что делает металл при нагреве

Что делает металл при нагреве

Нагрев металлов перед ковкой является важной и ответственной операцией, от которой во многом зависит не только качество будущих деталей, но также производительность труда, работа оборудования, стойкость инструмента и себестоимость продукции.

В процессе нагрева изменяется строение металла, его свойства, состояние поверхностных слоев и др. Каждый сплав имеет температурный интервал обработки давлением и определенный режим нагрева. Нарушение указанных параметров нагрева ведет к снижению качества деталей, а возможно и к разрушению металла. Поэтому для будущего специалиста необходимо изучение явлений, происходящих в металле при нагревании.

Влияние усадки на форму и размеры поковки особенно сказывается при ковке заготовок деталей сложной формы с длинными отростками, так как усадка может привести к сильному короблению поковки. Очень важно учитывать усадку металла при изготовлении рабочих ручьев штампов для объемной штамповки, особенно при точной объемной штамповке дорогостоящих сплавов.

Образование окалины ведет к потерям металла, увеличению припусков на механическую обработку, снижает производительность труда и, являясь твердым веществам, снижает стойкость инструмента при обработке давлением и обработке резанием.

Неравномерность нагрева и выравнивание температуры по сечению заготовки. Прогрев заготовки по сечению осуществляется за счет теплопередачи от наружных слоев к внутренним. Чем меньше коэффициент теплопередачи металла, больше скорость нагрева* и площадь поперечного сечения заготовки, тем больше разность температур между наружными и внутренними слоями заготовки. Под действием высокой температуры наружные слои расширяются больше внутренних и между ними возникают большие напряжения, которые могут привести даже к разрушению. Большинство заготовок из углеродистых конструкционных сталей сечением до 100 мм «не боится» быстрого нагрева и поэтому их можно закладывать холодными в печь с температурой до 1300’С.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали и многие сложные сплавы имеют низкую теплопроводность и во избежание образования трещин требуют медленного нагрева. Такие стали и сплавы загружают сначала в печь, имеющую невысокую температуру, некоторое время выдерживают при этой температуре и только после прогрева всего сечения начинают дальнейший подъем температуры.

После того как наружные слои заготовки нагреются до ковочной температуры, заготовки оставляют еще некоторое время в печи для выравнивания температуры металла по всему сечению. Это время называется временем выдержки.

Ковать неравномерно нагретую заготовку опасно из-за неравномерной по его сечению деформации металла и возможного его разрушения. При объемной штамповке и ковке в подкладных штампах неравномерный нагрев приводит к незаполнению рабочего ручья штампа и к снижению стойкости инструмента.

Аналогично нагреву охлаждение поковок из легированных сталей также должно выполняться с небольшой скоростью. При быстром охлаждении возникают термические напряжения, из-за которых могут появиться трещины в поковках и привести к браку.

* Скорость нагрева представляет собой увеличение температуры заготовки в единицу времени (за одну минуту или за один час, ‘С/ч).

С понижением температуры растворимость углерода в Fey уменьшается.

* В цементите углерода содержится 6,67%.

При 723С выпадает такое количество цементита, что концентрация углерода в аустените составит 0,8%. В доэвтектоидных сталях (С

Источник

Явления, происходящие в металле при нагреве,

И режимы нагрева

При нагревена поверхности заготовок образуется слой окси­дов, Называемый окалиной,толщина которого зависит от темпера­туры и времени нагрева, состава печной атмосферы, химического состава сплава и расположения заготовок в печи. Наиболее ин­тенсивно сплавы окисляются при температуре 900. 1200 °С.

Нагрев углеродистых сталей приводит также к выгоранию углерода поверхностного слоя на глубину до 2 мм. Уменьшение содержания углерода, называемое обезуглероживанием,ведет к снижению прочности и твердости стали. Особенно вредно обезуглероживание для заготовок небольших размеров, имею­щих малые припуски на механическую обработку и подвергае­мых последующей закалке.

