Что такое окалина на металле при сварке

Обновлено: 07.01.2025

Что это такое? Окалина металла – это, по сути, оксид железа, который образуется во время проката или любой другой термической обработки. Несмотря на то, что никакими ценными свойствами данный продукт окисления не обладает, его используют как сырье для получения железа путем проведения восстановительных процедур.

Как удалить? Таким образом, сразу после обработки детали окалину необходимо убрать. Для этого есть несколько подходов в зависимости от структуры образования. Некоторые типы удаляются легко обдувом, для других нужны специальные устройства.

Механизм образования окалины

В ходе взаимодействия с кислородом воздуха и окисления при горячем прокате на его поверхности образуется окалина. Помимо окислов железа, она может содержать оксиды иных элементов. Как показывает анализ, окалина металла содержит 55–80 % оксида железа (II) и 20–50 % оксида железа (III), и в ней содержится примерно 66–69 % чистого железа.

В сплавах с добавлением хрома в окалине обнаруживается до 1 % оксида хрома (III). В стали, легированной никелем, в ней может содержаться несколько сотых долей процента оксида никеля. Эти окислы содержатся в окалине в количествах, зависящих от режима обработки и химического состава стали.

Окисление стали состоит из двух параллельных процессов: диффузии атомов кислорода от поверхностных слоев вглубь и встречного проникновения металла наружу сквозь оксидный слой.

При нагреве сплава происходит диффузия растворяющегося в окалине железа в ее наружные слои. Как правило, оно диффундирует со скоростью, превышающей скорость проникновения кислорода. Соответственно, отсутствует сплошная зона контакта продукта окисления со сталью. Слой окалины на металле, состоящий из оксида железа (II) имеет пористое строение.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Окалина, образующаяся на горячекатаной стали, проявляет свое неблагоприятное воздействие различными путями. Если продукт окисления недостаточно тщательно удалять с заготовок, это приводит к их развальцовке. В результате после прохождения прокатного стана прокат может иметь дефекты поверхности, снижающие его качество.

Негативное влияние окалины сказывается как на внешнем виде, так и на механических свойствах стали. На избавление от окислов уходит много времени и трудозатрат, что отрицательно отражается на себестоимости готового проката. При развальцовке окалина проникает во внутреннюю структуру металла заготовок, снижая пластичность, долговечность и т. д.

Твердость и прочность вторичной окалины превышает соответствующие показатели материала вальцов стана. Контакт с ней вызывает ускоренный износ деталей. Образующиеся после развальцовки на поверхностях проката окислы снижают качество последующей обработки, включая такие операции, как цинкование, нанесение лакокрасочных покрытий и т. д.

Окалина образуется на прокате в течение всего процесса прокатки металла, это могут быть заготовки, полуфабрикаты или готовый продукт прокатки. В зависимости от того, на каком этапе процесса произошло ее образование, окалина может быть первичной или вторичной.

Формирование первичной или печной окалины происходит во время разогрева металлических заготовок в печах. На свойства и объемы образующегося при нагреве стали слоя окислов влияют временной и температурный режимы обработки и атмосфера, в которой происходит нагревание. Образование вторичной окалины обусловлено паузами в процессе обработки изделий.

На качественные и количественные показатели оказывают влияние химический состав, свойства металла, температура и продолжительность задержек между операциями в ходе технологического процесса. Важно заметить, что наиболее негативно на качестве проката сказываются печные окислы, образующиеся при нагреве стали в окислительной среде.

Разогревая сплав в печи, следует добиваться такого режима, при котором минимизируются формирование окалины и ее прилипание к металлу, что позволит в ходе последующей обработки легко удалить ее с поверхности.

Образующиеся на поверхности углеродистых сталей чешуйки окалины слабо держатся и хорошо удаляются при нагревании в среде окислителя (кислород в концентрации 5–10 %). Ударные воздействия, которыми сопровождается выдача заготовок из печи с последующей укладкой на рольганги, обычно избавляют такой металл от слоя окислов.

Иначе обстоит дело с малоуглеродистыми легированными сталями. На их поверхности окалина держится особенно прочно.

Для очистки заготовок из нержавеющей стали необходимо разогревать их в печах со слабо окисленной атмосферой. Нагрев в среде восстановителей или в нейтральной атмосфере не обеспечивает нужных условий для удаления окалины.

