При какой температуре краснеет нержавеющая сталь
Цвета побежалости — это окисные пленки на поверхности железных сплавов различной толщины и плотности. Они образуются без участия молекул воды при нагревании до определенных температур. Самое простое представление о тонких пленках можно получить на примере мыльных пузырей или пленках нефтепродуктов на поверхности воды. Для железа цвета побежалости образуются при нагревании, и толщина пленки соизмерима с размерами молекул.
Это явление с физической точки зрения объясняется теорией «тонких пленок» и обусловлено оптической интерференцией окисных пленок в зависимости от своей толщины.
Шкала цветов побежалости углеродистых сталей
Толщина окисных пленок определяется температурой и временем нагрева, а существующие шкалы цветов побежалости носят довольно условный характер.
- Во-первых, визуальная оценка — очень субъективный процесс, результаты которого определяются освещенностью и практическим опытом.
- Во-вторых, плотность окисной пленки определяется и химсоставом сплава.
Поэтому таблицы соответствия разнятся (для углеродистых, жаростойких, нержавеющих сталей ), и можно говорить только об ориентировочном соответствии. Но усредненная таблица цветов побежалости выглядит следующим образом
Цвета
Температура нагрева, °С
коричнево-желтый до бурого
цвет морской воды
Например, при продолжительном нагреве при 220 °С можно вызвать посинение стали. Или желаемый цвет получается при кратковременном нагреве до температуры, более высокой, чем указанная в таблице. Но для каждого цвета побежалости существует температурный минимум, ниже которого нужный цвет не получится.
Цвета побежалости для отделки поверхности
При подготовке регламентов стоит предпочесть более низкие температуры и более продолжительную выдержку, так как пленки в этом случае получаются более прочными и исключается создание дополнительных термических напряжений, которые могут приводить к короблению изделий.
Цвета побежалости используют для отделки поверхности изделий из стали, чугуна и цветных металлов: пряжек, поковок, солнечных коллекторов, холодного оружия и обрабатывающего инструмента. Это и всем известный процесс воронения.
И для закаленной стали и не закаленной образование окисных пленок будет происходить по-разному. На скорость образования окисных пленок значительное влияние оказывают:
- структура. Закаленные стали окисляются медленнее,
- загрязненность поверхности. Масляные пленки обугливаются до сажи, поэтому пленки получатся рыхлыми и неплотными,
- шероховатость поверхности. На полированной поверхности пленка получится тоньше, чем на шершавой при одинаковых условиях.
Для получения плотной, равномерной окисной пленки необходимы нагревательные печи, способные удерживать стабильную температуру в течение длительного времени.
В домашних условиях это или горн, или паяльная лампа, или качественная плита с духовкой. И в таком случае режим чернения подбирается для каждого изделия индивидуально. Необходимо помнить, что переход из одного цвета в другой происходит быстро, поэтому процесс требует самого пристального внимания.
При какой температуре краснеет сталь
При закалке многих инструментов, например молотков, чеканов, резцов и других, требуется, чтобы закаленной была только рабочая часть, а сам инструмент оставался бы сырым, незакаленным. В этом случае инструмент нагревают немного выше рабочего конца до требуемой температуры, после чего опускают в воду только рабочую часть. Вынув инструмент из воды, быстро зачищают шкуркой или трением о землю его рабочую часть. Оставшееся в неохлажденной части тепло поднимет температуру охлаждаемого конца и появится на нем нужный цвет побежалости, после этого инструмент окончательно охлаждают.
Таблица7 Таблица определения температуры нагрева по цветам побежалости
| Цвет побежалости | Температура, град. С | Инструмент, который следует отпускать |
| Бледно-желтый | 210 | – |
| Светло-желтый | 220 | Токарные и строгальные резцы для обработки чугуна и стали |
| Желтый | 230 | Тоже |
| Темно-желтый | 240 | Чеканы для чеканки по литью |
| Коричневый | 255 | – |
| Коричнево-красный | 265 | Плашки, метчики, сверла, резцы для обработки меди, латуни, бронзы |
| Фиолетовый | 285 | Зубила для обработки стали |
| Темно-синий | 300 | Чеканы для чеканки из листовой меди, латуни и серебра |
| Светло-синий | 325 | – |
| Серый | 330 | – |
Образование окалины на поверхности изделия приводит к угару металла, деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скорость нагрева изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либо механическим способом, либо химическим (травлением).
Выгоревший с поверхности металла углерод делает изделия обезуглероженным с пониженными прочностными характеристиками, с затрудненной механической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т.е. чем больше нагрев, тем быстрее идут процессы.
Образование окалины при нагреве можно избежать, если под закалку применить пасту, состоящую из жидкого стекла – 100 г, огнеупорной глины – 75 г, графита – 25 г, буры – 14 г, карборунда – 30 г, воды – 100 г. Пасту наносят на изделие и дают ей высохнуть, затем нагревают изделие обычным способом. После закалки его промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах быстрорежущей стали применяют покрытие бурой. Для этого нагретый до 850°С инструмент погружают в насыщенный водный раствор или порошок буры.
Углеродистые стали при закалке лучше охлаждать сначала в воде до температуры 400-35°С, а затем в масле. Это предотвращает возникновение внутреннего напряжения. Во время охлаждения изделие рекомендуется быстро перемещать сверху вниз.
Тонкостенные длинные детали (например, ножи) для охлаждения опускают в воду или масло строго вертикально, в противном случае они могут сильно деформироваться.
Зубила целесообразно закалить в мокром песке, который увлажняют раствором соли.
Тонкие сверла закаливают в сургуче. Для этого разогретый до светло-красного цвета конец сверла погружают в сургуч и оставляют там до полного охлаждения.
