РЕЗКА ИЗНОСОСТОЙКОЙ СТАЛИ HARDOX

Стали марки Hardox подходят для всех методов термической резки, включая газокислородную, плазменную и лазерную резку. Конечно, вы также можете использовать многие распространенные методы холодной резки, такие как гидроабразивная резка и пиление.

Улучшенные характеристики термической резки износостойких сталей Hardox обусловлены в первую очередь их низким содержанием легирующих элементов и очень низким уровнем примесей. Другие благоприятные свойства, которые могут быть использованы для лазерной резки, включают узкие допуски по толщине стали и гладкие поверхности плит. Многие марки износостойких сталей, а также Hardox при умеренной толщине могут резаться термически с использованием тех же параметров, что и для мягких сталей. В некоторых случаях необходимо адаптировать параметры, чтобы минимизировать риск водородного растрескивания – процесса, при котором металлы, особенно стали, становятся хрупкими и склонными к образованию трещин из-за поглощения водорода.

Другие вопросы, о которых следует знать и которые связаны с характеристиками стали:

• Изменение механических свойств в термически затронутой части стали - зоне термического влияния (ЗТВ) - из-за резки.
• Из-за более высокого уровня напряжений листы из износостойких сталей более склонны к искривлению во время термической резки, чем обычные стали.

Газы для различных методов термической резки выбираются и применяются так же, как для нелегированных и низколегированных сталей с пределом текучести до 355 МПа. Существуют различные составы газов и параметры применения, подходящие для методов термической резки. Методы холодной резки, резка ножницами и штамповка, ограничены марками Hardox 400 и Hardox 450 до толщины плиты 10 мм. Гидроабразивная резка - это метод холодной резки, который обеспечивает выгодные механические свойства, поскольку не приводит к образованию ЗТВ.

Износостойкую сталь Хардокс легко резать с помощью процесса газокислородной резки. Газокислородная резка практически не имеет ограничений по толщине материала, поэтому можно резать материалы толщиной до 1000 мм. Рекомендуемая минимальная толщина для резки составляет 10 мм. Резку более тонкого материала следует выполнять методами с меньшим тепловыделением, такими как плазменная или лазерная резка, чтобы минимизировать риск деформации и потери твердости. Общие характеристики газокислородной резки можно увидеть в Таблице 1.

Распространенное заблуждение заключается в том, что для резки твердых сталей требуется более высокое давление режущего кислорода. Газокислородная резка - это термический процесс, производительность которого не зависит от твердости стали. Износостойкая сталь Hardox имеет низкую степень легирования, что в сочетании с чистотой стали делает ее легкой в резке.

Таблица 1: Общие характеристики газокислородной резки.

Сталь Hardox легко режется с помощью плазменной резки. Плазменная резка имеет ограничение по толщине материала. Основная толщина, подлежащая резке, должна быть менее 50 мм (в зависимости от плазмореза). Общие характеристики плазменной резки можно увидеть в Таблице 2.

При плазменной резке износостойкой стали Hardox по сравнению с обычной мягкой сталью нет различий. По сравнению с газокислородной резкой, при плазменной резке меньше потребность в предварительном или последующем нагреве. Однако при плазменной резке толстой плиты Hardox с кислородом в качестве плазмообразующего газа может потребоваться либо предварительный, либо последующий нагрев. Используйте те же параметры, что и для газокислородной резки (Таблица 6), чтобы избежать трещин на кромке реза.

Таблица 2: Общие характеристики плазменной резки.

Лазерную резку износостойких сталей можно легко выполнить, используя стандартные параметры обработки для заданной толщины материала. Максимальная толщина должна составлять приблизительно 30 мм (1,181 дюйма) в зависимости от оборудования для лазерной резки. Наиболее часто режутся толщины ниже 25 мм (0,984 дюйма). Общие характеристики лазерной резки можно увидеть в Таблице 3.

Из-за относительно малой толщины и небольшого тепловыделения предварительный или последующий нагрев не требуется при лазерной резке сталей Hardox. Напротив, предварительный нагрев ухудшает качество кромки реза.