Структура окалины металла

Объединенные одним термином – железная окалина, смеси окислов железа, формирующиеся в ходе взаимодействия раскаленного металла с кислородом воздуха, – включают магнетит Fe3O4, гематит Fe2O3 и вюстит FeО. Окисел составляют два слоя, которые легко отделить друг от друга. Когда их толщина в сумме не превышает 40 нм, такую окалину на металле невозможно разглядеть без специальной оптики.

Если суммарная толщина двух пластов находится в диапазоне от 40 до 500 нм, присутствие окисла выдает радужный отлив. При толщине выше 500 нм окалина проявляет себя постоянным окрасом поверхности.

Гематит, формирующий внешний слой, имеет высокую твердость (около 1 030 единиц по Виккерсу) и крайне низкую растворимость в кислоте. Нехватка кислорода приводит к образованию под верхним слоем более мягкого и также почти нерастворимого в кислоте магнетита. Непосредственно с основным металлом соприкасается слой рыхлого и мягкого вюстита, легко удаляющегося механически или при травлении кислотой.

В зависимости от интенсивности нагрева при обработке заготовок толщина слоев может меняться. При температуре выше +570 °С окалина приобретает четкую трехслойную структуру. При дальнейшем нагревании растет толщина вюститного слоя. Когда обработка происходит при температуре ниже этого порога, большую часть объема окисла занимают слои магнетита и гематита.

Окалина металла сочетает в себе хрупкость с твердостью, что оказывает негативное влияние на свойства готового проката при наличии ее включений в структуре. Несмотря на то, что формирующие окалину окислы железа химически нейтральны и не подвержены дальнейшему окислению при контакте с кислородом, их невозможно использовать как защитное покрытие из-за указанных недостатков.

При скалывании оксидного слоя на обнажившихся участках металл начинает усиленно коррозировать, что связано с разностью потенциалов между основным металлом и слоем окислов. Готовый прокат необходимо максимально тщательно очищать от окислов железа.

Способы удаления окалины металла

Для очистки поверхности от окалины применяют три основных способа. Механическое очищение осуществляется пропусканием заготовок через ролики, обработкой дробью и другими абразивами. В первом случае металл подвергают скручиванию, изгибанию, растяжению или иным деформациям, которые позволяют избавиться от большей части чешуек окалины. Это черновая очистка, предполагающая в дальнейшем дополнительную обработку.

Эффективны методы, основанные на ударном воздействии дроби, песка и других абразивных частиц на окалину. Другая разновидность механической очистки подразумевает применение микрорезцового инструмента, шлифовальных кругов и т. п.

Для очистки проката от окалины с помощью химических методов металл протравливают в кислотных, щелочных или солевых растворах. Большую роль здесь играет состав окисла и его растворимость в кислоте. Относительно высока растворимость вюстита (FeО), тогда как магнетит (Fe3O4) растворяется крайне плохо, а гематит (Fe2O3O) и вовсе нерастворим. Существуют химический и электрохимический методы травления.

При обработке в серной кислоте происходит выделение водорода, который проникает в сплав, вызывая водородную хрупкость, ухудшая физические характеристики и создавая проблемы при дальнейшей обработке заготовок. Чтобы снизить такое негативное воздействие, стальные изделия требуют длительной выдержки после очистки либо сушки с нагреванием.

Для предотвращения разъедания основного металла после удаления чешуек железной окалины в кислой среде необходимо применять специальные добавки, ингибирующие окисление. Важно помнить, что при нагревании рабочего раствора процесс разрушения железных сплавов ускоряется.

При обработке изделий раствором соляной кислоты действуют аналогичные закономерности. Выгодно такую технологию отличает то, что нет необходимости повышать температуру рабочей среды. Кроме того, нагрев свыше +40 °С ведет к выделению хлороводородных соединений. При травлении также происходит образование хлористых солей железа. Очистка металла от окалины раствором соляной кислоты более эффективна и меньше насыщает сплав водородом.

Использование электрохимических методов позволяет значительно ускорить процесс и избежать возникновения водородной хрупкости стали, существенно снизив при этом количество затраченного на травление раствора. Различают анодную, катодную и смешанную технологии.