Химико-термическая обработка стали.
Благодаря такой обработке меняется не только структура металла, но и химический состав его верхнего слоя и деталь может иметь вязкую сердцевину, выдерживающую ударные нагрузки, высокую твердость и износность. Из существующих способов химико-термической обработки стали в условиях небольшой мастерской можно выполнять только цементацию. Цементация – это науглероживание поверхности стали. Этому процессу подвергают чаще всего изделия из малоуглеродистых сталей, содержащих не более 0,2% углерода и некоторых легированных сталей. Детали, предназначенные для цементации, сначала очищают. Поверхности не подлежащие науглероживанию, покрывают специальными предохранительными противоцементными обмазками.
1-ый состав простейшей обмазки: огнеупорная глина с добавлением 10% асбестового порошка, вода. Смесь разводят до консистенции густой сметаны и наносят на нужные участки поверхности изделия. После высыхания обмазки можно производить дальнейшую цементацию изделия.
2-ой состав применяемой обмазки: каолин – 25%, тальк – 50%: вода – 25%. Разводят эту смесь жидким стеклом или силикатным клеем.
Как по цвету раскаленной детали определить ее температуру
Термическую обработку стальных деталей проводят в тех случаях, когда необходимо либо повысить прочность, твердость, износоустойчивость или упругость детали или инструмента, либо, наоборот, сделать металл более мягким, легче поддающимся механической обработке. В зависимости от температур нагрева и способа последующего охлаждения различают следующие виды термической обработки: закалка, отпуск и отжиг.
В любительской практике для определения температуры раскаленной детали по цвету можно использовать приведенную таблицу.
| Цвет каления стали | Температура нагрева, град. С |
| Темно-коричневый (заметен в темноте) | 530—580 |
| Коричнево-красный | 580—650 |
| Темно-красный | 650—730 |
| Темно-вишнево-красный | 730—770 |
| Вишнево-красный | 770—800 |
| Светло-вишнево-красный | 800—830 |
| Светло-красный | 830—900 |
| Оранжевый | 900—1050 |
| Темно-желтый | 1050—1150 |
| Светло-желтый | 1150—1250 |
| Ярко-белый | 1250—1350 |
Закалка стальных деталей. Закалка придает стальной детали большую твердость и износоустойчивость. Для этого деталь нагревают до определенной температуры, выдерживают некоторое время, чтобы весь объем материала прогрелся, а затем быстро охлаждают в масле (конструкционные и инструментальные стали) или воде (углеродистые стали). Обычно детали из конструкционных сталей нагревают до 880—900 градусов (цвет каления светло-красный), из инструментальных — до 750—760 градусов (цвет темно-вишнево-красный), а из нержавеющей стали — до 1050—1100 градусов (цвет темно-желтый). Нагревают детали вначале медленно (примерно до 500 градусов), а затем быстро. Это необходимо для того, чтобы в детали не возникли внутренние напряжения, что может привести к появлению трещин и деформации материала.
В ремонтной практике применяют в основном охлаждение в одной среде (масле или воде), оставляя в ней деталь до полного остывания. Однако этот способ охлаждения непригоден для деталей сложной формы, в которых при таком охлаждении возникают большие внутренние напряжения. Детали сложной формы сначала охлаждают в воде до 300—400 градусов, а затем быстро переносят в масло, где и оставляют до полного охлаждения. Время пребывания детали в воде определяют из расчета: 1 секунда на каждые 5—6 мм сечения детали. В каждом отдельном случае это время подбирают опытным путем в зависимости от формы и массы детали.
Качество закалки в значительной степени зависит от количества охлаждающей жидкости. Важно, чтобы в процессе охлаждения .детали температура охлаждающей жидкости оставалась почти неизменной, а для этого масса ее должна быть в 30—50 раз больше массы закаливаемой детали. Кроме того, перед погружением раскаленной детали жидкость необходимо тщательно перемешать, чтобы выровнять ее температуру по всему объему.
В процессе охлаждения вокруг детали образуется слой газов, который затрудняет теплообмен между деталью и охлаждающей жидкостью. Для более интенсивного охлаждения деталь необходимо постоянно перемещать в жидкости во всех направлениях.
Небольшие детали из малоуглеродистых сталей (марок «30», «35» «40») слегка разогревают, посыпают железосинеродистым калием (желтая кровяная соль) и вновь помещают в огонь. Как только обсыпка расплавится, деталь опускают в охлаждающую среду. Железосинеродистый калий расплавляется при температуре около 850 градусов, что соответствует температуре закалки этих марок стали.
Отпуск закаленных деталей.
Отпуск закаленных деталей уменьшает их хрупкость, повышает вязкость и снимает внутренние напряжения. В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.
Низкий отпуск применяют главным образом при обработке измерительного и режущего инструмента. Закаленную деталь нагревают до температуры 150—250 градусов (цвет побежалости — светло-желтый), выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают на воздухе. В результате такой обработки материал, теряя хрупкость, сохраняет высокую прочность и, кроме того, в нем значительно снижаются внутренние напряжения, возникающие при закалке.
Средний отпуск применяют в тех случаях, когда хотят придать детали пружинящие свойства и достаточно высокую прочность при средней твердости. Для этого деталь нагревают до 300—500 градусов и затем медленно охлаждают.
Высокому отпуску подвергают детали, у которых необходимо полностью снять все внутренние напряжения. В этом случае температура нагрева еще выше — 500—600 градусов.
Термообработку (закалку и отпуск) деталей простой формы (валики, оси, зубила, кернеры) часто делают за один раз. Нагретую до высокой температуры деталь опускают на некоторое время в охлаждающую жидкость, затем вынимают. Отпуск происходит за счет тепла, сохранившегося внутри детали.
