла наплавки" и получаемая при этом структура наплавленного металла обеспе­чивают наплавленному металлу стойкость к межкристаллитной коррозии даже при однослойной наплавке. [Проводились испы­тания наплавленного этим способом аустенитно-ферритного ме­талла на склонность к межкристаллитной коррозии согласно ГОСТу 6032—58 по методу AM (кипячение образцов из металла однослойной наплавки в реактиве в течение 24 ч с последующим загибом на 90°). Следов коррозии на образцах не обнаружено. При этом одна серия образцов загибалась на 90° в сторону основ­ного металла, а другая серия образцов—в сторону наплавленного металла.

Таким образом, наплавка нержавеющих сталей плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой на стали перлит­ного класса обеспечивает высокие физико-химические и механи­ческие свойства наплавленных соединений.