Terminen leikkaus ja kuumilla oikominen

KUUMAVALSSATUT TERÄSLEVYT JA -KELAT
Terminen leikkaus ja kuumilla
oikominen
www.ruukki.fi
Kokosimme tähän ohjelehteen kuumavalssattujen terästen termiseen leikkaukseen ja kuumilla oikomiseen liittyvää tietoa:
• polttoleikkaus
• plasmaleikkaus
• laserleikkaus
• kuumilla oikominen.
• Terminen leikkaus
Kuumavalssattujen teräslevyjen terminen leikkaus on tyypillinen konepajatyö, jolla tehdään levyn määrämuotoon leikkausta ja
hitsausrailojen valmistusta. Termisiä leikkaustapoja ovat polttoleikkaus, plasmaleikkaus ja laserleikkaus.
Kylmän sään vallitessa on lämpötilan vaikutus teräslevyn käsiteltävyyteen otettava huomioon myös konepajassa. Teräksen lujuudesta riippumatta on onnistuneen termisen leikkauksen perusedellytys, että ennen leikkauksen aloitusta teräslevyn annetaan lämmetä läpikotaisin huoneenlämpötilaan +20 °C. Kuvassa 1 on esitetty lämpenemiseen kuluva aika, kun teräslevy tuodaan pakkasesta
sisälle hallitilaan. Kuvan mittaukset on tehty kolmella eri paksuudella.
Kuva 1.
Kylmien (-20 °C) teräslevyjen lämpenemisaika
Koe on suoritettu Rautaruukilla Raahessa helmikuussa 2011. Hallin lämpötila +20 °C - +22 °C.
Levykoot 12 x 1000 x 2000, 21 x 1000 x 1600 ja 40 x 1000 x 2000 mm.
+25
+20
+15
Lämpotila, °C
+10
+5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 24
-5
-10
-15
Hallin lämpötila
-20
t1 = 12 mm
t 2 = 21 mm
-25
t3 = 40 mm
Aika, tuntia
Kuvan 1 koe antoi seuraavat levyn lämpenemistulokset -20 °C:sta +17 °C:een:
• noin 8 tuntia levypaksuudelle 12 mm
• noin 12 tuntia levypaksuudelle 21 mm
• noin 17 tuntia levypaksuudelle 40 mm.
Levyn pinta ja keskiosa lämpenevät näin hitaassa muutoksessa yhtä nopeasti. On korostettava, että päällekkäin pinotut isot paksut levyt lämpenevät vielä kuvan esimerkkiä hitaammin. Nyrkkisääntönä voi päätellä, että pakkasessa olleen kylmän levyn (leveys
2 m, pituus 6 m) lämpeneminen hallissa huoneenlämpötilaan kestää noin vuorokauden. Siirrä kylmässä varastoidut levyt edellisenä
työpäivänä konepajaan.
Teräksen termisessä leikkauksessa ei yleensä tarvita erikoistoimenpiteitä 500 MPa myötölujuusluokkaan saakka. Teräksen lujuuden ja kovuuden kasvaessa tarvitaan esimerkiksi polttoleikkauksessa esikuumennusta. Taulukossa 1 on esitetty eri teräslajien
termisessä leikkauksessa huomioitavat erityispiirteet. Kaikki Ruukin valmistamat teräkset soveltuvat termiseen leikkaukseen.
2
Taulukko 1.
Erityispiirteet kuumavalssattujen teräslajien termisessä leikkauksessa
Terminen leikkaus
Multisteel ja Multisteel N
Soveltuu poltto-, plasma- ja laserleikkaukseen.
Ruukki Laser 250 C/355 MC/420 MC
Soveltuu erinomaisesti erityisesti laserleikkaukseen.
Optim 500/550/600/650/700 MC ja Optim 700 MC Plus
Leikkausreunaan muodostuu kapea pehmennyt vyöhyke.
Optim 500 ML
Soveltuu poltto-, plasma- ja laserleikkaukseen.
Optim 900/960/1100 QC ja Optim 960 W
Leikkausreunaan muodostuu kapea pehmennyt vyöhyke.
COR-TEN ® B
Leikataan termisesti kuten muitakin S355-lujuusluokan teräksiä.