Небольшой участок детали быстро зачищают абразивным бруском и следят за сменой цветов побежалости на нем. Когда появится цвет, соответствующий необходимой температуре отпуска (220 градусов — светло-желтый, 240 градусов — темно-желтый, 314 градусов—светло-синий, 330 градусов — серый), деталь вновь погружают в жидкость, теперь уже до полного охлаждения. При отпуске небольших деталей (как и при закалке) нагревают какую-нибудь болванку и на нее кладут отпускаемую деталь. При этом цвет побежалости наблюдают на самой детали.
Рабочая температура нержавеющей стали, температура применения жаропрочных сталей и сплавов
Представлены таблицы значений максимальной рабочей температуры стали (нержавеющей, жаропрочной и жаростойкой) распространенных марок при различных сроках эксплуатации. Указана также температура, при которой сталь начинает интенсивно окисляться на воздухе.
Таблицы позволяют подобрать необходимую марку нержавеющей стали или сплава на железоникелевой основе под определенные условия эксплуатации и заданный срок службы.
В первой таблице приведена рабочая температура (максимальная температура применения) нержавеющих сталей и сплавов на железоникелевой и никелевой основах, предназначенных для работы в окислительной среде от 50 до 100 тысяч часов.
По данным таблицы видно, что при сверхдлительной эксплуатации максимальная рабочая температура рассмотренных марок стали не превышает 850°С (нержавеющая сталь 05ХН32Т), а «запас» до температуры интенсивного окалинообразования составляет от 200 до 500 градусов.
Температура применения стали при сверхдлительной эксплуатации (до 100 тыс. часов)
Во второй таблице представлена максимальная рабочая температура стали при длительной эксплуатации длительностью до 10 тысяч часов. По значениям температуры в таблице видно, что при менее длительном применении стали возможно увеличение ее рабочей температуры. При этом «запас» до температуры интенсивного окалинообразования уменьшается.
Например, максимальная рабочая температура нержавеющей стали 12Х18Н9Т при длительной эксплуатации на 200 градусов выше, чем при сверхдлительной. Эта сталь может применяться при температуре до 800°С в течении 10 тысяч часов.
Максимальная рабочая температура из приведенных в таблице марок соответствует стали 10ХН45Ю — она может использоваться при 1250…1300°С.
Температура применения стали при длительной эксплуатации (до 10 тыс. часов)
В третьей таблице указана максимальная рабочая температура нержавеющей стали при кратковременной эксплуатации (до 1000 часов). При таких сроках эксплуатации сталь и жаропрочные сплавы могут иметь рабочую температуру на 50…100 градусов выше, чем при длительной работе (до 10 тыс. часов).
Например, жаропрочный сплав ХН62МВКЮ при кратковременной эксплуатации может применяться при температурах до 900°С, а при длительной эксплуатации — только до 800°С.
Цвета побежалости металла
Цвета побежалости – это цвета, которые становятся различимы на гладкой металлической или минеральной поверхности из-за появления тончайшей окисной пленки или световой интерференции в ней. Зачастую их появление связано с тепловым воздействием. О том, что такое побежалость, далее.
Происхождение цветов побежалости металла
Цвета побежалости металла распространяются из-за перераспределения интенсивности света в утонченных пленках на структуре отражения. По ходу развития пленочной толщины появляются условия погашения лучей с какой-либо волновой длины. Вначале из белоснежного появляется сиреневое свечение, обнаруживается желтое свечение. По ходу того, как пленка растет в толщину, увеличивается волновая длина погашенных лучей. Из непрерывного спектра солнца появляется зеленое и красное свечение.
Яркость оттенков побежалости нержавейки зависит от размера оксидной пленки с протяженностью солнечной волны, которая идет на спецматериал. Одни из ярчайших оттенков находятся на материалах медного типа. Цвета побежалости стали, которые получаются из-за физического процесса, зависят от металлического состава. Если в микроэлементе есть много металлических ионов, то он прокрашивается в синий. В присутствии хромофоров можно обнаружить красные оттенки – следы побежалости на металле.
Искусственная цветовая побежалость видна на структуре при повышенных показателях. Непременным условием образования следов побежалости считается отсутствие воды с иными спецжидкостями. В ходе нагревания появившаяся пленочная структура окиси снижается. Это объясняется диффузией, то есть перемешиванием микроэлементов или внедрением одного химического элемента в иной. В ситуации с металлической пленкой окиси становится видно, как взаимодействуют атомы кислорода со спецметаллом.
Как искусственно создать цвета побежалости
При металлообработке активным образом применяется воронение. Технология спецпокрытия металлов пленками окиси хорошо известная и активным образом применяемая на протяжении десятков лет. Вороненый материал отличается устойчивостью ко ржавчине, прочностью к повышенным нагрузкам и обладает эстетичным окрасом, без добавочных покрытий с красками.
Чтобы выполнить воронение, необходимо:
- обмакнуть заготовку, протереть ее минеральным маслом;
- нагреть на металлическом листе до температурного показателя (для различных металлов со сплавами она различается);
- после сделать закалку в охлажденном участке – во избежание металлического отпуска.
Получившийся окисленный слой на структуре металлического изделия будет устойчивым к воздействию воды. Он будет иметь повышенную прочность к действию внешних факторов.