Для уменьшения окалинообразования и обезуглероживания применяют нагрев в защитной атмосфере или вакууме, скорост­ной нагрев, защитные засыпки и обмазки, наносимые на заго­товки перед нагревом.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали и многие сложные сплавы, имеющие низкие теплопроводность и пла­стичность, во избежание трещин требуют медленного нагрева. Заготовки из таких сталей и сплавов загружают в печь при невы­сокой температуре, выдерживают при этой температуре для рав­номерного прогрева заготовки по всему объему и затем повышают температуру печи. Крупные слитки из легированных сталей при нагреве подвергают нескольким выдержкам при различных тем­пературах.

Выбор режима нагрева перед обработкой давлением заклю­чается в определении рационального температурного интерва­ла (температур начала и конца обработки) и времени нагрева. Нижняя граница температурного интервала обработки давлением стальных заготовок превышает 727 °С, а верхняя должна быть на 100. 150 °С ниже температуры начала плавления. При нагреве до более высоких температур в металле появляются два вида де­фектов — перегрев и пережог. При перегреверазмеры зерен увели­чиваются, пластичность уменьшается и ухудшаются механические свойства. Этот вид брака можно для некоторых сталей устранить дополнительной обработкой давлением и нормализацией.

Пережог— окисление металла по границам зерен при нагре­ве до температур, близких к температуре плавления. В резуль­тате связь между зернами нарушается и металл при обработ­ке. давлением разрушается. Пережог является неисправимым браком.

Температурный интервал обработки зависит от марки обраба­тываемого сплава. Для сталей температуру начала и конца обра­ботки давлением можно определить по диаграмме Fe-C (рис. 16.9). Из диаграммы видно, что низкоуглеродистые стали имеют ши­рокий (до 500 °С) температурный интервал обработки.

Рис. 16.9.Диаграмма состояния Fe—С: 1 — пережог; 2 — перегрев; 3 — область горячей обработки давлением

Время нагрева определяют исходя из двух противоречивых требований. С одной стороны, с целью уменьшения образования окалины и повышения производительности необходимо сокра­тить время нагрева, увеличив его скорость, с другой (во избежа­ние образования трещин) — уменьшить скорость нагрева и уве­личить его продолжительность. Последнее особенно важно для заготовок большого сечения из высоколегированных сплавов. Для заготовок из углеродистых сталей сечением до 100 мм 2 до­пускается высокая скорость нагрева и их можно загружать хо­лодными в печь, имеющую температуру 1300 °С.

Время нагрева Т (ч) в этом случае можно определить по фор­муле Н.Н. Доброхотова

гдеk— коэффициент, зависящий от марки стали (для углероди­стых и низколегированных сталей fe = 10, для высокоуглероди­стых и высоколегированных сталейk— 20);D— диаметр или сторона квадрата заготовки, м; а — коэффициент, учитываю­щий способ укладки заготовок в печи (рис. 16.10). Чем плотнее уложены заготовки в печи (меньше расстояние I), тем больше коэффициент а и длительнее нагрев заготовок.

Заготовки из высоколегированных сталей нагревают в два этапа из-за возможного их разрушения в результате возникно­вения термических напряжений при большой скорости нагрева:

а = 1,25

Рис. 16.10.Влияние способа укладки заготовок в печи на коэффициент а

сначала их медленно подогревают до 650 °С, а затем, когда Пла­стичность сплава увеличивается, окончательно нагревают с боль­шой скоростью до температуры горячей пластической деформа­ции. Общее время нагрева составляет т-т₁ +т₂,где Т, и Т₂ — время соответственно первого и второго этапов нагрева:

Процесс охлаждения(особенно заготовок из легированных сталей) при обработке давлением является ответственной техно­логической операцией, которая при неправильном выполнении может привести к браку, так как при охлаждении трещины в за­готовках образуются чаще, чем при нагреве. Скорость охлажде­ния не должна превышать допустимых значений. Заготовки из низко- и среднеуглеродистых сталей можно охлаждать на воз­духе поштучно или группами на стеллажах. Крупные поковки из легированных сталей охлаждают медленно вместе с печью, давая выдержки по нескольку часов при определенных темпе­ратурах. Цикл охлаждения заготовок зависит от их химическо­го состава и размеров и для крупных поковок может длиться несколько суток.

