Кисневе різання є одним з найбільш поширених процесів газополум'яної обробки металів. Вона широко використовується в металообробці і металургії при різанні листів, заготовок профільного прокату, труб і т.д.
Розрізняють два види кисневого різання: розділовий і поверхневу.
При розділової різанні утворюються наскрізні розрізи, а при поверхневій - канавки круглого обриси.
Розділове різання проводиться без і зі скосом кромок під зварювання, а поверхневе буває або суцільним, коли обробляється вся поверхня заготовки за один прохід, або вибіркова з видаленням поверхневого шару металу.
На відміну від зварювання кисневе різання на вертикальній площині або в стельовому положенні не представляє труднощів і може здійснюватися в будь-якому просторовому положенні.
У процесі різання метал розплавляється і випливає з порожнини різу. Однак залізо легко окислюється, а в чистому кисні горить і перетворюється в оксиди і шлаки.
До термічної та хімічної дії може приєднуватися механічна дія струменя газу, яка викидає рідкі та розм'якшені продукти з порожнини різу.
При кисневому різання відбувається хімічна реакція згоряння заліза в кисні.
Залізо і сталь не загоряються, як відомо в кисні при низьких температурах, тому кисень зберігають у стальних балонах. Температура початку горіння металу заздрості від його хімічного складу і дорівнює 1000-1200 о С. Температура початку горіння підвищується зі збільшенням змісту вуглецю в металі при одночасному зниженні температури його плавленні. Високоякісне кисневе різання металу можливе лише в тому випадку, якщо він горить у твердому стані. Якщо ж метал спалахує лише при расплавлении, то в процесі різання він витікає з порожнини різу і рез виходить широким і нерівномірним.
1. Температура спалаху (початку горіння) металу повинна бути нижча температури його плавлення. У цьому випадку метал горить у твердому стані, поверхня гладенька, краї кромок не підправляються, шлак легко видаляється з порожнини різа, форма різа залишається постійною. Технічне залізо горить у кисні при температурі 1050-1360°С залежно від його стану (прокат, порошок та ін.), у той час, як температура плавлення його дорівнює 1539°С.
Не ріжеться алюміній, бо температура його спалаху становить 900°С, а плавлення - 660°С.
2.Температура плавлення оксидів і шлаків повинна бути нижчою температури плавлення металу. В цьому випадку вони стають рідкотекучими і безперешкодно видаляються з різа кисневим струменем. Температура оксидів відповідно дорівнює 1350°С і 1400°С, тобто нижча температури плавлення заліза. Сталі з вмістом вуглецю більше 0,65% мають температуру плавлення нижчу температури плавлення оксидів заліза і різання їх ускладнюється.
Деякі метали утворюють оксиди з високими температурами плавлення, наприклад, оксиди алюмінію — 2050°С, хрому — 2270°С, нікелю — 1985°С, міді — 1230°С. При звичайному окиснювальному різанні вони не можуть бути видалені з різа, тому що закривають місце окиснення від струменю кисню, і різання стає неможливим.
3. Метали повинні мати низьку теплопровідність, щоб не було сильного тепловідводу від місця різання. При різанні міді, алюмінію та їх сплавів практично не вдається зосередити нагрівання їх до температури спалаху по всій товщині листа.
4. Кількість тепла повинна бути достатньою для підтримання безперервного процесу різання.
5. Утворені оксиди повинні бути рідкотекучими.
6. У металі повинна бути обмежена кількість домішок, які перешкоджають різанню.
Властивість металів розрізатися киснем без утворення загартованої ділянки поблизу місця різання називають розрізуваністю.
Шорсткість поверхні сталі полегшує її загоряння. Пухкість матеріалів знижує температуру спалаху. Наприклад, сталевий прокат інтенсивно окиснюється при температурі 1050°С, а залізний порошок починає горіти в кисні при температурі 315°С.
При тиску кисню 25 кгс/см2 і швидкості потоку 180 м/сек температура спалаху низьковуглецевої сталі в кисні знижується до 700-750°С.
Чисте залізо горить у кисні при температурі 1050°С; при вмісті вуглецю 0,7% температура горіння підвищується до 1300°С.