В нижеследующей таблице приведены составы растворов и требуемая температура для бесщелочного оксидирования черных металлов:
Пленка окисления образуется как с большой, так и с малой скоростями. На образование пленки влияют такие факторы, как:
- мера закаленности обрабатываемой детали (закалка способствует ускорению появления необычного эффекта);
- загрязнение (при появлении грязи она обугливается, и, в результате, образуется неравномерный пленочный слой оксида);
- шероховатость (заготовка, которая имеет выемку, получает уплотненную пленку; эстетичное цветовое различие обнаружить невозможно, а полированная деталь создает разноцветный эффект);
- технология нагревания (в зависимости от спецоборудования, применяемого для нагрева деталей, с большой скоростью и шириной формируются пленки окисления; для нагревания деталей лучше применять оборудование, которое позволяет поддерживать требуемый температурный показатель и контролировать его).
Тонкие пленки оксида поглощают солнечные волны с наименьшей длиной волны, но отражают с наибольшей. Цвет металла при нагреве изменяется в зависимости от температуры. Чем больше температура пленки оксида, тем светлее цвет металла при нагревании. Синий и фиолетовым цвета получаются, когда из спектра отображается перечень длинных волн. При отражении пленки из оксидов волны с минимальной волновой длиной, металлическая поверхность прокрашивается в желтоватый оттенок. Светлые оттенки соответствуют повышенной температуре нагревания. Поэтому мастер нередко определяет с помощью цветов побежалости нержавейки закалку материалов со стальной стружкой и колющим инструментарием. Они применяются при работе токаря.
Несмотря на указанные факторы, при содействии цветов побежалости нержавеющей стали невозможно точно определить температуру металла, поскольку на показатель влияют разные факторы:
- период нагрева (промежуток времени, на протяжении которого деталь из металла прогревается до показателя помещения, если отсутствует тепловая отдача);
- разная примесь в переливающемся металле;
- особенность освещения в помещении, где производилась сварка с закалкой заготовок;
- скорость прогрева (температурное изменение в единицу времени во время прогрева).
Среди различных электроприборов есть пирометры, обеспечивающие конкретный температурный контроль. Они функционируют на лучевом анализе лазера. В электроприборах находятся особые датчики, которые анализируют отраженные лучи и отражают металлическую температуру, которой равны измеренные параметры излучений.
Температура цветов побежалости металла
Температура и цвет металла изменяются на протяжении всего процесса нагрева заготовки. Причем у каждого сплава или вида металла своя температура появления побежалости. Вследствие этого технологи пользуются большим количеством таблиц соотношения цвета и температуры цветов побежалости. Некоторые из них приводим в нашей статье.
Рауш эффект – понятие, условия возникновения и классификация отложений
Вы только что смонтировали абсолютно новую и чистую систему водоподготовки из нержавеющей стали. Вы запускаете процесс, будучи уверенными, что ваши проблемы с загрязнением прошли. Но через несколько месяцев в пробе воды появилось красное желатиновое вещество в колбе для пробы. Вы открываете систему, и на резервуаре появился красноватый налет по всей внутренней поверхности. Вы открываете насос, рабочая часть также красного цвета и улитка красного цвета. Вы смотрите в теплообменник и видите везде красный налет. Форсунки высокого давления имеют красные полосы вокруг отверстий. Что пошло не так? Почему хорошая нержавеющая сталь становится красной?
Понятие рауш эффекта (ружинг)
Ружинг эффект на нержавеющей стали является результатом образования оксида, гидроксида или карбоната железа из внешних источников либо из-за разрушения пассивного слоя. Изменение цвета является результатом типа оксид / гидроксид / карбонат и изменений в воде гидратации, связанных с продуктами коррозии. Эти цвета варьируются от оранжевого, красного и даже черного.
Ярко-красные полосы на поверхности нержавеющей стали, как правило, являются результатом загрязнения железом в результате соприкосновения с углеродистой сталью, от ее сварки в непосредственной близости от нержавеющей стали, от загрязненных железом шлифовальных кругов или щеток из стальной проволоки.
В неочищенной воде изменение цвета может быть результатом окисления бикарбоната железа в воде с образованием коричневато-красных отложений. Это окисление также может происходить от добавления хлора или растворенного кислорода.
В системах с высокой степенью очистки воды ржавчина (Рауш Эффект) может быть трех типов:
- Рауш Эффект класса I – происходящий из внешних источников, обычно из-за эрозии или кавитации поверхностей насоса;
- Рауш Эффект класса II – происходящий от вызванной хлоридом коррозии поверхностей нержавеющей стали;
- Рауш Эффект Класса III – синий или черный, встречается в высокотемпературных паровых системах.
При каких условиях возникает Рауш Эффект
Это явление может возникать в чистой воде, сверхчистой воде, паре, очищенной питьевой воде или необработанной технической воде. Основным фактором возникновения ружинг эффекта явлется загрязнение железом.
Загрязнение железом
Перетаскивание или волочение нержавеющей стали по поверхности углеродистой стали (или наоборот) приводит к попаданию частиц железа на поверхность нержавейки, что неминуемо приведет к ржавчине при вводе в эксплуатацию. Приварка временных скоб из углеродистой стали к нержавеющей стали, а затем шлифовка сварных швов приводит к образованию области с низким содержанием хрома, которая также будет ржаветь при эксплуатации. Использование проволочных щеток из углеродистой стали или шлифовальных кругов, загрязненных углеродистой сталью, приведет к ржавчине.
Механизм образования красной ржавчины прост:
Железо + вода = ржавчина
Лучшая профилактика образования ржавчины – это здравый смысл:
- Всегда покрывайте все поверхности из углеродистой стали деревом, пластиком или картоном, чтобы предотвратить контакт с нержавеющей сталью;
- Никогда не приваривайте углеродистую сталь к нержавеющей стали;
- Всегда используйте щетки из нержавеющей стали и специальные шлифовальные круги "только из нержавеющей стали";
- Всегда проводите химическое травление и пассивацию нержавеющей стали специальными растворами перед вводом в эксплуатацию.
