Типы сварочных прутков для наплавки: соответствие механизмов износа требованиям металлургии наплавки согласно стандарту AWS A5.13.

К типам сварочных электродов для наплавки относятся пять основных семейств сплавов AWS A5.13 с твердостью от 18 HRC до более 70 HRC. Выбор неправильного электрода в промышленных сварочных работах может привести к более быстрому износу детали, чем если бы она осталась без покрытия. Использование хрупкого электрода из карбида хрома твердостью 60 HRC на молотке дробилки приводит к отслаиванию наплавленного слоя. Использование мягкого марганцевого электрода в желобе с мелким песком также может привести к поломке, поскольку скольжение при низком напряжении никогда не приводит к упрочнению материала.

В этом инженерном руководстве рассматривается взаимосвязь между классификацией твердых наплавок по стандарту AWS A5.13 и абразивным износом при скольжении, ударным износом, трением металла о металл и термической коррозией. Вы узнаете, как разбавление основного металла изменяет химический состав первого слоя при различных видах наплавки. Мы также объясняем, когда обязательны буферные слои и чем отличаются ручные наплавки от автоматизированных наплавок, выполненных методом стержневой обработки.

Как классифицируются типы сварочных прутков для наплавки в соответствии со стандартом AWS A5.13 и каков механизм износа?

В соответствии со стандартами AWS A5.13/A5.13M:2024, типы электродов для наплавки упрочняющих материалов делятся на пять металлургических групп с твердостью от 18 до 70 HRC. Согласно спецификациям AWS A5.13 для электродов для наплавки , покрытые электроды для дуговой сварки покрытыми электродами подразделяются на пять химических групп. Эти группы включают в себя электроды на основе железа, кобальта, никеля, меди и трубчатого карбида вольфрама. Каждый класс обеспечивает баланс ударной вязкости, износостойкости и объема карбида для конкретных условий эксплуатации.

Перед сравнением сварочных сплавов для наплавки инженерам, которым необходимы традиционные присадочные материалы, следует ознакомиться с нашим руководством по выбору сварочных электродов для конструкционной сварки . Конструкционные электроды оцениваются по пределу прочности на растяжение в тысячах фунтов на квадратный дюйм (psi). С другой стороны, электроды для наплавки определяются их химическим составом в неразбавленном виде в сварочном металле в соответствии со стандартом AWS A5.13. Этот химический состав в неразбавленном виде обычно измеряется на втором или третьем слое сварного шва.

Согласно руководству по электродам для наплавки методом SMAW от The Fabricator , скорость нанесения покрытия при ручной дуговой сварке составляет от 1 до 7 фунтов/час (от 0.45 до 3.2 кг/час). Сообщается, что дуговая сварка обеспечивает разбавление основного металла на 15–30% при первом проходе. Поскольку сварочная дуга смешивает основной металл с расплавленным металлом, твердость при первом проходе падает ниже номинальных значений. Для мартенситных сплавов средней твердости и высокохромистых сплавов требуется точная настройка силы тока и количества слоев для достижения заявленной износостойкости.

Последние достижения в металлургии также направлены на повышение эффективности за один проход. Например, в патенте США 9 475 154 B2 описывается электрод для упрочнения поверхности, который наносит матрицу из железа, хрома, бора и углерода (Fe-Cr-BC), содержащую от 2.5 до 4.5 мас.% бора. Борокарбиды являются основной фазой, которая упрочняет сплав. Эта химическая структура образует плотные первичные борокарбиды за один проход, компенсируя разбавление основного металла первого слоя при полевом ремонте.

Согласование механизмов износа с металлургическими процессами осаждения: компромисс между абразивным и ударным воздействием.

Первым шагом в определении состава сплава для конкретного применения является понимание преобладающего режима износа вышедшего из строя компонента. В условиях эксплуатации, где происходит упрочнение поверхности, абразивная стойкость и ударная вязкость обратно пропорциональны объему карбидов. Добавление первичных карбидов вольфрама и хрома повышает износостойкость при царапании минералами, тогда как наплавка твердой проволоки способствует повышению ударной пластичности.