Источник

Превращения, происходящие в железе и стали при нагреве и охлаждении

Строение стали

Внимательно всмотревшись в излом металла, ясно можно увидеть, что он представляет собой нагромождение (совокупность) отдельных кристаллов (зерен), крепко сцепленных между собой. Мельчайшей частицей металла, как и всякого другого вещества, является атом. В элементарных ячейках, из которых состоят кристаллы железа, атомы расположены в определенном порядке. Это расположение изменяется в зависимости от температуры нагрева. При любой температуре ниже 910° атомы в ячейках кристаллов располагаются в виде куба, образуя так называемую кристаллическую решетку альфа-железа. В этом кубе восемь атомов расположены в углах решетки и один в центре.

При нагреве свыше 910° происходит перегруппировка атомов и кристаллическая решетка представляет собою форму куба с четырнадцатью атомами; условно ее называют решеткой гамма-железа. При температуре 1390° решетка гамма-железа перестраивается в решетку с девятью атомами, носящую название дельта-железо. Эта решетка отличается от решетки альфа-железа несколько большим расстоянием между центрами атомов и сохраняется до момента расплавления железа, т. е. до 1535° (Рис. 1).

Перестройка кристаллической решетки при медленном охлаждении происходит в обратном порядке: дельта-железо при 1390° превращается в гамма-железо, а гамма-железо при 898° превращается в альфа-железо.

Рис. 1. Строение кристаллической решетки: а — альфа и дельта железа; б — гамма железа.

Критические точки превращения

На рис.2 показаны кривые охлаждения и нагревания чистого железа. Как видно из этих кривых, в процессе перестройки одной решетки в другую, а также при расплавлении и затвердевании железа происходят температурные остановки, являющиеся результатом выделения дополнительного количества тепла при охлаждении и поглощении дополнительного количества тепла при нагревании.

Рис. 2. Кривые охлаждения и нагрева чистого железа.

Температурные остановки, при которых происходят перестройки решеток, называются критическими температурами или критическими точками и обозначаются А_rпри охлаждении и А_с при нагревании. В точках А_r2и А_с2,не происходит перестройка атомной решетки, а изменяются магнитные свойства железа. При температуре выше 768° железо теряет способность притягиваться магнитом. При очень малой скорости нагревания и охлаждения критические точки А _с3и А_r3не совпадают друг с другом на 12°. При увеличении скорости охлаждения несовпадение критических точек увеличивается, так как температура значительно снижается и железо переохлаждается. Это явление, носит название гистерезис.

При нагревании и охлаждении стали происходит также перестройка атомной решетки, но температуры критических точек не постоянны. Они зависят от содержания углерода и легирующих примесей в стали, а также от скорости нагревания и охлаждения.

На рис. 3 представлена диаграмма состояния углеродистой стали при медленном охлаждении и нагревании.

Рис.3. Диаграмма состояния углеродистых сталей.

Структура стали

Структурой стали называется внутреннее ее строение. Углерод в стали находится в виде химического соединения с железом, и это соединение называется — цементит. Кроме цементита, в стали имеется феррит, представляющий собой почти чистое железо. В зависимости от содержания углерода большая или меньшая часть феррита находится в механической смеси с цементитом, образуя новую структуру — перлит. Если небольшой кусок металла прошлифовать, отполировать и протравить в специальном реактиве, то под микроскопом можно различить структуры. Ниже приводится описание структур железоуглеродистых сплавов.