При лазерной резке стали Хардокс по сравнению с обычной мягкой сталью нет различий, поэтому вы можете использовать те же параметры процесса. Грунтовка снижает скорость резки, но это можно решить, сначала испарив грунтовку, а затем вырезав контур на полной скорости.

Таблица 3: Общие характеристики лазерной резки.

Свойства ЗТВ зависят от:

• Подвергалась ли сталь отпуску во время производства и, если да, то как он проводился
• Химического состава стали
• Воздействия термической обработки от процесса резки

Ширина ЗТВ увеличивается с увеличением теплопередачи от процесса резки. Например, резка с той же мощностью и уменьшением скорости резки приводит к более широкой ЗТВ. Различные процессы термической резки оказывают разное тепловое воздействие, что приводит к более широкой или узкой ЗТВ. Газокислородная резка оказывает наибольшее тепловое воздействие, за ней следуют плазменная и лазерная резка. На Рисунке 1 показана ЗТВ для сталей Hardox, разрезанных с использованием различных методов термической резки.

Рисунок 1: Схематичные профили твердости в ЗТВ после термической резки износостойкой стали Hardox различными методами резки.

Растрескивание кромки реза - это явление, тесно связанное с водородным растрескиванием в сварных швах, и чаще всего возникает при использовании методов термической резки. Если трещины на кромке реза возникают, они становятся видны через 48 часов и до нескольких недель после резки. Риск растрескивания кромки реза увеличивается с твердостью стали и толщиной плиты, как показано в Таблице 4. Даже если растрескивание кромки реза обычно связано с термической резкой, оно может возникнуть при пилении или гидроабразивной резке очень твердых материалов.

На первой стадии образования трещины мелкие трещины образуются в центре плиты и распространяются горизонтально в пределах ЗТВ. Они образуются сразу за кромкой реза и обычно появляются в течение нескольких часов после резки. На этой стадии трещины не видны невооруженным глазом.

На второй стадии, которая обычно происходит через несколько дней, трещины распространяются до поверхности кромки реза и образуют более длинные горизонтальные трещины, обычно до 5-10 см.

Может произойти третья стадия, которая обычно происходит через несколько недель, когда распространение трещины продолжается, меняет направление и распространяется до поверхности плиты. Хотя вертикальные трещины встречаются редко, риск их возникновения увеличивается с повышением твердости и толщины стали.

Таблица 4: Склонность к термическому растрескиванию кромки

Таблица 5: Влияние размера компонента на вероятность растрескивания кромки реза в этой детали

Если плита разрезается на компоненты, остаточные напряжения в поставленном состоянии будут сниматься. Чем меньше компонент, тем меньше остаточных напряжений в поставленном состоянии останется. Достаточно маленький компонент будет содержать только остаточные напряжения от процесса термической резки. Кроме того, у маленького компонента длина реза короче, чем у большого. Следовательно, шансы также благоприятствуют маленьким компонентам. Достаточно маленькая вырезанная деталь вряд ли растрескается (Таблица 5).

Скошенные кромки более восприимчивы к растрескиванию, чем прямые.

Из-за вероятностного характера растрескивание термически резаных кромок нельзя точно предсказать. Но мы можем сильно повлиять на шансы растрескивания, выбрав процедуру резки.

Для образования водородных трещин в стали одновременно должны присутствовать три условия.

Они следующие:

• относительно высокое содержание легирующих элементов.
• относительно высокий уровень растягивающих напряжений.
• относительно высокое содержание водорода в материале.

Эти факторы взаимодействуют друг с другом. Поддержание их уровней на достаточно низком уровне минимизирует риск водородных трещин.

Влияние легирующих элементов при термической резке такое же, как и при сварке. Это означает, что более высокие значения углеродного эквивалента в стали соответствуют повышенной чувствительности к водородным трещинам. В общих чертах углеродный эквивалент увеличивается с увеличением толщины, твердости и прочности как стали Hardox, так и его аналогов.
Следовательно:

• Существует больше ограничений в отношении резки износостойких сталей Хардокс с увеличением значений твердости.