Ржавчина может привести к щелевой коррозии или питтинговой (точечной) коррозии нержавеющей стали под слоем оксида красного цвета, поэтому ее необходимо своевременно удалять. Вот почему пассивация необходима не только для увеличения отношения хрома к железу на поверхности, но и для удаления любого загрязнения железом.
Обработанные и неочищенные воды
"Покраснеть" может оборудование как при использовании очищенной, так и неочищенной, даже смягченной воды. В первую очередь, причиной является то, что в воде находится бикарбонат железа. Смягчение не удаляет анионы, такие как карбонат, бикарбонат, сульфаты, хлориды и т. д., а только обменивает катионы, такие как кальций и магний, на натрий или калий. В отличие от карбоната железа, бикарбонат железа полностью растворим, но при этом легко окисляется до карбоната железа. Карбонат железа не растворим и имеет красновато-коричневый цвет. Может растворяться в сильных кислотах.
Подготовленная или питьевая вода обычно очищается для удаления взвешенных частиц, фильтруется для удаления мелких частиц и дезинфицируется хлором или диоксидом хлора для уничтожения большинства бактерий. Этот процесс практически не влияет на ион бикарбоната, если он находится в равновесии с трубами из углеродистой стали, и в среде низкое содержание кислорода. Как только вода попадает в инертную среду, такую как нержавеющая сталь или фарфор, бикарбонат начинает окисляться:
2Fe (HCO3) 2 + Ca (HCO3) 2 + Cl2 -> 2Fe (OH) 3 + CaCl2 + 6CO2
2Fe (OH) 3 -> Fe2O3 .H2O + 2H2O
Оксид железа Fe2O3 .H2O имеет красный цвет, а когда он встречается в природе, его называют гематитом. В необработанной воде химическая реакция аналогична, за исключением того, что хлора нет, а растворенный в воде кислород является активным веществом:
6Fe (HCO3) 2 + O2 -> 2Fe2 (CO3) 3 + 2Fe (OH) 2 + 4H2O + 6CO2
4Fe (OH) 2 + O2 -> 2Fe2O3 .H2O + 2H2O
Карбонат железа будет выпадать в осадок, а гидроксид железа образует гелеобразное соединение, которое осаждается в виде оксида железа. Есть небольшая разница в цвете, потому что железный гидроксид желтый. В больших резервуарах самые красные отложения обычно находятся наверху и уменьшаются в направлении дна. Нередко дно большого резервуара бывает относительно чистым.
Очищенная и высокоочищенная вода
Очищенная и высокоочищенная вода обычно используются в отраслях промышленности, где примеси могут оказывать вредное воздействие: в фармацевтическом, косметическом или полупроводниковом производстве. В фармацевтической промышленности это называется вода для инъекций (WFI). Типичные обработки включают фильтрацию, смягчение, анионный и катионный ионный обмен, обратный осмос, ультрафиолет и иногда озонирование. Дистилляция может быть использована в качестве окончательной очистки. В результате получается вода с крайне низкой проводимостью.
Нержавеющая сталь марки 316L является обычным материалом оборудования, емкостей и трубопроводов в этих промышленностях. Некоторые из этих систем остаются чистыми, но другие начинают подвергаться появлению красного налета (Рауш Эффект). Даже электрополированные системы со средней шероховатостью поверхности менее 10 микродюймов (
Классификация отложений при Рауш эффекте
Секции нержавеющих труб с красным налетом были получены из ряда различных систем чистой воды и пара. Красные хлопьеобразные осадки были исследованы с использованием:
- Рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) – позволяет послойно анализировать отложения хлопьев и идентифицировать молекулярные частицы;
- Энергодисперсионной спектроскопии (EDS) – позволяет проводить точечный анализ поверхностных аномалий;
- Сканирующей электронной микроскопии (SEM) – позволяет визуально исследовать поверхность.
Эта работа позволила классифицировать отложения в чистой и высокоочищенной воде и паре как отложения класса I, II и III в зависимости от механизма формирования.
Отложения класса I (Рауш эффект класса I)
Отложения класса I происходят от влияния из внешнего источника. Частицы хлопьев осаждаются на поверхностях из нержавеющей стали, и на ранних стадиях осаждения могут быть легко вытерты ветошью. Состав поверхности пассивного слоя нержавеющей стали под отложением ржавчины не отличается от состава первоначально установленной системы. Частицы отложений обычно имеют тот же состав, что и материал, из которого они получены. Концентрация отложений самая интенсивная вблизи источника и уменьшается по мере удаления от источника. Цвет отложений может изменяться с расстоянием от источника, от оранжевого до красно-оранжевого возле источника и от пурпурного на некотором расстоянии. Цвет зависит от присутствия различных оксидов и гидроксидов железа. Оранжевый оксид является самым низко валентным состоянием для гидроксида железа и образуется, когда присутствуют и кислород, и вода:
2Fe0 + 2H2O -> 2FeO (OH) + H2
2FeO (OH) -> Fe2O3.H2O
Внешние отложения могут исходить из ряда источников. Наиболее очевидной является использование углеродистой стали в системе, включая рулевые тяги, болты, гайки, ключи, скобы и т.д. Чем больше источник, тем больше будет отложений.
Насосы – главные подозреваемые в образовании вредных частиц в абсолютно "чистых" системах.