Аустенит представляет собою твердый раствор углерода и других элементов в гамма-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в ау-стените — это 2%. Аустенит образуется при затвердевании жидкой стали и при нагреве твердой стали выше критических температур.

В обычных сталях аустенит устойчив только лишь при температуре выше критических точек. При охлаждении, даже самом быстром, с этих температур аустенит превращается в другие структуры. При комнатной температуре аустенит полностью сохраняется в ряде марок нержавеющих сталей, в высокомарганцовистой стали и в незначительном количестве остается при закалке некоторых марок инструментальной и конструкционной сталей.

Аустенит мягок, пластичен, тягуч, мало упруг. Твердость его по Бринелю находится в пределах 170—220.

Аустенит немагнитен, обладает невысокой электропроводностью.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода и других элементов в альфа-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в феррите, это 0,04%. Феррит устойчив при температурах ниже критической точки A_C1. Он выделяется из аустенита при медленном охлаждении последнего ниже A_6i. Феррит мягок, сильно тягуч. Твердость HB= 60—100. Феррит магнитен до 768°. Свыше этой температуры он теряет магнитные свойства.

Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом Fe₃C—карбид железа. Цементит содержит углерода 6,67%. Выделяется из жидкого и твердого раствора при медленном охлаждении. Цементит весьма тверд и хрупок. Твердость его НB= 800—820. Он магнитен до 210°. Выше этой температуры цементит теряет магнитные свойства.

Перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита. Он образуется из аустенита при медленном его охлаждении. Температура превращения аустенита в перлит 723°С. При весьма медленном переходе через эту температуру цементит образуется в виде зерен (глобулей), и тогда перлит называется зернистым. При более быстром охлаждении цементит приобретает форму пластинок, и такой перлит называется пластинчатым. При весьма быстром охлаждении в результате значительного переохлаждения аустенита вместо перлита получаются другие структуры, о которых речь будет ниже.

Перлит магнитен, прочен и пластичен. Твердость его находится в пределах от 160 до 230 кг/мм 2 по Бринелю. При обработке резанием наиболее чистую поверхность дает структура зернистого перлита.

Мартенсит образуется в результате весьма быстрого охлаждения (закалки) аустенита. При быстром охлаждении успевает произойти перестройка кристаллической решетки гамма-железа в решетку альфа-железа, выделение же углерода в карбид железа не успевает произойти, и он весь остается растворенным в решетке альфа-железа. Так как нормально альфа-железо может растворить в себе не более 0,04% углерода, то такой раствор называют пересыщенным. Он отличается весьма большой твердостью (свыше R_c= 60) и хрупкостью. Следует указать, что решетка альфа-железа, получающаяся в результате закалки, имеет искаженную форму. Так, размеры ее граней не одинаковы — в одном направлении они удлинены за счет других (см. рис. 4). Такая решетка называется тетрагональной. Чем больше в стали углерода, тем больше тетрагональность решетки и тем более велики внутренние напряжения. При нагревании до температур 100—200° тетрагональность мартенсита уменьшается, форма кристаллической его решетки приближается к форме правильного куба, и вместе с этим уменьшаются внутренние напряжения. Мартенсит магнитен.

Рис. 4. Строение кристаллической решетки стали, закаленной на мартенсит.

Троостит представляет собой высокодисперсную (мелкораздробленную) смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с замедленной против закалки скоростью или в результате нагрева (отпуска) мартенсита в пределах 250—400°.

При нагреве закаленной стали происходит постепенное выделение углерода из кристаллической решетки с образованием карбидов. Троостит менее прочен, более пластичен, чем мартенсит. Твердость его НB330—400. При охлаждении аустенита в горячих средах в интервале 250—400° (изотермическое превращение аустенита) происходит образование игольчатого троостита, несколько более прочного, чем обычный троостит.