Для износостойких сталей большие толщины листа имеют больше ограничений для минимизации риска водородных трещин во время резки.

Некоторые сплавы могут способствовать образованию водородных трещин. По мере увеличения содержания этих элементов возрастает и чувствительность стали, что делает необходимыми более строгие ограничения при резке, чтобы минимизировать риск водородных трещин.

Рекомендации по предотвращению водородных трещин в износостойкой стали Хардокс основаны на тщательных оценках. Цель этих исследований - достичь оптимизированных рекомендаций с учетом индивидуальных характеристик каждой марки износостойкой стали.

Дополнительно для оценки водородных трещин в различных типах высокопрочных сталей можно использовать другие общие модели. Установленные модели описывают сопротивление водородным трещинам для определенной стальной плиты в соответствии с ее углеродным эквивалентом, который рассчитывается на основе химического состава стальной плиты. Более низкое значение углеродного эквивалента соответствует более высокой стойкости к водородным трещинам.

Существует несколько моделей углеродного эквивалента, и каждая формула выведена из исследований, основанных на конкретных сталях.

Наиболее распространенные международные углеродные эквиваленты соответствуют моделям CET и CEV.

Формулы для расчета значений CET и CEV определены ниже. Синонимом CEV является CE. При расчете значения углеродного эквивалента следует использовать содержание сплава, указанное в сертификате испытаний плиты. Все легирующие элементы указаны в процентах по весу в формулах, представленных ниже.

Расчет углеродного эквивалента - это средство определения того, требуется ли предварительный нагрев, и до какого уровня, чтобы избежать водородных трещин. Методами определения температуры предварительного нагрева в этом контексте являются метод CET и метод CEV, которые относятся к соответствующим углеродным эквивалентам. Эти два метода описаны в Европейском стандарте EN1011-2.

Операция резки вызывает неравномерную термическую обработку режущей кромки и ее окрестностей. Например, пиковые температуры в стали снижаются по мере увеличения расстояния от режущей кромки. Эта неравномерная термическая обработка приводит к изменению механических свойств в ЗТВ. Методы термической резки всегда вызывают растягивающие напряжения в области реза и вокруг нее. Термическая резка износостойкой стали Хардокс приведет к образованию ЗТВ, которую можно разделить на две зоны: зону повторной закалки и зону отпуска.

Внешняя часть ЗТВ, расположенная примерно в 1-2 мм от кромки реза, нагревалась выше 900°C во время процесса резки. После прохождения резака тепло быстро распространяется в плиту, охлаждая материал в зоне 1 так быстро, что материал подвергается повторной закалке.

Твердость, а также прочность в этой зоне выше, чем в других частях ЗТВ и в не затронутом основном металле.

Зона 2, расположенная между зоной 1 и не затронутым основным материалом, нагревается до температур ниже 900°C во время резки. Значения твердости в этой зоне варьируются в зависимости от марки стали и качества резки. Материал в этой зоне отпускается под действием тепла от операции резки.

Во время охлаждения зона 1 стремится расшириться в направлении толщины, в то время как зона 2 остается неизменной или даже сжимается. В результате в зоне 2 создаются остаточные растягивающие напряжения в направлении толщины. Именно в этой зоне с высокими растягивающими напряжениями инициируются водородные трещины. Общая тенденция такова, что эти уровни напряжений увеличиваются с увеличением толщины плит.

На Рисунке 2 показаны различные зоны ЗТВ в термически разрезанной плите Хардокс 450.

Растягивающие напряжения из-за глобального поля напряжений

Закалка износостойкой стали вводит остаточные напряжения. Когда вырезаются детали с острыми углами, остаточные напряжения от производства концентрируются в таких областях.

Эти концентрированные напряжения могут быть достаточно высокими, чтобы инициировать водородные трещины, поэтому острые углы увеличат риск растрескивания кромки реза. Это верно как для термических, так и для холодных методов резки, таких как гидроабразивная резка. Учет следующих действий снизит риск образования трещин:

За исключением Hardox HiTuf и Hardox HiTemp, все марки Hardox чувствительны к растрескиванию кромок при резке острых геометрий.

