Кроме того, для обеспечения направленного формирования свойств металлопокрытий необходим выбор рационального способа и режимов восстановления. При этом следует учитывать, что важную роль среди наплавочных материалов имеют сплавы железа, никеля и кобальта со значительными количествами хрома. Последний увеличивает жаропрочность, коррозионную стойкость, твердость и др.
Влияние легирующих элементов на свойства металлопокрытий. Если наплавленный металл содержит достаточное количество углерода (>0,4 %), то изменением скорости его охлаждения можно получить различные закалочные структуры (троостит, мартенсит) и, следовательно, различную твердость. Твердость наплавленного металла зависит от его структуры. Присутствие в структуре различного рода карбидов, нитридов и других химических соединений способствует значительному увеличению твердости и износостойкости наплавленного металла.
Все режимы наплавки, ^влияющие на образование закалочных структур, воздействуют и на получение более твердых покрытий. Так, например, со снижением рабочего напряжения дуги уменьшается выгорание углерода и других легирующих элементов из электродной проволоки и большее их количество попадает в наплавленный металл. Твердость наплавленного слоя в этом случае всегда увеличивается. Кроме углерода, присутствие в наплавленном слое хрома, марганца, вольфрама, титана, как правило, способствует увеличению его твердости.
Повышенное содержание в шве марганца и кремния способствует получению высоких механических свойств наплавленного слоя: кремний уменьшает кипение сварочной ванны, и металл получается более плотным, марганец уменьшает склонность металла к горячим трещинам, в результате повышаются механические свойства металла шва. Структура наплавленного металла зависит от его химического состава и скорости охлаждения.
Износостойкость наплавленного металла в основном предопределяется его структурой и твердостью. Поэтому все условия наплавок, способствующие получению металла с повышенной твердостью, в большинстве случаев обеспечивают получение наиболее износостойких покрытий.
Чрезмерное количество карбидов меняет механизм изнашивания материала: в определенных случаях карбиды начинают выкрашиваться (кристаллографическое строение карбидов отлично от строения сплавов), а не истираться. В результате износостойкость может уменьшиться. Поэтому в наплавленном металле должно содержаться оптимальное количество карбидообразую-щих элементов. Все виды наплавки приводят к возникновению в наплавленном металле остаточных напряжений. Сжимающие напряжения повышают предел выносливости, а растягивающие — снижают.
Происхождение внутренних напряжений и их влияние на восстанавливаемую деталь обусловлены целым рядом причин. Основными причинами возникновения внутренних напряжений в изделии при наплавке являются изменение температурного и объемного состояния и отсутствие свободного перемещения нагреваемых участков..
Наибольшие значения напряжений получаются в металлопокрытии, которое содержит 0,4…0,5 % углерода. Однако дальнейшее повышение содержания углерода приводит к снижению остаточных напряжений. Это связано со структурной неоднородностью и образованием дефектов в наплавленном металле (поры, микротрещины и т. д.). Отпуск наплавленных образцов при 300 °С уменьшает величину остаточных напряжений на 25…30 %, а при 600 °С — почти полностью их снимает.
Эффективным средством для создания в металлопокрытиях напряжений сжатия является пластическая деформация поверхностных слоев, осуществляемая или вхолодную, или с применением электроконтактного нагрева или нагрева токами высокой частоты, известного под названием электромеханической, или поверхностной термомеханической обработки, описание которых будет приведено ниже.
Зона сплавления в основном определяется переходными составами металла от основного к шву. Формирование микроструктуры в переходной зоне наплавленный слой — основной металл связано в значительной мере со степенью проплавления и смешивания основного и наплавленного металлов, а также с диффузионными процессами на границе сплавления. При этом происходит переход углерода, хрома, марганца и других элементов из материала образуемого покрытия в основной металл, или наоборот, в зависимости от их концентрации в металле наплавки или детали.
Чем больше разница по концентрации, например, углерода между наплавляемым и основным металлами, тем быстрее происходит его диффузия. Более полному протеканию диффузионных процессов, кроме резкого изменения температурного состояния, препятствуют также образуемые при наплавке карбиды. Чем выше содержание углерода и карбидообразующих элементов (хром, вольфрам и др.) в наплавленном металле, тем уже переходные участки зоны сплавления и, следовательно, резче структурная и химическая неоднородность границы сплавления, приводящая к снижению усталостной прочности.
Для случая эксплуатации восстановленных наплавкой (сваркой) деталей в условиях знакопеременных нагрузок и особенно при меняющихся температурах важным является учет совместной работы металлопокрытий и основного металла с переменным коэффициентом теплового расширения у границы сплавления. В связи с различием величин этих коэффициентов по границе сплавления и в прилегающих объемах шва и основного металла при нагревах и охлаждениях возникают напряжения и развиваются пластические деформации тем большие, чем больше различие в значениях коэффициентов тепловых расширений.