О структурных превращениях в поверхностном слое и в зоне термического влияния при воздушно-дуговой резке сталей

УДК 621.791.037

О СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ И В ЗОНЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПРИ ВОЗДУШНО-ДУГОВОЙ РЕЗКЕ СТАЛЕЙ

В.А. Карпенко, профессор, д.т.н., И.В. Дощечкина, доцент, к.т.н., А.А. Ляпин, ассистент, ХНАДУ

Аннотация. Рассмотрен вопрос улучшения качества поверхности при воздушно-дуговой резке углеродистых и легированных сталей. Рекомендованы параметры процесса резки, позволяющие избежать упрочнения поверх-ности.

Ключевые слова: воздушно-дуговая резка, кромки реза, зона термического влияния, упрочнение, науглероживание, закалка.

Введение

Высокопроизводительный способ воздушно-дуговой резки металла получил широкое распространение в промышленности. Разработаны технология и приемы резки. Установлены оптимальные параметры процесса, обеспечивающие получение обрабатываемой поверхности хорошего качества, предотвращающие появление дефектов - пор, раковин и др. Однако зачастую отмечается существенное повышение твердости в районе кромок реза, а в некоторых случаях и образование трещин. Свойства поверхности зависят, прежде всего, от правильного выбора параметров процесса резки.

Анализ публикаций

Ряд исследователей упрочнение поверхности реза связывают с повышением количества углерода в поверхностном слое, но данные об изменении химсостава поверхности весьма противоречивы. В одних работах [1] увеличение содержания углерода в кромке реза составляет всего 0,06 - 0,08 %, в других - достигает 0,5 - 0,7 %. В большинстве случаев заключение о науглероживании делается только на основании данных о значительном повышении твердости в районе кромок реза по сравнению с основным металлом, без анализа

структурных изменений у поверхности и в зоне термического влияния. Отсутствие однозначного мнения по данному вопросу привело к тому, что на практике зачастую при внедрении воздушно-дуговой резки необоснованно выдвигается требование удаления с поверхности реза слоя металла толщиной до 2 - 3 мм, что сводит на нет эффективность процесса, и применение его становится нецелесообразным.

Цель и постановка задачи

Целью данной работы явилось изучение влияния параметров резки на структурные изменения и возможность науглероживания поверхности в районе кромок реза.

Задачи данного исследования - выявить возможное науглероживание поверхности и параметры процесса, его обеспечивающие, а также дать рекомендации по устранению упрочнения кромок реза.

Результаты исследований и их обсуждение

Обрабатывались пластины размером 200x150x20 мм из углеродистых и легированных сталей Ст 3, 40, 40Х, 32Х06Л, 30Х2Н2М в нетермообработанном состоянии. На указанных темплетах графитовым электродом сечением 10^10 мм выплавлялись канавки. Резка проводилась

вручную при силе тока 500 - 600 А, полярность обратная, давление воздуха в сети 0,4 - 0,6 МПа. Выплавку канавок производили в нижнем положении при углах наклона электрода к обрабатываемой поверхности 30° и 60°. Исследованию предлагались вырезанные из пластин темплеты размером 60x30x15 мм. На одной части темплетов выплавка канавок при обоих углах наклона электрода осуществлялась в один проход (съем металла 3-4 мм), а на другой части - в два прохода (съем металла 6 - 8 мм).

? 500 | 4оо *§ зоо

I 200

§-

^ 100 о

1

х\ №

---5 — ----!

\ Расстояние от хромок Основной Л реза, мм металл

Кромка реза

500

400

300

200

100 о

Г—

и*

П* 1

600{ '500

300 200 100

-V

1

600 '500

400

300

200

И

%

Е-а

ЮО О 0,5 1,0 1,5 2,0

1 1

300

К

XV V

1 >

О 0,5 1,0 1,5 2,0

\ Расстояние от промок Основной: А реза, мм металл

Нромна реза

Рис. 1. Изменение микротвердости в районе реза сталей Ст3 (а), 40 (б) 40Х (в), 32Х06Л (г), 30Х2Н2М (д): 1 - резка в один проход с углом наклона электрода 30°; 2 - два прохода, 30°; 3 - один проход, 60°; 4 - два прохода, 60°

Установлено, что глубина зон термического влияния для всех исследуемых марок сталей существенно зависит от параметров процесса. С увеличением угла наклона электрода при резке в один и два прохода возрастает глубина зоны термического влияния. Это можно объяснить тем, что при большем угле наклона электрода несколько уменьшается скорость резания, и металл успевает прогреться на большую глубину, что сопровождается соответствующими структурными изменениями. С увеличением числа проходов глубина зоны термического влияния у всех исследуемых сталей также становится больше, так как при повторной резке увеличивается тепловое воздействие на металл.