Рисунок 2: Схематичный профиль твердости ЗТВ из-за термической резки Hardox 450.

Трещины при резке тесно связаны с водородом. Эти трещины возникают с задержкой после резки. Пока плита горячая, около 200°C, она не треснет. Когда температура опускается ниже 200°C, трещины могут возникнуть с задержкой по времени. Если трещины возникают, они появляются через несколько часов после резки, и процесс образования трещин обычно завершается через два дня. В худшем случае инициация трещины может занять несколько недель. Водород растворен в стальной плите. Чем ниже содержание водорода, тем менее чувствительна стальная плита к трещинам. Если бы плита была свободна от водорода, трещин при резке не возникло бы. То, как именно водород вызывает трещины при резке, остается загадкой по сей день.

При резке при повышенной рабочей температуре кромка реза будет оставаться горячей относительно долгое время после резки. Чем горячее сталь, тем быстрее водород диффундирует из реза. При температурах ниже примерно 100°C диффузия водорода настолько медленная, что не имеет значения. Если сталь остается выше 100°C в течение многих часов, водород будет вытеснен из реза, что снижает риск растрескивания.

Чтобы избежать растрескивания кромки реза, важно поддерживать как содержание водорода, так и растягивающие напряжения в ЗТВ как можно более низкими.

Для минимизации содержания водорода и остаточных напряжений в ЗТВ можно использовать следующие действия:

1. Предварительный нагрев плиты
2. Последующий нагрев
3. Сниженная скорость резки (газокислородная)
4. Комбинация предварительного нагрева, последующего нагрева и сниженной скорости резки вместе с продленным процессом охлаждения ЗТВ

Один из методов предотвращения водородного растрескивания при резке - предварительный нагрев материала. Тепло позволит большему количеству водорода диффундировать от кромки реза, а также снизит скорость охлаждения кромки реза, что уменьшит возникающие растягивающие напряжения.

В зависимости от ситуации можно нагревать либо часть листа, либо весь лист. Наиболее распространенные способы предварительного нагрева плиты:

• нагревательная печь
• горелки предварительного нагрева
• электрические маты

Нагрев в печах - лучший способ предварительного нагрева плиты, так как он обеспечивает равномерную температуру по всей плите.

Горелки предварительного нагрева также можно применять для предварительного нагрева износостойкого листа. Важно, чтобы горелки находились в движении, чтобы температура износостойкой плиты не превышала максимальную температуру предварительного нагрева.

Кроме того, температура предварительного нагрева измеряется на стороне, противоположной той, где применяется нагрев. Электрические маты - это медленный метод предварительного нагрева, поэтому хорошей практикой для нагрева до 150-200°C является нагрев в течение ночи и начало операции резки на следующее утро.

Рекомендации по предварительному нагреву для газокислородной резки можно найти в Таблице 6.

Предварительный нагрев предпочтительно можно использовать перед газокислородной резкой и плазменной резкой с кислородом в качестве плазмообразующего газа. Что касается всех типов лазерной резки и плазменной резки с азотом, предварительный нагрев не рекомендуется из-за его негативного влияния на качество кромки реза.

Таблица 6: Температуры предварительного нагрева для газокислородной резки износостойких сталей Hardox.

Мы рекомендуем гидроабразивную резку. Если доступна только газокислородная резка, следуйте рекомендациям в Таблице 6.

Последующий нагрев - надежный метод предотвращения растрескивания кромки реза. Это можно сделать либо в печи, либо с помощью горелок.

Важно, чтобы процесс последующего нагрева происходил как можно скорее после вырезки детали. Время между началом процесса резки и началом процесса последующего нагрева должно быть как можно короче и никогда не превышать 60 минут.

При использовании печей температура не должна превышать максимально допустимую температуру, указанную в Таблице 6, и плита должна оставаться в печи до достижения этой температуры. В зависимости от толщины плиты время выдержки будет варьироваться; как общее правило, продолжительность последующего нагрева должна составлять не менее 5 минут на каждый мм толщины плиты (т.е. 50 минут для плиты толщиной 10 мм). Последующий нагрев в печи позволит большему количеству водорода мигрировать из ЗТВ, а также приведет к небольшому снижению растягивающих напряжений в ЗТВ.

