В соединениях, получаемых при наплавке медных сплавов на сталь, отчетливо различаются три зоны: металл наплавки, зона сплавления и основной металл.

Структура металла наплавки (при неизменном присадочном материале) целиком определяется количеством перешедшего в на-

Рис. 36. Микроструктура наплавлен - Рис. 37. Микроструктура металла, ного металла при плазменной наплавке наплавленного электродами «Комсо - бронзы типа МНЖ5-1 на сталь Ст. З; молец» на сталь Ст. З; X 150 Х300

плавку железа и растворимостью его в наплавляемом металле в условиях высоких скоростей охлаждения при кристаллизации сварочной ванны. Соответственно может быть получена однофаз­ная структура, когда перешедшее в металл наплавки железо на­ходится в твердом растворе с медью (рис. 36), и двухфазная струк­тура, одна фаза которой представляет твердый раствор железа в меди, а вторая — включения структурно-свободного железа, обогащенные медью и другими легирующими элементами (рис. 37). Однофазная структура металла наплавки может быть получена лишь при отсутствии расплавления стали. Следует отметить, что
получающаяся однофазная структура фактически представляет твердый раствор в меди не только железа, но и остальных леги­рующих элементов, находящихся в присадочной проволоке (Ni, Мп, Si и др.).

fe %

Проведенными исследованиями установлено, что независимо от количества перешедшего в металл наплавки железа распределено оно по сечению в среднем равномерно (рис. 38). При этом следует говорить именно о среднем количественном распределении железа, а не о химической однородности металла наплавки. Даже в случае отсутствия расплавления стали, когда обеспечивается однофазная

х. мм

Рис. 38. Распределение железа по сечению металла на­плавки и меди в стали при наплавке медных сплавов на сталь:

1 — наплавка плазменной струей; 2 — наплавка автоматом под слоем флюса: х — расстояние от нижней поверхности основного металла

структура металла наплавки, проведенными с помощью рентгенов­ского микроанализатора исследованиями установлено значитель - ное различие в химическом составе наплавки. Так, при плазмен­ной наплавке проволоки типа МНЖ5-1 на сталь Ст.4с среднее содержание железа в наплавке составляло примерно 2 % (содержа­ние железа в проволоке составляло 1,1 %), тогда как в различных микроучастках его содержание колебалось от 1,2 до 2,5%. Ана­логичная картина наблюдается и по другим легирующим элемен­там. Это свидетельствует о том, что в условиях наплавок медных сплавов на стали нельзя говорить о химической однородности во всех микроучастках, а можно лишь говорить о среднем количе­ственном выравнивании химического состава металла наплавки в различных микрообъемах. Такая химическая неоднородность связана с условиями кристаллизации.

В то же время при наплавке медных сплавов на сталь без ее расплавления обеспечивается структурная однородность металла наплавки в различных микроучастках (см. рис. 36), что и обеспе­чивает его высокие физико-механические свойства.

При наплавке медных сплавов на сталь с расплавлением по­следней в структуре металла наплавки всегда имеется значитель­ное количество структурно-свободного железа, независимо от того, каким способом, на какую сталь и каким присадочным ма­териалом производится наплавка. Изменение условий наплавки в этом случае может привести лишь к изменению количества же­лезистых составляющих в металле наплавки. Наибольшее коли­чество структурно-свободного железа в наплавленном металле наблюдается при наплавке автоматом под слоем флюса электрод­ной проволокой и ручной электродуговой наплавке (см. рис. 37).

Железистые составляющие имеют округлую и дендритную формы. Количество их определяется в основном глубиной про­плавления основного металла и высотой слоя наплавки: чем боль­ше глубина проплавления основного металла и чем меньше высота слоя наплавки, тем больше железистых составляющих в структуре наплавленного металла. Поэтому при наплавке ленточным элек­тродом и при ручной аргоно-дуговой наплавке неплавящимся электродом структурно-свободного железа в первом слое наплав­ленного металла меньше. Включения имеют форму дендритов или звездочек голубоватого цвета. Только при наплавке медных спла­вов на сталь без расплавления последней можно получить металл наплавки без включений структурно-свободного железа (рис. 36). Наиболее чистый наплавленный металл получен при наплавке медных сплавов на сталь плазменной струей с токоведущей при­садочной проволокой. Такое строение металла наплавки, сво­бодного от железистых составляющих, и определяет его физико­химические и механические свойства.

Следует отметить, что в случае наплавки второго слоя на пер­вый, наплавленный без расплавления стали, практически ника­ких изменений в структуре не наблюдается ни у границы сплавле­ния, ни по сечению наплавленного слоя, в то время как в случае расплавления стали во втором слое имеются включения структур­но-свободного железа.