Как объясняется в руководстве для изготовителей наплавочных металлов , два сплава с одинаковой твердостью 58 HRC могут иметь совершенно разный срок службы. Наплавка из мартенситной инструментальной стали с твердостью 58 HRC практически не содержит первичных карбидов, поэтому кварцевый песок свободно течет через матрицу. С другой стороны, наплавка из высокохромистых карбидов с твердостью 58 HRC содержит твердые карбиды M7C3, которые препятствуют проникновению минералов.

Рабочие температуры и химический состав суспензии устанавливают жесткие металлургические границы. Согласно рекомендациям AWS Welding Digest по лучшим практикам наплавки , покрытия из карбида хрома на основе железа быстро теряют твердость при высоких температурах выше 1,000°F (450°C). Они также не могут заменить сплавы на основе кобальта или никеля в кислых суспензиях с pH ниже 7. Это справедливо для колосниковых решеток печей и горячих ножниц, а также для лопастей химических смесителей.

Какие сварочные прутки лучше всего подходят для наплавки?

Высокохромистые твердосплавные стержни (AWS EFeCr-A1, 55–63 HRC) лучше всего подходят для абразивной обработки скольжением, а аустенитные марганцевые стержни (EFeMn-A, 18–55 HRC) — для обработки тяжелых горных пород. Мартенситные стальные электроды (AWS EFe-2–EFe-4, 40–55 HRC) лучше всего работают на металлических роликах и валах.

Для максимальной защиты от износа при резке экстремальных минеральных материалов лучше всего подходят трубчатые стержни из карбида вольфрама (EWC, гранулы 1,800–2,400 HV). Для раскаленных клапанов и штампов, работающих при температуре выше 538°C (1,000°F), стандартом отрасли остаются электроды из кобальтового сплава ECoCr-A (Stellite 6).

Наплавочные и буферные электроды против стержней для упрочнения наплавочных покрытий (и почему одного электрода E7018 недостаточно для абразивной обработки)

При восстановлении сильно изношенных деталей необходимо отделять восстановление размеров от внешних износостойких защитных слоев. Как указано в разделе часто задаваемых вопросов по техническим вопросам компании Hardface Technologies , наплавочные сплавы восстанавливают изношенные металлические детали до размеров, близких к исходным, без строгого ограничения по количеству слоев. Однако для наплавочных защитных слоев у наплавочных сплавов существует строгое ограничение по количеству слоев — от одного до трех. Попытка восстановить утраченную толщину на углеродистых и низколегированных сталях с помощью высокохромистого наплавочного стержня гарантирует отслаивание.

Перед нанесением любого наплавочного слоя на усталостно поврежденную сталь необходимо подготовить поверхность. Согласно рекомендациям подкомитета AWS A5G , необходимо удалить не менее 1/8 дюйма материала с помощью шлифовки или дуговой зачистки угольной дугой. Прямое нанесение высокохромистых твердосплавных стержней на более чем два поврежденных слоя наплавки без предварительной обработки или полировки приведет к катастрофическому отслаиванию.

Для нанесения покрытий из кобальтовой стали ECoCr-A или высокоусадочных карбидов на чувствительные к растрескиванию подложки требуется буферный слой из аустенитной нержавеющей стали. Нанесение двух-трех буферных слоев из стали AWS E309L или E307 создает пластичную подушку в месте сплавления. Читатели, сравнивающие стандартные конструкционные стержни, могут ознакомиться с нашим описанием распространенных классификаций электродов для ручной дуговой сварки.

Можно ли использовать сплав 7018 для наплавки?

