Что такое окалина на металле при сварке
Железная окалина
На поверхности изделий, получаемых путем горячей прокатки, присутствует железная окалина. Ее возникновение обусловлено особенностями данного производственного процесса. Окалина значительно сокращает коррозионную стойкость материала и усложняет последующую обработку, поэтому необходимо полное ее удаление.
Процесс образования
Рассматриваемое покрытие представлено продуктом окисления металла. Его формирование связано с высокими температурами и происходит при обработке металла температурой либо давлением. Прокат в любом случае покрыт окисным слоем. Он образуется на открытом воздухе в сухих условиях в виде пленок. Изначально они невидимы даже под микроскопом. Под термическим воздействием толщина окисного слоя возрастает до видимых размеров. Железной окалиной называют толстое покрытие, формирующееся при термическом воздействии в условиях открытого воздуха.
Состав формирующих его окисных соединений и структура определяется многими факторами: маркой стали, температурой, условиями среды, режимом термообработки, наличием и количеством окислителей.
Они представлены гематитом, магнетитом, вюститом. Первые два оксида железа характеризуются большой плотностью и соединены промежуточной структурой. Вюстит наоборот представлен пористым соединением. От названных выше оксидов он отличается большей диффузинной проницаемостью. Вюстит имеет с ними непрочную связь.
Структура железной оксидной пленки определяется окружающими условиями и температурой. Так, в кислородосодержащей среде при нагреве более 570 °C и быстром охлаждении формируется трехслойное покрытие. Внешний слой представлен гематитом, следующий – магнетитом и внутренний – вюститом. Как было отмечено, первые два имеют кристаллическую структуру и прочно взаимосвязаны. Внутренний слой пористой структуры непрочно контактирует с ними. Это обуславливает малое электросопротивление железной оксидной пленки и легкое ее отслаивание.
Для образования трехслойной окалины на металле необходимо соблюдение трех названных условий: высокой концентрации кислорода, температуры в 570 °C, быстрого ее снижения. Иначе формируется двух- или однослойная железная окалина.
Так, при меньшем нагреве слой вюстита получается тонким. В случае формирования железной окалины при высокой концентрации пара либо окислов углерода при малом количестве кислорода и температурах более 1000 °C гематит восстанавливается, вследствие чего отсутствует в составе. Таким образом, соотношение слоев напрямую определяется температурой. Так, при 700 °C толщина вюстита составляет 100 мкм, в то время как для магнетита и гематита – 10 и 1 мкм соответственно. Другими словами, состав железной окалины в значительной степени зависит от температуры. Так, при 700-900 °C она представлена почти на 90% вюститом, примерно на 10% магнетитом и менее чем на 1% гематитом. При большем нагреве и избытке кислорода происходит замещение вюстита гематитом.
В любом случае формирование слоев железной окалины происходит последовательно в соответствии с их расположением. При охлаждении вюстит утрачивает устойчивость и распадается до железа и гематита. Ввиду этого пленка обретает гематит-магнетитовый состав. При восстановлении гематит и магнетит переходят в железо и воду. Следовательно, в результате получается прокатная окалина, состоящая из железа.
Выше приведены основные закономерности и факторы возникновения железной окалины. В промышленных условиях процесс ее образования весьма сложен и может происходить неоднократно.
Методы удаления
Удаление окалины осуществляют тремя способами. Механический метод включает следующие варианты: пропускание материала через ряд роликов, обработку дробью и прочими абразивными материалами. Первая технология основана на деформации металла скручиванием, изгибом, растяжением. Такой способ позволяет убрать большую часть окалины. Его считают черновой обработкой, и после очищают материал дополнительно. Во втором случае осуществляют механическое воздействие на железную окалину металлической дробью, песком и прочими абразивными материалами. Наконец, существуют механизированные технологии, связанные с применением микрорезцовых инструментов, проволочных щеток, наждачных лент и т. д.
Химические методы подразумевают обработку деталей в кислотах, солях, щелочах, называемую травлением. При этом большое значение имеет растворимость составляющих железную окалину соединений в кислотах. Так, вюстит легко подвержен ему, в отличие от магнетита. Гематит считают нерастворимым. Травление дифференцируют на химическое и электрохимическое. Далее рассмотрены некоторые варианты.
