Защита металлов от окисления при нагреве в электростатическом поле

В. Т. ПИСКУН, Н. В. БОЛДОВСКИЙ
Донецкий политехнический институт, МАКНИИ
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 8. 1968 г.

При нагреве стали в среде печных газов и на воздухе происходит окисление и обезуглероживание поверхности металла. Скорость этих процессов зависит главным образом от температуры и длительности нагрева, а также от состава печной атмосферы. Окисление и обезуглероживание нежелательны, так как с окалиной теряется от 0,9 до 2,5 вес.% стали при нагреве слитков и заготовок в методических печах [1]. Окалина затрудняет процесс деформации металла, особенно при горячей объемной штамповке и ухудшает качество поверхности изделия. Обезуглероживание понижает твердость, износостойкость и прочность поверхностного слоя инструментов, пружин и других изделий. С целью уменьшения окисления и обезуглероживания при нагреве стали применяют различные защитные среды.

Безокислительный нагрев стали в пламенных печах можно проводить при неполном сжигании горючего газа. Однако такой напрев сопровождается неизбежными потерями горючего газа с отходящими продуктами горения и требует высокого (до 1000-1900 °С) предварительного подогрева воздуха. Настоящая работа посвящена изысканию новых методов защиты металла от окисления при нагреве.

Процесс окисления железа, который протекает достаточно интенсивно уже при 150-170 °С, заключается в образовании пленки окалины, наружный слой которой состоит из Fe₂O₃ средний — из Fe₃0₄ и внутренний — из FeO.

Процесс роста окалины на поверхности изделия происходит следующим образам. Атомы железа, выходя на наружную поверхность пленки окиси железа, соединяются с атомами кислорода и образуют новый слой окиси железа — Fe₂O₃. По мере образования новых слоев окиси более ранние слои обогащаются атомами металла, диффундирующими изнутри. При достижении определенной концентрации железа окись Fe₂O₃ превращается в закись-окись Fe₃O₄. Внутренние слои Fe₃O₄ насыщаются железом, и на границе фаз Fe₃O₄ и FeO происходит постоянное превращение Fe₃O₄ в FeO. Слой FeO делится на внутреннюю (более пористую) часть и наружную; по границе между ними окалина обычно легко отстает от металла. Поверхность раздела внутреннего и наружного слоев FeO является первоначальной наружной поверхностью стального изделия, а внутренний слой FeO образуется в результате диффузии атомов кислорода из окалины в металл [1].

Таким образом, процесс окисления представляет собой непрерывный обмен атомами между газовой средой и поверхностью стали, который заключается в потере электронов атомами железа и превращении их в положительно заряженные ионы (Fe⁺⁺ и Fe⁺⁺⁺). Атомы кислорода захватывают эти электроды и превращаются в отрицательные ионы О^—, образуя окислы железа [2]. С повышением температуры нагрева термоэмиосия поверхности увеличивается и поверхность становится активной по отношению к кислороду и печным тазам, содержащим Н₂O и СO₂. Степень ионизации газовой среды также резко возрастает с повышением температуры нагрева, что способствует повышению интенсивности окисления поверхности металла.

Для замедления процесса или полной остановки его необходимо воспрепятствовать ионам окислителя адсорбироваться на поверхности стали. Это возможно при помощи электрических полей с использованием кулоновой силы взаимного отталкивания одноименных зарядов.

Пластинки из низкоуглеродистой стали размером 10×2×10 мм нагревали в трубчатой электропечи в среде воздуха при 920-950 °С в течение 15 мин. Во избежание воздействия электромагнитного поля на электростатическое поле печь перед загрузкой образцов выключали. После выдержки в печи 15 мин образцы охлаждали на воздухе.

Схема установки дли нагрева образцов в электростатических полях показана на рисунке. Образец подвешивали в муфельной электрической печи на нихромовой проволоке. Для предотвращения коронирующих разрядов нихромовую проволоку подвески пропускали через крышку печи так, чтобы между крышкой и подвеской был воздушный промежуток. Окисляемость определяли по потере веса образцов. Образцы взвешивали на аналитических весах три раза: до нагрева, после нагрева с окалиной и после нагрева без окалины. Окалина с образцов сбивалась легкими ударами молотка. Электростатическое поле создавали высоковольтным выпрямителем ВС-23, который позволяет плавно изменять приложенный потенциал от 0 до 10 000 В.

Рис.1. Схема установки для нагрева образцов в электростатических полях:
1 — источник высокого напряжения; 2 — электроды; 3 — муфельная печь; 4 — изолятор.

Приведенные в таблице результаты исследований свидетельствуют о влиянии электрических полей на степень окисляемости стальных образцов. В опытах 1-4 (без наложения
электрических полей на внутреннее пространство лечи) средние потери металла с угаром достигали 7,67 %. Подача на образец положительного потенциала величиной +3 кВт (в опытах 5-8) снизила потери металла на угар до 4,66 % против 7,67 % без поля. Увеличение положительного потенциала, приложенного к образцу, до 4,5 кВт не вызвало дальнейшего уменьшения угара металла (опыты 9-12). В опытах 13-16 на образец подавался отрицательный потенциал величиной — 3 кВт, и средние потери составили 5,16 %.

На основании полученных результатов установлено, что электрические поля могут значительно снизить интенсивность окислительных реакций, происходящих между поверхностными слоями металла и воздушной средой.

Список литературы:

1. Технологический справочник по ковке и объемной штамповке. Машгиз, 1959.
2. Глинка Н. Л. Общая химия. 1958.