Шлам AWS E7018 не может использоваться в качестве финишного износостойкого слоя, поскольку его твердость составляет от 15 до 22 HRC. Он изнашивается под воздействием минеральной абразивной обработки. Низководородный шлак E7018 может использоваться в качестве базового наполнителя на деталях из низкоуглеродистой стали при легком скользящем износе. При сильных сжимающих или ударных нагрузках шлак E7018 пластически деформируется («образует грибы») и деформируется под твердой поверхностью, что приводит к растрескиванию и расслоению внешнего хрупкого слоя.

При восстановлении роликов, валов или кромок ковшей, подверженных высоким сжимающим напряжениям, замените электрод E7018 на специальный электрод для наплавки (AWS EFe-1, 28–35 HRC). Наносите его после завершения наплавки.

Электроды для упрочнения на основе железа: мартенситная сталь, аустенитный марганец и карбид хрома.

Железосодержащие износостойкие сплавы составляют большую часть материалов, используемых при ремонтной ручной дуговой сварке, благодаря оптимальному соотношению цены и качества. Выбор между мартенситными износостойкими сплавами, аустенитными марганцевыми стальными прутками и высокохромистыми карбидными сплавами зависит от того, как каждая микроструктура поглощает энергию.

Электроды из мартенситной стали (AWS EFe-2 – EFe-4) при воздушном охлаждении образуют пластинчатую или решетчатую мартенситную структуру. Эти отложения затвердевают до твердости от 40 до 55 HRC (согласно спецификациям электродов для дуговой сварки под давлением, указанным производителем). Поскольку они затвердевают без образования трещин, они выдерживают умеренное абразивное и ударное воздействие до двух-трех слоев.

Аустенитные марганцевые электроды (AWS EFeMn-A и EFeMn-B) содержат от 11% до 14% марганца, стабилизированного никелем или молибденом. Согласно техническим характеристикам электродов для сварки SMAW от The Fabricator , аустенитные марганцевые сплавы имеют мягкую твердость 18-24 HRC в состоянии после сварки и упрочняются до 45-55 HRC при ударном воздействии. Но если сварщик наносит аустенитные сплавы в угольном желобе без ударного воздействия, металл остается мягким и быстро изнашивается.

Высокохромистые карбидные электроды (AWS EFeCr-A1A – EFeCr-A8) обеспечивают высокую концентрацию хрома и углерода в сварочном металле, образуя плотные гексагональные карбиды M7C3. Согласно AWS Welding Digest , контролируемое разбавление создает зону пластичного перехода примерно на 25% от общей толщины сварного шва. В результате верхние три четверти сварного шва остаются первичными карбидами хрома, что эффективно предотвращает сильный минеральный износ, вызванный скольжением.

Сплавы для экстремальных условий эксплуатации: трубчатые стержни из карбида вольфрама, кобальтовые (стеллитовые) и никелевые сплавы.

Когда твердость абразивных минералов превышает 1,200 HV или рабочая температура поднимается выше 538°C (1,000°F), твердосплавные наплавочные материалы на основе карбида железа достигают своих пределов. В очень жестких условиях, таких как абразивный износ, для защиты компонентов часто используются сварочные электроды из карбида вольфрама, кобальта или никеля, предназначенные для экстремальных условий эксплуатации. Подбор процесса сварки и силы тока под эти специальные электроды предотвращает дорогостоящие металлургические повреждения.

Трубчатые электроды из карбида вольфрама состоят из трубки из низкоуглеродистой стали, заполненной примерно 60 мас.% литых частиц WC/W2C или макрокристаллических частиц WC. Эта композитная структура описана в патенте США № 4 923 511 A. В соответствии с таблицей 4 стандарта AWS A5.13 , обозначения, такие как EWC-12/30, EWC-20/30, EWC-30/40 и EWC-40/120, указывают размер гранул вольфрама. Крупные частицы размером 12/30 меш образуют зазубренную режущую кромку на буровых долотах. Мелкие гранулы размером 40/120 меш равномерно распределяются, предотвращая износ от скольжения по песчанику.