При кисневому різанні поблизу різа утворюється зона термічного впливу, що сприяє утворенню тріщин при охолодженні кромок.
При різанні нержавіючих сталей можлива міжкристалічна корозія, тому кромки цих сталей після різання киснем часто фрезерують на глибину 0,5 - 3 мм при товщині до 100 мм.
Для деяких високолегованих сталей після різання киснем застосовують термічну обробку для відновлення структури металу на кромках. Розрізуваність сталей наведена в табл. 1 та 2.
Табл. 1. Характеристика розрізуваності вуглецевих сталей
Сталь
Характеристика розрізуваності
Низьковуглецева
Якщо вміст вуглецю до 0,3% — розрізуваність добра
Середньовуглецева
При збільшенні вмісту вуглецю від 0,3 до 0,7% різання ускладнюється
Високовуглецева
При вмісті вуглецю від 0,7% до 1% різання ускладнене і необхідний попередній підігрів до 300-700°С. Коли вміст вуглецю більше 1-1,2%, то різання неможливе (без застосування флюсів)
Табл. 2. Характеристика розрізуваності конструкційних сталей
Вміст вуглецю, %
Розрізуваність сталі
Марка сталі
До 0,3
Різання в будь-яких умовах без обмежень і без підігріву до і після різання
15Г, 20Г, 10Г2, 15М, 15НМ та ін.
До 0,5
У літній час добре без підігріву, в зимовий час ускладнюється необхідністю підігріву до 150°С
ЗОГ, 40Г, 30Г2, 15Х, 20Х, 15ХФ, 10ХФ, 15ХГ, 20М, 12ХНЗА, 20ХНЗА та ін.
До 0,8
Різання утруднюється здатністю до утворення загартованих тріщин. Необхідний попередній підігрів до 300°С
50Г-70Г, 35Г2-50Г2, 30Х-50Х та ін. 12ХМ-35ХМ, 40ХН-50ХН, 12Х2Н4А-20Х2Н4А 40ХФА, 5ХНМ, ШХ10, 25ХМФА та ін.
Більше 0,8
Різання утруднюється здатністю до утворення тріщин після різання. Необхідний попередній підігрів до 300-400°С і уповільнене охолодження після різання
25ХГС-50ХГС, ЗЗХС-40ХС, 20X3, 35ХЮА, 37ХНЗА, 35Х2МА, 25НВА, 38ХМЮА, 40ХГМ, 45ХНМФА, 50ХГА, 50ХФА, 50ХГФА, ШХ15, ШХ15СГ та ін.
Марганець — при його вмісті до 0,6% сталі ріжуться без ускладнень, але твердість поверхні різа значно підвищується порівняно з твердістю основного металу.
Кремній — коли вміст вуглецю малий, то сталь із наявністю кремнію до 4% добре ріжеться. Коли вміст вуглецю більше 0,2%, задовільно ріжуться сталі з вмістом кремнію до 2,5%.
Хром — добре ріжуться сталі з вмістом вуглецю до 0,7% і до 1,5% хрому; якщо вміст вуглецю у сталі до 0,4% і хрому до 5% необхідний попередній підігрів. Коли вміст хрому більше 6% сталь не ріжеться.
Нікель — при вмісті вуглецю до 0,5%, задовільно ріжуться сталі, до складу яких входить до 35% нікелю без значних добавок інших елементів.
Вольфрам — якщо вміст вуглецю до 0,7% і вольфраму до 10%, сталь ріжеться без труднощів. Коли вміст вольфраму — 10-15%, різати можна тільки з попереднім підігрівом.
Молібден — вміст молібдену до 2% не впливає на процес різання. Якщо вміст молібдену більше 3,5%, ріжуться тільки сталі з вмістом вуглецю не більше 0,3%.
Мідь — вміст міді до 0,7% на процес різання не впливає.
Алюміній — вміст алюмінію до 0,5% на процес різання не впливає. Коли вміст більший, то погіршується різання. Якщо вміст алюмінію більше 10%, сталь не ріжеться.
Сірка і фосфор — якщо загальний вміст цих елементів доходить до 0,1%, то вони на процес різання не впливають.