Окалина — слой оксидов железа, образующийся при горячей прокатке и нагреве; должен удаляться перед покрытием и сваркой.
Суть
При нагреве выше нескольких сотен градусов железо активно окисляется кислородом воздуха или печных газов, и на поверхности вырастает плотная тёмно-серая корка — окалина. Она появляется на слитках и заготовках при нагреве под прокатку, на готовом горячекатаном прокате и трубах, при термообработке без защитной атмосферы, а также в зоне сварного шва. Металл, ушедший в окалину, называют угаром: при каждом нагреве под прокатку теряется порядка 1–3 % массы.
Окалина — не ржавчина. Ржавчина образуется во влаге при обычной температуре и представляет собой рыхлые гидратированные оксиды; окалина растёт при высокотемпературном «сухом» окислении и до определённой толщины держится на металле плотно. Однако её плотность (≈ 5,2–5,7 г/см³) и коэффициент теплового расширения отличаются от стальных, поэтому при остывании, гибке и ударах она трескается и отслаивается чешуйками.
Из чего состоит
Окалина, выросшая на стали при температурах прокатки, трёхслойна. Ближе к металлу лежит вюстит FeO (точнее Fe1−xO) — самый толстый и наименее богатый кислородом слой, устойчивый только выше ~570 °C. Над ним — магнетит Fe₃O₄, чёрный и магнитный, снаружи — тонкий слой гематита Fe₂O₃, дающего красно-бурый оттенок. При медленном остывании ниже 570 °C вюстит распадается на железо и магнетит, поэтому у остывшего проката структура окалины зависит от режима охлаждения.
- Толщина. От единиц-десятков микрометров на горячекатаном листе и тонкостенных трубах до долей миллиметра на заготовке после длительного нагрева; растёт с температурой и временем выдержки.
- Сцепление. Вюститный слой пластичен и удерживается прочно; магнетит и гематит хрупкие — именно они первыми осыпаются на складе и в цехе.
- Электрохимия. Оксиды железа катодны по отношению к стали: во влажной среде остатки окалины ускоряют локальную коррозию оголённого металла рядом с ними, см. коррозия металла.
Как удаляют
Любое покрытие ложится на окалину плохо: цинк не образует с ней сплава, краска и полимер отслаиваются вместе с чешуйками, а в сварочной ванне оксиды дают поры и шлаковые включения. Поэтому в технологических цепочках окалину снимают на нескольких этапах.
- Гидросбив на стане — струи воды под давлением порядка 10–20 МПа сбивают первичную окалину с заготовки перед прокаткой.
- Травление в растворах серной или соляной кислоты — основной способ перед холодной прокаткой, волочением и горячим цинкованием; после травления поверхность промывают и нейтрализуют.
- Механическая очистка — дробе- и пескоструйная обработка, щётки, иглофрезы; степень очистки от окалины нормируют ГОСТ 9.402 (степени 1–4) и ISO 8501-1 (Sa 1 … Sa 3).
- Зачистка кромок перед сваркой до металлического блеска на ширину не менее 20 мм от шва.
Радикальный путь — не давать окалине расти: нагрев в защитной или контролируемой атмосфере (светлый отжиг, нормализация в печах с защитным газом) и холодная деформация вместо горячей. Стойкость сталей к образованию окалины при длительном нагреве — отдельное свойство, жаростойкость, которую повышают хромом, кремнием и алюминием.
Ключевые числа
| Слои окалины (от металла наружу) | FeO (вюстит) → Fe₃O₄ (магнетит) → Fe₂O₃ (гематит) |
|---|---|
| Устойчивость вюстита FeO | Только выше ~570 °C; ниже распадается на Fe и Fe₃O₄ |
| Плотность оксидов железа | FeO ≈ 5,7 г/см³; Fe₃O₄ ≈ 5,2 г/см³; Fe₂O₃ ≈ 5,2 г/см³ (сталь — 7,85 г/см³) |
| Температуры плавления | FeO ≈ 1377 °C; Fe₃O₄ ≈ 1597 °C; Fe₂O₃ разлагается ≈ 1565 °C |
| Угар при нагреве под прокатку | порядка 1–3 % массы металла за нагрев |
| Давление гидросбива | порядка 10–20 МПа |
| Степени очистки от окалины | ГОСТ 9.402 — степени 1–4; ISO 8501-1 — Sa 1, Sa 2, Sa 2½, Sa 3 |
| Подготовка под горячее цинкование | ГОСТ 9.307: обезжиривание, травление, флюсование; окалина не допускается |
Где встречается в трубах
На горячедеформированных бесшовных трубах окалина — штатное состояние поверхности после прошивки и прокатки, на электросварных она есть на исходном горячекатаном штрипсе и в зоне шва. Для чёрной трубы под сварку и бетон это допустимо, для оцинкованной, окрашенной и холоднодеформированной — нет: там окалину снимают травлением или дробемётом.
- Как рождается окалина на заготовке и трубе — в статье о производстве бесшовных труб; каталог бесшовных труб.
- Оцинкованные водогазопроводные трубы перед цинкованием проходят травление — см. также защита труб от коррозии.
- Зачистка кромок от окалины и оксидов — обязательный этап сварки труб.
- Состояние поверхности и допустимые дефекты оговаривают стандарты на трубы — библиотека стандартов, в частности ГОСТ 8732-78 и ГОСТ 10704-91.
- Про приёмку по внешнему виду — приёмка труб и допуски.
Связанные термины
- Жаропрочность и жаростойкостьЖаропрочность — сохранение прочности при высокой температуре под нагрузкой; жаростойкость — стойкость к окалине. Это разные свойства и разные стали.
- Горячая и холодная деформацияГорячая (выше температуры рекристаллизации) даёт крупный сортамент и вязкую структуру; холодная — точную геометрию и наклёп.
- ЦинкованиеПокрытие стали цинком (горячее, гальваническое, термодиффузионное), защищающее и барьером, и «жертвенно» — цинк корродирует вместо стали.