Холодная механическая обработка сталей повышенной прочности

Большой вклад в изучение и определение оптимальных способов механической обработки низколегированных сталей внесли А. А. Абаринов, Л. Б. Цальман и др.

Резка. Резка продольных и торцевых прямолинейных кромок низколегированной листовой стали производится на гильотинных ножницах. Резка уголков осуществляется угловыми ножницами или пилами. Резка низколегированной стали с пределом текучести до 400 Н/мм² не вызывает каких-либо затруднений. Очень незначительно увеличивается трудоемкость этой операции при повышении предела текучести стали до 450-500 Н/мм². При этом имеет место некоторое скашивание кромки.

Резка низколегированной стали ножницами может производиться на обычном оборудовании при толщине листов до 20 мм. Ножи рекомендуется изготовлять из стали 5ХВ2С. Для обеспечения удовлетворительного качества кромок разрезаемого металла следует периодически производить шлифовку ножей.

Процесс резки протекает спокойно. Трещин, выколов и надрывов, как правило, не наблюдается. Чистый срез имеет место на глубине 2-8 мм, а затем происходит скалывание. Поверхность реза чистая без заусенцев.

Л. Б. Цальман, изучая технологию резки при отрицательных температурах листов из низколегированной стали марки 09Г2С, не обнаружил надрывов и трещин.

Строжка кромок. Строжка кромок и снятие фасок в условиях заводов металлоконструкций осуществляется на кромкострогальных станках.

Выполненные в институте ЦНИИпроектстальконструкция Л. Б. Цальманом исследования процесса строжки кромок листов, порезанных кислородной резкой и на гильотинных ножницах, показали, что производительность труда и стойкость инструмента определяются химическим составом стали и качеством изготовления режущего инструмента.

Строжка кромок листов из низколегированных сталей, порезанных на гильотинных ножницах, затруднений не вызывает. Для строжки применяют резцы с пластинками из быстрорежущей стали Р9 и Р18.

Предварительная кислородная резка деталей несколько осложняет условия строжки из-за структурных изменений, происходящих на поверхности кромок. В этом случае трудоемкость строжки определяется химическим составом стали и толщиной листов.

В связи с тем, что сталь марок 09Г2 и 09Г2С мало склонна к закалке, твердость поверхности реза при кислородной резке с увеличением толщины листа повышается незначительно, что практически не отражается на обрабатываемости. Строжка кромок после кислородной резки производится без затруднений.

Строжка кромок после кислородной резки более легированных сталей повышенной прочности (10Г2С1, 10ХСНД, 15ХСНД, 16Г2АФ и др.) затруднена. Зона термического влияния кислородной резки в такой стали распространяется на глубину до 3 мм. Стойкость резцов снижается.

Замедленное остывание металла после резки в результате дополнительного нагрева области реза значительно облегчает последующую строжку кромок.

По данным А. А. Абаринова, кромки и торцы после всех видов предварительной обработки, включая и газовую резку, без затруднений подвергаются фрезерованию головками, оборудованными резцами из сплава Т5К10. Окружная скорость фрезерования до 150 м/мин. Подача фрезы до 80 мм/мин.

Сверление и продавливание отверстий. Производительность сверления монтажных отверстий в пакетах из листов низколегированной стали ниже по сравнению со сверлением отверстий в углеродистой стали СтЗ. Это обусловило необходимость снижения параметров резания. Стойкость сверл из стали Р9 или Р18 также снижается.

Для наиболее эффективного осуществления операции продавлива-ния отверстий в заготовках из низколегированной стали повышенной прочности рекомендуется изготавливать пуансоны из стали 5ХВ2С.

В последнее время расширяется область применения конструкций с болтовыми соединениями. При изготовлении этих соединений на заводах металлических конструкций все шире используют высокопроизводительный процесс изготовления отверстий под болты методом холодной прошивки отверстий. При этом металл на кромках отверстий может охрупчиваться под действием наклепа и остаточных напряжений, особенно при последующем горячем цинковании. В последнем случае причиной охрупчивания являются газы, в первую очередь водород, насыщение которыми поверхности кромок может происходить как при нанесении покрытий, так и при подготовке поверхности металла к цинкованию. Охрупчивающий эффект прошивки отверстий может снижаться полигонизационным отжигом.

Поэтому проводили сравнительные испытания образцов с отверстиями диам. 20 мм, сформированными прошивкой с последующим цинкованием. Образцы изготавливали из полос низколегированной стали типа 09Г2С и упрочненной в потоке стана малоуглеродистой стали одинаковой прочности толщиной 10 мм.