Рис. 1 иллюстрирует данные микротвердости у кромок реза и в зоне термического влияния в зависимости от параметров воздушно-дуговой резки исследуемых сталей. Как видно, характер изменения микротвердости у всех исследуемых сталей идентичен. Максимальная твердость регистрируется по кромкам реза и сохраняется примерно

д

а

б

в

г

одинаковой на расстоянии 0,02 мм от кромок. По мере удаления от поверхности реза микротвердость понижается и на глубине 1,0 - 1,2 мм достигает тех же значений, что и в основном металле. Следует отметить, что наиболее высокие показатели микротвердости в зоне термического влияния отмечаются после резки в один проход при угле наклона электрода 60° (рис. 1, кривые 3), а самые низкие - после резки в два прохода с углом наклона электрода 30° (кривые 2).

Для объяснения влияния различных условий резки на отмеченные изменения микротвердости был произведен

микроструктурный анализ. Результаты исследований показали, что при резке сталей 40, 40Х, 32Х06Л и 30Х2Н2М в один проход с углом наклона электрода 60° у кромок реза формируется микроструктура мартенсита с микротвердостью Н|50 520 - 550 (рис. 1, позиции а, б, в, кривые 3). У стали Ст3 такой режим резки обеспечивает на поверхности микроструктуру сорбитизированного

перлита и феррита (позиция г, кривая 3). При резке в два прохода с углом наклона электрода 60° во время второго реза имеет место частичный отжиг структур, сформировавшихся после первого прохода, в результате чего микротвердость понижается (рис. 1, кривые 4).

В случае же резки в два прохода, но с углом наклона электрода 30°, происходит неполная закалка вследствие недостаточного теплового воздействия на металл, и поэтому у кромок реза отмечается и более низкая микротвердость (кривые 2 на рисунке). На глубине более 1,5 мм от кромок реза металл не претерпевает структурных изменений, и все стали имеют структуру, характерную для нормализованного или отожженного состояния.

С целью выяснения возможного науглероживания поверхности при воздушно-дуговой резке были проведены специальные эксперименты. Часть темплетов сталей СтЗ, 40Х, 32Х06, 40 с высокой поверхностной микротвердостью после резки была подвергнута отжигу при температуре 600 °С в течение

1 ч, а другая часть - высокому отпуску при той же температуре в течение того же времени.

Результаты эксперимента показали, что отжиг по указанному режиму привел к выравниванию твердости по всему сечению темплетов. Так, у стали Ст3 после резки в один проход с углом наклона 60° и последующего отжига микроструктура на поверхности и в сердцевине темплета феррито-перлитная и микротвердость от кромки реза до основного металла одинакова и равна Н|150 148 - 160. В поверхностном слое увеличения перлитной составляющей в микроструктуре не обнаружено.

Аналогичная картина наблюдается и для сталей 45 и 40Х. После резки и отжига микротвердость по всему сечению темплета находится в пределах Н|50 182 - 210, а микроструктура представляет собой феррит и перлит. После резки исследуемых сталей в один проход с углом наклона электрода 60° и последующего высокого отпуска при 600 °С микротвердость у кромок реза и в зоне термического влияния заметно понизилась. Так, у сталей 40Х и 45 непосредственно после реза твердость поверхности была Н|50 560 и Н|50 500, а после отпуска стала соответственно Н|50 310 и Н|50 270. Полученные после отпуска структуры свидетельствуют о распаде мартенсита.

Таким образом, результаты проведенных экспериментов свидетельствуют об отсутствии заметного науглероживания кромок при воздушно-дуговой резке, отрицательно сказывающегося на качестве поверхности металла. Значительное повышение твердости у кромок обусловлено аустенито-мартенситным превращением, протекающим при определенных параметрах резки.

Заключение

Во избежание чрезмерного упрочнения поверхностных слоев, вызванного

формированием мартенситных структур, воздушно-дуговую поверхностную резку (разделку поверхностей) следует

производить с углом наклона электрода 30 -40°. Такой режим резки обеспечивает меньшее тепловое воздействие на металл и приводит к формированию менее твердых структур на поверхности реза. По возможности резку необходимо выполнять в несколько проходов, что позволит снизить твердость в зоне термического влияния.

Литература

1. Шапиро И.С. Некоторые вопросы

воздушно-дуговой резки металлов // Труды ВНИИавтоген.- М.: Машгиз. -Вып. XI. - 1964. - С. 32 - 39.

2. Васильев К.В. Газоэлектрическая резка

металлов. - М.: Машгиз, 1968. - 132 с.

3. Гофман Ю.М., Таскаев М.П. О

допустимости воздушно-дуговой

строжки для выплавки трещин на сталях 12Х1МФ, 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ // Сварочное производство.- 1972. - № 4. -С. 11 - 13.

Рецензент: Г.И. Костюк, профессор, д.т.н., НАКУ им. Жуковского «ХАИ».

Статья поступила в редакцию 17 ноября 2008 г.