Yli 15 mm paksujen levyjen polttoleikkauksessa noudatetaan
hitsaukseen annettuja työlämpötilasuosituksia.
Polttoleikkauksessa teräksen pintaan muodostuvat vastaavat mikrorakennevyöhykkeet kuin hitsausliitoksessa. Polttoleikatun
pinnan karkenemista edistää pinnan hiilettyminen (hiilipitoisuuden kohoaminen). Hiilettyminen aiheutuu teräksen valikoivasta
palamisesta, ja koska leikkauspintaan muodostunut rautaoksidikalvo estää hiilimonoksidin muodostumisen, suurenee sulassa
tilassa olevan kerroksen hiilipitoisuus. Hiilettyneen kerroksen syvyys on rakenneteräksellä alle 0,1 mm. Muutosvyöhykkeen leveys
jää normaalisti alle 5 mm.
Teräksen ainepaksuus vaikuttaa polttoleikkauksessa kuumenemis- ja jäähtymisnopeuteen ja sitä kautta pinnan kovuuteen ja
raekokoon. Pinnan enimmäiskovuus muodostuu sitä suuremmaksi mitä paksumpaa levyä leikataan. Syntyvän enimmäiskovuuden
määrää ensisijaisesti kuitenkin teräksen hiilipitoisuus.
Liialliselta karkenemiselta vältytään käyttämällä esikuumennusta. Esikuumennus alentaa polttoleikkausreunan kovuutta ja
parantaa sen muodonmuutoskykyä sekä helpottaa mahdollista levyn reunan mekaanista työstöä ja nopeuttaa itse polttoleikkaustapahtumaa. Esikuumennustarve riippuu mm. levynpaksuudesta, teräksen karkenevuudesta (kemiallisesta koostumuksesta) sekä
leikkausmenetelmästä (kaasusta) ja nopeudesta.
Yleisohje esikuumennustarpeelle T(°C) on:
T
= 500 √Cekv -0,45, kun levynpaksuus t = 5 – 100 mm
T
= 500 √Cekv • (1 + 0,0002 t) -0,45, kun levynpaksuus t > 100 mm)
Cekv= C + 0,155 (Cr + Mo) + 0,14 (Mn + V) + 0,115 Si + 0,045 (Ni + Cu)
Polttoleikkauksessa tapahtuva pinnan karkeneminen lisää pintaosan lujuutta, mutta lujittunut alue on hyvin kapea. Väsymiskestävyyden kannalta polttoleikattu reuna ei ole heikompi esimerkiksi hiottuun reunaan verrattuna.
Yhteisenä piirteenä plasmaleikkausmenetelmille verrattuna polttoleikkaukseen on suuri leikkausnopeus, mistä johtuen lämpövaikutusalue jää kapeammaksi, mutta kovuus leikkauspinnassa nousee yleensä suuremmaksi.
Mahdollisimman hyvä leikkauspinnan tasaisuus on edullisinta väsymiskestävyyden kannalta.
Hyvälaatuisella laserleikatulla levynreunalla on hyvä väsymiskestävyys, joka on lähellä kuumavalssatun pinnan väsymiskestävyyttä. Tämä johtuu leikkausprosessin lämpökäsittelevistä vaikutuksista, joiden seurauksena reunaan muodostuu kova ferriittismartensiittis-bainiittinen mikrorakenne. Kova mikrorakenne yhdessä mahdollisesti syntyneiden puristusjännitysten kanssa parantaa väsymiskestävyyttä. Laserleikkausjäljen pieni pinnankarheus vaikuttaa väsymiskestävyyteen ratkaisevasti.
Hyvälaatuisella mekaanisesti leikatulla reunalla on lähes kuumavalssatun pinnan veroinen väsymiskestävyys.
3
Karkaistavat booriteräkset
Booriteräksen hyvä karkenevuus on huomioitava, kun sitä leikataan termisesti kuumavalssatussa tilassa. Polttoleikkauspinnan
karenneen kerroksen kovuus ja syvyys riippuvat leikkausmenetelmästä ja leikkauskohtaan tuodusta lämpömäärästä. Karkenemissyvyys polttoleikkauksessa levynpaksuuksilla alle 30 mm on alle 1 mm.
