CC BY
44
УДК621.791
ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАННЯ ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕЗКЕ МЕТАЛЛОВ
А.В. Сумец, асп., В.Д. Кассов, проф., д.т.н., Донбасская государственная машиностроительная академия, г. Краматорск
Аннотация. Исследованы особенности фазных и структурных превращений при термической резке сталей. Приведено влияние способа резки на глубину оплавленного и переходного участков. Описаны явления, связанные с процессом затвердевания после резки. Детально рассмотрено влияние скорости охлаждения на структуру металлов в зоне резки.
Ключевые слова: термическая резка, зона термического влияния, скорость резки, структура.
3AKOHOMIPHOCTI СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ ЗОНИ ТЕРМ1ЧНОГО ВПЛИВУ П1Д ЧАС ТЕРМ1ЧНОГО Р13АННЯ МЕТАЛ1В
А.В. Сумец, асп., В.Д. Кассов, проф., д.т.н., Донбаська державна машинобуд1вна академ1я, м. Краматорськ
Анотац1я. Досл1джено особливост1 фазних i структурних перетворенъ у процеа терм1чного р1зання сталей. Наведено вплив способу р1зання на глибину оплавлено! та nepexidno! дтянок. Описано явища, що пов'язат з процесом затвердтня теля р1зання. Детально розглянуто вплив швидкост1 охолодження на структуру метал1в у зот р1зання.
Ключов1 слова: терм1чне р1зання, зона терм1чного впливу, швидюстъ р1зання, структура.
REGULARITIES OF THE STRUCTURE FORMATION OF THE THERMAL ZONE DURING THERMAL CUTTING OF METAL
A. Sumets, P. G., V. Kassov, Prof., D. Sc. (Eng.), Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk
Abstract. The features ofphase and structural transformations during thermal cutting of steel are investigated. The influence of the cutting method on the depth of the melted and transition sections is given. The phenomena connected with the process of solidification after cutting are described. The influence of the cooling rate on the structure of metal in the cutting zone is considered.
Key words: thermal cutting, thermal zone, cutting velocity, structure.
Введение
Структурные превращения в условиях термической резки металла (аргоно-плазменной, воздушно-плазменной и кислородно-флюсовой) значительно отличаются от превращений при обычной термической обработке [1, 2]. Данные отличия объясняются, прежде всего, спецификой термодеформационного цикла резки [3]. В условиях термической резки распад твёрдых растворов в зоне резки протекает
в более сложной и непрерывно изменяющейся обстановке, а наличие химической неоднородности в зоне термического нагрева во многих случаях коренным образом изменяет кинетику распада твёрдых растворов [4, 5]. Поэтому процессы кристаллизации металла и структурные превращения в зоне резки в большинстве случаев предопределяют дальнейшие технологические и эксплуатационные свойства металла.
Анализ публикаций
Материал и методика исследований
С процессом затвердевания металла после резки связаны многие нежелательные явления, в том числе и формирование химической неоднородности [1, 6-9]. Микроскопическая химическая неоднородность, имеющая место в зоне термической резки, в первую очередь определяется характером первичной кристаллизации стали и зависит от количества и природы легирующих элементов, примесей и условий охлаждения [7-12].
Цель и постановка задачи
Целью работы является исследование особенностей фазовых и структурных превращений в металле при термической резке.
При неравновесной кристаллизации диффузия не будет успевать выравнивать состав внутренних и наружных слоев твердого раствора. Таким образом, после охлаждения подвергнутая резке сталь, скорее всего, будет иметь неоднородный или слоистый состав. В таких условиях кристаллизации, если легирующий элемент или примесь имеет в жидкой фазе большую растворимость, чем в твёрдой, будет иметь место обогащение междуосного и меж-дендридного пространства. Дендритная неоднородность хорошо выявляется на микроструктуре металла после термической резки в виде поверхностного рельефа. При очень большом обогащении в междуосных и междендритных пространствах на последних стадиях кристаллизации наблюдаются неравновесные структуры (рис. 1).
Рис. 1. Микроструктура оплавленного участка стали У10 (*250) после аргоно-плазменной (а), воздушно-плазменной (б) и кислородно-флюсовой резки (в)
Способность элемента обогащать междуос-ные и междендритные промежутки характеризуется коэффициентом распределения К, представляющим собой отношение раство-римостей элемента в твёрдой и жидкой фазах: Ств/Сж.