Сорбит представляет собой дисперсную смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с небольшой скоростью или при нагреве (отпуске) мартенсита до 400—650°. Карбиды сорбита более крупные, чем троостита. Сорбит пластичен, вязок и магнитен. Твердость НВ 270—320.

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. Он содержит углерода 4 3% Образуется ледебурит при затвердевании жидкого сплава с содержанием углерода свыше 2%. Ледебурит хрупок.

На рис. 5. представлены фотоснимки структур стали с различным содержанием углерода.

Структура стали с содержанием углерода 0,83% состоит из сплошного перлита и называется эвтектоидной; при меньшем содержании углерода структура стали состоит из перлита и феррита и носит название доэвтектоидной, а при большем содержании углерода — из перлита и цементита и называется заэвтектоидной. Температура 723°, при которой перлит переходит в аустенит, также называется критической и обозначается Ас.

Для того чтобы доэвтектоидную и эвтектоидную сталь полностью отжечь, нормализовать или закалить, их нужно нагреть до такой температуры, при которой они перешли бы в аустенитное состояние.

Рис. 5. Микроструктура отожженной углеродистой стали:

Превращения, происходящие в стали при нагревании

По диаграмме на рис. 3 можно проследить за изменениями структуры трех разных марок стали при нагревании:

Линия на диаграмме, обозначенная буквами GS, соответствует окончанию растворения феррита в аустените в доэвтектоидных сталях, а линия SE соответствует окончанию растворения цементита в аустените в заэвтектоидных сталях.

Следует указать, что заэвтектоидные стали при операциях термической обработки не нагревают выше линии А_cт(такая высокая температура нагрева приведет к перегреву и ухудшению свойств стали), а ограничиваются нагревом выше первой критической точки A_Cl, что полностью обеспечивает получение необходимых свойств.

Превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении

В сталях, нагретых до аустенитного состояния, при весьма медленном охлаждении произойдут обратные превращения, а именно:

а) в стали с содержанием углерода 0,83% аустенит превратится в перлит;

б) в стали с содержанием углерода 0,4% сначала из аустенита начнет выделяться феррит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит и

в) в стали с содержанием углерода 1,2% сначала из аустенита выделится цементит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит.

Даже при весьма медленном охлаждении температура распада аустенита не совпадает с теми температурами, при которых аустенит образовался при нагревании. Чем скорость охлаждения больше, тем больше становится гистерезис, т. е. разница между критическими температурами (точками) при нагревании и охлаждении.

Превращения, происходящие в стали при быстром охлаждении

Рис. 6. Микроструктура закаленной стали:

а — игольчатый мартенсит;

В легированных сталях, благодаря присутствию специальных элементов, для образования мартенсита не требуется столь большой скорости охлаждения, как для углеродистых сталей, и мартенсит образуется при охлаждении в масле, а для быстрорежущих сталей — и при охлаждении на воздухе.

Троостит и сорбит можно получить не только в результате ускоренного охлаждения, нои путем нагрева закаленной стали, имеющей структуру мартенсита, до температуры ниже A_с1, т. е. путем отпуска стали. В этом случае троостит получается при нагреве стали до 400°, а сорбит—при нагреве до 650°. При нагреве до промежуточных температур получаются смешанные структуры: при нагреве от 250—400° — мартенсит и троостит и при нагреве от 400—650° — троостит и сорбит. В производственных условиях троостит и сорбит получают путем отпуска закаленной стали.

Превращения, происходящие в стали при охлаждении в среде, имеющей температуру выше 200° (изотермическое превращение)

Если деталь, нагретую выше критической точки, поместить в среду, имеющую температуру от 700 до примерно 200°, и выдержать в ней до выравнивания температуры по всему сечению, то аустенит превратится в ту структуру, которая соответствует превращению при данной температуре.

О поведении стали при изотермической обработке, выборе температуры и времени выдержки судят по кривым изотермического превращения, построенным для разных марок стали.

