Литейное производство

Контролируемый нагрев металлов: как избежать окалины и обезуглероживания

Нагрев металлических заготовок является важнейшим этапом в большинстве процессов горячей обработки металлов давлением. От качества и равномерности нагрева напрямую зависит успех последующих операций: ковки, прокатки, штамповки.

Неправильный температурный режим или неравномерность прогрева могут привести к браку изделия, структурной неоднородности и ухудшению механических свойств. Кроме того, при нагреве в окислительной среде возникают нежелательные явления — образование окалины и обезуглероживание поверхностных слоев стали, что требует дополнительных мер защиты и удаления дефектов.

Любое устройство, предназначенное для нагрева металлических заготовок, должно строго соответствовать технологическим требованиям, обусловленным конкретным производственным процессом. Главная его задача — поддерживать необходимую температуру и обеспечивать равномерное и качественное прогревание материала по всему объему.

Если металл прогревается неравномерно, то при дальнейшем процессе горячей пластической деформации более нагретые участки начнут деформироваться быстрее, чем менее нагретые. Это приведет к возникновению внутреннего напряженного состояния с различной степенью деформации, что, в свою очередь, вызовет неоднородность структуры, возникновение зон разнозернистости и дефекты в поковке.

Причинами температурной неравномерности могут быть различные конструктивные или эксплуатационные особенности нагревательной печи. Так, неравномерность может возникнуть из-за неисправности отдельных горелок в пламенных печах, несбалансированной работы нагревательных элементов в электропечах, неравномерного их распределения внутри камеры или попадания холодного воздуха извне — через неплотности или подсосы.

Однако помимо однородности температурного поля важнейшее значение имеет также скорость прогрева. Ускоренный нагрев способствует увеличению производительности оборудования, снижению удельного расхода топлива и уменьшению потерь металла за счет окисления и обезуглероживания. Особенно важно это в условиях массового производства, где каждый процент выхода продукции имеет значение.

Поверхность нагреваемой заготовки, контактируя с кислородом воздуха, водяным паром или диоксидом углерода, вступает с ними в химические реакции. В результате на поверхности образуются оксидные соединения железа: Fe2O3, Fe3O4 и FeO — в совокупности называемые окалиной. Последняя обладает крайне низкой теплопроводностью (в среднем в 20 раз ниже, чем у стали), и, таким образом, действует как изоляционный слой, препятствуя быстрому прогреву сердцевины заготовки.

Появление окалины нежелательно и на стадии деформации: она снижает качество получаемой поверхности поковки, а при штамповке может частично вдавливаться в тело изделия, вызывая внутренние дефекты. Поэтому кузнецы с опытом всегда стараются удалить окалину перед деформацией, что осуществляется ударами молота и встряхиванием заготовки.

На последующих этапах производства от окалины избавляются различными методами. Наиболее часто применяются механическая очистка (с помощью галтовки, пескоструйной или дробеструйной обработки) и химическая — травление в кислотных или щелочных растворах. Эффективным также является комбинированный способ: сначала окалина разрыхляется химически, после чего удаляется механически. Необходимо учитывать, что наличие окалины увеличивает габариты заготовки, так как необходимо закладывать припуск на последующую зачистку.

Окисление и обезуглероживание стали и меры борьбы с ними

Окисление при нагреве — это процесс взаимодействия железа (основного компонента стали) с компонентами печной атмосферы: кислородом O2, водяным паром H2O и углекислым газом CO2. Реакции происходят следующим образом:

2Fe + O2 ↔ 2FeO;
Fe + H2O ↔ FeO + H2;
Fe + CO2 ↔ FeO + CO.

В составе окалины можно выделить три слоя. Самый внутренний, прилегающий к стали, состоит из FeO — вюстита (с ~80% содержанием железа), за ним следует Fe3O4 — магнетит (~82% железа), а далее располагается внешний слой гематита Fe2O3 (~70% железа). Наружные слои также характеризуются более высоким содержанием кислорода.

Схема расположения окисных слоев на заготовке из стали
Рис. 1. Схема расположения окисных слоев на заготовке из стали

Оксид железа образуется не только за счет окисления самого железа, но и в результате разложения цементита (Fe3C), содержащегося в стали. Протекают следующие реакции:

2Fe3C + O2 ↔ 6Fe + 2CO;
Fe3C + H2O ↔ 3Fe + CO + H2;
Fe3C + CO2 ↔ 3Fe + 2CO;
Fe3C + 2H2 ↔ 3Fe + CH4.

Одновременно с окислением, при нагреве, в поверхностных слоях стали происходит диффузионное уменьшение содержания углерода — обезуглероживание. Особенно чувствительны к этому явлению стали с особыми механическими свойствами: подшипниковые, инструментальные, рессорные и пружинные марки.

Толщина обезуглероженного слоя зависит от температуры, продолжительности нагрева, химического состава стали и атмосферы печи. Удаление этого слоя осуществляется механической обработкой — токарной, шлифовальной или фрезерной.

