Окалина на металле: что это такое и как её удалить

Что такое окалина

Окалина — слой продуктов окисления металла, который образуется на его поверхности при нагреве в среде, содержащей кислород, — на воздухе, в продуктах горения, в водяном паре. На стали и чугуне это тёмно-серая или чёрная корка, иногда с синеватым или красно-бурым оттенком. Она плохо держится на металле, трескается и отслаивается чешуйками при остывании, изгибе или ударе.

По механизму это газовая коррозия — химическая коррозия металла в сухих газах при высокой температуре. Окалина образуется на любом металле, который окисляется при нагреве: на стали, чугуне, меди, латуни, титане. Чаще всего о ней говорят применительно к чёрным металлам: на стали её больше всего, и именно её удаляют перед механической обработкой, покрытием и окраской.

Состав и формула железной окалины

Окалина на стали — не одно вещество, а несколько слоёв оксидов железа. Когда сталь нагревают выше 570 °C, от металла к поверхности растут три слоя:

Ниже 570 °C вюстит не образуется, и окалина состоит из магнетита и гематита. В школьной и общей химии железной окалиной называют магнетит Fe₃O₄. Его формулу записывают и как FeO·Fe₂O₃: в одном веществе соединены оксид двухвалентного и оксид трёхвалентного железа. Железная окалина состоит из железа и кислорода — других элементов в её формуле нет. На легированных сталях в окалину переходят и легирующие элементы: хром, никель, кремний меняют её состав и плотность.

Реакции с железной окалиной

Химические свойства железной окалины объясняют, как её получают и как от неё избавляются.

• Получение. Железо горит в кислороде с образованием окалины: 3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄. Так же окалина растёт на раскалённом металле на воздухе и в водяном паре: 3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂.
• Восстановление водородом и углеродом. При нагреве окалина восстанавливается до железа: Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4H₂O, Fe₃O₄ + 2C = 3Fe + 2CO₂. На этом основаны металлургия железа и защитные восстановительные атмосферы печей.
• Восстановление алюминием. Реакция алюминия с железной окалиной идёт с большим выделением тепла: 8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe. Это термитная смесь, ею сваривают рельсы.
• Растворение в кислотах. С соляной кислотой окалина даёт две соли: Fe₃O₄ + 8HCl = FeCl₂ + 2FeCl₃ + 4H₂O. С разбавленной серной — сульфаты железа (II) и (III). Азотная кислота окисляет железо до трёхвалентного. Растворение в кислоте — основа травления металла.

При какой температуре образуется окалина

Скорость окисления стали растёт с температурой очень быстро. До 200 °C на чистой стали окалины нет. При 200–300 °C появляются цвета побежалости — оксидная плёнка толщиной в десятые доли микрометра, от соломенного до синего цвета; по ним раньше определяли температуру отпуска (см. «Отпуск стали»). Примерно с 570 °C растёт уже настоящая окалина, а при 800–1000 °C — температурах закалки, нормализации и нагрева под ковку — её слой за час нагрева доходит до десятых долей миллиметра.

Металл, который ушёл в окалину, теряется — это угар. При нагреве заготовок под ковку и горячую штамповку в пламенных печах угар составляет 1–3 % массы, при повторных нагревах — больше. Вместе с окалиной под ней идёт обезуглероживание: углерод в поверхностном слое стали выгорает, и после закалки поверхность остаётся мягкой.

Где появляется окалина

• Горячая прокатка и ковка. Горячекатаный прокат всегда покрыт окалиной — её называют прокатной. Металл после кузнечной обработки — тоже.
• Термообработка. Закалка, нормализация и отжиг в печи с воздушной атмосферой дают окалину на всех поверхностях детали.
• Сварка. Сварочная окалина — оксиды на шве и около него, а на нержавеющей стали — цвета побежалости, в которых хром ушёл в оксид, и коррозионная стойкость шва снижается.
• Резка. Окалина от болгарки — искры, то есть частицы металла и абразива, которые окисляются в полёте. При газовой и плазменной резке оксидный слой остаётся на кромке реза.

