06Cr19Ni10不锈钢水切割工艺设计.docx
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06Cr19Ni10不锈钢水切割工艺设计
06Cr19Ni10不锈钢水切割工艺设计
摘要
随着科技的进步,先进机械制造工艺技术近年来发展迅速,而水射流切割技术是工业上用于下料的较先进和适用的加工方法,已成为近年来国内外学者研究的热点。
利用水射流切割技术能够方便的切割硬度仅次于金刚石的任何材料。
在具体应用时,由于所切割的材料、厚度的不同,切割速度也相应不同,需要选择适当的工艺技术参数,特别是要通过工艺试验数据来确定下料工艺技术参数。
本文参考了国内外大量文献资料,简要介绍了水射流切割技术的工作原理及特点,并以目前工业中应用十分广泛的06Cr19Ni10不锈钢为研究对象,介绍了06Cr19Ni10不锈钢的具体组成成分、性能及应用特点,根据06Cr19Ni10不锈钢特点通过理论推导和试验研究的方法确定了使用水切割技术的相应工艺参数。
关键词:
不锈钢;工艺参数;水切割;
引言
第一章不锈钢分类、性能及应用概述
一、不锈钢的分类
一般来说,不锈耐酸钢简称为不锈钢,具有耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性质的钢种。
同时,将具有耐酸、碱、盐等化学介质腐蚀的钢种称为耐酸钢。
由于两者在化学成分上的差异而使他们的耐蚀性不同,普通不锈钢一般不耐化学介质腐蚀,而耐酸钢则一般均具有不锈性。
不锈钢在国民工业生产中应用广泛,人们根据不锈钢应用范围的不同冶炼出种类繁多的不锈钢,根据不锈钢的用途、性质或抗腐蚀性强弱以及组织结构成分的不同,不锈钢可以分为奥氏体型不锈钢、马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、沉淀硬化型不锈钢以及奥氏体-铁素体型不锈钢五大类型。
奥氏体不锈钢:
其结构成分中含铬大于18%,还含有8%左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。
综合性能好,可耐多种介质腐蚀。
奥氏体不锈钢的常用牌号有1Cr18Ni9、0Cr19Ni9等。
0Cr19Ni9钢的Wc<0.08%,钢号中标记为“0”。
这类钢中含有大量的Ni和Cr,使钢在室温下呈奥氏体状态。
这类钢具有良好的塑性、韧性、焊接性、耐蚀性能和无磁或弱磁性,在氧化性和还原性介质中耐蚀性均较好,用来制作耐酸设备,如耐蚀容器及设备衬里、输送管道、耐硝酸的设备零件等,另外还可用作不锈钢钟表饰品的主体材料。
奥氏体不锈钢一般采用固溶处理,即将钢加热至1050~1150℃,然后水冷或风冷,以获得单相奥氏体组织。
马氏体不锈钢具有较高的强度,但塑性和可焊性较差。
马氏体不锈钢的常用牌号有1Cr13、3Cr13等,因含碳较高,故具有较高的强度、硬度和耐磨性,但耐蚀性稍差,用于力学性能要求较高、耐蚀性能要求一般的一些零件上,如弹簧、汽轮机叶片、水压机阀等。
这类钢是在淬火、回火处理后使用的。
锻造、冲压后需退火。
铁素体不锈钢中含铬15%~30%。
其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高,耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢,属于这一类的有Crl7、Cr17Mo2Ti、Cr25,Cr25Mo3Ti、Cr28等。
铁素体不锈钢因为含铬量高,耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好,但机械性能与工艺性能较差,多用于受力不大的耐酸结构及作抗氧化钢使用。
这类钢能抵抗大气、硝酸及盐水溶液的腐蚀,并具有高温抗氧化性能好、热膨胀系数小等特点,用于硝酸及食品工厂设备,也可制作在高温下工作的零件,如燃气轮机零件等。
沉淀硬化不锈钢:
基体为奥氏体或马氏体组织,沉淀硬化不锈钢的常用牌号有04Cr13Ni8Mo2Al等。
其能通过沉淀硬化(又称时效硬化)处理使其硬(强)化的不锈钢。
奥氏体-铁素体不锈钢同时兼具奥氏体和铁素体不锈钢的优点,并具有超塑性。
奥氏体和铁素体组织各约占一半的不锈钢。
