Окалиной называется оксид, образующийся при термообработке металла. Он не имеет каких-либо ценных качеств, но с помощью определенных восстановительных процедур из него можно получить железо. Окалина, образовавшаяся на поверхности детали после обработки, должна быть убрана. Способ ее удаления зависит от структуры образования: это может быть обдув или иной метод.
Как образуется окалина
При химической реакции, в которую вступает железо, взаимодействующее с атмосферным кислородом, на поверхности металла появляется окалина. В ней содержатся 3 типа оксидов: вюстит (FeO), гематит (Fe₂O₃) и магнетит (Fe₃O₄), который представляет собой смесь первых двух.
Если в металлический сплав добавляется хром, то небольшая доля (до 1 %) оксида этого элемента появляется в составе окалины. При легировании никелем доля его оксида в составе не превышает 0,09 %. От количества окислов дополнительных металлов в окалине напрямую зависит химический состав стали и режим, который следует выбирать для ее обработки.
Окисление стали включает в себя два параллельных процесса: проникновение металла наружу через слой оксида и встречную диффузию атомов кислорода вглубь от поверхности.
Во время нагревания сплава железо, растворяющееся в окалине, продвигается в ее наружные слои. Эта диффузия практически всегда происходит быстрее по сравнению со скоростью проникновения кислорода, из-за чего сплошная зона контакта обрабатываемого металла с продуктом окисления отсутствует. Образующийся при этом слой окалины имеет пористую структуру.
В чем состоит вред окалины
Продукт окисления, образующийся на поверхности металла при горячем прокате, отрицательно влияет на качество заготовок. Если окалина удалена с поверхности элементов не полностью, ее последствием становится развальцовка деталей. Из-за этого после прохождения прокатного стана по металлу на конечном продукте образуются дефекты.
Окалина отрицательно воздействует не только на внешний вид стали, но и на ее механические качества. Удаление окислов требует больших трудозатрат и занимает немало времени, из-за чего увеличивается себестоимость готового проката. При развальцовке заготовок происходит проникновение побочного продукта во внутреннюю структуру материала, что снижает пластичность и долговечность деталей.
По своей прочности и твердости окалина превосходит аналогичные параметры металла, из которого изготовлены вальцы стана. Из-за этого контактирующие с ней элементы быстро изнашиваются. Продукт окисления, образовавшийся на поверхности металлопроката, ухудшает результат дальнейшей обработки: окрашивания, цинкования и других операций.
Особенности появления
Образование окалины на поверхности материала происходит на протяжении всего процесса прокатки. Продукт окисления бывает первичным или вторичным — это зависит от этапа рабочего процесса, на котором он образовался.
Первичная (печная) окалина формируется на поверхности заготовок при их разогревании в печах. На объем окислов, образующихся при нагревании металла, влияют следующие факторы:
- время обработки;
- температурный режим;
- атмосфера разогревания.
Вторичная окалина формируется по причине пауз, которыми перемежается процесс металлообработки. Ее количество зависит от следующих параметров:
- химический состав материала;
- температура, при которой происходит металлообработка;
- продолжительность временных интервалов между технологическими операциями.
В ходе разогревания металлического сплава необходимо придерживаться режима обработки, при котором образование продукта окисления и его прилипание к поверхности материала является минимальным. Это позволяет без труда удалять образовавшуюся окалину.
Чешуйки оксида железа, формирующиеся при обработке углеродистой стали, плохо сцепляются с поверхностью. Их легко удалить путем нагрева в среде с содержанием кислорода 5–10 %. После этого слой окалины осыпается с заготовок при выходе из печи и укладке на рольганги.
Очищать от продукта окисления малоуглеродистые легированные стали сложнее. Дело в том, что коэффициент сцепления окалины с их поверхностью особенно высок.
Чтобы очистить от образовавшихся оксидов детали, изготовленные из нержавеющей стали, такие элементы необходимо разогреть в печи со слабокислой атмосферой. Нагревание в нейтральной или восстановительной среде малоэффективно и не позволяет качественно удалять окалину с поверхности материала.
Структура продукта окисления
Окалина состоит из двух слоев, которые без труда отделяются друг от друга. При суммарной толщине до 40 нм присутствие такого оксида на поверхности практически незаметно, и чтобы его разглядеть, необходима специальная оптика.
При суммарной толщине двух слоев 40…500 нм наличие окалины выдает радужный отлив на материале. Если этот показатель превышает 500 нм, поверхность имеет постоянный окрас.
Внешний слой, состоящий из гематита (Fe₂O₃), отличается высоким показателем твердости (порядка 1030 ед. по шкале Виккерса) и практически не растворяется в кислоте. Под ним располагается образующийся из-за недостаточного количества кислорода магнетит (Fe3O4) — более мягкое, но также устойчивое к воздействию агрессивных химических сред вещество. Нижний слой, непосредственно прилегающий к основному металлу, состоит из вюстита, который можно без труда удалить с помощью кислоты или механическим способом.
Толщина слоев зависит от интенсивности нагрева и может изменяться с учетом этого параметра. Если температура составляет свыше 570 °С, окалина приобретает четкую структуру. Дальнейшее нагревание способствует утолщению слоя вюстита. Если обработка металла происходит при более низкой температуре, увеличивается доля гематита и магнетита.