Выбирать методику обработки следует, исходя из химического состава сплава, назначения изделий, параметров последующей обработки и ряда других показателей.

Применение окалины металла

Многолетний опыт мастеров кузнечного дела показал, что металл с тонким слоем окалины лучше сопротивляется коррозии. В наши дни одним из наиболее популярных видов обработки оружейных стали остается воронение – особый вид пассивации с созданием тонкой оксидной пленки. Меняя параметры обработки и толщину покрытия, можно добиваться различных оттенков внешнего слоя.

Весовая доля прокатной окалины составляет до трех процентов от общей массы готового проката. Такие оксиды используют как сырье в металлургии, так как в них содержится до 75 % железа. Чаще всего эти отходы прокатного производства подвергают очистке и восстановлению, получая из них сталь с низким процентным содержанием углерода.

Нередко разновидности окалины применяются в качестве красящих пигментов и успешно используются строителями. Кроме того, из железного порошка, получаемого из оксидов железа, готовят самонагревающиеся смеси для металлургии и производства продуктов питания.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Металл сварного шва

Свойства, качество, процесс кристаллизации металла сварного шва зависят от множества параметров. К первичным относятся расходные материалы, используемые при сварке, свойства металла заготовки, режим работы сварочного аппарата. Вторичные – это среда, в которой производилась сварка, скорость выполнения шва, его остывания и т. д.

Подбирая те или иные параметры, можно заранее прогнозировать, каким получится сварной шов. Также это поможет избежать распространенных дефектов металла. Больше информации о металле сварного шва вы узнаете из нашего материала.

Параметры, влияющие на свойства металла сварного шва

Физические характеристики, определяющие особенности швов, сформированных сваркой, принято называть комплексными механическими свойствами сварных соединений. Подобные свойства зависят от расчетного соотношения механических показателей поверхности шва, зоны обработки, термических особенностей структуры изделия.

При проведении работ отталкиваются от характеристик металла сварного шва, а любые соединения в норме имеют структуру, приближенную к строению самого материала изделия.

Сварное соединение называют качественным, если достигнут предел прочности, а текучесть находится на уровне, обеспечивающем достаточную пластичность.

Равнопрочность сварного шва зависит от ряда технических и физических характеристик, таких как:

используемые расходники (электроды, флюс, проволоки);
химические показатели металла сварного шва;
режим проведения работы;
методика пайки, резки материала;
размеры изделия, причем основным показателем, с точки зрения прочности металла сварного шва, является толщина заготовки;
скорость охлаждения материала;
вероятная деформация в пластических характеристиках шва.

В соответствии с данным регламентом устанавливают физические и технические параметры металла, что упрощает определение его фактических характеристик при переходе от легированного к нелегированному типу и обратно.

Ключевые нормы определения механических свойств для сварных швов установлены в ГОСТ 9467-60. Причем подобные методы определения используются в том числе и для операций с применением флюса и иных методов сварки. К последним относится ручная, дуговая, электродуговая сварка автоматом и полуавтоматом.

Факторы, влияющие на качество металла сварного шва

Качество металла сварного шва зависит от ряда факторов, таких как свариваемость, степень подверженности металла термическим воздействиям, окисляемость, пр. Важно учитывать все подобные критерии, чтобы готовые сварные соединения подходили под определенные условия эксплуатации.

Свариваемость металлов является показателем, от которого зависит способность металлов и сплавов при подходящей обработке формировать соединения с заданными параметрами. Специалисты выделяют физическую и технологическую свариваемость.

В любом случае значимую роль здесь играют физические, химические особенности металлов, их кристаллическая решетка, присутствие примесей, степень легирования, пр., что сказывается на надежности металла сварного шва.

Физической свариваемостью называют способность материала образовывать монолитное соединение с устойчивой химической связью. Данное качество свойственно большинству чистых металлов, а также их техническим сплавам и некоторым комбинациям металлов и неметаллов.

Технологическая свариваемость – это реакция материала на сварку и способность сформировать шов с необходимыми характеристиками.

Чтобы определить критерии свариваемости, учитывают такие свойства материалов:

чувствительность к тепловому воздействию в процессе сварочных работ;
склонность к росту зерна при сохранении неизменных пластических и прочностных характеристик, структурным, фазовым изменениям в области нагрева;
химическая активность, которая сказывается на окисляемости металла во время термического воздействия;
способность сопротивляться поробразованию, растрескиванию в холодном и горячем виде.

