Окалинообразование и обезуглероживание

Потери металла на угар зависят: 1) от свойств печных газов: 2) от температуры нагрева; 3) от продолжительности нагрева; 4) от марки стали, формы и размера нагреваемых заготовок.

Состав печных газов, или атмосфера кузнечной печи, как правило, окислительная, так как сжигание топлива ведется с избытком воздуха. Электронагрев (контактный и индукционный) происходит в атмосфере воздуха, который представляет еще более окислительную среду. В состав печных газов входят: углекислый газ СО2, азот N2, кислород О2, сернистый газ SO2, водяные пары Н2О. Из этих газов окислителями является не только кислород, но и углекислый газ, водяные пары и сернистый газ. При высокой температуре главным окислителем является кислород, при низкой - водяные пары и углекислый газ. Водяные пары при низкой температуре являются более сильными окислителями, чем углекислый газ. Сернистый газ, входящий в состав печных газов, особенно вреден, так как сера является сильным окислителем и вступает в соединение с железом, образуя сернистое железо FeS (сульфид железа). Сульфид железа - соединение очень легкоплавкое, отчего окалина при сравнительно низких температурах делается жидкой, стекает с заготовки, обнажая неокисленный слой, который также окисляется.

Практически осуществить нагрев металла без образования окалины очень трудно, но к уменьшению ее стремиться надо. Поэтому нагрев металла нужно вести так, чтобы в области высоких температур (1300-1350°) заготовка находилась как можно меньше времени. На образование окалины главное влияние оказывает время нагрева заготовки. Чем меньше время нагрева, тем меньше окалина. Сверхвысокая скорость нагрева токами высокой частоты обеспечивает практически безокалинный нагрев, несмотря на окислительную атмосферу. В пламенных печах тоже можно получить тонкий слой окалины, если нагрев вести с высокой скоростью. Высокой скорости нагрева в пламенных печах можно достигнуть, если поддерживать температуру в печи выше 1500°.

Полностью безокалинный нагрев достигается только в том случае, если заготовка нагревается при отсутствии окалинообразующих газов, или, как еще говорят, при отсутствии агрессивной среды. Какие газы называются агрессивными, т. е. окалинообразующими, уже было сказано. Как сделать, чтобы заготовка нагревалась при отсутствии кислорода, углекислого газа, сернистого газа и паров воды? Если нагревать заготовку в электропечи, ее окружает воздух, а следовательно, кислород. Если нагревать в пламенной печи, то в дымовых газах обязательно присутствуют СО2 и Н2О (сернистого газа в пламени может и не быть, если в топливе нет серы). Напрашивается ответ - нагревать металл нужно в печэх, где бы его окружали инертные газы, т. е. газы, которые не окисляют металл. Такие печи называются печами безокислительного нагрева. Практически безокислительный нагрев осуществляется тремя способами: 1) нагрев металла в расплавленных солях; 2) нагрев металла в герметической печи или муфеле, куда подается защитный газ; 3) нагрев недогоревшим топливом (полугазом).

Как уже было упомянуто, при длительном нахождении в печи заготовок, нагретых до температуры штамповки, кислород, содержащийся в пламени топливных печей или в окружающем заготовку воздухе электрических печей, окисляет поверхность заготовки. А так как окисление не что иное, как горение, следовательно, горят с поверхности все составляющие сталь элементы. В первую очередь горят те составляющие, которые при более низкой температуре способны соединяться с кислородом. Из составляющих сталь элементов в первую очередь выгорает углерод, затем марганец, кремний, железо, хром, никель и т. д. В результате этого на поверхности заготовки образуется окалина.

Горение углерода приводит к обезуглероживанию поверхностного слоя, достигающего глубины 2 мм. Это снижает качество поверхностного слоя металла, не оказывая влияния на форму и размеры поковки. Обезуглероживание опасно для мелких поковок, которые подвергаются в дальнейшем термической обработке, особенно при закалке. Обезуглероживание не опасно для крупных поковок: в процессе длительной ковки атомы углерода перемещаются из внутренних слоев внутрь заготовки и выравнивают химический состав металла на поверхности.

Выгорания углерода можно избежать, если тщательно регулировать горение, т. е. не допускать нагрева с большим избытком воздуха и не направлять острое пламя на металл. Особенно важно последнее. Если яркий светящийся факел, как говорят, "лижет" металл, то в этом месте неизбежно не только обезуглероживание, но и перегрев и пережог металла.

Новости светотехники