Рис. 7. Диаграмма изотермического превращения аустенита углеродистой стали.

На рис. 7 дан вид диаграммы изотермического превращения в стали. На горизонтальной оси отложено время начала и конца превращения, а на вертикальной— температура, при которой оно происходит. Линия А _с соответствует переходу аустенита в перлит, а линия М_н — образованию мартенсита из аустенита. На кривой I начинаются, а на кривой II заканчиваются структурные превращения.

Если углеродистую инструментальную сталь, нагретую до 800°, поместить в масло, расплавленную соль или щелочь при температуре 250°, в ней образуется игольчатый троостит с высокой твердостью R_c=45—55. Если эту же сталь охладить в среде, имеющей температуру свыше 600°, в ней образуется перлит и такая сталь легко обрабатывается на станках. При охлаждении стали в среде с промежуточными температурами образуются структуры троостита и сорбита с соответствующей твердостью.

Изотермический отжиг нашел большое применение при термической обработке инструментальных сталей как процесс, резко уменьшающий время по сравнению с другими видами отжига.

Изотермическая закалка в инструментальном деле применяется редко из-за недостаточной для инструмента твердости, достигаемой при этом процессе.

Источник:
Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.
Каменичный И.С. Практика термической обработки инструмента. Киев, 1959 г.

Источник

Глава ІІІ НАГРЕВ МЕТАЛЛА

Окисление и обезуглероживание стали

Общие сведения

Нагрев металла — это процесс либо предшествующий обработке ме­талла давлением (прокатке, ковке), либо являющийся частью основного процесса термической обработки металла. Нагрев металла имеет важ­ное значение, так как от его качества зависят качество конечной про­дукции и работа прокатного (кузнечного) оборудования. Нагрев метал­ла проводят по определенной технологии, характер которой зависит от цели нагрева.

Процесс нагрева металла сопровождается некоторыми нежелатель­ными явлениями, из которых наиболее характерными являются его окисление (угар) и обезуглероживание.

Необходимо отметить, что время нагрева, являющееся важным фак­тором технологии нагрева, определяет основные размеры рабочего про­странства нагревательных печей.

Нагрев стали в печах прокатных, кузнечных и некоторых термиче­ских цехов проводят в атмосфере продуктов сгорания топлива. При этом происходит взаимодействие окружающих нагреваемую сталь га­зов с железом, углеродом и легирующими элементами, которое приво­дит к окислению и обезуглероживанию ее поверхности.

Вследствие окисления возникают невозвратимые потери металла, составляющие при каждом нагреве от 1—2 (в термических печах) до 5% (в кузнечных печах). При этом увеличивается также трудоем­кость последующей обработки изделий в связи с необходимостью уда­ления образовавшейся окалины. Повышенная твердость окалины вызы­вает более быстрый износ инструментов и увеличение брака при ковке и прокатке. Вследствие того что окалина по сравнению со сталью имеет меньшую теплопроводность, время нагрева металла в печах увеличива­ется, что приводит к снижению их производительности при прочих рав­ных условиях; осыпающаяся окалина образует шлаковые наросты на

поду печей и вызывает необходимость более частых ремонтов и по­вышенный расход огнеупорных материалов.

Обезуглероживание поверхностного слоя металла ухудшает механи­ческие свойства стали, понижая ее пределы прочности, текучести и вы­носливости. Для получения заданных механических свойств изделия приходится удалять обезуглероженный слой (до 2 мм), что, естествен­но, увеличивает трудоемкость обработки изделия. Особенно нельзя до­пускать обезуглероживания изделий, которые в последующем подлежат поверхностной термической обработке.

При выборе режимов нагрева стали в печах необходимо принимать во внимание оба указанных выше процесса, так как они тесно связаны между собой.