Чем окалина вредна для деталей

• Потеря металла и размера. Угар уменьшает размер детали; на точных деталях это брак, поэтому на нагрев с окалиной оставляют припуск.
• Мягкая поверхность. Обезуглероженный слой под окалиной после закалки не набирает твёрдость, и его сошлифовывают.
• Покрытие не держится. Краска и гальваническое покрытие сцепляются с окалиной, а сама окалина держится на металле плохо — покрытие отваливается вместе с ней. Подробнее — в статье «Адгезия покрытий».
• Коррозия под окалиной. Окалина в трещинах пропускает влагу; она электроположительна по отношению к стали, и металл под ней ржавеет быстрее.
• Износ инструмента. Окалина твёрдая и абразивная, резцы и фрезы на ней быстро тупятся.

Как удалить окалину с металла

Способ удаления окалины выбирают по размерам и точности детали, марке металла и тому, что с ней будут делать дальше: обрабатывать резанием, покрывать или красить. Степень очистки от окалины перед окраской задаёт ГОСТ 9.402-2004.

При травлении в кислоту добавляют ингибитор: он почти не мешает растворению оксидов, но замедляет растворение самого металла и насыщение его водородом. После травления детали нейтрализуют, промывают и сразу передают на следующую операцию, иначе на чистой поверхности появляется вторичная ржавчина. Окалину с нержавеющей стали снимают смесью азотной и плавиковой кислот или специальными травильными пастами для сварных швов. Перед гальваническим покрытием травление входит в подготовку поверхности на гальваническом участке.

Как избежать окалины при термообработке

Удалять окалину дороже, чем не допускать её. Окалина растёт там, где к горячему металлу есть доступ кислорода, поэтому способы её предотвращения сводятся к тому, чтобы убрать кислород из печи или сократить время нагрева.

• Вакуум. В вакуумной печи кислорода нет, деталь выходит светлой, без окалины и обезуглероживания. Метод подходит для инструментальных и легированных сталей и точных деталей, которые после термообработки не шлифуют.
• Защитная атмосфера. Печь заполняют газом, который не окисляет сталь: эндогазом, азотом с добавками, аргоном. Так проводят цементацию в защитной атмосфере, закалку и отжиг.
• Соляные ванны. Деталь греют в расплаве солей, который изолирует её от воздуха. Окалины почти нет, но соли нужно отмывать.
• Быстрый нагрев. При закалке ТВЧ поверхность нагревается за секунды, и окалина успевает вырасти лишь тонкой плёнкой.
• Защитные обмазки и упаковка. Детали покрывают специальными составами или укладывают в ящики с чугунной стружкой или древесным углём — способ для единичных деталей и малых печей.

Режимы нагрева по маркам стали — в статьях «Температура закалки стали» и «Отпуск стали».

Окалина в глазу: защита при работе

Окалина от болгарки, сварки и ковки — частая производственная травма глаз. Раскалённая частица впекается в роговицу, вокруг неё за сутки появляется ржавое кольцо. Достать её самостоятельно — иглой, ватой, магнитом — нельзя: так повреждают роговицу ещё сильнее. Глаз не трут, закрывают чистой повязкой и как можно скорее обращаются к офтальмологу или в травмпункт. При работе с болгаркой, у сварочного поста и кузнечного горна нужны защитные очки или щиток, а людям рядом — экраны от искр и брызг расплавленного металла.

Термообработка без окалины в технопарке ЗЭМ

На термическом участке технопарка детали закаливают и отпускают в вакуумной печи — садка до 200 кг, без окалины и обезуглероживания, — а цементацию ведут на модульной линии с защитной атмосферой, садка до 150 кг: детали выходят без окалины и идут на шлифование без дополнительной очистки. Также на участке выполняют закалку и отпуск, закалку ТВЧ и отжиг и нормализацию. Режим технолог назначает по марке стали и требованиям чертежа.