25. Процессы протекающие при нагреве металла: термические напряжения, окисление и обезуглераживание металла

Окисление и обезуглираживание

Интенсивность окисления поверхности нагреваемого металла зависит от четырёх факторов.

Состав печных газов. В атмосфере печи обычно присутствуют газы с окислительной способностью - О_2, СО₂, Н₂О, нейтральный газ N₂ и   газ восстановитель – СО. Наиболее сильным окислителем является О₂. Однако даже небольшое количество   SO₂ и H₂S (0,1%) приводит к образованию в поверхностном слое металла легкоплавких соединений – оксосульфидов железа резко ускоряющих процесс окисления элементов.

Химический состав металла. Отливки из чугунов и сталей, легированных хромом, кремнием и алюминием меньше окисляются при нагреве. С повышением содержания углерода скорость окисления также уменьшается.

Температура газов. Увеличение температуры газов ускоряет угар металла.

Продолжительность нагрева. С её увеличением угар также увеличивается.

В плавильных печах для снижения угара увеличивают скорость нагрева и плавления металла. В нагревательных печах увеличение скорости нагрева ограничивается возможным образованием термических напряжений в отливках.

Для сокращения угара используют несколько методов.

Нагрев в безокислительной атмосфере. В этих случаях конструкция печи должна быть герметичной с хорошим уплотнением окон загрузки и выгрузки. Защитный газ подаётся через вводы, расположенные в высокотемпературной части печи. Чаще всего в машиностроении используют газ, образующийся при неполном сгорании природного газа в воздушном дутье.

Нагрев в защитной атмосфере. При плавке и термической обработке специальных сортов стали, сплавов титана, ниобия, тантала и циркония присутствие в атмосфере печи CO, H₂ и N₂ приводит их химическому взаимодействию и поэтому недопустимо. Обычно в этих случаях используют одноатомный газ аргон Ar или He, не взаимодействующие химически с металлами. 

Термическое напряжение

Производительность печей в большой степени зависит от скорости нагрева металла.

В плавильных печах увеличение скорости нагрева не приводит к нежелательным изменениям структуры и свойств расплавляемого металла.

В нагревательных печах с увеличением скорости нагрева увеличивается неоднородность температуры в различных частях отливки и, как следствие этого, возрастают термические напряжения, степень коробления отливок и вероятность появления в них трещин.

Важно отметить, что термические напряжения, возникающие при нагреве, имеют тот же характер, что и остаточные напряжения, возникающие при охлаждении отливок в форме и после выбивки. Иными словами сжимающие остаточные напряжения в тонких частях отливок суммируются с сжимающими напряжениями, вызванными неравномерностью температур при нагреве. Растягивающие остаточные напряжения в толстых частях отливок также увеличиваются при ускоренном нагреве.

Поэтому правильный выбор скорости нагрева отливок в термических печах имеет большее значение, чем при нагреве заготовок для горячей обработке давлением.

Неоднородность температуры по сечению отливок приводит к неоднородности структуры и свойств металла отливок после термообработки.

Значительный перегрев металла в тонких и поверхностных частях отливки может привести к росту зёрен металла. Этот вид брака называют перегревом, для его устранения требуется отжиг. При более значительном перегреве происходит окисление поверхности зёрен металла. Этот вид брака называется пережогом, он неисправим. Отливки подлежат переплавке.