高强耐磨钢板切割工艺研究
无锡佳商特经贸钢板切割技术部
摘 要: 高强耐磨钢一般硬度越高, 耐磨性越好。耐磨钢通过合理的合金成分匹配, 同时借助淬火及低温回火获得强度高、耐磨好的力学性能, 但随着钢板硬度和厚度的升高, 氧气燃料火焰切割时容易出现延迟裂纹, 此裂纹为氢致裂纹。通过预热至一定温度后慢速切割, 可以很好地解决切割裂纹问题。
关键词: 耐磨钢; 火焰切割; 延迟裂纹; 预热温度; 切割速度
中图分类号: T G 487 文献标志码: B
Study of High-strength Wear Resistant Steel Plate Cutting Technology
WU Tao , KONG Xiangli,WANG Xin, LI Jianli
( Department of Science and Techno log y, Wuyang Iro n and Steel Co . , Lt d, Wuyang 462500, China)
Abstract:Generally, the hig her t he hardness o f hig h str eng th w ear- r esistant steel, the better o f t he ant-i wear . Wear- resistant
steel is by optimizing t he allo y composit ion, w hile using quenching and temper ing to obtain high strength, wear and
mechanical pro per ties, but w ith the har dness and t hickness o f the plate incr easing , the ox yg en fuel flame cutt ing ar e mor e
likely to delay the crack, the cr ack for the hydrog en induced cracking. It can so lve the pro blem o f cutting cr ack throug h preheating
to a certain temperatur e by slow cutt ing .
Key words: Wear- r esistant steel, Flame cutt ing, Delay ed crack, Preheating temperatur e, Cutt ing speed
耐磨钢被广泛用于制造矿山、筑路、冶金、发电和水泥等工程机械领域使用的耐磨部件。本公司根据市场需求, 相继开发出了布氏硬度级别为450HBW、5 00 HBW 的高强度耐磨钢, 钢板不仅具有较高强度及硬度, 而且还有较好的韧性和良好的焊接性。由于钢板硬度级别高, 后续切割工艺不当容易造成切割裂纹。
钢板切割分为冷切割和热切割两类, 冷切割包括水流切割、剪切、锯切或磨料切割, 热切割包括氧气燃料火焰切割、等离子切割和激光切割。其中氧气燃料火焰切割在传统切割方法中应用最广, 具有设备简单、投资少、效率高等优点; 同时也有钢板热影响区宽, 切割质量差, 对于低合金高强钢板切割易出现裂纹等缺点。此切割裂纹类似焊接时的氢致应力裂纹,是一种延迟裂纹, 一般切割后放置一段时间才出现。切割裂纹可以通过优化钢板成分及改进热处理工艺等进行预防, 本文着重从后续钢板切割工艺上进行分析, 提出改进措施, 进一步降低切割裂纹风险。

1 高强耐磨钢简介

1. 1 高强耐磨钢板工艺路线
电炉炼钢y LF 精炼y真空处理y 连铸y 钢坯加热y轧制y 钢板矫直处理y淬火+ 回火y 钢板切割及检验y 入库

1. 2 产品规格
( 8~ 80) mm × ( 1 800 ~ 3 900) mm × ( 6 000~ 11 000) mm
1. 3 火焰切割裂纹
高强耐磨钢板氧气燃料火焰切割后, 在钢板切割的断面上分布有垂直于钢板表面的裂纹, 随着钢板硬度和厚度的加大, 出现切边裂纹的风险也增大。

2 切割裂纹分析
2. 1 切割裂纹特征
切割裂纹具有延迟特征, 存在一个潜伏期, 故称为延迟裂纹。这类裂纹是在氢、钢板淬硬组织和拘束应力的共同作用下产生的, 其形成温度范围一般为室温~ 200 e ( Ms) , 由于氢的作用而具有明显的延迟特征, 故又称为氢致裂纹。裂纹的产生存在着潜伏期( 几小时、几天甚至更长) 、缓慢扩展期和突然开裂3 个接续的过程。

