НОВОСТИ    БИБЛИОТЕКА    ССЫЛКИ    О САЙТЕ





Ученые создали высокостойкий сплав титана и тантала

История первого чугуна

Броня Победы

Древние плавильные печи найдены в Монголии



предыдущая главасодержаниеследующая глава

Резка легированной стали

В современной технике к конструкционным металлам предъявляются все более высокие требования. Широкое применение получают нержавеющие, кислотоупорные, жаропрочные и другие легированные стали и сплавы, способные устойчиво работать в сложных и трудных условиях. Наибольший интерес представляют хромистые и хромо-никелевые стали, ставшие необходимым материалом при изготовлении разнообразной химической и энергетической аппаратуры, оборудования пищевой промышленности и оборудования для других областей техники.

Большинство средне- и высоколегированных сталей поддаются резке различными электрическими и кислородно-флюсовым способами. Лишь кислородные способы резки непригодны для их обработки, так как в результате взаимодействия металла с кислородом на лобовой поверхности реза образуется тугоплавкая пленка окислов хрома, затрудняющая диффузию кислорода и препятствующая непрерывному течению процесса.

Из фиг. 69 видна зависимость скорости разделительной резки наиболее широко применяемой в технике хромоникелевой стали 1Х18Н9Т от толщины разрезаемого материала. Из сравнения различных методов можно сделать вывод, что ручные процессы дуговой и кислородно-дуговой резки стали средней толщины являются малопроизводительными. Более производительно этими методами можно резать металл небольшой толщины, однако качество реза при этом получается особенно низким. Большой расход электродов и электроэнергии, свойственный дуговой резке, и высокая стоимость трубчатых электродов, используемых при кислородно-дуговой резке, делают эти процессы неэкономичными. С учетом сказанного дуговую и кислородно-дуговую резки нержавеющих сталей можно расценивать как методы, имеющие вспомогательное значение. Их следует применять при невозможности использовать более эффективные методы.

Фиг. 69. Производительность резки стали 1Х18Н9Т: 1 - кислородно-флюсовой; 2 - проникающей дугой; 3 - плазменной; 4 - дуговой; 5 - воздушно-дуговой: 6 - кислородно-дуговой
Фиг. 69. Производительность резки стали 1Х18Н9Т: 1 - кислородно-флюсовой; 2 - проникающей дугой; 3 - плазменной; 4 - дуговой; 5 - воздушно-дуговой: 6 - кислородно-дуговой

Оценку производительности других методов разделительной резки нужно делать с учетом толщины разрезаемой стали. Сталь небольшой толщины наиболее производительно резать проникающей дугой (табл. 31). Несколько ниже скорость резки свободной плазменной струей. С ростом толщины разрезаемого металла скорости резки проникающей дугой и струей плазмы снижаются и к ним приближается кривая скорости кислородно-флюсовой резки. При дальнейшем увеличении толщины стали кислородно-флюсовая резка (табл. 32) превосходит по скорости сначала плазменную, а затем и резку проникающей дугой.

Таблица 31

Ориентировочные данные по механизированной прямолинейной резке нержавеющей стали 1Х18Н9Т проникающей дугой постоянного тока
Толщина разрезаемой стали в мм Рабочий ток в а Расход газов в м3 Скорость резки в м/ч
азота водорода аргона
4 300 7 - - 220
6 300 6,2 - - 160
6 400 - 0,5 0,9 66
10 350 - 2,5 0,5 80
12 250 3,8 - - 30
12 400 - 0,5 0,9 27
20 360 1,4 - - 16
20 400 - 0,6 1,1 21
20 350 - 2,5 0,5 50
30 400 1 - - 15
30 600 - 0,8 1,6 24
30 350 - 2,5 0,5 30
40 360 1 - - 9
40 600 - 0,8 1,6 18
40 350 - 2,5 0,5 20
50 600 - 1 2,0 7
50 350 - 2,5 0,5 15
80 350 - 2,5 0,5 10
100 350 - 2,5 0,5 6

Ниже других скорость воздушно-дуговой разделительной резки. Получаемый в результате использования этого способа рез имеет грубые поверхности невысокого качества. Однако исключительная простота этого процесса в ряде случаев делает его применение целесообразным. Необходимо также отметить относительную экономическую целесообразность воздушно-дуговой разделительной резки, характеризующейся использованием дешевого воздуха и стойких угольно-графитовых электродов. В отличие от воздушно-дугового способа резка скользящей дугой с использованием плавящегося электрода связана с большим расходом проволоки и газов, требует применения очень сильных токов и потому является неэкономичной. Экономическая эффективность резки проникающей дугой, плазменной и кислородно-флюсовой резки так же, как величина oскорости, существенно зависит от толщины разрезаемой стали. Для металла небольшой толщины экономически целесообразнее применять резку проникающей дугой, для средней толщины - кислородно-флюсовую резку.