Polttoleikkausreunan karkeneminen happi-propaanileikkauksessa teräksillä B 24, B 27 ja S355-lujuusluokan rakenneteräksellä on
esitetty kuvassa 2. Leikkausnopeus on 40 cm/min. Kun leikkausnopeutta pienennetään nopeuteen 20 cm/min, laskee booriterästen
maksimikovuus kovuuteen 400 HV.
Kuva 2.
Polttoleikkausreunan karkeneminen happipropaanileikkauksessa
B 27 8 mm
600
B 24 10 mm
S355J2+N 8 mm
Kovuus HV 0,3
500
Leikkausnopeus 40 cm/min.
400
300
200
0,2
0,6
1,0
1,4
1,8
Etäisyys leikkausreunasta mm
Karkenemissyvyys plasmaleikkauksessa on pienempi kuin polttoleikkauksessa (vesiplasmalla n. 0,5 mm), mutta pinnan kovuus sitä
vastoin suurempi kuin polttoleikkauksessa.
Leikkauspinnan liiallinen karkeneminen vaikuttaa levyn taivutettavuuteen kuumavalssatussa tilassa. Liian voimakasta karkenemista polttoleikkauksessa voidaan välttää käyttämällä riittävää esikuumennusta (150 – 200 °C).
Karkaistun booriteräksen polttoleikkauspinnan alle muodostuu perusainetta pehmeämpi alue, jonka syvyys on noin 2 mm. Myös
karkaistun booriteräksen polttoleikkauksessa on syytä käyttää esikuumennusta, varsinkin paksuimmilla levyillä. Karkaistua booriteräslevyä ei saa ottaa suoraan kylmästä termiseeen leikkaukseen.
• Kuumilla oikominen
Teräskappaletta voi kuumilla oikomalla muotoilla halutun mukaiseksi. Kuumilla oikomista käytetään myös jo työstetyn teräskappaleen alkuperäisen muodon palauttamiseen, kun teräskappale poikkeaa konepajakäsittelyjen jälkeen halutun mukaisesta muodosta.
Kuumilla oikomisessa kuumennus on joko pinnallinen tai se tunkeutuu pintaa syvemmälle, syvimmillään koko paksuusalueelle. Kuumennussyvyys on valittava aiotun oikenemisvaikutuksen voimakkuuden perusteella. Oikaisuliekin on oltava terävä, paikallinen ja
lyhytkestoinen. Oikaisuteho lisääntyy liekin terävyyden ohella sen tarkalla kohdistamisella. Tarpeettoman kuuman liekin käyttöä
on varottava. Teräksen pinta ylikuumenee ja tyssäytyy, eikä oikaisuteho parane. Liian kuuma oikaisu saattaa vaikuttaa teräksen
ominaisuuksiin heikentävästi.
Eurooppalaiset rakenneteräkset määritellään standardisarjassa EN 10025-1, -2, 3, -3, -4, -5 ja -6. Lujat kylmämuovattavat teräkset
esitellään standardisarjassa EN 10149-1, -2 ja -3. Kaikkia näitä standarditeräksiä voi tietyin edellytyksin oikoa kuumilla. Kuumilla
oikomisen huippulämpötilan on pysyttävä taulukossa 2 esitettyjen enimmäislämpötilojen mukaisena. Tällä varmistetaan teräkseltä
vaadittujen ominaisuuksien saavuttaminen myös kuumilla oikaisun jälkeen.
4
Taulukko 2.
Kuumilla oikominen. Kuumavalssatut teräkset, suositellut enimmäislämpötilat
Teräksen toimitustila
1)
1)
Kuumilla oikomiseen suositellut enimmäislämpötilat
Lyhytkestoinen,
pinnallinen kuumennus
Lyhytkestoinen, koko paksuusalueen
kuumennus
Pitempikestoinen, koko paksuusalueen kuumennus
Normalisoitu
Normalisointivalssattu
N
N
≤ 900 °C
≤ 700 °C
≤ 650 °C
Termomekaanisesti valssattu,
lujuusluokkaan S460 saakka
TM
≤ 900 °C
≤ 700 °C
≤ 650 °C
Termomekaanisesti valssattu
S500 – S700
TM
≤ 900 °C
≤ 600 °C
≤ 550 °C
Nuorrutettu
QT
Nuorrutusteräksen valmistuksessa käytetty päästölämpötila
vähennettynä 20 °C:lla. Enimmäislämpötila yleensä ≤550 °C.