Сварщики, использующие прутки из карбида вольфрама, должны работать с минимально возможной силой тока, обеспечивающей плавную сварочную дугу. Чрезмерный ток растворяет гранулы карбида вольфрама с твердостью от 1,800 до 2,400 HV в железной ванне. Термическое растворение гранул создает аморфную и хрупкую железо-вольфрамовую матрицу, которая разрушается при контакте. Сварные швы без широкой осцилляции удерживают плотные гранулы карбида вольфрама во взвешенном состоянии.

В условиях высоких температур преобладают электроды на основе кобальта (например, AWS ECoCr-A, известный как Kennametal Stellite 6) и никелевые сплавы (AWS ENiCr-B и ENiCr-C). Согласно AWS Welding Digest , для сплавов на основе кобальта требуется предварительный нагрев до температуры от 600°F (315°C) до 900°F (482°C) в течение двух-трех буферных слоев. Также требуется медленное охлаждение с использованием изоляционных одеял. Сплавы на основе кобальта сохраняют твердость при высоких температурах в паровых клапанах и горячих экструзионных фильерах. Для изготовления прецизионных седел клапанов часто используются сварочные прутки для TIG-сварки из того же кобальтового сплава.

Совместимость с основными металлами: углеродистая сталь, марганец Хадфилда, износостойкая сталь и чугун.

Состав основного металла определяет предварительный нагрев или строгие ограничения по подводимой температуре перед нанесением упрочняющего покрытия. Наш анализ базовых показателей с использованием пяти движков на основе 24 реальных запросов показал, что в стандартных таблицах отсутствует правило обратного предварительного нагрева между среднеуглеродистой сталью (требуется предварительный нагрев 150–260 °C) и марганцевой сталью Хадфилда с содержанием марганца 12–14% (предварительный нагрев равен нулю, температура между проходами <260 °C / 500 °F), что подчеркивает эту опасность на производстве. Обработка каждой стальной отливки как низкоуглеродистой стали — один из самых быстрых способов растрескивания дорогостоящей детали горнодобывающего производства.

Согласно разделу часто задаваемых вопросов о предварительном нагреве на сайте Hardface Technologies , для легированных сталей, таких как 4130, требуется предварительный нагрев примерно до 200 °C (400 °F), в то время как для рельсов из высокоуглеродистой стали — от 315 °C до 370 °C (600 °F–700 °F). Предварительный нагрев замедляет скорость охлаждения в зоне термического воздействия (ЗТВ), предотвращая образование хрупкого незакаленного мартенсита и водородных трещин под валом.

Для аустенитной марганцевой стали Хадфилда (11–14% Mn) требуется прямо противоположный термический протокол. Предварительный нагрев марганцевой стали Хадфилда или доведение температуры между проходами выше 500°F приводит к охрупчиванию отливки из-за образования карбидов на границах зерен, как подчеркивается в AWS Welding Digest . Как также подчеркивается в AWS Welding Digest, если зимой температура марганцевой отливки ниже нуля, ее следует нагревать только до 80°F и поддерживать температуру между проходами строго ниже 500°F.

Какую сварочную проволоку следует использовать для наплавки твердых покрытий?

После удаления старого упрочненного покрытия используйте буферный электрод из аустенитной нержавеющей стали (AWS E309L или E307) или сварочную проволоку FCAW E309LT0-3 без газа. Никогда не приваривайте конструктивное крепление или заменяемую износостойкую кромку непосредственно к существующему покрытию из карбида хрома или карбида вольфрама. Хрупкий слой карбида расколется под конструктивным соединением. Всегда обрабатывайте зону соединения угольно-дуговой резкой или шлифовкой до получения прочного основного металла перед сваркой присадочным металлом E309L или AWS E7018.

Расчеты разбавления, максимальные пределы толщины слоя, проверка рельефа и выбор рисунка бисера.

Проникновение и разбавление определяют, достигнет ли сварочный пруток для наплавки заявленной в каталоге износостойкости в полевых условиях. По оценкам, при ручной дуговой сварке от 15% до 30% первого слоя сварного шва состоит из расплавленного основного металла. Сравнительные испытания на износостойкость, проведенные в рецензируемых журналах по исследованию наплавки металлов, показывают, что лабораторные образцы основного металла имели массу 96–98 г, которая увеличивается до 103–108 г после нанесения наплавки.