Таблица 32

Данные по механизированной прямолинейной кислородно-флюсовой резке нержавеющей стали 1Х18Н9Т [8]
Толщина разрезаемой стали в мм Расход газов в м3 Расход флюса в кг/ч Скорость резки в м/ч
кислорода режущего кислорода подогревающего ацетилена
10 5,7 0,85 0,75 7,5 46
20 8,4 0,95 0,8 7,5 34
30 10,6 1,0 0,85 7,5 28
40 12,5 1,0 0,9 7,5 24
60 16,0 1,0 0,95 7,5 20
80 18,5 1,1 0,95 7,5 17,5
100 21 1,15 1,0 7,5 16

Важное значение для технико-экономической оценки метода резки имеет качество получаемых кромок реза, обусловливающее степень необходимости и трудоемкость их последующей обработки.

Качество реза определяется, с одной стороны, свойствами металла на его поверхности, с другой - внешним видом кромок реза и соответствием вырезанного контура заданным размерам - точностью резки.

Стали, содержащие 6 - 10% никеля и 12 - 14% хрома, имеют устойчивую структуру аустенита, что обеспечивает им значительную прочность, высокую пластичность, высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах и хорошую сопротивляемость окислению при высоких температурах. Другие легирующие элементы способствуют образованию феррита, получению мелкозернистой структуры и приданию других свойств металлу, в состав которого их добавляют. Содержание углерода в стали сказывается сильнее, чем других легирующих элементов. При температуре 500 - 800 °С в сталях, содержащих 0,02% С, наблюдается диффузия углерода к поверхности зерен, где он образует с хромом устойчивые соединения, называемые карбидами. В результате на границах зерен сплав обедняется хромом, и сталь приобретает склонность к межкристаллитной коррозии. Стойкость против межкристаллитной коррозии тем ниже, чем выше содержание углерода в стали. Чтобы уменьшить возможность межкристаллитной коррозии, сталь стабилизируют, вводя в ее состав элементы, обладающие более высоким, чем хром, сродством к углероду и еще более энергично образующие карбиды. Такими элементами служат титан или ниобий.

Во время резки металл по линии реза выплавляется и удаляется, образуя полость разъема. Что касается металла на кромках реза и прилегающего к ним, то он получает воздействия различного характера.

Наиболее важным из них является интенсивное тепловое воздействие дуги, в результате которого на кромках реза образуется пленка оплавленного металла, а в массе детали возникает быстро перемещающееся вместе с дугой температурное поле. Температурный градиент этого поля наиболее высок в плоскости дуги (перпендикулярно резу). Здесь на сравнительно малом расстоянии, определяемом в основном свойствами металла и скоростью резки, температура падает от точки плавления (на кромках) до температуры окружающей среды. Позади этой плоскости температурное поле расширяется и выравнивается, что завершается равномерным нагревом всей детали до некоторой температуры, постепенно снижающейся до исходного состояния. В результате нагрева и последующего охлаждения наряду с оплавлением металла происходит изменение его структуры. Неравномерность нагрева может вызвать появление местных напряжений, в отдельных случаях (при образовании хрупких структур) сопровождающихся возникновением трещин. Тепловое воздействие сопровождается также, как это было указано выше, термодиффузионными процессами в металле, обусловливающими образование внутренней химической неоднородности.

Образующаяся зона термического влияния при резке нержавеющих сталей по протяженности может быть больше, чем при кислородной резке углеродистых сталей. К оплавленной пленке на поверхности реза примыкает участок со структурой перегрева, постепенно переходящий к основному металлу. В зоне термического влияния при отсутствии в стали стабилизирующих элементов возможно выпадение карбидов хрома, снижающее стойкость металла против межкристаллитной коррозии.

Наряду с тепловым воздействием на кромках металла могут происходить химические реакции, связанные с применением активных газов (кислорода, воздуха) и внесением посторонних веществ (флюса, проволоки), а также углеродистых сред (электродов, пламени).

В результате взаимодействия металла на кромках реза с кислородом и воздухом может происходить выборочное окисление элементов. Содержание таких элементов, как хром, титан, марганец и кремний, в металле у поверхности реза понижается. В то же время у хромоникелевых сталей верхняя кромка реза обогащается никелем.

Для уменьшения степени выгорания легирующих элементов в поверхностном слое, устранения возможности образования трещин и выпадения карбидов хрома в металле, примыкающем к кромкам реза, различные методы резки целесообразно производить с наибольшими возможными скоростями.

Наконец, во время резки может происходить растворение газов в жидком металле, вследствие чего при охлаждении металла на кромках реза в нем могут образовываться газовые пузыри и поры.

Свойства кромок нержавеющей стали, полученных после резки различными методами, так же, как и свойства сварных швов, выполненных по этим кромкам, качественно близки и очень незначительно отличаются друг от друга.