Травление серной кислотой связано с образованием водорода и проникновением его в металл, что ведет к водородной хрупкости, снижающей механические параметры и затрудняющей последующую обработку материала. Поэтому с целью сокращения наводораживания приходится долго выдерживать металл по завершении травления либо нагревать при сушке. К тому же во избежание разрушения металла кислотой после растворения железной окалины используют ингибиторы. Нужно отметить, что в нагретом растворе сталь разрушается быстрее.
Травление соляной кислотой идет по тем же закономерностям. Однако, в отличие от серной, для этого не требуется нагрев. Напротив, при температуре более 40°C выделяются хлороводородные соединения. В процессе травления формируются хлористые соли железа. В целом обработка соляной кислотой, в сравнении с серной, обеспечивает лучшую очистку при меньшем наводораживании стали.
Электрохимический способ существенно повышает скорость очистки металла от окалины и сокращает водородную хрупкость, а также расход раствора. Его дифференцируют на анодный, катодный и смешанный варианты.
Выбор способа очистки определяется многими факторами, среди которых состав изделия, целевые параметры, последующая обработка и т. д.
MetalloPraktik.ru
Технология производства металлопроката | Опыт. Исследования. Результаты.
Механизм образования железной окалины на поверхности стали
Железная окалина представляет собой продукт окисления металла. Образование железной окалины связанно с процессами термической обработки или обработки металла давлением при высоких температурах..
На поверхности стального проката всегда присутствует окисный слой. Состав и структура окисных соединений будет зависеть от марки стали, состава окружающей среды, температуры, режима термообработки, наличия и количества окислителей, например кислорода и ряда других факторов.
В сухой воздушной среде при низких температурах возникают очень тонкие окисные пленки, которые невозможно увидеть даже при увеличении поверхности металла под микроскопом. При увеличении температуры толщина окисного слоя увеличивается, и получаются хорошо различимые окисные слои.
При производстве проката поверхность металла часто подвергается высокотемпературному воздействию в присутствии кислорода воздуха, что приводит к образованию толстого многослойного окисного слоя, называемого окалиной.
Поэтому, в данном случае оксидная пленка, практически состоит из магнетита и гематита.
Восстановление полученной оксидной пленки происходит по реакциям:
Восстановленный слой состоит из практически чистого железа.
Зависимость скорости превращения окислов от температуры представлена на рисунке 1.
Рисунок 1- Зависимость скорости превращения окислов от температуры
Строение окалины на поверхности проката в основном соответствует правилу последовательности превращений. Сначала к металлу примыкает вюстит, затем магнетит, и затем внешний слой — гематит. Вюстит легко растворим в минеральных кислотах, в отличие от магнетита и гематита. Магнетит в меньшей степени растворяется в кислотах. Гематит же считается нерастворимым соединением.
Трехслойное образование железной окалины получается только при температуре свыше 570 о С и при высоком содержании кислорода, а также при быстром охлаждении. В других условиях образуется двухслойная или однослойная железная окалина. Если окисление железа проходит при температуре меньше 570 о С, то слой вюстита образуется в виде очень тонкой пленки под слоем окалины, которая состоит из магнетита и гематита. Чем ниже температура, тем тоньше слой вюстита. Если процесс окисления происходит при температуре 700 о С, то толщина слоя вюстита будет 100 мкм, слоя магнетита 10 мкм, а гематита — 1 мкм. Если окалина образуется при низком содержании кислорода и высоком содержании водяного пара или окислов углерода, особенно при температуре свыше 1000 о С, то в составе окалины не обнаруживают гематита, так как он восстанавливается.
Структура железной окалины, получающейся в промышленных условиях всегда более сложная. Это связанно с влиянием различных легирующих элементов, находящихся в стали, неравномерностью состава стали и особенностями производства металла.
Например, условия, определяющие образование прокатной окалины на горячекатаном прокате, зависят также и от режима работы стана горячей прокатки. Перед чистовой группой клетей окалина удаляется водой. Но, при прохождении металла через чистовую группу клетей, и в процессе охлаждения металла, прокатная окалина образуется вновь. И, в зависимости от условий прохождения металла, существует несколько различных типов окалины на горячекатаном металле.
Что такое окалина на металле при сварке
У вас есть несколько вариантов, когда дело доходит до прокатной окалины на стальных деталях. Вы можете приобрести холоднокатаную сталь, у которой из-за особенностей производственного процесса на поверхности нет прокатной окалины. Этот материал, однако, является более дорогим и может быть недоступен в зависимости от толщины или размеров, которые вам необходимы.