В нашем случае исследований особый интерес представляют процессы, протекающие в зоне резки (термического нагрева/плавления), от структуры и химического состава которой зависят свойства зоны термической резки. Аналитическое выражение процесса диффузии на границе сплавления для оценки распределения в ней легирующих элементов и примесей в зависимости от коэффициента диффузии в твёрдой Бт и жидкой Бж фазах, продолжительности процесса X и коэффициента распределения К в нашем случае имеют следующий вид:
Ст СТо
Ст — К ■
10 ж0
К ■ +1
+1 +
у/ж
■е у Ну,
(1)
С = С
Ст — К • с.
Жо
К • От
+1—
%/л
Вт
2Ну ,(2)
где СТ0 и Сж0 - начальные концентрации элементов в твёрдой и жидкой фазах; у -расстояние от межфазной границы раздела вглубь жидкого металла в процессе резки.
Неравновесная концентрация атомов примесей и легирующих элементов, являющаяся следствием повышенных скоростей охлаждения в результате резки, способствует значительному упрочнению металла (табл. 1, 2).
X
2
О
1
0
2
у
■е
0
Таблица 1 Влияния способа резки на глубину термически обработанных слоев
Марки стали
Глубина термически © <с © Н 0 ел ^
обработанных слоев, мм Ы о СП о о £ 09Г2( 40Х 0 СП <м X 0 СП § <м К 00 X 00 0 к 1> х СП 0
Аргоно-плазменная ОУ 0,08 0,45 0,10 0,08 0,04 0,15 0,40 0,20 0,13 0,35 0,90
ПУ 2,00 3,00 2,50 1,70 2,30 1,05 0,40 0,70 1,10 2,10 1,60
Е 2,08 3,45 2,60 1,78 2,034 1,20 0,80 0,90 1,23 2,45 2,50
Воздушно-плазменная ОУ 0,18 0,80 0,10 0,15 0,15 0,08 0,35 0,15 0,13 0,14 0,40
ПУ 1,50 0,60 1,80 0,60 1,50 0,13 0,15 0,10 1,60 1,03 1,04
Е 1,68 1,40 1,90 0,75 1,65 0,21 0,50 0,25 1,73 1,17 1,44
Кислородно-флюсовая ОУ 0,10 0,25 0,05 0,50 0,40 0,13 0,58 0,15 0,18 0,43 2,72
ПУ 1,50 7,00 1,40 2,00 1,70 2,15 1,70 3,20 1,70 4,30 3,30
Е 1,60 7,025 1,45 2,50 2,10 2,28 2,28 3,35 1,88 4,73 6,02
Примечание: ОУ - глубина оплавленного участка, мм; ПУ - глубина переходного участка, мм; Е - сумма ОУ и ПУ.
Таблица 2 Влияние способа резки на микротвердость
Марки стали
Микротвердость, кг/мм2 ы о СП о 0 £ 09Г2С 40Х 30X13 Х12МФ 30ХМА 25Х1МФ 08Х18Н10Т 03Х17Н14М3
Аргоно-плазменная ОУ 420 572 900 383 514 724 724 385 350 383 380
ПУ 290 350 510 270 260 640 642 350 240 236 297
ом 180 263 330 210 226 270 350 227 232 220 254
Воздушно-плазменная ОУ 170 572 420 193 420 824 950 383 350 272 254
ПУ 220 322 380 200 380 640 642 383 237 274 254
ом 180 263 330 210 226 270 350 227 232 220 254
Кислородно-флюсовая ОУ 193 322 824 181 464 642 724 383 420 383 274
ПУ 210 275 500 160 350 724 946 350 382 279 274
ом 180 263 330 210 226 270 350 227 232 220 254
Примечание: ОУ - глубина оплавленного участка, мм; ПУ - глубина переходного участка, мм; ОМ - основной металл.