在含C较低的情况下,Cr含量在18%-28%,Ni含量在3%-10%。
有些钢还含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti,N等合金元素。
该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点,与铁素体相比,塑性、韧性更高,无室温脆性,耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高,同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高,具有超塑性等特点。
与奥氏体不锈钢相比,强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。
双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能,也是一种节镍不锈钢。
二、不锈钢的性能
奥氏体型不锈钢在人们的日常生活和国民工业中占据了重要的地位,是使用最为广泛的一类不锈钢。
常见的不锈钢紧固件产品、不锈钢餐具等均采用奥氏体不锈钢材料。
奥氏体不锈钢中铬(Cr)、镍(Ni)合金元素含量较多,抗腐蚀能力较强。
铁素体型不锈钢不含镍,含碳量也比较少。
在四种类型不锈钢中,抗腐蚀能力比较差,但它在高温下,不会产生明显的硬化,耐高温氧化,适宜制造喷嘴、燃烧零件、家用电器部件。
马氏体型不锈钢,这类不锈钢含碳量比较高,热处理后可以获得比较高的硬度。
适宜制造刀具、叶片、阀门、轴承等能够耐高温、耐磨损的设备及零件。
沉淀硬化型不锈钢,要进行固溶处理,固溶处理后,还要在500---600度区间进行时效硬化,提高材料综合性能。
适宜于制造轴类、弹簧、容器等产品。
在日常生产和生活中应用最为广泛的不锈钢是奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢。
通常,不锈钢中的化学元素成分具有下列特点:
各种类型的不锈钢中均含有铬、镍元素,铬能提高不锈钢高温抵抗腐蚀的能力,增加基体强度。
铬元素能够与渗碳体结合,形成合金渗碳体,提高不锈钢的耐磨性;在高温能够有效地阻止奥氏体晶粒的长大,增加高温强度,增加抗腐蚀能力。
而镍元素能增加不锈钢材料的低温冲击韧性以及抵抗腐蚀的能力,镍元素提高材料韧性效果显著,能有效的提高在日常情况下抵抗空气对金属的腐蚀。
同时,镍的热处理稳定性良好,并能够有效地防止氢脆。
而碳元素在不锈钢中的含量较低,除了马氏体不锈钢,其它各类不锈钢的碳元素含量都不高于0.1%,因而,不锈钢材料普遍较软,在冷加工成型时,比较容易产生变形。
表1.1不锈钢检验和试验的方法及标准
序号
检验项目
取样数目
取样部位
试验方法
1
化学成分
1
参阅GB223
参阅GB223
2
拉力试验
2
参阅GB2975
GB228、GB6397中的R4.R7试样
3
冲击试验
2
不同样品
GB229
4
硬度
2
不同样品
GB230.GB231.GB4340
5
腐蚀试验
标准规定
不同样品
GB4334.1---6
6
顶锻试验
2
不同样品
GB233
7
夹杂物
2
不同样品
GB10561
8
晶粒度
1
任何样品
GB6394
9
尺寸
按标准
卡尺、千分尺
10
外观
按标准
肉眼
在人们的日常生活中以及很多紧固件产品的材料都常使用奥氏体不锈钢,常用的奥氏体不锈钢的牌号有:
301、302、303、303Se、304、304L、305、309S等几种,在上述八种300系列不锈钢中,302、303、304这三种不锈钢是常用品种,它们的元素组成为:
302:
1Cr18Ni9
303:
Y1Cr18Ni9
304:
0Cr18Ni9
由于不锈钢材料中铬、镍等合金元素的作用,当不锈钢中铬Cr含量为18%、镍Ni含量为9%时,即(Cr:
Ni)原子的比例为18:
9时,抗腐蚀能力显著提高。
其机理是:
这时9个镍原子和18个铬原子形成稳定的特殊的面心立方固体晶格结构,像一道天然屏障,能够有效地抵抗各种原子侵入基体,也能阻止其它原子与不锈钢表面原子起反应,因此,能够有效地抵抗其它元素原子的侵蚀和反应,抗腐蚀的能力成倍的提高,起到耐腐蚀和不锈的作用。
因此,当铬原子与镍原子之比等于9乘(2:
