Основы термодинамики и нагрев металла (методические указания к лабораторным работам)

Сорокин Л.Д., Федорова Л.В.

Ульяновск, 1996 г.

1.1. Окисление стали

На качество подготовки заготовок к последующей горячей обработкедавлением оказывают влияние температура, среда нагрева, скорость и равномерность нагрева. Необходимо стремиться к увеличению производительности печи, снижению расхода топлива на единицу нагретого металла, уменьшению окисленного и обезуглероженного слоя металла.

Под окислением стали понимается процесссоединения железа - основной составляющей стали с печными газами: О2, водяным паром , СО2 и т.д.

Количество окисленного металла (угар) относят к единице поверхности нагреваемого изделия и измеряют в г/см2 или кг/м2.

При изготовлении стальных поковок из прокатапотериметалла на угар достигают 2-3,5%, а при выпуске крупных поковок из слитков - 4-6%. Следствием окисления являются невозвратимые потериметалла при каждом нагреве. Так ,при нагреве слитков в нагревательных колодцах стоимость металла, теряемого с окалиной, выше стоимости топлива, расходуемого на нагрев этого металла, и стоимости электроэнергии, расходуемой на его прокатку.

Окалина по сравнению со сталью имеет раз в 20 меньшую теплопроводность и поэтому является тепловой изоляцией, замедляющей поступление теплоты в заготовку. Она обычно удаляется механическим путем или травлениемизделия в растворах кислот или щелочей. Вследствие образования окалиныразмер заготовки приходится увеличивать.

Окалина на поверхности заготовок снижает стойкостьинструмента как при штамповке, так и при механической обработке. Окалинаметалла возникает в процесседиффузииатомовкислорода через слой окисла к металлу и диффузииатомовметалла через слой окисла на его наружную поверхность. При нагреве стали образуется трехслойная структура слоя окислов железа. Внутренний слой, примыкающий к металлу, состоит из FeO (вюстита), имеющего температуруплавления 1317° С

Fe+02=FeO

Средний слой - магнетит Fe304, имеющий температуруплавления 1565°С , образуется при последующем окислении вюстита.

3Fe+02 = Fe304

Наружный слой - гематит Fe203, наиболее богатый кислородом, температураплавления 1538°С.

2Fe304 +02 = 3Fe203

В результате этих реакций содержание углерода в поверхностных слоях снижается, т.е. происходит обезуглероживание.

Процессы окисления и обезуглероживания диффузионные. Поэтому на количество реагирующего с железомкислорода влияют время, температураповерхности изделия, состав печной атмосферы, составстали и окалины.

1.3. Влияние химического состава металла, формы и размеров заготовки на угар металла

С повышением содержания углерода в стали (начиная с 0,3%) угар уменьшается. Это объясняется тем, что в стали часть железа находится в связанном с углеродом состоянии, в виде Fe3С. Углерод же, содержащийся в стали, окисляясь, превращается в окись углерода, диффундирующую к поверхности и препятствующую окислению железа.

Стали, имеющие с своем составе Cr; W; Si; А1,хорошо сопротивляются окислению. При этом образуется плотная, хорошо прилипающая к металлу окалина, которая затрудняет получение чистых поковок и способствует износу штампов.

Угар металла, отнесенный к единице поверхности, зависит от формы и размера заготовок, т.е. отношения их поверхности к весу. Чем больше это отношение, тем тоньше заготовка, и тем больше развита ее поверхность и тем больше, казалось бы, должен быть угар. На самом же деле, чем тоньше заготовка, тем быстрее она нагревается и тем меньше угар металла.

1.4. Борьба с окислением и обезуглероживаниемстали при нагреве

Уменьшение окисления металла при нагреве достигается сокращением продолжительности нагрева, применением защитного слоя газа на поду печи, что позволяет уменьшить угар в 1,5-2,0 раза.

Полную или почти полную ликвидацию угара можно достичь при нагреве металла в специальных контролируемых атмосферах; при нагреве в продуктах неполного горения газообразного топлива - в печах малоокислительного или безокислительного нагрева, в расплавленных солях или расплавленном стекле и применением специальных обмазок.

Борьба с обезуглероживанием заключается также в ускорении нагрева, применении специальных контролируемых атмосфер, нагреве в расплавленных средах и нанесении защитных покрытий. Для приготовления обмазок используют смесь двух, трех и более марок стекол и стекловидных шлаков, к которым добавляют до 30% тонкомолотого оконного стекла, а также небольшое количество сульфатного щелока и огнеупорной глины, которые обеспечивают хорошее прилипание обмазки к поверхности холодного металла. Есть и другие составы обмазок [1].