Либо вы можете приобрести горячекатаный прокат в состоянии дробеструйной обработки (то есть со снятой шкалой прокатного стана), вы можете самостоятельно произвести дробеструйную очистку листа или вы можете вручную удалить прокатную окалину в сварных зонах путем шлифования во время изготовления. Все эти опции добавляют стоимость.
Выбирая эту опцию, вы должны знать о лучших методах решения проблем сварки в масштабе прокатного стана, таких как выбор правильного процесса сварки, присадочного металла и защитного газа для работы. Выбранные параметры и техника также влияют на ваш успех.
Что такое прокатная окалина?
Во время сварки прокатная окалина препятствует течению ванны жидкой сварки, часто вызывая нежелательный внешний вид или контур сварного шва. Прокатная окалина также может препятствовать проникновению в основной материал и вызывать отсутствие плавления и сварных включений. Чем больше толщина или жесткость окалины, тем больше проблем при сварке материала.
Некоторые сварочные процессы, присадочные металлы и защитные газы лучше, чем другие, подходят для преодоления трудностей, связанных с сварочной окалиной, и в то же время обеспечивают высокую скорость перемещения и высокую производительность.
Использование процессов сварки в защитных газах
Если вы выполняете сварку в производственном цехе или в производственной среде, то сварочные процессы в среде защитного газа являются хорошим выбором.
Когда вы выполняете сварку в масштабах прокатной окалины с помощью процесса газовой защиты, варианты попадают в хороший, лучший и самый лучший сценарий. Это, соответственно, газовая дуговая сварка (GMAW) сплошной проволокой, GMAW с металлической проволокой и дуговая сварка с флюсом (FCAW) с помощью газовой проволоки.
Многие сварочные операции предпочитают выполнять сварку в масштабе прокатного стана на горячекатаной стали, потому что это наиболее экономичный вариант. Выбор правильного процесса сварки, присадочного металла и защитного газа может помочь вам преодолеть трудности, связанные с масштабом сварочной окалины.
Проволока с металлическим сердечником. Проволока с металлическим сердечником является хорошим вариантом, когда материал имеет большую окалину или когда повышение производительности является приоритетом. Проволока с металлическим сердечником трубчатая и заполнена металлическими порошками, сплавами и стабилизаторами дуги, каждый из которых предлагает определенные преимущества для конкретных применений. В эти проволоки добавлено больше раскислителей, которые повышают свариваемость в масштабе окалины. Кроме того, проволоки с металлической сердцевиной, как правило, обеспечивают более стабильную передачу распыления и повышенную текучесть сварочной ванны. Эти функции обеспечивают быструю скорость перемещения, генерируют небольшое разбрызгивание и улучшают вашу способность преодолевать зазоры по сравнению со сплошными проводами. Наиболее распространенной проволокой с металлическим сердечником для сварки низкоуглеродистой стали с помощью прокатного окалина является E70C-6M.
В то время как порошковая проволока лучше подходит для сварки через окалину, удаление шлака увеличивает время очистки между сварочными проходами, а также после сварки. Кроме того, порошковые проволоки (и металлические проволоки) стоят дороже, чем сплошные, поэтому важно взвесить затраты на присадочный металл и предлагаемую экономию труда и производительности.
В сварочных работах из мягкой стали обычно используют защитный газ, содержащий 100% диоксида углерода (СО2) или газовую смесь аргон/СО2. Каждый из них предлагает преимущества для сварки в масштабах стана в зависимости от решаемых проблем. Используйте смесь с более высоким содержанием аргона, если вы испытываете затруднения при смачивании сварных швов, укладке или борьбе с брызгами. Если ваши сварные швы, как правило, страдают от недостатка плавления, недостаточного проникновения или сварных включений, используйте газовую смесь с более высокими уровнями CO2 для достижения такого дополнительного проникновения.
Само-защищаемая сварка на окалине
Процесс экранирования не так выполним в сварочных приложениях, которые требуют большей гибкости и мобильности, например, выполняемых на открытом воздухе. В этих ситуациях у вас есть два варианта: использование само-экранированной сварки порошковой проволокой (FCAW-S) или электродуговой сварки (SMAW).
FCAW-S. Эти провода, как правило, имеют меньшую производительность, чем провода с защитой от газа FCAW, но их можно использовать, когда перетаскивание газовых баллонов к месту работы нецелесообразно или если ветреные условия создают проблемы с сохранением покрытия защитным газом. Само-экранированные порошковые проволоки также имеют большое количество раскислителей, а также шлаковую систему, что делает их хорошо подходящими для сварочной окалины. Обычные само-экранированные порошковые провода для работы включают E71T-8, E71T-11, E70T-6 и E70T-4.