По-видимому, причиной эффекта рауш, вызванного насосом, являются два механизма:
Кавитация обычно является результатом недостаточной подачи воды в насос, неправильного выбора насоса, работы или чрезмерного дросселирования во время работы. Пузырьки ударяются о поверхность насоса и взрываются, в результате чего возникает ударная волна, которая удаляет мелкие частицы нержавеющей стали. Как только частица высвобождается в потоке воды, она в конечном итоге присоединяется к трубопроводу из нержавеющей стали за счет электростатического притяжения. Поскольку поверхность частицы не пассивирована, она немедленно начинает окисляться и краснеть.
Каждый материал имеет критическую скорость, выше которой ускоряется эрозия. Для низколегированных аустенитных нержавеющих сталей эта критическая скорость составляет около 100 в секунду. Скорость эрозии будет зависеть от температуры. Нержавеющая сталь типа 304, по-видимому, имеет постоянную скорость эрозии до 600°F (300°C), а затем быстро увеличивается. Конкретные данные по чистоте воды для различных сплавов отсутствуют.
Похоже, что металлургическое состояние рабочей крыльчатки влияет на скорость удаления металла. Когда аустенитное семейство нержавеющей стали затвердевает из сплава, присутствуют две металлургические фазы: аустенит и дельта-феррит. Образование дельта-феррита зависит от состава сплава, и, если оно составляет менее 8%, его можно растворить путем термической обработки. Литые рабочие крыльчатки обычно имеют высокий дельта-феррит из-за более высокого содержания кремния, добавляемого для обеспечения текучести стали во время литья. Это означает, что термическая обработка может не растворить весь дельта-феррит. Причина, по которой дельта-феррит является проблемой, заключается в том, что он разрушается легче, чем аустенит, и содержит больше железа. Эрозионная поверхность литой рабочей крыльчатки показана на рисунке.
Отложения класса II (Рауш эффект класса II)
Этот класс отложений возникает, когда присутствуют хлориды или другие галогениды. По причине коррозии формируется на поверхности нержавеющей стали в местах, где нарушен пассивный слой. Чаще встречается на технологических линиях, не прошедших процедуру химической пассивации после монтажа, и механически отполированных поверхностях. Когда анализируются изделия с этим классом отложений, на них обычно присутствуют хлориды или другие галогениды. Отложения II класса, в отличие от I класса, невозможно удалить просто протирая ветошью, в данном случае поможет лишь шлифовка или полировка, но лучше всего для удаления использовать кислотные растворы. Наша компания использует для обработки специализированные растворы для обработки и восстановления нержавеющей стали, но, если присутствуют хлориды, поверхность снова станет красной.
Отложения II класса образуются в реакции, состоящей из двух стадий:
- Растворение пассивного слоя оксида хрома:
Cr2O3 + 6Cl- + 6H2O -> 2CrCl3 (водный) + 6OH-
2Fe + 4H2O -> 2FeO (OH) + 3H2
Эта реакция является самосохраняющейся реакцией хлорида с хромом с образованием хлорноватистой кислоты в качестве побочного продукта и хлорноватистой кислоты, окисляющей железо и образующей больше хлорида.
Отложения класса III (Рауш эффект класса III)
Этот тип отложений – черный, а не красный, и образуется в присутствии пара высокой температуры. При начальном формировании цвет отложений – синий, затем становится черным, поскольку слой растет до предельной толщины, которая предотвращает дальнейшую диффузию кислорода. Данный тип отложений может присутствовать в паровых системах высокой чистоты, которые работают при повышенных температурах. На электрополированной нержавеющей стали внешний вид глянцевый черный, а на оборудовании непрошедшем химическую пассивацию и при этом механически полированном может быть порошкообразным черным. Анализ с использованием XPS показывает, что эта пленка представляет собой сесквиоксид железа, обычно называемый магнетитом. Он не может быть удален простой очисткой, его необходимо удалять химическим путем или шлифовкой. Если отложения черные, то их вообще не обязательно подвергать какой-либо обработке и можно просто оставить в покое, так как они достаточно устойчивы. Порошкообразная черная пленка может отслоиться и, возможно, в этом случае стоит задуматься об очистке. После химической очистки данного типа отложений, внутренняя поверхность оборудования должна быть подвержена химической пассивации. Как только система вернется в строй, она скорее всего снова почернеет, но не будет образовывать порошковую черную пленку.
Этот тип отложений является высокотемпературным продуктом реакции пара с железом в магнетите, образующим нержавеющую сталь. Реакция происходит в два этапа:
3Fe0 + H2O -> FeO + Fe2O3 + H2
FeO + Fe2O3 -> Fe3O4
Некоторая часть оксида железа может быть заменена оксидом никеля, но сесквиоксид железа будет контролировать цвет пленки.
Оставьте заявку, чтобы бесплатно получить быстрый расчет стоимости интересующей Вас услуги. Менеджеры ответят на любой Ваш вопрос!
Цвета побежалости металлов
Цвета побежалости – спектр цветов, образующихся на поверхности железных сплавов в результате появления окисной пленки. Они образуются при нагревании поверхностей из металла до определенных температур без участия воды. Цвета побежалости являются дефектом сварного соединения.
Происхождение
В природе цвета побежалости образуются на поверхности многих минералов, включая пирит и халькопирит. Из-за окисления они покрываются тонкой оксидной пленкой, преломляющий солнечный свет. В результате интерференции поверхности металла окрашивается в разные цвета. Яркость побежалости зависит от толщины оксидной пленки и длины волны. Наиболее яркие цвета побежалости образуются на медных минералах. Также цвет зависит от качественного состава металла. Если в элементе присутствует большое количество ионов металлов, то он окрашивается в синие цвета. При наличии хромофоров минералы становятся красными.