Увеличение скорости охлаждения в интервале кристаллизации способствует измельчению первичной структуры металла в зоне резки, особенно для легированных сталей. Металл, образовавшийся в результате термической резки на среднелегированных сталях, охлаждённых с повышенными скоростями, по механическим свойствам значительно превосходит основной металл. По-видимому, изменение механических свойств происходит не только в результате измельчения первичной структуры, но также ослабления степени химической неоднородности, определяемой соотношением концентраций элементов в ликвационной межкристаллитной прослойке и в теле столбчатого кристаллита. Таким образом, скорее всего, зависимость изменения
свойств металла в зоне термической резки от скорости охлаждения определяется изменениями не степени ликвации, а главным образом, размеров столбчатых кристаллитов и ширины обогащённых межкристаллитных границ. В результате термической резки установлено образование условных участков, начиная от зоны плавления до основного металла. Металл зоны участка плавления (первый участок) имеет сравнительно небольшую ширину (0,04-0,40 мм) и заметно отличается от соседних участков основного металла. Эти изменения вызваны, прежде всего, диффузионными процессами, протекающими в процессе резки в зоне плавления. Направление диффузии элемента определяется коэффициентом распределения в твёрдой и жидких
фазах, а также содержанием элемента в основном металле. В зависимости от соотношения этих величин диффузия элемента может происходить из основного металла в зону плавления пли расплавленного металла в основной металл. Второй участок содержит крупные зёрна. В него входит металл, который нагревался от температуры около 1200 °С до температуры плавления основного металла. Ширина его изменяется в пределах 0,6-4,3 мм. При нагреве металл претерпевает а^-у-превращенне. По мере перегрева выше температуры Ас3 аустенитное зерно растёт и даже при незначительной продолжительности пребывания в условиях высоких температур успевает вырасти до значительных размеров. Тип структуры, образующейся в участке перегрева, зависит от характера термического процесса резки и состава металла. Так, в некоторых случаях в этом участке формируется видманштеттова структура. В легированных сталях участки металла, нагревающиеся при резке выше температуры Ас3, в результате быстрого охлаждения приобретают структуры закалки. Однако структура зоны по ширине от участка сплавления до участка, имевшего при резке максимальную температуру только несколько выше Ас3, будет одинаковой. В результате распада крупных аустенитных зёрен в участках, прилегающих к границе сплавления и нагревающихся при резке выше 1200 °С, образуется более крупнопластинчатый мартенсит, чем в участках металла, нагревающихся при резке выше Ас3. Структура зоны сплавления является почти такой же, как и структура участка перегрева.
Следующий участок - участок перекристаллизации. Он включает металл, нагретый от температуры, несколько выше температуры а^-у-превращення, до 1100-1150 °С. Ширина данного участка 0,7-1,0 мм. В низкоуглеродистых и низколегированных сталях в участке перекристаллизации обычно образуется мелкодисперсная (зернистая) структура, характеризующаяся в целом достаточно высоким комплексом механических свойств. В средне- и высоколегированных сталях в металле данного участка часто образуется мелкопластинчатый мартенсит или смесь мартенсита и продуктов промежуточного превращения, т.е. те же структуры, что и в участке перегрева, но более дисперсные. Следующий, четвёртый, участок включает в себя металл, нагретый от температур Ас1 до тем-
пературы Ас3. Металл участка подвергается только частичной перекристаллизации, и поэтому его можно назвать участком неполной перекристаллизации. Металл этого участка в низкоуглеродистых и низколегированных сталях характеризуется почти неизменяющимся ферритным зерном, и некоторым дроблением и сфероидизацией перлитных участков. В средне- и высоколегированных сталях после охлаждения формируется структура частичной закалки.
Следующий участок - пятый - можно назвать участком рекристаллизации. Он включает металл, который нагревался от 500 °С до температур несколько ниже Ась Отдельные участки данной зоны, нагревавшиеся ниже Ась по своей структуре и свойствам могут быть различными в зависимости от исходного состояния металла перед термической резкой. Если металл перед резкой подвергался холодной пластической деформации, то при нагреве до температур ниже Ас1 происходит рекристаллизация, приводящая к значительному росту зерна.
Шестой участок включает металл, который нагревался в интервале температур 100500 °С. Этот участок в процессе резки не претерпевает видимых структурных изменений.
Высоколегированные аустенитные стали не претерпевают видимых фазовых превращений в условиях термического воздействия на них при резке. Вследствие этого зона термического нагрева этих сталей имеет менее сложное строение, чем зона при резке обычных конструкционных сталей. Размер зоны сплавления высоколегированных сталей сравнительно невелик и определяется температурным градиентом и интервалом кристаллизации. Если температурный градиент мал, а интервал кристаллизации сравнительно велик, то ширина зоны сплавления возрастает. Свойства зоны термического воздействия при резке неразрывно связаны с состоянием границ зёрен в ней. В зоне термического воздействия под влиянием термического цикла резки происходит энергичный рост зёрен, а также подплавление границ в зоне сплавления и последующее развитие в ней химической микронеоднородности. В связи с этим по границам зёрен локализуются различного рода разрушения, что обусловливает существенное влияние их на механические свойства. В зоне сплавления образуются границы
двух типов - первичные и вторичные. Первичные границы формируют более мелкие зёрна, вторичные (тонкие) крупные зёрна. Первичные и вторичные границы, как правило, расположены по отношению друг к другу произвольно. Первичные границы содержат повышенное количество легирующих элементов [13-16], причём уровень химической неоднородности сопоставим с дендритной неоднородностью, развивающейся при кристаллизации зоны сплавления. Это даёт основание полагать, что первичные границы возникают вследствие образования и последующего затвердевания жидкой фазы.