CEN tekninen raportti CEN/TR 10347:2006 ”Guidance for forming of structural steels in processing”.
Normalisoituja teräksiä voi yleensä kuumilla oikoa korkeammissa lämpötiloissa kuin erikoislujia, termomekaanisesti valssattuja
tai nuorrutettuja teräksiä. Perinteiset kuumavalssatut (so. valssaustilaiset) teräkset käyttäytyvät kuumilla oikomisessa normalisoitujen ja normalisointivalssattujen terästen tavoin. Normalisoidun, normalisointivalssatun ja kuumavalssatun teräksen lujuus on
lämpökäsittelyissä ”pysyvintä”, sillä koko lujuus on aikaan saatu seostuksella.
Termomekaanisesti valssatun teräksen peruslujuus syntyy seostuksesta; lisälujuus saadaan valssaustekniikalla ja valssauksen
jälkeisellä jäähdytyksellä. Seostuksen osuus TM-teräksen lujittamisessa pienenee teräksen lujuusluokan kasvaessa.
Nuorrutusteräksen valmistusprosessiin kuuluvat valssauksen jälkeinen hehkutus austenitointilämpötilassa, sitä seuraava sammutus (Q = Quenching) ja lopuksi päästö (T = Tempering). Päästössä nuorrutusteräs hehkutetaan riittävän sitkeyden saavuttamiseksi
ns. päästölämpötilassa, joka on austenitointilämpötilaa alempi.
Karkaistut teräkset valmistetaan nuorrutusterästen tavoin. Karkaistun teräksen viimeisin valmistusvaihe on sammutus eli
karkaisu, mistä tulee teräksen nimitys. Karkaistua terästä ei siis varsinaisesti päästöhehkuteta, mikä erottaa sen nuorrutusteräksestä myös ominaisuuksien osalta. Karkaistujen terästen kuumilla oikomisessa on noudatettava erityistä tarkkuutta ja huolellisuutta. Enimmäislämpötilaksi suositellaan korkeintaan 450 °C. Vaihtoehtoina kuumilla oikomiselle voi käyttää tunkilla oikomista
tai puristimia. Ohuita levyrakenteita voi oikaista myös yhdistämällä tunkilla oikaisuun vasartaminen. Tunkilla oikaisun ja kuumilla
oikaisun yhdistämistä ei suositella, sillä se voi johtaa oikaistavan kappaleen vaurioitumiseen.
Raex-kulutusterästen kuumilla oikomista voi tehdä ottamalla huomioon näiden terästen mekaaniset ominaisuudet, jotka on saatu
aikaan lämpökäsittelyllä. Raex-kulutusterästen lämpökäsittelyt on kielletty. Pitempiaikainen lämpötilan nousu yli 250 °C laskee
teräkseltä vaadittuja ominaisuuksia.
Kuumilla oikaisussa ns. kuumakohdan lämpötila saa olla korkeintaan 450 °C, muuten tapahtuu paikallista päästymistä ja kovuuden
laskua. Kuumien käytössä on oltava erikoisen varovainen, jos rakenteeseen kohdistuu vaihtelevaa, väsyttävää kuormitusta. Väsyttävän kuormituksen alaisia rakenteita ovat esimerkiksi puhaltimien siivet.
5
Ruukki Metals Oy U Suolakivenkatu 1, 00810 Helsinki
S 020 5911 w www.ruukki.fi
Copyright © 2011 Rautaruukki Oyj. Kaikki oikeudet pidätetään. Ruukki, Rautaruukki, More With Metals ja Ruukin tuotenimet
ovat Rautaruukki Oyj:n tavaramerkkejä tai rekisteröityjä tavaramerkkejä.
MFI.001FI/12.2011/AN
Ruukki on metalliosaaja, johon voit tukeutua alusta loppuun, kun tarvitset metalleihin pohjautuvia
materiaaleja, komponentteja, järjestelmiä ja ratkaisukokonaisuuksia. Kehitämme jatkuvasti toimintaamme ja tuotevalikoimaamme vastaamaan tarpeitasi.