При кислородной резке листовой стали в результате совмест­ного влияния теплоты подогревающего пламени, выделяющейся на поверхности листа, и теплоты сгорания метан л а, окисляемого струей кислорода, на лобовой поверхности реза, в зоне реакции, развивается температура, превышающая на 473… 773 К темпера­туру плавления стали.

Анализ уравнения теплового баланса процесса разделительной резки листовой низкоуглеродистой стали толщиной 5… І00 мм показывает, что доля отдельных составляющих существенно из­меняется при увеличении толщины разрезаемого металла (рис. 14.5). Что касается поступающей тепловой энергии, то при увеличении толщины металла с 5 до 100 мм доля теплоты {9ПП, вносимой по­догревающим пламенем, снижается с 75 до 11 %, а доля теплоты (?ОМ) образующейся вследствие окисления металла в резе, возрас­тает с 22 до 84 % и становится определяющей с точки зрения энергетических параметров процесса. Доля теплоты Qon, образую­щейся в результате окисления примесей, не превышает 5 % обще­го количества теплоты.

Рис. 14.5. Тепловой баланс процес­са разделительной кислородной резки:

С?,,,, — доля теплоты, вносимой подо­гревающим пламенем; Qa„ — образую­щейся вследствие окисления металла в резе; Он,. — образующейся в результате окисления примесей в стали; Qu — рас­ходуемой на нагрев металла; Qm — на нагрев шлака; Q0T — на нагрев отходя­щих газов; QT — на теплоизлучение по­верхностью реза; ■ — поступление

теплоты;———- расход теплоты

Рис. 14.6. Термический цикл для оп­тимальных режимов кислородной разделительной резки низкоуглсро — дистой стали толщиной 20 мм при расстоянии от поверхности реза до точки, в которой установлена тер­мопара, равном 0,6; 2,0; 6,0 и 10,0 мм

В то же время примерно по­ловина теплоты передастся ме­таллу (0М), остальная часть рас­ходуется на нагрев шлаков (0Ш) и отходящих газов (0О1), а так­же на теплоизлучение (0Т). На основании данных теплового баланса выведено уравнение для эффективной мощности линей­ного источника теплоты <7И, Дж/с, равной количеству теп­лоты, выделяющейся по всей толщине обрабатываемого ме­талла в единицу времени:

<7И — 27,4w£5,

где w — скорость резки, м/ч; b — ширина реза, м; 8 — толщина металла.

Выделившаяся при резке теплота распространяется внут­ри детали и нагревает прилега­ющие к резу слои металла, об­разующие зону термического влияния. При этом термическое воздействие на металл характе­ризуется очень быстрым нагре­вом поверхности реза и приле­гающих к нему слоев металла до температуры, близкой к темпе­ратуре плавления, высокой ско­ростью охлаждения и замедле­нием ее по мере снижения тем­пературы (рис. 14.6). Чем ближе расположены слои металла к поверхности реза, тем до более высокой температуры они ра­зогреваются и с большей ско­ростью охлаждаются. Экспери­ментально установлено, что скорость охлаждения при резке стали толщиной 10…50 мм со­ставляет 1273… 2273 К/с, Очень быстрое охлаждение металла во многих случаях приводит к об­разованию закалочных структур

на поверхности реза даже при относительно низком содержании углерода и других легирующих элементов в разрезаемой стали.

Распределение ширины ЗТВ по глубине реза для низкоуглеро­дистой стали толщиной 20 мм показано на рис. 14.7. Ширина этой зоны изменяется от максимальной у верхней кромки вследствие теплового воздействия подогревающего пламени до минимальной в средней части реза. У нижней кромки она опять возрастает за счет теплоты, выделяемой шлаком, перемещающимся от верхней части реза к нижней.

При кислородной резке стали на кромке реза происходит из­менение химического состава металла. Оно вызвано тем, что в окисляемом жидком расплаве, перемещаемом кислородной стру­ей сверху вниз, в первую очередь окисляются элементы (Ми, Si и Сг), имеющие большее сродство к кислороду, чем железо, вследствие чего их содержание на кромке реза снижается. Ni, Мо и Си, обладающие меньшим сродством к кислороду, чем желе­зо, окисляются в расплаве в меньшей степени. Их содержание на

ке реза возрастает. Это верждено результатами ой ного спектрального ана — металла кромки реза ста — X (рис. 14.8).

ной закономерности под­ается поведение углерода на ке реза. При резке холод — металла углерод нс выго­на кромке, вследствие чего содержание здесь значитель — эвышается (рис. 14.9). При ї металла, подогретого до ературы 1223 К, содержа — углерода на кромке реза дается по сравнению с ис — ой величиной, ротяженность ЗТВ (2… it для стали толщиной 20… мм) зависит от толщины заемой стали (рис. 14.10), ма резки — ее скорости, да режущего кислорода и чего газа, а также от соста — Тали.