SMAW. Вы можете использовать SMAW или ручную сварку для сварки через окалину, потому что электроды имеют раскислители и шлаковую систему. Некоторые стержневые электроды спроектированы так, чтобы обеспечить лучший успех при сварке чрезвычайно толстой окалины или очень грязного основного материала. Когда вы свариваете окалину среднего размера, хорошим выбором будет любой стержневой электрод. Обычными классами стержневых электродов AWS являются E6010, E6011, E6013, E7018 и E7024.
Соображения по дуговой сварке под флюсом (SAW)
Процесс SAW, в котором не используется защитный газ, может хорошо подходить для сварки в масштабе мельницы в зависимости от используемого флюса.
Масштаб окалины может затруднить проникновение в основной материал и увеличить риск отсутствия плавления и сварных включений. Чем больше толщина или жесткость окалины, тем больше проблем при сварке материала.
SAW флюсы являются нейтральными или активными. Нейтральные потоки не сильно меняют химический состав наплавленного сварного шва и могут давать приемлемые результаты при сварке в масштабе, превышающем размеры стана. Они более известны за обеспечение повышенной ударной вязкости по сравнению с активными флюсами. Активные флюсы, для сравнения, отлично справляются со сваркой в мельнице, обеспечивая хороший внешний вид валиков и смачивание даже при высоких скоростях движения.
Недостатком активных флюсов является то, что их механические свойства (в частности, ударная вязкость) часто не так хороши, как у нейтральных флюсов. Поскольку активные флюсы увеличивают содержание сплава в сварном шве и влияют на химический состав наплавки, количество проходов шва, которые могут быть выполнены, ограничено. По мере увеличения количества проходов образуется все более насыщенный химический состав, что может вызвать проблемы. Активные флюсы лучше всего подходят для сварочных работ, включающих от одного до двух проходов.
Шлак сварочный — как не перепутать с металлом
При сварке металла, прямо над сварочным швом, образуется шлак, который представляет собой продукт окисленного металла и электродной обмазки. Шлак защищает сварочную ванну от попадания кислорода, и не даёт соединению слишком быстро остыть, что приводит к потере прочности и появлению различных дефектов сварки.
Однако, попав в ванну вместе с жидким металлом, шлак становится причиной разрушения сварочного соединения. Вот почему так важно при сварке уметь выгнать шлак из сварочной ванны, и не дать ему перемешаться с металлом. При этом новичку-сварщику очень непросто определить, в начале своей карьеры, где шлак, а где непосредственно сам металл.
Шлак сварочный — учимся отличать от металла
Не допустить попадание шлака в сварочную ванну, можно подобрав правильный режим сварки и изменив положение свариваемых деталей. Однако для этого важно разглядеть шлак и отличить его от металла. Только так получится выбрать угол наклона электрода и выгнать шлак, тем самым, с места соединения металлов.
Сварочный шлак и металл имеют различную степень плотности, а также у них разная вязкость. В результате этого, шлак и металл имеют отличные температуры нагрева — металл нагревается быстрее, но и остывает, также, быстрее в отличие от шлака. После остывания, шлак становится намного светлее металла.
В начале нагревания, шлак темнее раскалённого металла, который имеет красный цвет. Поэтому отличить шлак от металла можно по цвету: в начале нагрева он темней металла, а по мере остывания становится светлей. Таким образом, можно видеть, где раскалённый металл, а где шлак.
На первых порах начинающему сварщику может показаться, что особых различий нет, но все приходит с опытом. Со временем, когда вы будете более спокойно относиться к сварочному процессу, результат не заставит себя долго ждать.
Из-за чего появляются шлаковые включения в металле
Очень частой проблемой у начинающих сварщиков, является застывание шлака прямо в металле. В результате этого сварочный шов имеет непрезентабельный внешний вид и множество различных дефектов: крупные поры, дыры и т. д. Как правило, связано это с тем, что шлак не успел вовремя выйти из жидкого металла до остывания.
Причинами этому может быть:
Если при сварке ток слишком занижен, то образование шлака в соединении будет слишком заметным. Рекомендуется увеличить значения сварочного тока, чтобы металл смог выбрасывать шлак наружу из ванны. Также, необходимо подобрать правильное положение электрода во время сварки. Это позволит не допустить попадание шлака в сварочную ванну.