Также цвета побежалости могут образовывать в естественных условиях на поверхностях старых стекол или монет. Изменение окраса может быть обусловлено длительным контактом этих материалов с землей. Если на них присутствует жировая пленка, то они окрашиваются в радужный цвет. Побежалость скрывает настоящий цвет металла. Поэтому нельзя определять его истинный окрас на свежем изломе. Рекомендуется определять цвет при рассмотрении оксидной пленки.
Искусственно цвета побежалости образуются на поверхности металлических заготовок при сварке или закалке. Они появляются при нагревании металлов до критических температур без участия молекул воды или иных жидкостей. Во время нагревания происходит процесс образования оксидной пленки. Ее толщина составляет несколько молекул и уменьшается по мере нагрева. Это обусловлено явлением диффузии – процессом проникновения мельчайших частиц одного химического элемента в другой. В данном случае происходит взаимодействие атомов металла и кислорода. На углеродистых сталях пленки из оксидов возникают быстрее, чем на легированных.
Процедура покрытия стали и железа слоем оксидной пленки называется воронением. После проведения этой процедуры повышается коррозийная стойкость изделия. Обработанные детали не покрываются ржавчиной. Процедура воронения позволяет придать изделию окрас, даже если металлическая поверхность по условиям эксплуатации не подлежит покраске. Во время воронения заготовку протирают минеральным маслом и нагревают на железном листе. После выгорания масляной жидкости на заготовке появляются цвета побежалости. Для нужного окраса необходимо нагреть деталь до соответствующей температуры. Получившийся слой окисла является влагоустойчивым и не подвергается воздействию воздуха.
На скорость образования окисных пленок влияют следующие факторы:
- Структура поверхности: закаленные детали окисляются с большей скоростью.
- Загрязненность изделия: поверхности, покрытые маслом, при длительном нагреве обугливаются, что приводит к возникновению сажи. По этой причине образуется неровная и тонкая оксидная пленка.
- Наличие шероховатостей: если нагревается заготовка с шершавой поверхностью, то оксидная пленка получается плотной. Если перед процедурой термообработки отполировать деталь, то образуется тонкая пленка из оксидов.
- Оборудование для нагрева: если при термообработке применяются специальные нагревательные печи, способные поддерживать устойчивую температуру, то окисная пленка будет плотной. В бытовых условиях можно также использовать духовые шкафы, газовые горелки или металлургические печи (горны).
Тонкие оксидные пленки поглощают световые волны с меньшей длиной волны, но отражают – с большей. Цвет металлических деталей меняется в зависимости от температуры и плотности оксидной пленки. Чем толще оксидная пленка, тем светлее окраска. Синий или фиолетовый цвет получается, когда из спектра отражаются наиболее длинные волны. Если пленка из оксидов отражает волны с малой длиной волны, то металлическая поверхность становится желтой. Светлые цвета соответствуют высокой температуре нагрева, светлые – более низкой. По этой причине многие мастер часто определяют при помощи цветов побежалости степень закалки изделий, стальной стружки и режущих инструментов, применяемых во время проведения токарных работ.
Несмотря на эти факторы, при помощи цветов побежалости нельзя точно определить температуру металла, потому что на величину этого показателя оказывают влияние следующие факторы:
- время нагрева: промежуток времени, в течение которого металлическая деталь нагревается до температуры окружающей среды при отсутствии теплоотдачи.
- наличие различных примесей в составе металла;
- особенности освещения в помещении, где проводилась сварка или закалка заготовок;
- скорость разогревания: изменение температуры изделия в единицу времени при его нагревании.
В современной промышленности контроль температуры производится при помощи специальных приборов – пирометров. Они оснащены специальными датчиками, определяются степень нагрева заготовки при помощи лазера.
Цвета побежалости используются при изготовлении рабочих инструментов, лазерной маркировке и внешней обработке изделий из железа, меди, алюминия и латуни. Если требуется изготовить инструментарии с высокой плотностью (бритвенные лезвия, предметы для проведения хирургических операций, режущие кромки резцов и грабштихели), то побежалость должна быть яркого цвета: красного, оранжевого или желтого. До пурпурных и зеленых тонов нагревают инструменты, применяющихся в деревообрабатывающем секторе. Для достижения упругости при изготовлении пил, ножей, вил и пружин необходимо нагреть заготовки до появления синих или черных цветов.
В процессе нагревания металлическая заготовка становится гибкой, что позволяет мастеру придать ей необходимую форму. После данного процесса изделие закаляется при определенных температурах. Согласно рекомендациям специалистов, оптимальной температурой для закалки металлов является 700–800 °C. В этом случае изделие окрашивается в разные оттенки красного или розового цветов. При превышении этих значений на 300 °C заготовка становится оранжевой или желтой. При больших температурах происходит перекал, что негативно сказывается на прочности изделия.
Закалка улучшает следующие параметры металлической поверхности:
- Твердость: этот показатель является номинальным. Он прописан в шкале Роквелла и измеряется в HRC. Твердость определяет степень сопротивляемости металла к механическим повреждениям. На мягких изделиях при длительном соприкосновении с иными поверхностями остаются следы, что ухудшает их режущие свойства. Твердость ножей европейского образца составляет 60 HRC, азиатских – 70 HRC.
- Упругость: данный параметр определяет степень деформации металла при изгибах и ударах. Если сталь закалена, при изгибе на 10–30° она вернется в исходное положение. При перегреве снижается упругость поверхности, что приводит к поломке инструментов.
- Износостойкость: данный критерий показывает общую стойкость металла (сопротивление абразивному износу, стойкость к большим нагрузкам). При правильной закалке изделие сможет стабильно функционировать в течение более длительного срока.