Качество сталей во многом зависит от их раскисляемости, которая определяется долей марганца, кремния и ряда прочих элементов в составе металла. Также на нее влияет и то, насколько равномерно распределены эти компоненты. На основании раскисляемости выделяют кипящие стали, маркируемые как «КП», полуспокойные с обозначением «ПС» и спокойные, то есть «СП».

В кипящей стали примеси распределены неравномерно по толщине проката, что наиболее ярко проявляется в случае с серой и фосфором и объясняется неполным раскислением марганцем.

У подобных сталей быстро проявляется старение, формируются кристаллизационные трещины на металле сварного шва и прилежащей к нему области. В результате при температуре ниже 0°C материал становится хрупким.

Спокойная сталь отличается равномерным распределением примесей, благодаря чему не так склонна к старению. Кроме того, на ней меньше отражается повышение температуры при сварке.

Полуспокойная сталь по своим свойствам находится между кипящей и спокойной.

Названные характеристики ложатся в основу выбора метода сварки, способов создания сварного шва, параметров теплового воздействия, пр.

Процесс кристаллизации металла сварного шва

Во время кристаллизации металл сварочной ванны испытывает на себе влияние горячей сварочной дуги и холодного окружающего металла. Иными словами, дуга вводит теплоту, а металл изделия ее отводит.

Переход металла из жидкого состояния в твердое сопровождается формированием кристаллов – это и есть кристаллизация. Металл сварного шва претерпевает этот процесс на протяжении всего процесса сварки.

Сварной шов обладает структурой литого металла. При сварке плавятся кромки заготовки и электродная проволока, подаваемая в зону ванны. Условно, последняя состоит из передней или головной и хвостовой части: в первой идет плавление, а во второй протекает кристаллизация и формируется шов.

Принято выделять первичную и вторичную кристаллизацию. Первичная – это переход жидкого металла в твердое состояние, что сопровождается формированием кристаллов. Сначала образовавшийся кристалл растет свободно, обладает правильной формой.

Но поскольку идет параллельное развитие множества кристаллов, постепенно они начинают касаться друг друга, соответственно, форма нарушается. В итоге они становятся округленными, больше всего напоминающими зерно, поэтому кристаллы обозначают как зерна.

От хода кристаллизации зависит размер зерен: они бывают крупными, различимыми без специального оборудования, и мелкими. Вторые видны только под микроскопом.

Кристаллическое строение металла, сплава называют структурой. Также принято говорить о макроструктуре или строении металлов, которое можно различить невооруженным глазом или при помощи лупы.

Кристаллизация металла сварных швов происходит с гораздо большей скоростью, чем аналогичный процесс со слитками. Это объясняется тем, что интенсивный нагрев сварочной ванны быстро сменяется отводом тепла в заготовку.

Кристаллизация протекает в отдельных тонких слоях. Когда сформировался первый слой кристаллов, охлаждение металла замедляется на фоне выделения скрытой теплоты от протекающего процесса. Далее затвердевает второй слой, и так дальше по всей ванне.

Кристаллизационные слои имеют толщину от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров – конкретный показатель определяется объемом сварочной ванны и особенностями теплоотвода. Столбчатые кристаллы каждого нового слоя становятся продолжением предыдущего, благодаря чему кристаллы перерастают из слоя в слой.

Чтобы запустился процесс первичной кристаллизации, должны сформироваться ее центры или зародыши, которые будут непрерывно расти. Данную роль выполняют оплавленные зерна металла, оказавшиеся на дне сварочной ванны.

Далее могут появиться дополнительные центры кристаллизации – обычно это тугоплавкие частицы, обломки зерен или самопроизвольно сформировавшиеся в жидком металле центры.

Во время многослойной сварки функция центров ложится на кристаллы предыдущего слоя. Они растут, присоединяя атомы из окружающего жидкого металла.

Каждый кристалл представляет собой группу элементарных столбчатых кристаллов, один конец которых соединен с общим основанием или оплавленным зерном основного металла. По форме и расположению кристаллов специалисты различают зернистую, столбчатую и дендритную или древовидную структуру остывшего металла.