Чтобы понять, почему требуется два прохода, рассмотрим наглядный пример, предполагающий двухпроходную модель баланса массы при дуговой сварке под давлением (SMAW), показывающий, как 30%-ное разбавление при первом проходе в низкоуглеродистой стали с содержанием 0.18% C уменьшает содержание Cr в сплаве EFeCr-A1 с 28.0% Cr / 4.5% C до 19.6% Cr / 3.18% C в первом проходе (46–48 HRC) и восстанавливает 25.5% Cr / 4.11% C во втором проходе (57–60 HRC), объясняя, почему двухпроходный слой обеспечивает полную износостойкость, в то время как третий проход превышает пороговое значение напряжения отслаивания. Используя уравнение баланса массы C_deposit = (D × C_base) + ((1 − D) × C_filler), первый проход затвердевает вблизи эвтектической границы с уменьшенным количеством первичных карбидов. На втором этапе обработки гиперэвтектические первичные карбиды M7C3 возвращаются к своей полной плотности.

Геометрия сварочного шва определяет срок его службы. Согласно изданию The Fabricator , диаметр сварочного шва не должен превышать трех-четырех диаметров сердечника электрода. Из-за текучести наплавочного шлака цилиндрические ролики, валы и ковши следует располагать в плоском положении 1G. В цехах для наплавки в плоском положении используются L-образные вращающиеся сварочные позиционеры, предотвращающие провисание сварочной ванны.

Ориентация сварочного шва относительно потока материала приводит к тому, что абразивный материал обращается против самого себя, как показано в рекомендациях по рисунку сварочного шва от Hardface Technologies :

• Перпендикулярные бусины, ориентированные под углом 90 градусов к потоку, лучше всего подходят для крупных валунов и крупнозернистых камней, скользящих по желобам. Крупные камни скользят по гребням бусин, не повреждая основание.
• Параллельные направляющие валики, ориентированные под углом 0 градусов к потоку, лучше всего подходят для сыпучих частиц цемента. Мелкие частицы плавно скользят без вихретокового размывания между проходами.
• Вафельная или перекрестная штриховка лучше всего подходит для почвы, глины или смешанных каменистых грунтов, и ее следует располагать с интервалом от 38 до 64 мм (от 1.5 до 2.5 дюймов). Сетка уплотняет неподвижный слой почвы, который истирается о камень.
• Для тонких режущих кромок, марганцевых отливок и термочувствительных износостойких пластин AR400 лучше всего использовать точечный рисунок из расположенных на некотором расстоянии друг от друга сварочных кнопок. Расположение точек на некотором расстоянии предотвращает непрерывное накопление тепла вдоль тонких кромок.

Можно ли использовать значения твердости для прогнозирования износостойкости?

Нет, одной лишь твердости по Роквеллу (HRC) недостаточно для прогнозирования износостойкости различных семейств сплавов. Как отмечалось в испытаниях на сухом песке с использованием резинового колеса по стандарту ASTM G65 и в металлургических сравнениях журнала The Fabricator , слой карбида хрома с твердостью 58 HRC прослужил в три-пять раз дольше, чем слой мартенситной стали с твердостью 58 HRC, нанесенный в кварцевом песке.

Макротвердость позволяет прогнозировать износ только при сравнении двух покрытий из одной и той же металлургической группы. Например, стержень из мартенситной стали с твердостью 52 HRC будет изнашиваться лучше, чем стержень из мартенситной стали с твердостью 45 HRC при одинаковом трении качения.

Матрица выбора компонентов: от ковшей экскаваторов и щек дробилок до тяжелых металлоконструкций.

Правильное подбор наполнителя для деталей промышленного оборудования позволяет избежать преждевременного износа и образования трещин, вызванных нагревом. Инженеры по техническому обслуживанию могут применять 4-ступенчатый селектор износа стержней перед выдачей заказов на ремонт.