Окисление стали

Окисление стали представляет собой процесс взаимодействия окис­ляющих газов с железом и легирующими элементами. Этот процесс определяется не только химическими реакциями окисления, но и зако­номерностями образования окисной пленки, которая по мере ее роста все более и более изолирует сталь от окислительных газов. Поэтому скорость роста окалины зависит не только от протекания химического процесса окисления стали, но и от условий передвижения ионов металла (от металла и внутренних слоев окалины к наружным) и атомов кис­лорода (споверхности металла к его внутренним слоям), т. е. от усло­вий протекания физического процесса двусторонней диффузии. Скорость диффузии какого-либо вещества выражается первым законом Фика:

где т — количество вещества, диффундирующего через единицу сече­ния в единицу времени, кг/(м 2 ×с); D — коэффициент пропорционально­сти, называемый коэффициентом диффузии, м 2 /с.

Отношение dc/dx показывает, насколько изменяется концентрация диффундирующего вещества с при изменении толщины слоя, в котором происходит диффузия на величину dх. Таким образом, скорость диф­фузии увеличивается с возрастанием коэффициента диффузии и разно­сти концентраций диффундирующего компонента. Коэффициент диффу­зии зависит от физических свойств взаимодействующих веществ и тем­пературы.

Диффузионный механизм образования окалины обусловливает трех­слойную структуру слоя оксидов, образующегося при нагреве стали в печах. Во внутреннем слое (примыкающем к металлу) содержится больше всего монооксида железа, образующегося по реакции

Средний слой — магнетит Fе₃О₄ — образуется при последующем окислении монооксида железа по реакции

В этом слое железа содержится меньше и в сравнении с первым слоем он обогащен кислородом, хотя и не в такой мере, как наиболее богатый кислородом Fе₂О₃, образующийся в третьем слое по реакции

Состав каждого из трех слоев не постоянен по сечению, а постепен­но изменяется в результате взаимодействия с примесями компонентов окалины, более богатых кислородом вблизи поверхности.

Окисление стали при ее нагреве в печах происходит не только бла­годаря ее взаимодействию со свободным кислородом, но и со связанным кислородом, входящим в состав продуктов полного сгорания топлива а топливных печах: СО₂, Н₂О и SО₂. Эти газы, так же как и О₂, называют окислительными в отличие от восстановительных СО, Н₂ и СН₄. Азот, обычно присутствующий в продуктах сгорания или в воздухе, является нейтральным газом. Атмосфера в большей части топливных печей пред­ставляет собой смесь N₂, СО₂, Н₂О, SО₂ с небольшим количеством сво­бодного кислорода, поскольку только при полном сгорании топлива в печи развивается требуемая температура. Наличие большого количества восстановительных газов в печи свидетельствует о неполном сгорании и в обычных печах недопустимо, так как топливо используется не рацио­нально. Этим, объясняется то обстоятельство, что атмосфера обычных топливных печей имеет окислительный характер.

Окислительная и восстановительная способность всех перечислен­ных газов по отношению к стали зависит от их концентрации в атмо­сфере печи и температуры. Увеличение доли нейтрального газа в печ­ной атмосфере уменьшает скорость окисления. Скорость окисления очень сильно зависит от содержания SО₂ и Н₂S в печной атмосфере. Присутствие в печных газах даже очень небольших количеств SО₂ резко увеличивает скорость окисления, так как при температуре, превышающей 1373 К, на поверхности стали образуются легкоплавкие соединения из оксидов и сульфидов железа, ускоряющие процесс образования ока­лины.

Соединение Н₂S может присутствовать и в восстановительной атмо­сфере; его воздействие на металл (наряду с SО₂) приводит к увеличе­нию содержания серы в поверхностном слое. Качество стали при этом сильно ухудшается, причем особенно вредное влияние сера оказывает на легированные стали, так как они поглощают ее в большей мере, чем простые углеродистые стали, а никель образует с серой легкоплавкую эвтектику. Вредное влияние серы уменьшается при наличии восстано­вительных газов в атмосфере печи. При этом следует отметить, что вредное воздействие Н₂S на сталь значительно слабее, чем влияние SО₂.