Выводы
Проведенные исследования особенностей структурообразования зоны термического влияния, образующейся при аргоно-плаз-менной, воздушно-плазменной и кислородно-флюсовой резки металлов 11 марок стали, показали, что наиболее эффективным и целесообразным является воздушно-плазменная резка.
Литература
1. Эсибян Э. М. Воздушно-плазменная рез-
ка: состояние и перспективы / Э.М. Эсибян // Автоматическая сварка. - 2000. -№. 12. - С. 6-20.
2. Голобородько Ж.Г. Влияние плазмооб-разующей среды при резке на образование пор при сварке судокорпусных сталей / Ж.Г. Голобородько, В.В Квас-ницкий// 36. наук. праць УДМТУ. -2002. - № 5 (383). - С. 25-31.
3. Пащенко В.М. Плазмове р1зання з вико-ристанням складних газових сумшей / В.М. Пащенко, В.Д. Кузнецов // Зб1рник наукових праць НУК. - 2005. - № 1 (400). - С. 40-49.
4. Голобородько Ж.Г. Опыт Херсонского судостроительного завода по применению плазменной резки / Ж.Г. Голобородько // Автоматическая сварка. - 2013. - С. 43-48.
5. Лященко Г.И. Качество реза при плаз-менно-дуговой резке / Г.И. Лященко // Сварщик. - 2012. - №4. - С. 34-39.
6. Васильев А.Н. Сравнительные исследования воздушно-плазменной и кисло-
родно-плазменной резки / А.Н. Васильев, ВВ. Внук, В.И. Зиновьев, ТВ. Коть-кина // Известия МГТУ. - 2014. -№2 (20). - С. 13-18.
7. Орлов A.C. Термодеформационные процессы при термической резке тонкостенных цилиндрических изделий: монография / A.C. Орлов. - Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2004. - 170 с.
8. Григорьянц А.Г. Лазерная резка металлов / А.Г. Григорьянц, A.A. Соколов. -М: Высшая школа, 1988. - 128 с.
9. Носуленко В.И. Размерная обработка металлов электрической дугой / В.И. Носуленко // Электронная обработка материалов. - 2005. - №1. - С. 8-17.
10. Базров Б.М. Основы технологии машиностроения / Б.М. Базров. - М.: Машиностроение, 2005. - 763 с.
11. Пат. 92865 UA, МПК F23C 7/00. Cnoci6 кисневого р1зання метал1в великих тов-щин / В.М. Литвинов, O.I. Волошин, К.П. Шаповалов, В.А. Белшський, С.Л. Василенко, O.I. Коровченко; заяв-ник та патентовласник ДДМА. -№ и2014 02889; заявл. 21.03.14; опубл. 10.09.14, Бюл. №17. - 3 с.
12. Банов М.Д Сварка и резка / М.Д. Банов, Ю.В. Казаков. - М.: Академия, 2001. -313 с.
13. Литвинов М.В. Кислородная резка металлов больших толщин на заводе ЗАО «НКМЗ» / В.М. Литвинов, ЮН. Лысенко, С. А. Чумак и др. // Вестник Донбасской машиностроительной академии. -2010. - №2. - С. 64-167.
14. Литвинов В.М. Газопламенная обработка метал лов. Новые тенденции в создании горелочных устройств / В.М. Литвинов, Ю.Н. Лысенко, С.А. Чумак // Штрипс. - 2008. - №4. - С. 30-32.
15. Казаков С.И. Сварка плавлением и термическая резка металлов: учебное пособие / С.И. Казаков. - Курган: Издательство КГУ, 20014. - 365 с.
16. Сварка. Резка. Контроль: справочник: в 2 т./ под общ. ред. Н.П. Алешина, Г.Г. Чернышова. - М.: Машиностроение, 2004. - Т. 1. - 624 с.
Рецензент: Д.Б. Глушкова, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