Рассматриваемые детали из термомеханически упрочненных сталей более хладостойки, чем из горячекатаной низколегированной стали; несмотря на равенство временного сопротивления обоих материалов, разрушающее напряжение во всех случаях у термомеханически упрочненной стали выше, чем у горячекатаной стали 09Г2С. Понижение температуры испытаний не приводит к снижению этих свойств рассматриваемых сталей.

Правка и гибка стали. Правка листовой стали в холодном состоянии производится на вальцах или прессах. Уголки правят на углоправильных вальцах.

Трудоемкость правки листов из низколегированных сталей в зависимости от их прочности увеличивается на 20-40 % по сравнению с правкой листов аналогичной толщины из углеродистой стали СтЗ.

Исследования процесса холодной гибки проката из различных марок низколегированной стали показали, что если деформируемые кромки (перпендикулярные к линии гиба) предварительно обрезаны на гильотинных ножницах, то независимо от радиуса гибки появляются надрывы и трещины у кромок по линии гиба.

Предварительная кислородная резка кромок дает при гибке различные результаты, которые зависят от содержания в стали углерода и легирующих элементов, а также от радиуса гиба. Последующая строжка кромок дает положительные результаты при радиусе гибки не менее 1,7 толщины листа.

Следует отметить, что минимальный радиус пуансона при гибке регламентирован действующими техническими условиями и не должен быть меньше 1,8 толщины проката при работе конструкций на статическую нагрузку и не менее 5 толщин — при динамических нагрузках.

В практике судостроения минимальный радиус гибки листов толщиной до 15 мм установлен равным 5 толщинам.

При гибке оправкой с радиусом, равным двум толщинам проката, низколегированной стали с пределом текучести до 500 Н/мм² (строганная кромка) трещин и надрывов на кромках не обнаруживали.

Для элементов конструкции с пределом текучести более 450 Н/мм², обрезанных кислородной резкой, радиус гибки должен быть не менее 4-х толщин листа.

Влияние гибки, правки и других видов холодной механической обработки на свойства низколегированной стали было изучено в работах.

Холодная гибка на вальцах при остаточной деформации до 4% повышает предел текучести стали типа 16ГС не более чем на 20 % и снижает относительное удлинение и другие характеристики не более чем на 3 %. На временное сопротивление, сужение шейки, а также угол загиба указанные операции не оказывают влияния. При этом прочность стали при хрупком разрушении, установленная при статическом растяжении при температурах до -60° С больших образцов с боковыми надрезами, не понижается, а напротив, имеет тенденцию к некоторому возрастанию. Ударная вязкость стали при отрицательной температуре несколько снижается, порог хладноломкости при этом несколько (не более чем на 20° С) смещается в сторону положительных температур.

В работе установлено, что для листовой стали 10ХСНД относительное удлинение и ударная вязкость при температуре —40° С сохраняются на достаточно высоком уровне при остаточной деформации порядка 5-6%, а при больших степенях деформации — становятся ниже установленных требований. При этом предел текучести монотонно возрастает и при деформации около 40 % у листов толщиной 15 мм увеличивается с 400 Н/мм² до 570 Н/мм², а у листов толщиной 26 мм — с 450 до 750 Н/мм². Для стали 15ХСНД критическая деформация, при которой относительное удлинение сохраняется на требуемом уровне, составляет примерно 7%, а для сохранения уровня ударной вязкости критическая деформация не должна превышать 4%.

При изготовлении и монтаже конструкций из низколегированной стали жестко ограничивают допускаемые минимальные радиусы при гибке в холодном состоянии. Согласно существующим требованиям, этот радиус должен быть не менее 25 толщин проката, остаточная пластическая деформация и радиус кривизны установлены исходя из того, что остаточная пластическая деформация при гибке не должна превышать длины площадки текучести, которая ориентировочно составляет 2%.

В работе установлены значения пластической деформации, до которых низколегированная сталь сохраняет высокие эксплуатационные свойства Выявлено, что с повышением степени пластической деформации или гибки до 4 % прочность при вязком и хрупком разрушениях в интервале температур до —60° С возрастает при статических нагрузках. Однако при динамических нагрузках имеет место повышение склонности стали к хрупкому разрушению. Под действием гибки границы критического интервала хрупкости низколегированной стали смещаются на 20° С в сторону повышенных температур. Поэтому допустимый радиус гибки должен выбираться с учетом условий эксплуатации конструкций.

Установлено, что низколегированная сталь, предназначенная для конструкций, эксплуатирующихся при статических нагрузках при положительных и отрицательных температурах, а также воспринимающих динамические нагрузки при положительных температурах, может подвергаться гибке с радиусом не менее 12 толщин, что соответствует остаточной деформации около 4%.