Толщина образующегося слоя оксидов на поверхности стали и его структура зависят не только от атмосферы, в которой нагревается ме­талл, но и от ряда других факторов, к которым в первую очередь от­носятся температура и время. Чем выше температура металла, тем большее количество окалины образуется за одно и то же время его пребывания в печи. Экспериментально установлено, что скорость роста пленки оксидов dх/dt, как и во всяком диффузионном процессе, связа­на с температурой следующим уравнением:

где R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; Q и А — постоянные величины, зависящие от природы пленки оксидов и условий процесса.

Образование окалины при температуре до 873 К происходит с очень малой скоростью, а при температуре свыше 898 — 923 К скорость окис­ления стали резко возрастает и увеличивается согласно приведенному выше уравнению по экспоненциальному закону. Время пребывания ме­талла в печи оказывает очень сильное влияние на количество образую­щейся окалины. Увеличение времени нагрева до заданной температуры приводит к росту слоя окалины, хотя скорость окисления несколько па­дает со временем вследствие увеличения толщины слоя и, следовательно, уменьшения скорости диффузии через него ионов железа и атомов кис­лорода. Время нагрева до заданной температуры может быть сокращено увеличением температуры в печи (если получающаяся при этом ско­рость нагрева позволяет вести процесс без возникновения опасных на­пряжений в металле), что способствует уменьшению количества обра­зующейся окалины.

Факторы, влияющие на скорость диффузии кислорода к поверхно­сти нагреваемой стали из атмосферы печи, не оказывают существенного влияния на рост слоя оксидов. Это обусловлено тем, что диффузион­ные процессы в слое окалины протекают медленно и являются опреде­ляющими. Поэтому, например, увеличение скорости движения газов над поверхностью металла выше 0,1 м/с (скорость движения газов в печах обычно больше) не приводит к ускорению окисления стали. Однако дви­жение продуктов сгорания в общем может оказывать заметное влияние на окисление, так как местные перегревы металла, обусловленные нерав­номерным полем температур газов в печи (это может быть вызвано большим углом наклона горелок, их неправильным размещением по высоте и длине печи и т. д.), неизбежно приводят к местному интенсивно­му окалинообразованию.

Условия перемещения стальных заготовок и деталей внутри печей, состав стали и качество ее поверхности также оказывают заметное вли­яние на скорость образования окалины. Так, при перемещении металла в печи может происходить отслаивание и отделение окалины, что спо­собствует более быстрому последующему окислению незащищенных поверхностных участков. Состояние поверхности металла играет важ­ную роль, так как образующийся на гладкой поверхности слой оксидов оказывается более плотным и прочным и защищает сталь от дальней­шего окисления. Наличие в стали некоторых легирующих элементов (Cr, Ni, Si и др.) может обеспечить образование тонкой и плотной, хорошо прилегающей к поверхности металла пленки оксидов, надежно предупреждающей последующее окисление. Такие стали, называемые жаростойкими, хорошо сопротивляются окислению при нагреве.

Следует отметить, что сталь с большим содержанием углерода в меньшей мере подвержена поверхностному окислению, чем малоуглеро­дистая. Углерод, содержащийся в стали, окисляясь, превращается в СО₂, диффундирующую к поверхности и препятствующую окислению железа. Окисление стали сильно увеличивается при плавлении окалины.

Количество образовавшейся окалины можно определить по измене­нию массы окислившегося образца двумя способами: 1) по увеличению массы образца, покрытого окалиной (увеличение массы характеризует количество кислорода, входящего в состав окалины), и 2) по уменьше­нию массы образца после полного снятия слоя окалины (уменьшение массы показывает, какое количество железа входило в состав снятой окалины). Кроме этого, иногда проводят изучение микро- и макрострук­туры слоя образовавшейся окалины и определяют ее химический состав.

Источник