Механические свойства наплавленного изделия в значитель­ной степени определяются структурой границы сплавления и зоны переменного состава. Сплавление металла наплавки при правильно выбранных режимах обеспечивается всеми способами наплавки. Но зона переменного состава при различных способах различная и определяется глубиной проплавления основного металла и дли­тельностью контактирования твердой и жидкой фаз. Поэтому наиболее развитая зона переменного состава наблюдается при руч­ной электродуговой наплавке и автоматической наплавке под слоем флюса электродной проволокой (рис. 39). Несколько меньше протяженность этой зоны при ручной аргоно-дуговой наплавке неплавящимся электродом. Хотя наплавка в этом случае произ­водилась на минимально возможном для условий наплавки сва­рочном токе и проплавление стали было небольшим (до 0,3 мм),

у границы сплавления наблюдается большое количество желези­стых составляющих.

Минимальная зона переменного состава и отсутствие включе­ний железистых составляющих в металле наплавки даже у гра­ницы сплавления получены только при наплавке плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой (рис. 40). Правда, следует отметить, что в случае применения повышенных режимов наплавки у границы сплавления может находиться некоторое количество железистых составляющих (рис. 41), что объясняется

большим нагревом поверхности стали и большей длительностью контактирования твердой и жидкой фаз и в результате уве­личением количества железа, переходящего в металл наплавки вследствие растворения твердой стали в жидком наплавляемом металле. Это повышенное коли­чество железа уже не может находиться в виде твердого рас­твора с медью и в процессе охлаждения выделяется в виде железистых составляющих. По­этому такие режимы наплавки являются предельными и при-

_ ___ . . ... __________ , . менение их в производственных

томатической наплавке меди М3 на условиях нежелательно, сталь 09Г2 под слоем флюса; Х150 Величина зоны переменного

состава и обусловленная ею структура и химическая неоднородность металла у границы сплавления могут оказать решающую роль на работоспособность наплавленного изделия. О наличии химической и структурной неоднородности можно судить. по данным исследования микро­твердости и химического состава зоны.

Измерение микротвердости производилось на приборе ПМТ-3 при нагрузке 20 Г. Микротвердость замерялась на каждом об­разце в четырех местах: у зоны сплавления со стороны стали, у зоны сплавления со стороны металла наплавки, в металле на­плавки, удаленном от зоны сплавления, и на стали, удаленной от зоны сплавления. На некоторых образцах производились замеры микротвердости включений. Микротвердость замерялась как на нетравленой, так и на травленой поверхности. Первый ряд замеров как со стороны основного металла, так и со стороны металла наплавки производился на минимально возможном рас­стоянии от зоны сплавления.

Режимы наплавки и результаты замеров микротвердости при­ведены в табл. 12.

Увеличение микротвердости стали на границе с зоной сплав­ления вызвано диффузией меди в сталь и образованием твердого раствора меди в стали. Ширина диффузионной зоны наименьшая при применении способов наплавки без проплавления основного металла (двойной независимой дугой, плазменной струей с токо­ведущей присадочной проволокой, расплавлением облицовок) и не превышает 20 мкм. При наплавке с расплавлением основного металла (автоматическая наплавка под слоем флюса, ручная электродуговая наплавка электродами «Комсомолец» и др.) ши-

Рис. 40. Граница сплавления Рис. 41. Граница сплавления при

при наплавке бронзы Бр. КМцЗ-1 на сталь плазменной струей; Х200

плазменной наплавке бронзы типа МНЖ5-1 на сталь Ст. З на повышен­ных режимах; Х300

рина диффузионной зоны значительно большая и составляет 60—120, а иногда и 180 мкм. Это говорит о том, что длительность контактирования твердой и жидкой фаз во втором случае значи­тельно большая, чем в первом.

Величина микротвердости металла наплавки различная при различных способах наплавки. Повышение микротвердости ме­талла наплавки по сравнению с соответствующим цветным метал­лом можно объяснить увеличенным содержанием железа в металле наплавки. Но если при наплавке двойной независимой дугой и плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой вклю­чения второй фазы отсутствуют, то при наплавке с расплавлением стали в металле наплавки имеются включения, имеющие повышен­ную микротвердость. Эти включения представляют собой, по - видимому, смесь твердых растворов железа в меди и меди в железе.

Микротвердость металла наплавки, зоны сплавления и основного металла Режим наплавки Микротвердость НД20 Я я Ч X Основной металл Металл наплавки Способ наплавки Марка наплавляемого металла Диаметр электрода и присадочной проволо в мм в И <55 И * са у границы зоны сплавления, 1 максимальная твер - , дость зоны терми­ческого влияния 1 удаленный от зоны у границы зоны сплавления 1 максимальная твердость 1 J удаленный от зоны отдельных включений Двойной незави­симой дугой Бр. КМЦЗ-1 2 210 40 0,22 449 243 235 177 175 172 — Лежачим электро­дом V 10 оХ 200 40—45 — 319 258 217 150 154 170 338 Электродами «Ком­сомолец» (в один слой) Ml 4 150 — — 444 243 239 167 161 142, 197 449, 543 То же (в два слоя) 4 150 — — 458 214 209 159 160 153 402 2 265 48—50 0,30 470 379 263 155 157 172 465 Автоматом под сло­ем флюса Бр. КМцЗ-1 2 2 285 295 48—50 50 0,31 0,32 449 244 462 258 224 212 165 644 158 645 175 152 432 Плазменной струей с токоведущей приса­ 2 160 50 0,28 230 241 212 146 146 138 — дочной проволокой Типа МНЖ5-1 2 160 50 0,26 200— 203 233 203— 223 150— 159 158 158—159 — Неплавящимися электродом в среде ар­гона 3 160 317— 336 345 233— 260 233— 271 245 190—233 300—325

Об этом можно судить и по тому, что значения микротвердости, включений примерно соответствуют микротвердости диффузион­ной зоны меди в стали.