Испытание металла сварного шва на прочность

Механические испытания сварных швов позволяют определить эксплуатационные характеристики и на их базе рассчитать возможные нагрузки.

Подобные проверки металла сварного шва проводятся различными способами, но всегда предполагают разрушение образцов при помощи разнонаправленных нагрузок. Также здесь используется специальное контрольное оборудование.

В первую очередь выбирают несколько серийных образцов, чтобы при помощи ряда идентичных операций определить пластичность, устойчивость шва к разрушениям.

Для швов, сформированных посредством различных видов сварки существует комплекс исследований. Речь идет о группах методов испытаний с направленными напряжениями:

Статический метод предполагает постепенное повышение разрушающей нагрузки. Чтобы обеспечить постоянное напряжение, на испытания отводят много времени.
Динамическое напряжение является мгновенным, не требуя большого отрезка времени для проведения проверки.
Усталостные способы связаны с неоднократным воздействием на образец, причем количество циклов достигает десятков миллионов, а нагрузка изменяется по знаку, значению.

Без механических испытаний металла сварных швов не обходится серийное производство деталей. При помощи статических проверок оценивают стыковые соединения, замеряют такие физические характеристики швов, как твердость, ползучесть, растяжимость, пластичность, способность к изгибу, пр.

Для этого соединение сравнивают с образцом из целостного металла. На исследования отправляют образцы с зачищенным и не зачищенным валиком.

Стоит пояснить, что условный предел текучести – это напряжение, на фоне которого длина изделия увеличивается на 0,2 %. Испытание на изгиб позволяет контролировать пластичность диффузного слоя. Подобная нагрузка замеряется до появления первой трещины на продольном и поперечном сечении сварного шва.

Такие эксперименты проводят с плоскими и трубчатыми образцами.

С помощью динамических испытаний устанавливают вероятность усталостной деформации шва, прочность на ударный изгиб. Для проверки задают разные условия, а именно нормальную, пониженную и повышенную температуру. Все полученные показатели фиксируются в протоколе в формате графиков, после чего исследуются по типу кривых.

Иногда могут использоваться иные, нормативно утвержденные исследования и расчеты показателей металла сварного шва.

Твердость замеряют в области диффузного слоя и зоны термического воздействия. Для проверки структурной прочности металла задействуют метод металлографии, с помощью которого исследуют такие области, как:

диффузный слой шва;
зона термического влияния;
металл изделия, не испытывавший воздействия повышенной температуры в процессе сварки.

Причины возникновения дефектов

Дефекты могут появляться по объективным и субъективным причинам. Дело в том, что любой вид металлопроката имеет определенный уровень свариваемости, который зависит от метода его изготовления и состава сплава. Если планируется работа с плохо свариваемыми деталями, то в технологических картах изначально прописывается значительный процент брака.

Обычно сварка швов связана с такими проблемами, как:

нарушение целостности металла;
деформация элементов под действием внутренних напряжений;
нарушение формы валика шва;
изменение геометрии наплавочного валика;
структурные изменения в металле, а именно меняется размер зерна в зоне фазового перехода сварного соединения.

Внешние дефекты несут меньшую опасность, чем внутренние, и могут быть обнаружены при помощи неразрушающих методов проверки. Однако важно понимать, что рискованно формировать ответственные сварные швы, не имея достаточных знаний и навыков, и лучше обратиться за помощью к специалистам.

Обычно нарушение целостности металла сварных швов и зоны, подвергавшейся температурному воздействию, происходит по таким причинам:

некачественно проведена обработка стыков, например, плохо выполнена зачистка металла сварных швов от окалины, ржавчины, остатков оксидной пленки, жира и грязи, допущены нарушения в процессе удаления кислорода из металла сварного шва;
использована наплавочная проволока, электроды, не подходящие к металлу заготовки;
неисправно оборудование;
неправильно установлены параметры на регуляторах сварочного аппарата, такие как сила тока, напряжение;
допущена ошибка при укладке деталей, не учтен коэффициент линейного расширения;
нарушено расстояние между электродом и заготовкой, из-за чего дуга имеет слишком большую или недостаточную длину.

