Кристаллизационные трещины

Кристаллизационные трещины это макроскопические и/или микроскопические несплошности, имеющие характер надреза и зарождающиеся в процессе первичной кристаллизации наплавленного металла. Кристаллизационные трещины могут выходить или не выходить на поверхность наплавленного валика. Трещины, выходящие на поверхность шва, легко обнаруживают при визуальном контроле, методами капиллярной или магнитной дефектоскопии. Трещины, расположенные внутри наплавленного металла, можно обнаруживать просвечиванием рентгеновскими или гамма-лучами, ультразвуком, а при разрушении детали – по излому или по макро- и микрошлифам.

Стойкость наплавленного металла против кристаллизационных трещин зависит от следующих факторов:

- величины и скорости нарастания растягивающих напряжении, действующих в процессе кристаллизации;

- химического состава наплавленного металла, определяющего его свойства в период кристаллизации и длительность пребывания в состоянии пониженной пластичности;

- формы сварочной ванны, от которой зависит направление роста столбчатых кристаллитов, характер их смыкания между собой, расположение межкристаллитных участков по отношению к растягивающим напряжениям и характер изменения пластической деформации;

- величины первичных кристаллитов.

В реальных условиях наплавки практически невозможно полностью устранить влияние растягивающих напряжений на кристаллизующийся металл сварочной ванны. Задача сводится к тому, чтобы уменьшить эти напряжения и отдалить момент их возрастания до значений, которые могут вызвать пластическую деформацию металла шва, приводящую к его разрушению.

Уменьшение растягивающих напряжений достигается в первую очередь путём предварительного подогрева, который является весьма эффективным средством повышения стойкости наплавленного металла против образования кристаллизационных трещин. Положительное влияние подогрева обусловлено отдалением момента возникновения растягивающих напряжений и снижением скорости их нарастания в период, когда металл шва обладает пониженной пластичностью. Температура предварительного подогрева, при которой не возникают трещины, зависит от химического состава наплавленного металла, конструкции детали и других факторов и обычно составляет 150…500°С.

Химический состав наплавленного металла оказывает первостепенное влияние на его стойкость против образования кристаллизационных трещин. Легирующие элементы по возможному их влиянию на склонность наплавленного металла к кристаллизационным трещинам можно разделить на три группы:

- элементы, повышающие склонность наплавленного металла к трещинам:

- элементы, которые в зависимости от их концентрации и сочетания, оказывают положительное или отрицательное действие на склонность металла к кристаллизационным трещинам;

- элементы, которые практически не влияют на склонность металла к кристаллизационным трещинам.

Сера относится к числу элементов, в наибольшей степени снижающих стойкость наплавленного металла против образования кристаллизационных трещин. Причиной образования трещин являются легкоплавкие прослойки сульфидной эвтектики, выделяющиеся по границам кристаллитов. При наплавке необходимо по возможности ограничивать содержание серы в основном, электродном (присадочном) материалах и во флюсе. В некоторых случаях применяют обессеривание ванны за счет специальных флюсов и покрытий, при этом сера переходит из металла сварочной ванны в шлак.

Фосфор зачастую оказывает вредное влияние на стойкость наплавленного металла против образования кристаллизационных трещин. Аналогично сере фосфор образует легкоплавкие фосфидные эвтектики по границам зёрен, которые и служат причиной образования кристаллизационных трещин.

Влияние фосфора и серы на процесс образования кристаллизационных трещин взаимно усиливается, так как места ликвации этих элементов совпадают. Углерод, как и в случае с серой, усиливает вредное влияние фосфора.

Углерод оказывает резко отрицательное влияние на стойкость наплавленного металла против образования кристаллизационных трещин. В наплавленном металле типа углеродистых низколегированных сталей углерод усиливает вредное влияние серы и фосфора.

Кремний способствует образованию кристаллизационных трещин в наплавленном металле типа углеродистых низколегированных сталей. Кремний переходит в наплавленный металл из основного и электродного (присадочного) и за счёт его восстановления из электродного покрытия или флюса. Рациональная технология наплавки должна обеспечивать присутствие в наплавленном металле кремния в количестве, повышающем его стойкость против пор, но не вызывающем снижения стойкости против образования трещин.

Марганец уменьшает вредное влияние серы, повышая стойкость наплавленного металла типа углеродистых низколегированных и хромоникелевых аустенитных сталей против образования горячих трещин. При достаточной концентрации марганец связывает серу в тугоплавкий сульфид марганца, включения которого менее опасны для возникновения трещин, чем включения сульфида железа.

Никель также относится к числу элементов двойного действия. При небольших концентрациях (до 2%) он не оказывает влияния на стойкость наплавленного металла против образования горячих трещин. При более высоком содержании никель усиливает вредное влияние серы, способствуя образованию кристаллизационных трещин.

Широко применяемые при наплавке износостойкие высокоуглеродистые стали и сплавы на основе железа содержат карбидообразующие элементы – хром, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий, титан. При наличии углерода и карбидообразующих элементов в сплавах на основе железа наблюдается образование легкоплавких ледебуритных эвтектик, выделяющихся по границам зёрен. В зависимости от сродства к углероду ледебуритные эвтектики и, соответственно, трещины образуются при различном соотношении содержания карбидообразующего элемента и углерода. Однако принципиально механизм влияния этих элементов на склонность наплавленного металла к образованию кристаллизационных трещин одинаков: при малых концентрациях карбидной эвтектики возможно образование кристаллизационных трещин, а при больших, вследствие эффекта «залечивания», трещины не образуются.

Бор относится к числу элементов, оказывающих отрицательное влияние на склонность наплавленного металла на основе железа к кристаллизационным трещинам. Присадка 0,03% бора приводит к появлению трещин, а увеличение его содержания до 0,3% и более – к резкому возрастанию их количества.

Регулируя химический состав наплавленного металла, уменьшая в нём содержание вредных и увеличивая содержание полезных элементов, можно повысить стойкость наплавленного металла против кристаллизационных трещин. Изменять химический состав наплавленного металла в нужном направлении можно за счет применения основного и электродного (присадочного) металлов с пониженной концентрацией вредных примесей (серы и фосфора). Это достигается уменьшением доли основного металла в наплавленном металле, выбором состава электродного покрытия или флюса. При металлургическом взаимодействии покрытия или флюса с металлом сварочной ванны происходит очищение наплавленного металла от вредных элементов и его легирование полезными элементами.

Форма сварочной ванны также влияет на склонность наплавленного металла к кристаллизационным трещинам. Форму сварочной ванны и соответственно сечение наплавленного валика можно откорректировать, изменив параметры режима наплавки или применив иной способ наплавки. При этом изменяется ориентация и характер срастания столбчатых кристаллитов. Конфигурация шва характеризуется коэффициентом формы, т.е. отношением ширины шва к глубине проплавления. При прочих равных условиях с увеличением коэффициента формы шва до определенного предела (примерно до 6) склонность к трещинам уменьшается. Дальнейшее увеличение коэффициента формы шва приводит к снижению стойкости против кристаллизационных трещин.

Стойкость наплавленного металла против образования горячих трещин может быть повышена путём измельчения первичной структуры металла шва и изменения характера первичной кристаллизации. При этом уменьшается химическая неоднородность и концентрация вредных примесей по границам кристаллитов.