Фазовый состав окалины и дефекты, возникающие при волочении проволоки (статья)

Вопросы подготовки поверхности перед волочением всегда остаются актуальными. Качество травления и нанесения подсмазочного слоя обеспечивают стабильность процесса волочения и состояние поверхности. Процесс травления находится в полной зависимости от состава и массы окалины, от ее равномерного распределения по длине проволоки, что, в свою очередь, определяется условиями окисления.

Границы устойчивости отдельных фаз в равновесном состоянии приведены на диаграмме железо–кислород (рис. 1) [3, 4].
Как видно из диаграммы, в окалине происходят превращения сложных твердых растворов. Окалина углеродистой стали, образующаяся при температурах свыше 600°С, состоит из окислов: FeO (вюстит), Fe3O4 (магнетит) и α и γ_Fe2O3 (гематит).
Окислы располагаются слоями в соответствии с уменьшением содержания кислорода в направлении от наружного слоя к внутреннему. Вюстит (FeO) имеет ГЦК решетку типа NaCl твердого раствора вычитания с образованием вакансий на месте части атомов железа, что приводит к изменению параметра решетки. Вюстит устойчив при температурах выше 570°С. Ниже этой температуры он распадается (рис. 2) [5].
Вюстит – наиболее мягкая и рыхлая составная часть окалины с небольшой абразивностью. Он хорошо растворяется в кислотах и полностью может быть удален механическим путем. Поэтому окалина в виде вюстита предпочтительнее других окислов. Так как вюстит при температуре ниже 570°С начинает постепенно распадаться, для его сохранения на поверхности требуется быстрое охлаждение нагретого металла в присутствии над ним плотных слоев магнетита и гематита. Наибольшее количество вюстита образуется в интервале температур 700–900°С. В кристаллическую решетку магнетита (Fe3O4) с кубической решеткой шпинели входят двухвалентные и трехвалентные ионы железа. Эта фаза устойчива во
всем диапазоне температур от комнатной до температуры плавления (1538 °С), обладает значительной абразивностью и почти нерастворима в кислотах. Гематит (Fe2O3) образуется при нагревании магнетита в окислительной среде, имеет ромбоэдрическую решетку типа корунд. При твердости металла около 140 HV твердость вюстита составляет 270–350 HV, магнетита – 420–500 HV, гематита – 1030 HV [3]. Количество составляющих в структуре окалины зависит от температуры
окисления (рис. 3) [3]. Равномерность толщины слоя окалины и ее структура в значительной степени зависят от условий термической обработки. Отклонение от температурных режимов, неравномерность нагрева, изменение атмосферы печи приводят к тому, что на поверхности катанки, проходящей одновременно через печь, и даже на отдельных ее прядях образуется окалина разной толщины и состава.
Целесообразно рассмотреть кратко практический опыт производства с целью получения не только металла заданной структуры, но и катанки с минимальным слоем поверхностной окалины. Общая толщина и структура окалины на катанке,
подвергаемой двухстадийному охлаждению, зависят от температуры, скорости и способа охлаждения проката после его выхода из чистовой клети. Печной нагрев исходной заготовки перед прокаткой имеет значение лишь с точки зрения уменьшения расхода металла в первичную окалину и устранения обезуглероживания.