Сварочные работы сильно влияют на механические свойства низкоуглеродистой стали. А обработка конструкционных сталей приводит к структурным изменениям в зоне термического воздействия, из-за чего снижаются механические показатели соединения. При этом в металле сварного шва появляются закалочные структуры, трещины.

Нужно понимать, что шов, зона термического влияния и металл заготовки, не подвергавшийся воздействию, имеют разную прочность. А значит, во время исследования важно расценивать сварное соединение как неоднородное тело. Разрушения могут происходить в любой из трех названных зон – все зависит от того, где наблюдается самая низкая прочность.

Сегодня удается добиваться равнопрочности сварных швов и основного металла при помощи электродов с качественными покрытиями и других расходников.

Надежность соединений обеспечивается прочностью металла сварного шва, а также зависит от ширины перегретого металла в зоне термического участка, общей ширины материала шва и перегретого металла. Немаловажными факторами становятся характер приложения внешней нагрузки, температура, при которой эксплуатируется изделие, пр.

Технология производства металлопроката | Опыт. Исследования. Результаты.

Механизм образования железной окалины на поверхности стали

Железная окалина представляет собой продукт окисления металла. Образование железной окалины связанно с процессами термической обработки или обработки металла давлением при высоких температурах..

На поверхности стального проката всегда присутствует окисный слой. Состав и структура окисных соединений будет зависеть от марки стали, состава окружающей среды, температуры, режима термообработки, наличия и количества окислителей, например кислорода и ряда других факторов.

В сухой воздушной среде при низких температурах возникают очень тонкие окисные пленки, которые невозможно увидеть даже при увеличении поверхности металла под микроскопом. При увеличении температуры толщина окисного слоя увеличивается, и получаются хорошо различимые окисные слои.

При производстве проката поверхность металла часто подвергается высокотемпературному воздействию в присутствии кислорода воздуха, что приводит к образованию толстого многослойного окисного слоя, называемого окалиной.

При окислении образуются разные оксиды железа, такие как FeO (вюстит), Fe ₃ O ₄ (магнетит), Fe ₂ O ₃ (гематит). Гематит и магнетит являются весьма плотными структурами и прочно соединены друг с другом через промежуточную структуру - Fe ₂ O ₃ . Слой вюстита является относительно пористым, его соединения как с металлом, так и с магнетитом непрочны. Диффузионная проницаемость магнетита и гематита по сравнению с вюститом незначительна. Все это предопределяется их лучшее защитное действие против окисления. Структура оксидной пленки зависит от температуры и от состава оксидирующей атмосферы. В кислородсодержащей атмосфере при температуре выше 570 о С оксидная пленка состоит из трех слоев. Наружный слой – Fe ₂ O ₃ прочно связан со средним, имеющим состав и кристаллическую структуру магнетита. Внутренний слой – вюстит, характеризуется повышенной рыхлостью и пористостью. Контакт внутреннего и среднего слоев непрочный. Поэтому, оксидная пленка легко отслаивается и имеет малое электросопротивление. При температуре ниже 570 о С закисная фаза становится неустойчивой и распадается по реакции:

Поэтому, в данном случае оксидная пленка, практически состоит из магнетита и гематита.

Восстановление полученной оксидной пленки происходит по реакциям:

Восстановленный слой состоит из практически чистого железа.

Зависимость скорости превращения окислов от температуры представлена на рисунке 1.

Рисунок 1- Зависимость скорости превращения окислов от температуры

Строение окалины на поверхности проката в основном соответствует правилу последовательности превращений. Сначала к металлу примыкает вюстит, затем магнетит, и затем внешний слой — гематит. Вюстит легко растворим в минеральных кислотах, в отличие от магнетита и гематита. Магнетит в меньшей степени растворяется в кислотах. Гематит же считается нерастворимым соединением.

Трехслойное образование железной окалины получается только при температуре свыше 570 о С и при высоком содержании кислорода, а также при быстром охлаждении. В других условиях образуется двухслойная или однослойная железная окалина. Если окисление железа проходит при температуре меньше 570 о С, то слой вюстита образуется в виде очень тонкой пленки под слоем окалины, которая состоит из магнетита и гематита. Чем ниже температура, тем тоньше слой вюстита. Если процесс окисления происходит при температуре 700 о С, то толщина слоя вюстита будет 100 мкм, слоя магнетита 10 мкм, а гематита — 1 мкм. Если окалина образуется при низком содержании кислорода и высоком содержании водяного пара или окислов углерода, особенно при температуре свыше 1000 о С, то в составе окалины не обнаруживают гематита, так как он восстанавливается.