Окисление и обезуглероживание становятся интенсивными при температуре 700…800 °С. До 1000 °С преобладает обезуглероживание, при температуре выше 1000 °С — окисление. При 1300 °С темпы угара резко увеличиваются, что требует предельной точности при управлении температурным режимом.

Разные газы, входящие в состав атмосферы печи, оказывают различное влияние. Кислород активно окисляет и обезуглероживает, CO2 делает это в меньшей степени, а водород восстанавливает оксиды, но также способствует уносу углерода. Метан, напротив, может науглероживать поверхность. Решающим становится соотношение компонентов атмосферы: CO2/CO и H2O/H2, а также температура.

С учетом этих факторов возможно полное устранение нежелательных эффектов. В термических печах широко применяются защитные газовые среды. Такие атмосферы создаются путём контролируемого разложения аммиака (с получением смеси водорода и азота) либо сжиганием газа при коэффициенте избытка воздуха α* в диапазоне от 0,25 до 0,95:

*α = Vг / Vв, где
Vг и Vв — объемы газа и воздуха соответственно, участвующие в горении.

Таким образом, качественное управление параметрами нагрева, включая состав печной атмосферы, равномерность и скорость прогрева, позволяет минимизировать или полностью исключить потери металла и сохранить требуемые характеристики готовых изделий.

Контролируемый состав атмосферы получают в специальных установках – эндогенераторах. В печах для нагрева стали под горячую пластическую деформацию топливо сжигают с коэффициентом расхода воздуха α > 1. Поэтому в продуктах сгорания восстановительные газы СО и H2 практически отсутствуют. С увеличением коэффициента избытка воздуха от 1 до 1,3 угар возрастает пропорционально росту α. Поэтому с целью снижения угара необходимо выбирать горелки, обеспечивающие устойчивое горение с минимальным избытком воздуха в печной атмосфере.

Наиболее эффективным способом защиты заготовок в кузнечных печах является создание газовой завесы, которая окутывает нагреваемый металл продуктами неполного горения газообразного топлива (рис. 2). Газовая завеса образуется струями газа, подаваемого из сплющенных и охлаждаемых водой сопл горелки 4, направленных под небольшим углом к поверхности нагреваемых заготовок 1. Защитный газ смешивается затем с воздухом, поданным через горелки в избыточном количестве, и сгорает.

При отоплении печей природным газом через завесу подают 10…20 % от всего топлива, расходуемого на отопление печи. Газ сжигают с коэффициентом расхода воздуха α = 0,6. Это позволяет получить атмосферу печи следующего состава, %: 6 СО2; 8 СО; 13 H2;2 СH4, остальное – азот (N).

Также эффективным способом снижения окисления и обезуглероживания стали является сжигание газа с изменением коэффициента расхода воздуха α. В начальный период нагрева газ сжигают с α > 1, после достижения поверхностью заготовок температур 900…950 °С уменьшают коэффициент расхода воздуха α до 0,85…0,95.

Часть методической печи с газовой завесой

Рис. 2. Часть методической печи с газовой завесой (схема): 1 – заготовки; 2 – откидная заслонка; 3 – водоохлаждаемая торцевая емкость; 4 – горелки для создания газовой завесы; 5 – горелки для отопления печи; 6 – газовая завеса

Полностью процессы окисления и обезуглероживания можно исключить в случае применения нагрева заготовок в жидких средах (расплавленных солях, стеклах, щелочах и металлах).

Уменьшить окисление и обезуглероживание можно также с помощью высокоскоростных процессов нагрева стали в индукционных и электроконтактных установках.

Заключение

Интересные факты:

  • Окалина может составлять до 3% от массы заготовки, если не используются защитные меры — значительная потеря дорогостоящего металла.
  • При температурах выше 1300 °C угар металла увеличивается экспоненциально, что требует особо точного контроля процесса.
  • Метан, входящий в состав газовой атмосферы, способен не только предотвращать обезуглероживание, но и приводить к науглероживанию, улучшая поверхностную твёрдость.
  • В СССР активно развивались соляные ванны как способ нагрева заготовок без окисления, особенно для инструментальной стали.
  • Современные индукционные установки обеспечивают прогрев заготовки до 1200 °C менее чем за 30 секунд, что существенно снижает риск обезуглероживания.

Качественный нагрев заготовок — основа успешной горячей обработки металлов. Он требует не только точного температурного режима, но и управления химическим составом атмосферы, чтобы минимизировать окисление и обезуглероживание. Современные технологии позволяют применять защитные газовые завесы, индукционные и электроконтактные методы нагрева, а также использовать контролируемые атмосферы в термических печах.

Комплексный подход к контролю этих процессов позволяет существенно повысить выход годной продукции, улучшить механические свойства изделий и снизить потери металла. В условиях растущих требований к качеству металлопродукции грамотная организация нагрева приобретает всё большее значение.