Металлообрабатывающая компания VT-METALL Гибкий подход – железное качество
Звоните, мы сейчас работаем:
  • Главная >
  • Блог >
  • Окалина металла: причины появления, способы очистки и сферы применения
18.12.2022
315
Время чтения: 6 минут

Окалина металла: причины появления, способы очистки и сферы применения

Редакция сайта VT-Metall
Сохранить статью:

Вопросы, рассмотренные в материале:

  • Механизм образования окалины
  • Структура окалины металла
  • Способы удаления окалины металла
  • Применение окалины металла

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.

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.

Окалина металла: причины появления, способы очистки и сферы применения

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.

Цвет окалины позволяет оценить, при какой температуре шла обработка. Преобладающий в ней гематит придает чешуйкам красновато-рыжий оттенок, который говорит о том, что сталь обрабатывалась при температуре от +700 °С до +750 °С. В ходе нагревания металла до высокой (от +900 °С до +1000 °С) температуры в составе окалины начинает преобладать вюстит, окрашивающий поверхность в черный цвет.

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.

Способы удаления окалины металла

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.

Применение окалины металла

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.

Существуют стандарты химического состава этих отходов горячего проката. Стоимость окалины колеблется в зависимости от ее состава и в среднем составляет около 50 долларов за тонну.

Суммируя сказанное, можно сказать, что поверхность горячекатаных изделий из железных сплавов в ходе производства покрывается чешуйками окалины. Толщина и химический состав такого слоя зависят от особенностей технологии. Образованное окислами покрытие негативно сказывается на коррозионной стойкости металла и вызывает проблемы при дальнейшей обработке заготовок, что делает необходимой полную очистку поверхности.


Читайте также
Получить бесплатный чертеж

Получить бесплатный чертеж

Скачать прайс

Скачать прайс

Пересчет проекта

Пересчет проекта

Позвонить бесплатно

Позвонить бесплатно

Скачать прайс

Скачать
прайс

Написать WhatsApp

Написать WhatsApp

Яндекс.Метрика