1)的n倍(n=1、2、3)时,不锈钢的防腐蚀能力都能够产生突变效应,起到大幅度提高防锈的效果。
假若铬原子或镍原子在合金基体中少了,就像足球场上使用了替补队员拉防守,容易被对方攻破球门;同样道理,金属中少铬原子和镍原子,其他铁原子来替代,不锈钢抵抗侵蚀的能力降低,不能达到预期的、有效的防锈的目的。
当然,铬和镍元素在金属中比例提高了,即:
镍大于9%,或铬大于18%,除了形成金属防腐蚀的特殊的晶体结构外,还有一部分铬原子和镍原子可以进入金属基体,增加基体强度。
由于镍的价格比较贵,因此,有些不锈钢中,镍的含量偏少,用其他金属元素代替,形成置换固溶体,代替镍原子,能够取得一定的防腐蚀的效果,但是,与正常配比的不锈钢,在防锈和抵抗腐蚀的能力上,仍然有一定的差距。
因此,工业中使用的紧固件产品中常用的三种不锈钢301、302、303,镍的含量为9%、铬的含量为18%,是典型的镍9铬18型奥氏体不锈钢,防腐蚀性能很好。
它们的合金元素含量基本相同,碳含量有些区别,基本性能相似。
302、303含碳量基本相同,304含碳量比较少。
303容易切削加工,适应金属切削加工成形。
然而,当前有些企业为了降低成本,采用节镍品种替代,在要求不高的产品也许可以使用,但是,对于防腐蚀要求比较高的产品,一定要采用铬18镍9的标准类型的不锈钢。
工业中常用的耐腐蚀性能更强的牌号为316型不锈钢,一般有三个品种,分别是316(0Cr17Ni12Mo2)、316L(00Cr17Ni14Mo2)、316N(0Cr17Ni12Mo2N),在316不锈钢中,由于含镍量大于9%,一般为12%-14%,因此,无论是抗腐蚀能力,还是基体强度,比302、303、304有很大的提高。
另外由于加入了2%的钼元素。
钼是抗热敏金属元素,常用来配制高温合金。
钼的热稳定性能良好,在高温能够有效地阻止奥氏体晶粒的长大。
因此,能够增加高温抗拉强度及高温抗儒变能力。
同时,也能起到细化晶粒,降低回火脆性的作用。
从合金结构上,可以看到316型不锈钢各项性能都优于302、303、304不锈钢。
但是,由于,钼是属于稀有元素,镍是贵重金属,因此,316不锈钢价格要比302、303、303贵得多。
一般情况下,产品要求不是很高,可以用302、303、304类型的不锈钢;对于防腐蚀要求高、抗拉强度要求高、同时要求有一定冲击韧性的产品,可以用316类型的不锈钢。
几种常用奥氏体不锈钢的各国标准
国别标准
标准号
302
303
304
316
中国标准
GB1220
1Cr18Ni9
Y1Cr18Ni9
0Cr!
8Ni9
0Cr17Ni12Mo2
国际标准
ISO683
12
17
11
20
美国标准
AISI
302
303
304
316
ASTM
S30200
S30300
S30400
S31600
德国标准
DIN17440
X12CrNi188
X12CrNiS188
X5CrNi189
X5CrNiMo1810
日本标准
JIS
SUS302
SUS303
SUS304
SUS316
英国标准
BS
302S25
303S21
304S15
316S16
随着我国国民经济的快速发展,我国生产的紧固件产品不仅数量巨大,并广泛出口到全世界各个国家和地区。
三、不锈钢材料的热处理
不锈钢材料的热处理与其它金属材料的热处理有所不同。
一般金属材料的热处理是加热淬火得到马氏体组织,从而,大幅度地提高硬度与强度。
不锈钢热处理是以固溶处理为主。
但是,每种类型的不锈钢热处理的方法是不同的。
奥氏体不锈钢:
固溶处理。
铁素体不锈钢:
退火处理。
马氏体不锈钢:
淬火处理(与一般合金钢热处理方法相同)。
沉淀硬化不锈钢:
固溶加时效处理。
303、303、304、316等几种常用不锈钢都属于奥氏体不锈钢,需要进行固溶处理。
通过加热,金属原子能够在金属基体内自由流动。
在一定的温度下(每种钢材的加热温度是不同的),不锈钢中的镍原子和铬原子能够自由流动,一直流动到稳定的固体晶格结构,为了保持这种状态,必须把加热状态下的不锈钢放到油中冷却,从而达到有稳定的晶体结构,才能起到防止腐蚀的目的。
由于,这一过程很像在溶液中进行,因此,加热状态下的金属合金称为固溶
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