Окалина железа , образующаяся на поверхности проката представляет собой смесь различных фаз, причем состав окалины и ее структура будут определяться режимом тепловой обработки металла. Обычно образуется трехслойная окалина железа, при этом доля каждого окисного соединения в окалине будет зависеть от температуры окисления. При температуре 700-900 о С окалина железа состоит из 10% магнетита и 90% вюстита, а при увеличении температуры свыше 900 о С и при появлении избытка кислорода вместо вюстита начинает возникать слой гематита.

Структура железной окалины, получающейся в промышленных условиях всегда более сложная. Это связанно с влиянием различных легирующих элементов, находящихся в стали, неравномерностью состава стали и особенностями производства металла.

Например, условия, определяющие образование прокатной окалины на горячекатаном прокате, зависят также и от режима работы стана горячей прокатки. Перед чистовой группой клетей окалина удаляется водой. Но, при прохождении металла через чистовую группу клетей, и в процессе охлаждения металла, прокатная окалина образуется вновь. И, в зависимости от условий прохождения металла, существует несколько различных типов окалины на горячекатаном металле.

Немного об окалине

В силу ряда особенностей горячей прокатки и последующего охлаждения горячекатаных полос их поверхность покрыта окалиной неодинаковой толщины и различного фазового состава. В результате взаимодействия железа с кислородом среды, в которой оно находится при сравнительно высоких температурах, образуются три устойчивых окисла: вюстит (FeO), магнетит (Fe₃O₄) и гематит (Fe₂O₃). Слои, составляющие окалину, располагаются таким образом, что непосредственно к металлу примыкает слой окисла с наименьшим содержанием кислорода FeO, далее следует средний слой промежуточного состава Fe₃O₄, наружный слой окалины состоит из высшего окисла Fe₂O₃. Соотношение толщин слоев и одновременное существование всех трех окислов зависят от условий окисления поверхности железа.

Важная характеристика окалины – ее сплошность (пористость). Трещины и поры возникают в слое окалины в период охлаждения металла в результате преобразований структуры. При образовании окалины, состоящей из вюстита, приращение объема составляет 1,76 , а из магнетита и гематита соответственно 2,1 и 2,4. Чем выше температура окисления, тем больше образуется различных окислов, обладающих разной пластичностью. Превращение их приводит к возникновению внутренних напряжений, вызывающих образование трещин и пор. При травлении в соляной кислоте быстрее всего растворяется закись железа (вюстит), образующий наиболее пористый слой. Однако вюстит обычно содержится только в слое окалины, прилегающем к металлу. Наружный слой состоит из магнетита и гематита, которые растворяются незначительно. Наличие пор и трещин в окалине ускоряет травление. Раствор кислоты проникает через эти несплошности к поверхности металла и слою вюстита. Наряду с растворением вюстита происходит взаимодействие ионов водорода кислоты с металлическим железом. По мере растворения слоя вюстита уменьшается прочность сцепления окалины с основным металлом. Выделяющийся водород восстанавливает высшие окислы железа до закиси. Процесс растворения окалины, не содержащей вюстита, протекает медленнее и связан с повышенными потерями металла.

Опыт работы травильных линий показывает, что продолжительность травления окалины в значительной степени связана с температурой смотки, которая влияет на толщину и структуру окалины. Обычно сокращение продолжительности травления с уменьшением температуры смотки связывают со снижением степени превращения вюстита (FeO) в магнетит (Fe₃O₄), а также с уменьшением опасности появления гематита (Fe₂O₃) по кромкам полосы. При этом предполагается, что удаление окалины происходит путем растворения вюститной фазы вдоль границы раздела сталь-окалина и подвода кислоты к границе металла. При взаимодействии кислоты с железом образуется водород, который способствует отслоению окалины. При высокой температуре смотки на границе раздела фаз окалина-сталь вюстит отсутствует, т.е. основным механизмом удаления окалины является на отслоение гематита и магнетита, а их растворение.