Не стоит держать электрод строго под прямым углом к свариваемой заготовке. Угол наклона должен составлять приблизительно 10-15 градусов (на себя). В месте соединения сваркой, металл необходимо очистить от ржавчины и грязи. Только так можно будет получить качественный контакт между электродом и заготовкой, что будет являться залогом прочного и надёжного соединения.
Сварочный шлак
Содержание:
Соединение металлических деталей в цельные конструкции часто осуществляется с помощью дуговой сварки. Это довольно эффективная и простая технология сваривания, но основным побочным эффектом ее является сварочный шлак.
Что такое шлаковые включения
Все возникающие в процессе сварке на металлической поверхности шлаковые включения разделяют на два вида:
Негативное воздействие на механические характеристики металлического изделия оказывают обе разновидности включений.
Причины, по которым шлаковые включения образуются
Довольно часто только осваивающие сварочные технологии специалисты задаются вопросом почему много шлака при сварке образуется на соединительных стыках. Появление таких включений обусловлено разными факторами:
Чтобы осуществлялась сварка без шлака или же с минимальным его количеством, желательно обратиться за помощью к опытным сварщикам. Если вы хотите самостоятельно сваривать, то следует научиться сваривать самые простые элементы и только потом приступать к более сложным.
Как шлак отличить от металла
С разными проблемами и вопросами при создании металлоизделий посредством сваривания сталкиваются сварщики, особенно новички. Например, многие затрудняются как отличить шлак от металла при сварке.
В действительности отличить металл и шлаковые включения несложно. Для этого следует обратить внимание на следующие факторы:
Почему шлак нужно удалять
Шлаковые включения в основном состоят из оксидов за счет пористой структуры существенно понижают прочностные свойства металла. При эксплуатации сварной конструкции оксиды из шлака способны вступать с железом в химическую реакцию, что приводит к ее разрушению. Поэтому сразу после остывания, когда шлак становится черным его необходимо удалять.
На начальном этапе сварки образовавшийся над ванной шлак с окислами защищает металл от быстрого охлаждения. Поскольку намного медленнее понижается температура металла, при удалении шлака после сварки швы получаются более ровными и однородными.
Есть и другие причины, по которым рекомендовано удалять после сваривания деталей образовавшийся на стыках шлак:
Обратите внимание! Если не удалить сварочный шлак, применение готового изделия может быть невозможным из-за присутствующих дефектов в виде волчков и неметаллических включений. Особенно важно это для конструкций, которые при эксплуатации будут подвергаться высоким внешним нагрузкам.
Как минимизировать шлаковые включения при сваривании металлов
Многих начинающих мастеров беспокоят вопросы «почему много шлака при сварке инвертором». Как правило такие проблемы наблюдаются при сварке, когда элементы находятся в нижнем положении. В случаях, когда деталь расположена под уклоном, то шлак стекает намного быстрее чем жидкая металлическая смесь из сварочной ванны. В связи с тем, что шлак не успел выйти наружу, он остается в сварочном шве.
Также шлаковые образования появляются при чрезмерно больших зазорах или при недостаточном токе в отношении к толщине металла. Намного реже проблемы со шлаком возникают при создании вертикальных швов, при этом шов остается сверху, а шлак стекает вниз.
Некоторые профессиональные сварщики советуют ставить заготовку под уклоном и варить сверху вниз, другие предлагают использовать для сварки электроды без шлака с темным покрытием.
Чтобы внутрь сварочной ванны не попадали частички шлаков, следует координировать направление электрода. Располагать его нужно таким образом, чтобы при испарении электродного покрытия поток газа такой дефект «выдувало» на внешнюю поверхность соединительного стыка. Оставлять шлак в сварочной ванне нельзя. Он быстро должен кристаллизироваться, что позволит удалить его без особых усилий.
Как избавиться от шлака
Чтобы при сваривании избавиться от шлака, можно попытаться увеличить дугу. Это предотвратит затекание шлаковых образований под сварочную ванну.
Изменением полярности тока при сварке инвертором и движением от минуса к плюсу электродом можно предотвратить накопление шлака в шве. Нельзя на одном месте слишком долго задерживаться, перемещать дугу необходимо быстро и равномерно.
Если габариты изделия позволяют, можно попытаться обратно «загнать» шлак, меняя угол наклона детали. Меньше шлака дает инверторная сварка на обратных токах. Такой аппарат лучше всего использовать начинающим сварщикам, поскольку они предотвращают залипание электрода и в разы упрощают сварочный процесс.