При кислородно-флюсовой резке максимальная глубина слоя с измененным химическим составом не превышает 0,3 мм. Глубина зоны термического влияния [49] в сталях с аустенитной структурой достигает 1 - 1,1 мм, в сталях с мартенситной структурой - 1,1 - 1,2 мм. В обоих случаях у поверхности реза на глубине 0,1 - 0,7 мм образуется участок литого металла с дендритным строением. После резки слой металла, обедненного легирующими элементами, целесообразно удалить шлифованием на глубину 0,5 мм. В то же время результаты испытания образцов сварных соединений, выполненных по кромкам, полученным после резки без последующей механической обработки, свидетельствуют о возможности использования кислородно-флюсовой резки без последующей обработки для подготовки кромок нержавеющей стали под сварку.

Поверхность реза хромоникелевой стали, выполненного струей аргоновой плазмы, имеет литой слой глубиной 0,2 - 0,5 мм. Протяженность зоны влияния с измененным зерном составляет 0,9 мм. На поверхности реза наблюдается изменение химического состава металла. Особенно заметно выгорает титан, содержание которого в поверхностных участках сокращается в 2 - 3 раза. Однако механические свойства и склонность к межкристаллитной коррозии сварных швов, выполненных по кромкам, подготовленным плазменной резкой без последующей обработки, практически равноценны соответствующим характеристикам соединений, сваренных по кромкам, подготовленным фрезерованием. Аналогичные результаты получают при резке аргоно-азотной плазмой и при резке аустенитных сталей проникающей дугой. Резке проникающей дугой в аргоне и аргоно-азотных смесях соответствует зона термического влияния глубиной 0,3 - 0,75 мм. В поверхностной пленке толщиной 0,005 - 0,35 мм наблюдается дендритная структура литого металла. Литой поверхностный слой после резки в азоте и азотно-аргоновых смесях приобретает повышенную твердость. Здесь обнаруживаются тугоплавкие соединения, содержащие окислы и нитриды, которые могут затруднять процесс последующей сварки. В то же время швы, сваренные под флюсом АН-26 по необработанным кромкам, разрезанным проникающей дугой, по коррозионной стойкости равноценны швам, сваренным после механической подготовки кромок

Протяженность зоны термического влияния после резки стали проникающей дугой в аргоно-водородных, азотно-водородных смесях и чистом водороде составляет 0,7 - 0,8 мм. У поверхности реза образуется пленка оплавленного металла с водородными включениями. После сварки подготовленных таким образом кромок сварные швы могут иметь удовлетворительные свойства. Однако для большей надежности наводороженный слой металла целесообразно удалять шлифованием на глубину 0,5 мм.

При воздушно-дуговой резке зона термического влияния имеет протяженность до 1 мм. Толщина литого слоя 0,08 - 0,7 мм. Эта литая полоса имеет аустенитно-ферритную структуру, причем твердость металла в литой кромке на глубине примерно 0,01 - 0,03 мм повышена по сравнению с твердостью основного металла. На некоторых образцах после воздушно-дуговой резки были обнаружены отдельные очаги коррозии, что явилось, очевидно, следствием местного науглероживания, возникшего в отдельных точках поверхности реза в результате случайного соприкосновения конца электрода с металлом. Обогащение кромок реза углеродом при обработке хромистых и хромоникелевых сталей особенно опасно. Наряду с понижением коррозионной стойкости, связанной с выпадением карбидов хрома, и затруднением механической обработки в результате повышения твердости при заметном науглероживании возможно появление трещин в поверхностном слое. Меры, предупреждающие науглероживание, заключаются в недопущении зажигания дуги без подачи воздуха и касания электродом поверхностей реза, в использовании наиболее стойких электродов с высоким содержанием графита и работе при оптимальных значениях тока и скорости резки.

При благоприятных условиях резки повышение содержания углерода в металле на кромках не превышает 0,01 - 0,03%, а глубина зоны науглероживания составляет около 0,1 мм. Твердость при этом несколько повышается. Так, твердость стали Х23Н18 составляет НВ 180 - 190, а науглероженного слоя НВ 310 - 320.

Из изложенного следует, что после разделительной воздушно- дуговой резки целесообразна очистка кромок реза от поврежденного металла и грата. Ее выполняют, удаляя поверхностный слой при помощи зубила или шлифовального круга на глубину 0,2 - 1,0 мм.

Легированную сталь небольшой толщины целесообразно резать струей дуговой плазмы. Область рационального применения плазменной резки распространяется на сталь толщиной от 1 до 10 мм (при резке вручную). При механизации процесса плазменная резка металла толщиной 3 - 4 мм менее рациональна, чем резка проникающей дугой. Резка проникающей дугой целесообразна для металла толщиной от 3 до 30 - 80 мм. Для легированной стали толщиной 5 - 25 мм может быть применена разделительная воздушно-дуговая резка (в грубых заготовительных операциях).

Кислородно-флюсовая резка стали толщиной свыше 80 мм имеет экономические и другие преимущества (выше качество реза, безопаснее условия работы и т. д.). Область применения кислородно-флюсовой резки нержавеющих сталей в настоящее время ограничивается толщиной 300 мм.

предыдущая главасодержаниеследующая глава




© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2010-2017
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://metallurgu.ru/ "Metallurgu.ru: Библиотека по металлургии"