Влияние легирующих элементов на эффективность кислородной резки стали.

Влияние легирующих элементов на эффективность кислородной резки стали.

К популярным технологическим решениям по разрезанию металлов относится оборудование плазменной резки, электродуговые и кислородные аппараты. Кислородная резка получила значительное распространение при работе по соединениям железа (обычно сталям), а также по сплавам титана и марганца. Сравнительная узость метода в плане обрабатываемых металлов связана с наличием жестких требований к физическим характеристикам основного материала и его окислов. Принцип разрезания металла кислородной струей наглядно иллюстрируется температурно-фазовой диаграммой процесса:

Цифрами и буквами на рисунке обозначены:

1 – Струя кислорода, подающаяся на металл толщиной? со скоростью?.

2 – Слой расплавленного окисла (Me + O) толщиной hx.

3 – Слой жидкого, условно-чистого металла толщиной Hx.

4 – Заготовка в твердом состоянии.

Строгие линии схемы на практике являются наклонными, криволинейными и уж безусловно непараллельными друг другу. Рисунок иллюстрирует процесс схематически, резать по идеальному перпендикуляру к поверхности и технологически тяжело. В твердом состоянии материал имеет комнатную (исходную) температуру To. Струя кислорода выполняет сразу несколько задач - окисляет расплав в зоне hx, плавит металл в зоне Hx и подогревает прилегающие к расплаву слои в области 4. Послойное окисление достигается при сильном перемешивании расплава. Как видно из рисунка, температура плавления Тпл основного материала должна быть заметно выше точки расплава окисла Т. Кроме того, температура воспламенения металла в струе кислорода Тк должна быть меньше обоих упомянутых значений.

Соотношению Тк ; Т ; Тпл удовлетворяют далеко не все металлы и их сплавы. Поэтому оборудование плазменной резки имеет многократно большую универсальность, чем все кислородные резаки. Сравнивать эти методы по ширине функциональных возможностей не имеет смысла, как и изучать преимущества инверторных EWM сварочных аппаратов над трансформаторным оборудованием для сварки советских времен. Предназначение, принцип действия, стоимость, область применения, совместимость с расходными материалами, сроки замены комплектующих, периодичность техобслуживания и т. п. – все будет различным.

Но для железа метод кислородной резки будет весьма эффективным – а значит, и для подавляющего большинства стальных сплавов на основе Fe. Чистое железо прекрасно вписывается в температурное соотношение Тк; Т ; Тпл:

Воспламеняется в кислородной струе уже при 1.323 °K;

Основной оксид FeO плавится при 1.640 – 1.645 °K;

Само железо в атмосферных условиях расплавляется не ранее 1.800 °K

Кроме того, для стабильности процесса необходим значительный тепловой эффект от горения металла в кислородной струе и некритичный теплоотвод из рабочей зоны. Для Fe оба дополнительных требования соблюдаются – выделение энергии достигает 270 МДж на моль сгораемого вещества, а разогрев фронтальной поверхности превышает Тпл (Fe) на 100 – 400 °K.

В быту, строительстве и на производстве металлов в чистом виде практически не встретишь, железо тут не исключение. Распространенные стальные сплавы имеют сложный примесной состав, каждый легирующий элемент вносит «свою лепту» в эффективность резки кислородом:

Углерод – основополагающая добавка к Fe, именно его наличие и позволяет именовать железный сплав гордым именем «сталь». Наличие углерода оказывает двойственное влияние на разрезание легированного им материала. Чем выше концентрация C – тем большую температуру воспламенения имеет сталь в кислородной струе (что хорошо). Одновременно уменьшается Тпл такого сплава (что плохо). На практике эмпирической границей содержания углерода является порог в 1 % – любые стали с такой (или меньшей) концентрацией C режутся кислородом без труда. Высокоуглеродистые чугуны кислородной резке стандартными способами не подлежат.

Марганец и особенно медь препятствуют разрезанию кислородом только теоретически. Дело в том, что в промышленно выпускаемых марках сталей содержание Mn и Cu значительно ниже критичных параметров. Например, сталь с 18 % режется кислородом без труда, аналогичная картина с Сu – на концентрация этих двух легирующих элементов пристального внимания не требует.

Кремний в массе стальных сплавов имеет содержание менее 2 %, что позволяет игнорировать его присутствие.

Хром при концентрации в стальном сплаве до тех же 2 % на эффективность резки не влияет совершенно. Наличие Cr в интервале 2…6 % влечет заметное снижение скорости разреза, свыше 6 % требует введения в рабочую зону флюсующих присадок. Хромистые оксиды настолько тугоплавки, что их и EWM сварочные аппараты могут не проварить достаточно глубоко, не говоря уже о разрезании в среде O2.

Никель имеет наибольшую допустимую концентрацию при резке кислородом, но сплав обязан быть низкоуглеродистым. Если углерода менее 0.35 % от массы стального сплава, то Ni может быть и 30 %. Углеродистые никелевые стали перед разрезанием приходится локально разогревать.

Вольфрам влияет на склонность к разрезанию сплава идентично хрому – до 10 % W позволяют вести процесс стандартно, свыше 10 % предполагают использование флюсующихся материалов.

Обязательному учету и точной качественной оценке перед кислородной резкой подлежат стали сложного примесного состава. Многообразие легирующих элементов влечет создание в области разреза сложных «шлаковых бульонов», которые могут затруднить работу или сделать ее вовсе невозможной.


Карта сайта


Информационный сайт Webavtocat.ru