На предприятиях по производству тяжелых стальных конструкций использование ручных электродов для дуговой сварки под флюсом экономически нецелесообразно только для ремонта на месте и мелкосерийного производства компонентов. Их скорость наплавки от 0.45 до 3.2 кг/час не может сравниться с автоматизированными линиями дуговой сварки под флюсом или автоматической дуговой сварки под флюсом при сварке длинных балок. Как отмечает издание The Fabricator , эффективность дуговой сварки под флюсом составляет от 60% до 65%, в то время как эффективность дуговой сварки под флюсом достигает 87%, а автоматической сварки под флюсом — от 95% до 99%.

В то время как некоторые ремонтные бригады используют электроды для восстановления поверхности роликов конвейера, крупносерийное изготовление балок основано на автоматизированных системах сварки двутавровых балок . Предприятия, стремящиеся увеличить производительность сборки конструкций, могут ознакомиться с нашей системой сборки двутавровых балок для тяжелых условий эксплуатации и технологией сварки под флюсом . Также цеха могут использовать роботизированную систему отслеживания сварочного шва для повторяющихся проходов наплавки при многократном износе пластин.

Коммерческая справочная информация, диаметры электродов и контрольный список для закупок.

В процессе закупок отделы часто сталкиваются с фирменными наименованиями компаний Lincoln Electric, Stoody, ESAB и Hobart Brothers, а не с чистыми кодами AWS A5.13. Такие поставщики, как Postle Industries и Hardface Technologies, также используют свои собственные фирменные наименования. Использование спецификаций AWS A5.13 и состава сплава, или перекрестных ссылок, предоставляемых производителями сварочной продукции, может помочь предотвратить покупку несовместимого сплава у Airgas и других поставщиков.

Существует важное ограничение по объему производимого оборудования. Компания Wuxi Zhouxiang Complete Set of Welding Equipment Co., Ltd. (основана в 1991 году) производит тяжелое промышленное сварочное оборудование, линии по производству двутавровых балок, станки с ЧПУ для резки и поворотные сварочные позиционеры. Мы не производим и не продаем расходные электроды для наплавки. Приведенная таблица соответствия предназначена для независимой инженерной оценки заказчиками, занимающимися техническим обслуживанием и изготовлением.

Правильный выбор диаметра электрода и диапазона тока предотвращает чрезмерное разбавление первого слоя. Первый слой разбавляется основным металлом на 25–30%, в то время как разбавление второго слоя снижается до 10–15%. Использование электродов в нижней половине диапазона силы тока позволяет сохранить более высокую плотность карбидов.

• Для электродов диаметром 3.2 мм (1/8 дюйма) используйте ток от 90 до 140 А (DCEP или переменный ток). Этот диаметр электрода хорошо подходит для тонких кромок, например, на шнеках и для сварки чувствительных к нагреву марганцевых сталей.
• Для электродов диаметром 4.0 мм (5/32 дюйма) используйте ток от 130 до 190 А (постоянный ток или переменный ток). Этот размер используется для обработки кромок ковшей и футеровки желобов, а также для многопроходной сборки роликов.
• Для электродов диаметром 5.0 мм (3/16 дюйма) используйте ток от 170 до 250 А (DCEP или переменный ток). Этот прочный стержень предназначен для нанесения плоских поверхностей с высокой плотностью осаждения на тяжелых дробильных щеках и толстых износостойких пластинах.

Влага в воздухе цеха приводит к низкому содержанию водорода, и мартенситные стержни быстро поглощают влагу. Чувствительные к влаге электроды следует повторно прогреть при температуре от 250°C до 300°C (от 482°F до 572°F) в течение 1–2 часов перед сваркой низкоуглеродистой стали. Убедитесь, что ваш цех оборудован необходимыми сварочными кабелями, держателями электродов и сушильными печами, рассчитанными на непрерывную работу.