Окалина горячекатаной низкоуглеродистой катанки
Окалина, сформировавшаяся на горячекатаной низкоуглеродистой катанке, должна быть приспособлена к её механическому или химическому удалению. Поверхностное качество и очищение после устранения окалины весьма важно для выполнения волочения проволоки, т.к. остаток окисла приводит к чрезмерной механической обработке поверхности и царапанию конечной проволоки. Наиболее существенное качество окисла окалины при горячем волочении катанки – полная толщина, структура и напряжённое состояние.
Шероховатая поверхность обычно благоприятна при волочении проволоки, т.к. улучшает захват смазки поверхностью стальной проволоки. Однако, объёмная доля порошкообразных частиц должна быть снижена в зависимости от выбранного метода удаления окалины. Оксид Fe обычно разделён на первичную и вторичную окалину. Первоначальный окисел сформировался в подогретой печи и обычно удаляется с поверхности заготовки до прокатки. Однако, вместе с прокаткой катанки, вторичный оксид большей частью – но не только – формировался после расположения в воздушно охлаждаемом конвейере, но только на протяжении прокатки как таковой. Железо образует с кислородом всего три разных оксида: вьюстид, магнетит и гематит.
Названные фазы оксида имеют полностью разные механические свойства, и их растворимость в кислотах отличается друг от друга. Внутренний слой, с низким содержанием кислорода – это вьюстит , фаза по середине – магнетит и внешний слой – гематит. Изменение объёмов происходит от различий между факторами теплового расширения в разных фазах в структуре и изменения в объёме происходит благодаря их фазовым превращениям.
Толщина окалины и состав зависят во первых от температуры, но также от атмосферы и скоростей диффузии атомов кислорода и железа. Когда доля кислорода уменьшается, образуется слой заметно тоньше. Рост нормы (%) вьюстита следует параболическому закону и становится стойким при температуре выше 570°C, а температура ещё ниже превращает его в магнетит.
Рост нормы магнетита и гематита линейный в течение окисления железа при стандартном давлении воздуха с температурой 700-1000°C. Чем толще слой вьюстита, тем шероховатей поверхность стали должна быть после удаления окалины. В течение окисления железа, ионы железа диффундируют сквозь вьюстит и кроме того сквозь магнетит, через магнетито-гематитовую границу фаз. Ионы кислорода, однако, диффундируют только через слой гематита. Как следствие, рост слоя вьюстита начинается возле границы фаз вьюстит-магнезит, но оба слоя магнезита и гематита растут в той же границе фаз между друг другом. При температуре ниже 570°C главная часть слоя окалины состоит из магнетита. Когда температура превышает 570°C, количество вьюстита также повышается. Следовательно, только тонкие слои магнетита будут покрыты оболочкой вьюстита.
Между 700°C и 900°C окалина формировалась в основном из вьюстита и также магнетита. При температуре выше 900°C доля магнезита увеличивается за счёт доли вьюстита. Поэтому необходимо обеспечить высокоскоростное охлаждение при температуре с 570°C до 300°C для предотвращения превращения вьюстита в гематит. В процессе медленного охлаждения катанки при 570°C вьюстит превращается в магнетит и железо.
Связь между оксидами и металлом зависит от несоответствий в границе слоя, напряжённого состояния между металлом и оксидом и пластичности другого элемента. Напряжённое состояние зависит от пропорциональности объёма между ростом оксида и металла, и также от разницы показателей термического расширения в материалах. Известно, что связь между окислами и каплями стали с наращиванием содержания легирующих элементов, таких как Al, Si, P и Mn, являющимися более благородными чем железо. Кроме того, легирующие элементы, такие как Cr и Al, имеют высокое сходство с кислородом, ослабляя связь с окалиной. Cr и Al формируют железо-хромовые и железо-хром-алюминиевые шпинели, влияющие на пористость слоя оксида. Вследствие высокой пористости, окалина легко удаляется во время её удаления.
Si имеет большое влияние на формирование слоя оксида. Особенно, в сталях раскисленных кремнием, тонкий слой кремния образуется между сталью и слоем её оксида. Фаялит кремния образуется на протяжении окисления, как следствие обогащения кремнием в течение окисления на границе оксид-железо. Однако, фаялит кремния не растворяется в окисле железа, но обогащается в эту фактическую границу. Точка плавления фаялита – 1170°C и он образует сплошной равномерный слой между поверхностью стали и оксидами железа. Итак, удаление окалины затруднено наличием фаялита кремния, который проникает в поры и увеличивает сцепление между слоем оксида и сталью.