При использовании горелок важно не перегревать. Температура кромки реза не должна превышать 700°C, предпочтительно от 300 до 500°C. Обычно последующая термообработка с помощью горелок выполняется вручную, и в этом случае важно знать, как контролировать температуру. Это делается путем наблюдения за цветом кромки реза под горелкой; она должна только начинать светиться (очень темно-красный).

Если цвет ярко-вишнево-красный или темно-оранжевый, температура слишком высока, и последующий нагрев не будет успешным.

Также можно контролировать температуру с помощью инфракрасного термометра, направленного непосредственно на кромку реза в пламени.

Тепло от горелки будет отпускать повторно закаленную зону ЗТВ, что снизит растягивающие напряжения на кромке реза. Используемая горелка должна иметь довольно большое пламя с низкой интенсивностью. Это позволит теплу проникнуть глубже в материал, не перегревая его.

Сниженная скорость резки - удобный метод снижения риска образования трещин при газокислородной резке. Когда скорость резки снижается, материал нагревается вокруг фронта реза, и зона термического влияния будет шире. Это влияет на остаточные напряжения таким образом, что снижает риск растрескивания кромки реза. Однако имейте в виду, что сниженная скорость резки не так надежна, как предварительный или последующий нагрев, и ее следует использовать только в качестве замены, если, например, в цехе нет соответствующего оборудования для предварительного или последующего нагрева.

Мы настоятельно рекомендуем использовать предварительный нагрев вместо сниженной скорости резки. Мы не гарантируем, что трещина не появится при резке со сниженной скоростью; однако риск таких трещин будет снижен по сравнению с резкой с нормальной скоростью на холодных плитах.

Если используется сниженная скорость резки, важно, чтобы скорость резки не превышала указанную в Таблице 7. В противном случае риск возникновения трещин при резке вообще не снизится.

Не используйте слишком большое сопло. Так, для резки износостойкого листа толщиной 50 мм используйте сопло 25-50 мм вместо сопла 50-100 мм. Чтобы получить хорошее качество кромки реза, необходимо снизить давление режущего кислорода. Необходимое количество давления зависит от типа и размера сопла. Всегда делайте пробный рез и регулируйте давление режущего кислорода до получения хорошего качества кромки реза.

Сниженная скорость резки неприменима для плазменной резки.

Независимо от того, подвергались ли вырезанные детали предварительному нагреву или нет, медленная скорость охлаждения снизит риск растрескивания кромки реза. Медленное охлаждение может быть достигнуто, если детали сложены вместе, пока они еще теплые от процесса резки, и накрыты теплоизоляционным одеялом. Позвольте деталям медленно остыть до комнатной температуры.

Сопротивление стали потере твердости зависит от ее химического состава, микроструктуры и способа обработки.

Чем меньше деталь, подвергаемая термической резке, тем выше риск потери твердости всего компонента. Если температура стали становится слишком высокой, твердость стали снизится (Проверьте максимально допустимую температуру в Таблице 6).

Когда вырезаются мелкие детали, тепло, подаваемое резаком и при предварительном нагреве, накапливается в заготовке. При использовании газокислородной резки для плит толщиной 30 мм и более, эмпирическое правило гласит: Существует риск потери твердости всего компонента, если расстояние между двумя резами составляет менее 200 мм. Для толщин менее 30 мм можно вырезать более мелкие детали без потери твердости. Удобный способ определить, слишком ли мала деталь, - измерить температуру детали сразу после ее вырезки. Максимально допустимые температуры можно найти в Таблице 6.

Лучший способ устранить риск потери твердости - использовать методы холодной резки, такие как гидроабразивная резка. Если необходимо выполнить термическую резку, предпочтительнее лазерная или плазменная резка, а не газокислородная. Это связано с тем, что газокислородная резка вносит больше тепла в заготовку по сравнению с плазменной или лазерной резкой.