После закалки заготовка приобретает высокую твердость. Для восстановления ее прочности необходимо провести процедуру отпуска, представляющую собой повторную термообработку детали. Металлическое изделие нагревается до более низких температур и охлаждается. Между закалкой и охлаждением также осуществляется полное остывание металлической поверхности при помощи его погружения в раствор соли или в масло. При выборе отпуска необходимо учитывать следующие особенности:
- Для изделий, подвергающимся деформациям или ударным нагрузкам, нужно использовать высокотемпературный отпуск: до 700 °C.
- Для легких клинков используется среднетемпературный отпуск: до 500 °C.
- Для обеспечения оптимальной твердости применяется низкотемпературный отпуск: до 250 °C. Но в этом случае изделие не сможет выдерживать высокие ударные нагрузки и будет легко деформироваться.
Температура цветов побежалости и каления
Во время отпуска возникают цвета каления. По ним можно определить, до какой температуры нагрелась заготовка. В отличие от побежалости, цвета каления меняются в процессе охлаждения металлической поверхности. Переход между цветами осуществляется в строгой последовательности, но с быстрой скоростью, поэтому мастер должен тщательно контролировать процесс термообработки.
Шкала цветов побежалости стали
Окрас углеродистых деталей при соответствующих температурах указан в следующей шкале цветов побежалости стали:
| Окрас | Пределы температур, °С |
| Лимонный | 220 – 229 |
| Желтый (цвет соломы) | 230 – 245 |
| Золотой | 246 – 255 |
| Земляной или коричневый | 256 – 264 |
| Алый или красно-оранжевый | 265 — 274 |
| Пурпурный | 275 – 279 |
| Аметистовый | 280 – 289 |
| Небесный | 290 – 294 |
| Твиттера | 295 – 299 |
| Индиго Крайола | 300 – 309 |
| Светло-голубой | 310 – 329 |
| Аквамариновый | 320 — 339 |
На заготовках из нержавеющей стали12Х18Н10Т, содержащей 18% хрома, 10% никеля и 1% титана (значения определены в ГОСТ 5632-2014), цвета побежалости образуются при иных температурах. Это обусловлено тем, что данный материал коррозийно-стойкий и жаропрочный. Поэтому при закалке и охлаждении мельчайшие частицы металлов и кислорода взаимодействуют медленнее, что препятствует образования оксидной пленки во время закалки и каления.
ГОСТ 5632-2014 Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные
В следующей таблице цветов побежалости представлены особенности изменения цвета изделий из нержавеющей стали:
| Окрас | Пределы температур,°С |
| Светло-соломенный | 300 – 399 |
| Золотистый | 400 – 499 |
| Земляной или коричневый | 500 – 599 |
| Красный или пурпурный | 600 – 699 |
| Синий или черный | 700 – 779 |
На поверхностях заготовок из нержавеющей стали могут появиться радужные полосы. Они могут появиться при нагревании изделия до температуры кипения (100 °С). Появление радужных следов обусловлено изменениями в кристаллической решетке металла. Радужный окрас на поверхности обрабатываемой заготовки не свидетельствуют о перегреве нержавеющей стали.
При какой температуре краснеет нержавеющая сталь
Если в первой части статьи о цветах побежалости я рассказывал о углеродистых сталях, то вторая часть посвящена сталям нержавеющим. Касательно цветов побежалости для нержавеющих сталей всегда было крайне мало информации. В данной статье я только попробую ее объединить. Что получилось из этой идеи читатель увидит ниже.
Для нержавеющих и жаропрочных сталей на начало образования оксидных пленок и появление цветов побежалости оказывает влияние содержание хрома в металле, что становится явно заметным при его введении от 5% в состав металла.
Повышенное содержание хрома в стали сдвигает в сторону более высоких температур начало интенсивного окисления. Из этого следует, что увеличение хрома уменьшает толщину образующейся оксидной пленки на полированной поверхности стали.
В этом легко убедиться - сравните температуру идентичных цветов побежалости для стали с хромом 13% в составе из таблицы ниже с температурой побежалости углеродистых сталей из ЭТОЙ таблицы (ссылка откроется в отдельной странице).
| Таблица цветов побежалости для 13%-ной хромистой стали: | |
|---|---|
| Тёмно-серый | > 700° С |
| Синий | 600-700° С |
| Тёмно-фиолетовый | 500-600° С |
| Коричневый | 400-500° С |
| Соломенно-жёлтый | 300-400° С |
В интернете можно встретить и описание цветов побежалости для более простой стали AISI 304, которую кроме изготовления кухонной утвари используют для труб, в оборудовании для текстильной и пищевой промышленности, цистерн для хранения и перевозки жидкостей и т.д:
| Таблица цветов побежалости для нержавеющей стали AISI 304: | |
|---|---|
| Темно-синий | 600° С |
| Синий | 540° С |
| Тёмно-фиолетовый | 450° С |
| Коричнево-фиолетовый | 420° С |
| Коричневый | 390° С |
| Интенсивно-жёлтый | 370° С |
| Соломенно-жёлтый | 340° С |
| Светло-жёлтый | 290° С |
1. Если инструмент из нержавеющей стали подвергается периодическому нагреванию при температуре 180-200-220° С, то на нем может образоваться оксидная пленка от соломенно-желтого до коричневого цвета, в зависимости от суммированного времени нагрева и уровня чистоты инструмента.
2. Так же, у меня в заточке не считается редкостью и ситуация, когда (например) большая толщина оксидного слоя препятствует нормальной работе шарнира маникюрного инструмента - на это также влияет температура и общее время нагрева.
3. Что касается освещения, то здесь должно быть все понятно - при дневном и искусственном освещении многие цвета оцениваются по разному. Просто обратите на это внимание, когда будете делать то или иное утверждение о цвете и оттенке побежалости.
Читайте также: