Влияние плазменной резки на микроструктуру и твердость высокопрочной стали

Одним из наиболее перспективных направлений развития современного машиностроения является применение высокопрочных сталей при создании продукции, удовлетворяющей всем современным требованиям рынка [1, 2].

Применение таких сталей позволяет снизить металлоемкость изготавливаемых конструкций за счет уменьшения толщины применяемого металла при сохранении прежней конструктивной прочности, увеличить срок службы изделий за счет повышения износостойкости, а также повысить надежность создаваемой продукции [3].

Процесс переработки высокопрочных сталей имеет ряд особенностей, связанных с повышенной чувствительностью таких сталей к тепловому воздействию. Так, при использо-

вании горячих методов резки, среди которых наибольшее распространение получил плазменный способ, в металле образуется участок с изменившимися структурой и свойствами – зона термического влияния [4]. Протяженность данной зоны зависит от ряда параметров: физических свойств и толщины разрезаемого металла, а также от режимов плазменной резки [5]. Чем меньше протяженность зоны термического влияния, тем выше технологичность металла в последующих операциях.

В зоне термического влияния низколегированных сталей выделяют три участка (рис. 1): закалки, неполной закалки и отпуска [6]. При этом характер изменения твердости в данной зоне имеет нелинейную зависимость (рис. 2) [7].

Целью данной работы является исследование влияния плазменной резки на микро-

Рис. 1. Строение зоны термического влияния низколегированных сталей

Рис. 2. Распределение твердости в зоне термического влияния низколегированных сталей: 1 – участок закалки; 2 – участок неполной закалки;

3 – участок отпуска; 4 – основной металл, не затронутый нагревом при резке

Таблица 1

Характеристики исследуемой стали

№ Механические свойства Температура закалки, °С h, мм Режимы плазменной резки HBW σ0,2, Н/мм2 σв, Н/мм2 А5, % KCV–20, Дж/см2 CEV, % I, А V, мм/мин не менее или в пределах 1 477– 540 1200 1450 8 20 0,65 960 8 130 1500 2 20 700 структуру и твердость в зоне термического влияния высокопрочной стали твердостью 500 HBW (табл. 1). В работе принимали участие: ООО «Термодеформ-МГТУ» [8], ЦКП НИИ Наносталей и ООО «Научно-техническая производственная фирма «Эталон».

Методика проведения исследований

Для проведения исследований была произведена плазменная резка высокопрочной листовой стали твердостью 500 HBW толщиной 8 и 20 мм. Затем от металла после плазменной резки были отобраны образцы для проведения металлографического анализа (рис. 3). Для микроанализа из образцов по стандартной методике были приготовлены поперечные микрошлифы [9, 10]. Для выявления микроструктуры поверхность шлифа подвергалась травлению в 4%-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте методом погружения полированной поверхности в ванну с реактивом.

Общий вид микроструктуры образцов после травления представлен на рис. 4.

Измерение микротвердости проводилось в соответствии с ГОСТ 9450–60. Первое измерение проводилось на расстоянии 50 мкм от границы реза, последующие измерения производились через каждые 250 мкм по длине образца (рис. 5).

Результаты исследований

Результаты исследований показали наличие в зоне термического влияния участков с различной структурой и свойствами (табл. 2, 3).

Рис. 3. Схема отбора образцов

Рис. 4. Общий вид микроструктуры высокопрочной стали твердостью 500 HBW в зоне термического влияния: а – прокат толщиной 8 мм; б – прокат толщиной 20 мм

а)

650    1300   1950   2600   3250   3900   4550   5200   5850   6500

б)

Рис. 5. Микроструктура листовой стали с отпечатками при замере твердости в зоне термического влияния плазменной резки: а – прокат толщиной 8 мм; б – прокат толщиной 20 мм

Таблица 2

Участок зоны термического влияния	Расстояние от кромки реза, мм	Твердость, HV 0,2 (нормируе мая твердость 4770–5400)	Микроструктура, РЭМ		Микроструктура участка зоны термического влияния
			х1000	x3000
Обезуглероженный участок	0,05	1919	Ж^^^ё^^ЖЖ^ . .                        . -.                     -.	'Д^л " "A^5 ■ ^11	Мартенсит низкоуглеродистый + феррит
Участок закалки	0,33	4708			Мартенсит
Участок неполной закалки	0,46	3737	l^rv /< =^; M' '*^_ 4^ \         v XV/, V      1		Мартенсит + феррит
Участок отпуска	0,55	3382			Мартенсит отпущенный
Участок основного металла	3,05	4945	aiiiiiie		Мартенсит

Таблица 3

Участок зоны термического влияния	Расстояние от кромки реза, мм	Твердость, HV 0,2 (нормируемая твердость 4770– 5400)	Микроструктура, РЭМ		Микроструктура участка зоны термического влияния
			х1000	x3000
Участок закалки	0,05	4837	W^Ww &Ak '^ , ;z ■ y - ^^Ч'-/^.        '■<'; ■t Л •V-A ^       ./ -V .		Мартенсит
Участок закалки	0,55	5558	,                   :. a	^ X* :^^X ‘Ал' ',.   '- v//"      '. §8&W^^^i^^^^^%^ttN^^№i	Мартенсит
Участок неполной закалки	1,05	5015	W^WI^ww ^^^jky^^j^ ^ зйжяа$а*й11&<^^	WI®SM^^^^® ^«^ Z_ i 1 X^^^f^^^^^^^^^^	Мартенсит + феррит
Участок отпуска	1,175	3603	^^«^^ ^‘е^^^^^Жх^’^		Мартенсит отпуска
Участок основного металла	6,09	5528	МЩ9$Ш	г                                  *              .                                                 - / ^/Алх>. х\х	Мартенсит

Таблица 4

Общая протяженность зоны термического влияния плазменной резки и глубина отдельных переходных зон для исследуемой высокопрочной стали твердостью 500 HBW

Толщина проката, мм	Длина участков зоны термического влияния, мм				Общая протяженность зоны термического влияния, мм
	Обезуглероженный участок	Участок закалки	Участок неполной закалки	Участок отпуска
8	0,33	0,13	0,10	2,50	3,00
20	Не выявлен	1,05	0,13	4,92	6,00

Микроструктура участков зоны термического влияния плазменной резки высокопрочной стали толщиной 8 мм

Микроструктура участков зоны термического влияния плазменной резки высокопрочной стали толщиной 20 мм

– Обезуглероженный участок наблюдается в исследуемой высокопрочной стали толщиной 8 мм на расстоянии до 0,33 мм от границы реза, микроструктура представляет собой низкоуглеродистый мартенсит и феррит. Микротвердость HV – 1600–1900 МПа.

– Участок закалки. Данная область в процессе резки подвергается нагреву до температур выше Ac 3 и за счет потока режущей струи слои металла охлаждаются с высокой скоростью, достаточной для образования закалочной структуры – мартенсита. Длина участка 0,13–1,05 мм. Микротвердость HV – 4708–5577 МПа.

– Участок неполной закалки. По мере удаления от границы реза скорость охлаждения и температура металла снижаются (происходит закалка из межкритического интер-

вала температур Ac 1 – Ac 3 ). Это приводит к понижению твердости стали. В структуре металла наряду с мартенситом присутствуют зерна феррита. Длина участка – 0,1–0,13 мм. Микротвердость HV – 3737–5015 МПа.

– Участок отпуска. На данном участке металл нагревается до температур Ac 1 . В результате высокого отпуска наблюдается разупрочнение стали до минимальных значений HV – 3382–3603 МПа. Далее по мере удаления от границы реза и снижения температурного воздействия происходит восстановление твердости до значений основного металла HV – 4799–4961 МПа. Структура на данном участке представляет собой отпущенный мартенсит. Длина участка – 2,50–4,92 мм.

– Основной металл. Микроструктура основного металла имеет игольчатый вид и со-

Рис. 6. Твердость в зоне термического влияния плазменной резки высокопрочной стали твердостью 500 HBW толщиной 8 мм

Рис. 7. Твердость в зоне термического влияния плазменной резки высокопрочной стали твердостью 500 HBW толщиной 20 мм

стоит из реек разной ориентации и размеров. Структуру, имеющую подобную морфологию, можно отнести к реечному мартенситу. Микротвердость HV – 4945–5528 МПа.

Таким образом, общая протяженность зоны термического влияния плазменной резки для исследуемой высокопрочной стали толщиной 8 мм составляет 3 мм, толщиной 20 мм – 6 мм (табл. 4, рис. 6, 7).

Выводы

• 1.    Проведено исследование микроструктуры высокопрочного листового проката в зоне термического влияния плазменной резки.

• 2.    Определена структура отдельных участков зоны термического влияния: участка закалки – мартенсит, участка неполной закалки – мартенсит + феррит, участка отпуска – мартенсит отпуска.

• 3.    Определена общая протяженность зоны термического влияния и длина отдельных ее участков.

• 4.    Установлено, что для исследуемой высокопрочной стали твердостью 500 HBW толщиной 8 мм общая протяженность зоны термического влияния равна 3,0 мм, для стали толщиной 20 мм – 6,0 мм.

Работа проведена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор 02.G25.31.0105).