езависимо от протяженно — ТВ в ней всегда можно вы­три характерных участка: участок оплавленного ме — с измененным химичес- составом, температура на — которого превышала тем — туру плавления стали — А (табл. 14.3); участок перегрева, где тем — тура нагрева превышала ературу фазового превра — я (Т > Ас3) — зона Б; участок неполной перекри — тизации (Т < Ас3) — зо — ирина участка с изменен­ным химическим составом при резк; металла средней толщи­ны не превышает 0,2 мм. На прочностные и пластические

Структуры, характерные для ЗТВ при резке конструкционных сталей

Таблица 14.3

Типы сталей

Зона А

Зона Б

Низкоуглероди — стыс толщиной, мм:

20

60

Сорбит с отдельными участками мартенсита

Участки с ледебуритом

Ферритно-перлитная структура с видманштет­товой ориентацией То же

Низколегирован­

ные

Ледебурит, троостомар — тенсит

»

Средне — и ВЫСОК0- углеродистые, среднелегирован — ные

Участки с ледебуритной эвтектикой

Мартенсит с цементит — ными иглами видман­штеттовой ориентации и крупнозернистой тро — остомартенситной струк­турой с ферритной сет­кой по границам зерен

Таблица 14.4

Технологические рекомендации по резке конструкционных и инструментальных сталей

Группа

стали

Эквивалентное содержание углерода Сзк; %

Рекомендации по резке

і

Менее 0,54

Резка возможна без технологических ограни­чений. При вырезке деталей сложной конфи­гурации в зимнее время необходим подогрев до температуры 423 К

її

О

О

Резка возможна при предварительном или сопутствующем подогреве металла до темпе­ратуры 423… 523 К. Охлаждение на спокойном воздухе

пі

0,7… 0,94

Резка должна выполняться на предварительно нагретом до температуры 523 …623 К металле с последующим медленным охлаждением

IV

Свыше 0,94

Резку следует выполнять при подогреве изде­лия до температуры не ниже 623 К с последую­щим медленным охлаждением в печи

6 Полевой

161

СВ

ва

рь

ве

nd

со

вь

но

ПК

пр

ох

ст

жсп

ОТ СП

, хар пены Обр выш

четаї м во.

СТИ 1

:ниіс

Одн

едва;

лажд

тчнь:

Гехне

ia металла у; поверхности реза наибольшее влияние оказы — руктурные и фазовые превращения в зонах А и Б. Структу — актерные для ЗТВ при резке конструкционных сталей, при- втабл. 14іЗ.

пзование закалочных структур на кромке реза приводит к гнию ее твердости. Низкая пластичность металла кромки в гни с внутренними напряжениями, вызываемыми тепло — щействием, может привести к потере технологической проч — іеталла на кромке (трещины), а в ряде случаев — к разру — изделия.

им из способов устранения трещин при резке является эительный подогрев заготовок, который снижает скорость сния металла кромки и обеспечивает получение более пла — х структурных составляющих.

Таблица’ 14.5

логические рекомендации по резке высоколегированных сталей

Гі

с

)уппа

гали

Класс стали

Режим термической обработки

до резки

после резки

і

Мартенсит (5… 15% С 0,2…0,5%

нь’ю

Г,

С)

Подогрев до темпера­туры 523.„623 К

Закалка с отпуском при температуре 923… 1223 К

I!

Мартснси’ ферритные (12…18 % 0,15% С)

но-

Сг,

Без подогрева. При рез­ке сталей или изделий средней толщины слож­ной конфигурации по­догрев до температуры 523…623 К

Отпуск или отжиг при температуре 923… 1223 К

Ill

Ферритны (16…30 % 0,35 % С)

і! Сг,

Без подогрева

Нагрев до темпе­ратуры 1023… 1123 К и быстрое охлаждение а воде

IV

Аустенитн ферритные (хромоник выес тита или ниоби

>!

Оле­

гом

ем)

То же

Термообработка не требуется

V

Аустенитн (хромоник вые стали сплавы)

ле

5ЛЄ-

І

Нагрев до темпе­ратуры 1323…

1423 К с и быстрое охлаждение в воде

16

2

Для выбора режима резки конструкционных и инструменталь­ных сталей толщиной до 100 мм можно воспользоваться техноло­гическими рекомендациями, приведенными в табл. 14.4. Значения CJIC, определяемые расчетным путем, зависят от состава стали.

На предприятиях не всегда имеется возможность осуществить нагрев листа или отливки. В этом случае можно уменьшить ско­рость резки стали по отношению к оптимальной, что обеспечива­ет снижение скорости охлаждения кромки.

Сложный физико-химический состав высоколегированных и хромоникелевых сталей, подвергаемых кислородно-флюсовой рез­ке, неблагоприятно отражается на их разрезаемости. Например, на кромке реза заготовок из стали XI2, разрезанной в холодном состоянии, образуется сетка трещин глубиной до 2 мм.

Стали, содержащие 16…30% Сг и до 0,3 % С, имеют феррит­ную структуру. При нагреве до температур свыше 1123 К они при­обретают крупнозернистую структуру и повышенную хрупкость, которые не устраняются при последующей термообработке. По­этому их резку выполняют на возможно максимальных скоростях с охлаждением кромки реза воздухом или водой (табл. 14.5).