Кристаллизация металла при наплавке деталей

При электродуговой наплавке под флюсом, вибродуговой, в защитных газах, в среде водяного пара, колеблющимся электродом и др. широко используется сплошная или порошковая проволока. Наплавку тел вращения можно производить отдельными валиками вдоль образующей детали, круговыми валиками и по винтовой ли­нии. При автоматическом способе наплавку следует вести по вин­товой линии с перекрытием последующим валиком предыдущего на 1/3… 1/2 его ширины. Непрерывность процесса и уменьшение де­формации детали — важные преимущества этого способа.

Электрическая энергия, подводимая к наплавочной проволоке и детали, преобразуется в тепловую. На конце проволоки и на поверхности ванночки расплавленного металла возникают актив­ные пятна, через которые протекает сварочный ток. В процессе на­плавки сварочная дуга в значительной мере погружена в металл (рис. 3.4, а) и располагается ниже уровня поверхности основного металла. Погружение дуги в металл определяет глубину проплав­ления и оказывает большое влияние на процесс наплавки. Расплав­ленный металл переносится с наплавочной проволоки на деталь в

виде капель, размер которых зависит от температуры плавления металла наплавочной проволоки, интенсивности нагрева торца проволоки, силы тока и др.

На участке основного металла, непосредственно примыкающего к металлу наплавленного валика, появляются неблагоприятные структуры. Этот участок называют участком перегрева (для низко­углеродистых сталей) или участком закалки (для углеродистых, вы­сокоуглеродистых и некоторых легированных сталей). Металл это­го участка имеет максимальные температуру нагрева, скорости на­грева и охлаждения. Поэтому, когда говорят о термическом цикле наплавки, то имеют в виду прежде всего этот участок.

Любой термический цикл наплавки состоит из двух ветвей: восходящей — период нагрева и нисходящей — период охлажде­ния (рис, 3.4, б). При этом крутизна восходящей ветви характери­зует скорость нагрева, а крутизна нисходящей — скорость охлаж­дения металла данного участка. Важным параметром термическо­го цикла является отрезок /в, т. е. время выдержки металла выше температуры Асу Величина зерен металла в значительной мере за­висит от этого параметра. Крутизна восходящей ветви термичес­кого цикла зависит от погонной энергии наплавки и физических свойств основного металла.

Наиболее часто в качестве основного металла при наплавке применяются стали с содержанием углерода менее 0,83 %. Поэтому наибольший интерес представляет рассмотрение превращений при наплавке этих сталей. Рассмотрим основные структурные превра­щения в точке А (см. рис. 3.4, а). Структура в точке А до наплавки показана схематически на рис. 3.4, б, I и представляет собой ферри­то-перлитную смесь.

Структурные превращения в точке А, вызванные нагревом ос­новного металла теплом перемещающейся дуги, начинаются прак­тически с температуры 727 °С (Ас^). При температуре 727 °С и не­сколько выше в перлитных зернах возникают зародыши аустени­та, которые при повышении температуры вырастают и полностью захватывают объем перлитных зерен Асу При дальнейшем нагре­ве стали происходит растворение феррита в аустените. Процесс пре­вращения перлита и феррита в аустенит заканчивается при темпе­ратуре критической точки. При высокой температуре сталь состо­ит из однородных зерен аустенита. Характер структурных превра­щений в интервале температур Acj и Ас^ схематически показан на рис. 3.4, б, II.

При дальнейшем повышении температуры происходит выравни­вание состава (гомогенизация) и рост зерен аустенита (рис. 3.4, 6, III). Рост зерен аустенита продолжается до температуры, при кото­рой наблюдается оплавление зерен по линии сплавления. После окон­чания оплавления зерен аустенита основного металла в области сплавления (рис. 3.4, б, IV, V) приток тепла из сварочной ванны ста­новится меньше отвода тепла в основной металл. Вследствие этого начинается охлаждение основного металла, а затем кристаллизация сварочной ванны.

При дуговой наплавке в нанесенных валиках наблюдается преиму­щественно одна зона — зона столбчатых кристаллов. Основной ме­талл по линии сплавления в начале роста столбчатых кристаллов — дендритов представляет собой оплавленные зерна аустенита повы­шенных размеров. Чем крупнее зерна основного металла по линии сплавления, тем большее сечение будут иметь столбчатые кристал­лы и более крупнозернистым будет металл. По мере охлаждения наплавленного валика под действием многих факторов это соответ­ствие затемняется или вообще может исчезнуть (рис. 3.4, б, VI и VII). Например, при исследовании микроструктуры наплавок, претерпе­вающих фазовые превращения и выполненных на больших погон­ных энергиях, соответствие размеров аустенитного зерна и сечения дендритов не наблюдается (рис. 3.4, 6, VIII).

Из практики известно, что чем больше сечение наплавленного валика, тем большее количество дефектов наблюдается по оси сим­метрии валика. Валики повышенного сечения с глубоким проплав­лением весьма склонны к образованию горячих трещин. При боль­ших сечениях наплавленных валиков скорость затвердевания сва­рочной ванны мала, и растущие дендриты более успешно оттесняют неметаллические включения и примеси к середине валика.

При малых сечениях, когда скорость затвердевания высока, рас­тущие дендриты захватывают неметаллические примеси. В резуль­тате этого в средней части наплавленного валика количество дефек­тов незначительно. Валики больших сечений имеют иногда усадоч­ную раковину. Поэтому при наплавке металла повышенных толщин применяют обычно многослойную наплавку.

Многослойная наплавка обеспечивает своеобразную термичес­кую обработку сварных швов. При наложении каждого последую­щего слоя нижний слой нагревается, в результате чего структура валика и прилегающей зоны улучшается. Столбчатая дендритная структура нижнего слоя валика и крупнозернистая видманштеттова структура прилегающей зоны становятся раздробленными, мелкозер­нистыми. Многослойная наплавка позволяет, кроме того, получить в последнем рабочем слое заданный химический состав металла.