2. 2 切割裂纹形成机理
关于氢致延迟开裂的机理, 目前有很多理论, 如空洞内气体压力学说、位错陷阱捕氢学说和氢吸附理论等。但是, 能够较好解释氢和应力交互作用的延迟裂纹理论是氢的应力诱导扩散理论。应力诱导扩散理论认为, 金属内部存在的缺陷( 如空穴、微夹杂物、晶格缺陷等) 提供了潜在的裂纹源, 在应力的作用下, 这些缺陷的前沿会形成应力集中的三向应力区, 诱使氢向高应力区扩散, 并发生聚集。天然气燃烧产物吸附在钢板上, 随着钢板内部氢含量的增加, 缺陷处应力不断增大, 其脆性也因位5新技术新工艺6 #热加工工艺技术与材料研究 2011 年 第6 期 # 85 #错移动受阻而增加。当氢的含量达到临界值时, 缺陷部位便会发生开裂和相应扩展。同时, 在裂纹尖端形成新的三向应力区。其后, 氢不断向新的三向应力区扩散、聚集, 当裂纹尖端局部的氢含量达到临界值时, 裂纹又发生新的扩展。这一过程周而复始持续进行, 直至成为宏观裂纹。可见, 氢致裂纹从潜伏、萌生、扩展直至开裂是具有延迟特征的, 而裂纹的扩展又是一个断续的过程。因此, 可以认为延迟裂纹就是由许多单个的微裂纹过程合并而成的宏观裂纹。

3 切割工艺改进措施

3. 1 预热
消除切边裂纹的最佳方法是在切割之前进行预热。预热不仅能降低冷却速度, 改善切割处的组织,而且有利于氢的逸出。在某种程度上, 这也可以降低切割边缘的残余应力。预热温度取决于钢板的硬度等级和厚度, 经大量生产实践总结出如表1 所示的预热工艺。预热可以通过燃烧枪、电子加热垫进行, 如图1 所示, 也可以使用加热炉加热, 在加热点的背面测量所需的温度。需要注意的是, 预热时要使整个钢板截面均匀受热, 以免接触热源的区域出现局部过热现象。表1 不同厚度钢板的预热温度硬度级别厚度规格/m m 预热温度/ e
500 H BW板厚< 30 10030 [ 板厚[ 50 150板厚> 50 175图1 耐磨钢板预热

3. 2 低速切割
避免切边裂纹的另外一种方法是保持较低的切割速度。如果无法预热, 则可以使用此方法替代。使用低速切割来预防切割裂纹, 其可靠性不如预热。如果无法实现预热, 则知名切割速度取决于钢板的硬度等级和厚度, 如表2 所示。表2 不同厚度钢板的知名切割速度硬度级别厚度规格/ mm 知名切割速度/ m m # min- 1500 H BW
板厚< 30 20030 [
板厚[ 50 160
板厚> 50 130
将预热和低速切割这2 种方法结合使用, 可以进一步降低切边裂纹的出现几率。

3. 3 缓慢冷却或后加热

无论是否对切割部件进行了预热, 缓慢的冷却速度都会降低切边裂纹的风险。如果将切割后仍然温热的部件堆放在一起, 使用隔热毯将其覆盖, 也可以实现缓慢冷却至室温。在切割部件后立即对其进行加热, 是另外一种可行方法。这将延长钢板保持一定温度的时间, 以便去除氢气, 同时也可以降低切割边缘的残余应力。保温温度应当与表1 所示的一致, 并且平均每毫米钢板厚度的保温时间至少应为5 min。可以使用燃烧枪、电子加热垫或加热炉的方式进行后加热。

4 结语
1) 高强耐磨钢板氧气燃料火焰切割裂纹属于氢致延迟裂纹, 裂纹是在氢、钢板淬硬组织和拘束应力的共同作用下产生的。
2) 通过对钢板采取一定的预热温度、降低切割速度、切后缓慢冷却或后加热等措施, 可以有效地避免或降低切割裂纹。
3) 钢板切割还可以采用水流切割、剪切、锯切或磨料切割、等离子切割和激光切割等, 其中水流切割、剪切、锯切或磨料切割等冷切割可以降低切割裂纹率。
4) 下一步改进措施和主要研究方面: 火焰切割时氧气与燃料的配比、压力的优化、切割枪的喷嘴改进等, 同时研究水流切割、等离子切割等切割方式的
工艺。
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作者简介: 吴涛( 1982- ) , 男, 硕士, 工程师, 主要从事高强耐
磨钢的开发及应用方面的研究。
收稿日期: 2010 年12 月2 日
责任编辑 王亚昆
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