Таким образом, результаты анализа значений микротвердости показывают, что микронеоднородность при наплавке с расплавле­нием основного металла значительно большая, чем при наплавке без расплавления основного металла, и зона переменного состава в первом случае имеет большие размеры, чем во втором случае.

Все проведенные исследования показали, что примеси железа в основной части металла наплавки распределены равномерно

X, мкм 150 W0 50 0 50 ЮО Расстояние от границы сппаблении

/50 200 к, мкм

Рис. 42. Исследование зоны переменного состава по данным рентгеноспектрального анализа при наплавке бронзы Бр. КМцЗ-1 на сталь 09Г2, / = 150 а

и лишь у границы сплавления имеется незначительная по размерам зона переменного состава.

Зона переменного состава изучалась также при помощи рент­геноспектрального анализа при диаметре облучения точки, рав­ном 1—2 мк. Исследования проводились на стальных образцах, наплавленных бронзами Бр. КМцЗ-1 и типа МНЖ5-1 плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой. Результаты ис­следования приведены на графиках рис. 42—44.

Как показывает анализ, зона переменного состава незначи­тельная при наплавке меди и бронз на сталь плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой и составляет 20—40 мк (рис. 42, 43).

При наплавке плазменной струей на повышенных режимах зона переменного состава может увеличиваться даже до 100 мк (рис. 44), так как при этом увеличивается длительность контакти­рования твердой и жидкой фаз и, следовательно, увеличивается растворение стали в жидком металле наплавки и интенсифици­руются диффузионные процессы. Проведенные исследования

50 100 200 550 500 Расстояние' от гранит сплаїления, мкм

її I si

%

too

Оснобной металл.

550500Ш 350 250 150/0050 Расстояние am границы сллаїлении. мкм.

Наппайм

SO

Си

а)

Рис. 43. Распределение элементов по зоне переменного состава при плазменной наплавке бронзы типа МНЖ5-1 на сталь 09Г2 на токе / = 150 а: а — железа и меди; б — никеля и марганца

Ге

108

Си

Напладко

50

500

500

Расстояние от границы сплайления, мкм

Расстояние от границы сплаОления. пкм

300 200 100500 50 П 200 300

Оснобной металл

10

Рис. 44. Распределение элементов по зоне переменного состава при плазмен­ной наплавке бронзы типа МНЖ5-1 на сталь 09Г2 на токе / = 180 ст. а — железа и меди; б — никеля и марганца.

показали также, что при оптимальных режимах можно практически подавить диффузию меди в сталь (рис. 43, а): при токе / = 150 а медь проникает в сталь лишь на глубину порядка 5—20 мк, причем концентрация меди на глубине 5 мк составляет всего 0,2%.

Рис. 45. Диффузионная прослойка при плазменной наплавке бронзы Бр. КМцЗ-1 на сталь Ст.4с; Х300

Эти данные хорошо согласуются с приведенными выше расче­тами диффузии меди в сталь. Исследования показали также, что никель практически не диффундирует из металла наплавки в сталь (рис. 43, б, 44, б), тогда как марганец при наличии интенсивного растворения твердого основного металла в жидком наплавленном металле может переходить в ме­талл наплавки (рис. 44, б).

Определенная теми же мето­дами зона переменного состава при наплавке с расплавлением стали значительно большая и составляет величину порядка 120—400 мк. Наличие такой развитой зоны переменного со­става и значительного количе­ства включений в металле на­плавки и является, по нашему мнению, основной причиной более низких механических свойств соединений, полученных наплавкой медных сплавов на сталь с расплавлением послед­ней по сравнению с наплав­ками без расплавления стали.

При наплавке некоторых мед­ных сплавов на сталь между сталью и металлом наплавки наблюдаютсй диффузионные про­слойки, обусловленные реактивной диффузией. Такие прослойки образуются, например, при плазменной наплавке бронзы Бр. КМцЗ-1 на сталь (рис. 45). Как показали данные, полученные, при рентгеноспектральном анализе, прослойки содержат повышен­ное содержание меди (до 15%) — рис. 42, — кремния и марганца. Кремний и марганец, обладая повышенной взаимной раствори­мостью с медью, образуют с ней твердые растворы. Таким образом, образующиеся при наплавке бронзы Бр. КМцЗ-1 на сталь диф­фузионные прослойки представляют собой смесь твердых раство­ров на основе железа, меди, кремния, марганца. Эти диффу­зионные прослойки обладают повышенной (в 2—3 раза боль­шей) по сравнению со сталью микротвердостью. Наличие про­слоек также может сказаться на работоспособности наплавленных изделий.

113

8 А. Е. Вайнерман и др.