Узнать, при какой температуре происходила обработка, легко по цвету окалины. Если в ней преобладает гематит, то чешуйки имеют красноватый оттенок. Это означает, что металлообработка происходила при температуре 700…750 °С. При нагревании материала до 900…1000 °С продукт окисления преимущественно состоит из вюстита. Поверхность в этом случае приобретает черный цвет.
При достаточно высокой твердости окалина хрупкая, из-за чего ее присутствие в составе готового металлопроката ухудшает свойства последнего. По этой причине она не может быть использована в качестве защитного покрытия, хотя содержащиеся в ней вещества обладают химической нейтральностью и, контактируя с кислородом, не вступают с ним в дальнейшую реакцию.
Частичное скалывание слоя оксида железа приводит к тому, что на обнажившихся участках быстро образуется коррозия. Причиной этого является разность потенциалов слоя окалины и основного материала. Поэтому важно полностью убирать продукт окисления с поверхности готового металлопроката.
Как удалять окалину с поверхности
Очищать металл от окалины можно несколькими способами. Механический метод подразумевает пропускание заготовок между роликами. Металл подвергается различным видам деформаций (растяжение, изгибание, скручивание и т. д.), благодаря чему удается снять с поверхности большую часть чешуек окалины. Этот способ очистки является черновым, и после него необходима дополнительная обработка металла.
Другой механический метод удаления окалины — воздействие на поверхность дробью, песком или другими абразивными веществами. Продукты окисления также можно убирать с материала посредством шлифовальных кругов, микрорезцов и других приспособлений.
Химический способ очистки заключается в протравливании поверхности металлопроката растворами солей, щелочей или кислот. При этом важно учесть оксидный состав и его восприимчивость к воздействию агрессивных веществ. Если вюстит легко растворяется под химическим воздействием, то удалить магнетит таким путем очень тяжело, а гематит — вообще невозможно. Протравливать поверхность можно химическим или электрохимическим способом.
Обработка металла с помощью серной кислоты вызывает активное выделение водорода. Проникая в сплав, этот химический элемент ухудшает физические характеристики материала и повышает хрупкость, что при дальнейшей обработке может привести к негативным последствиям. Для нейтрализации отрицательного эффекта металлопрокат после очистки выдерживается в течение длительного времени или просушивается путем нагревания.
Чтобы основной металл не подвергался разъеданию кислотой после того, как с него будут удалены чешуйки окалины, используются специальные добавки-ингибиторы. Следует учитывать, что эффективность активного химического раствора напрямую зависит от температуры и нагревание может ускорить процесс разрушения металла.
Очистка заготовок с помощью раствора соляной кислоты имеет аналогичные особенности. Плюсом технологии является то, что рабочая среда не нуждается в нагревании. Более того, при увеличении температуры свыше 40 °C начинают выделяться хлороводородные соединения. Другие побочные продукты, образующиеся при протравливании железа соляной кислотой — хлористые соли. Но в целом обработка таким раствором не приводит к насыщению сплава водородом и по сравнению с серной кислотой более действенна.
Электрохимическая обработка ускоряет процесс и предотвращает эффект водородной хрупкости металла, одновременно уменьшая необходимое для протравливания количество раствора. Она производится по одной из технологий:
- анодной;
- катодной;
- смешанной.
При выборе методики необходимо учитывать назначение заготовок, химический состав сплава и параметры последующей металлообработки.
Особенности удаления окалины после резки лазером
Во время лазерной резки металла, где функцию горючего газа выполняет кислород, на обрезных кромках также образуется окалина. Ее хрупкость и низкий коэффициент сцепления с лакокрасочными материалами делает дальнейшую обработку без предварительной очистки поверхности неэффективной.
Для удаления окалины с заготовок после лазерной кислородной резки также используются механические (пескоструйная или пылевая обработка) или химические (электрохимические) способы очистки. Последние более предпочтительны. Причина в том, что механические методы в этом случае проблематичны в связи с размерами и конфигурацией деталей.
Применение окалины
Многовековая практика кузнечного ремесла наглядно доказывает, что тонкий слой окалины на металлических изделиях обеспечивает их надежную защиту от коррозии. До наших дней не утратило актуальность воронение — один из распространенных способов обработки оружейной стали. Суть его заключается в пассивации металла, при которой на поверхности образуется тонкая оксидная пленка. Чтобы внешний слой приобрел необходимый оттенок, мастера изменяют толщину покрытия, а также параметры обработки.
Доля веса металлической окалины может достигать 3 % от общей массы готовых изделий. В металлургической сфере эти продукты окисления, содержащие до 75 % железа, используются в качестве сырья. В большинстве случаев методами очистки и восстановления из них вырабатывают низкоуглеродистую сталь.
Некоторые виды окалины используются в строительной сфере как красящие пигментные вещества. Порошок, полученный из продуктов окисления железа, применяется в качестве основы для приготовления самонагревающихся металлургических смесей.
Для этих окислов предусмотрены стандарты химического состава. С учетом соответствия последним определяется стоимость окалины металла.