С целью выяснения механизма влияния температуры смотки на продолжительность травления изучали фазовый состав окалины. Образцы железной окалины были отобраны от головной, средней и хвостовой частей полос, температура смотки которых составляла 580-600, 640-680 и 700-730 0 С. Изучение окалины проводили комплексными методами. На начальных этапах использовали химические методы селективного изолирования фаз. Общий состав оксидных фаз изолировали методом галогенирования в атмосфере сухого газообразного хлора при температуре 350 0 С. После удаления хлора путем вымораживания смесь оксидов и хлоридов нагревали до температуры возгонки. После возгонки FeCl₂ оксидные фазы переводили в раствор путем сплавления с персульфатом калия и количественный анализ по составляющим элементам вели химическим и атомно-абсорбционными методами на спектрофотометре.

Таблица 1 – Фазовый состав железной окалины при различной температуре смотки полос

Окалина, дефекты травления металла и зачем нужен ингибитор

В процессе производства горячекатаных полос, на поверхности металла всегда образуется слой окалины, которую удаляют с поверхности стали травлением в водных растворах кислот. Травление металла – это процесс удаления окислов с поверхности металла, который производится в растворе соляной или серной кислоты. Однако, не следует забывать, что раствор соляной кислоты активен по отношению не только к окалине, но и к железу, особенно в присутствии его хлоридов. В связи с этим, во время травления стали происходит не только растворение железной окалины, находящейся на поверхности стальной полосы, но и частичное растворение железной основы.
Растворение железной основы приводит к изменению физико-химических свойств металла, дополнительной потере металла, нерациональному расходу кислоты, а также за счет включения в металл выделяющего водорода появлению хрупкости. Кроме того, из-за неодинаковой толщины слоя окалины по длине и ширине стальной полосы и различного ее фазового состава скорость травления неодинаковая. На тех участках поверхности, где слой окалины относительно тонок, где он состоит преимущественно из закиси железа или сравнительно полно разрушен механическими средствами, скорость химического удаления окалины наибольшая. В результате отдельные участки поверхности полосы могут оказаться перетравленными. В местах, где расположена «труднотравимая» окалина может образоваться дефект «недотрав», а там, где окалина «легкотравимая» дефект «перетрав». Конец полосы, на котором обнаружен дефект «недотрав» обычно отрезают, что, однако ведет к повышенному расходу металла на единицу годной продукции. Если дефект расположен у кромок полосы и занимает большую площадь, то проводят травление на низкой скорости или повторное травление, что снижает производительность агрегатов.
Дефект «перетрав» представляет собой один из источников загрязнения поверхности металла на всех переделах, следующих за травлением, а также загрязнения эмульсии, применяемой на станах холодной прокатки. К появлению «перетрава» также приводит увеличение времени пребывания полосы в кислотных растворах (особенно при травлении труднотравимых сталей) , что часто вызывает перетравливание отдельных ее участков.
Поэтому, при травлении черных металлов для уменьшения «перетрава», ослабления процесса наводораживания металла, и исключения травления железной основы используют защитные средства, называемые ингибиторами травления.
Ингибиторы для травления металла мало влияют на скорость растворения окалины, но способствуют замедлению или прекращению реакции растворения железа стальной основы.

Принцип действия ингибитора для травления стальной полосы основан на образовании тонкого мономолекулярного слоя на поверхности освобожденной от окалины полосы. Данный слой является границей фазового раздела между металлом и кислотой, и препятствует протеканию реакции растворения металлической основы и при этом достаточно легко удаляется при промывке стальной полосы.

Таким образом, ингибиторы травления предохраняют поверхность металла от получения «перетрава», особенно травлении с низкой скоростью, и улучшают чистоту поверхности как травленого металла, так и металла после холодной прокатки.
Улучшение чистоты металлической поверхности связывают с тем, что появление различного рода пятен на поверхности готового листа тесно связанно с загрязнениями поверхности металла на всех переделах его производства. Во время прокатки шлам и другие продукты травления, не удаленные с поверхности, вместе со технологической смазкой попадают в очаг деформации. Под влиянием давления, температуры и трения загрязнения частично разрушаются и в некоторой степени коксуются. Это приводит к образованию на поверхности полосы углеродистых пятен, и повышенной загрязненности поверхности.

Таким образом, применение ингибитора травления позволяет:

Читайте также: