Окисление и обезуглероживание.
Высокотемпературный нагрев металла в обычной атмосфере печи вызывает интенсивное развитие газовой коррозии на поверхности, результатом которой является окалинообразование и обеднение поверхностных слоев углеродом (обезуглероживание). Слой окалины на поверхности слитка сам по себе еще не является дефектом, так как при прокатке он легко удаляется гидросбивом — системой сопел, подающих струи воды под давлением до 150 атм. Однако на готовом прокате, особенно в трещинах, окалина может сохраниться. При прокатке возможно вдавливание кусочков окалины в основной металл, отчего образуются различные по названию виды брака (например, “рябизна”, “мазки” и пр.). При большом слое окалины на кислых сталях возможен выход на поверхность подкорковых газовых пузырей с образованием поверхностных трещин при прокатке.
Если в атмосфере печи содержится свободный кислород, углекислота, водород и водяные пары, то углерод металла, диффундируя из глубинных слоев к поверхности, вступает в реакцию с ними, отчего поверхностный слой металла обезуглероживается. Особенно нежелательно обезуглероживание для инструментальных сталей, для которых обезуглероженный слой может повлиять на свойства режущей кромки готового инструмента.
Процессы окисления и обезуглероживания протекают одновременно, поэтому окончательная толщина обезуглероженного слоя зависит от соотношения скоростей протекания этих процессов. В качестве меры борьбы с обезуглероживанием можно предложить наведение окислительной атмосферы в печи, что приведет к увеличению скорости окисления. На поверхности проката появится толстый слой окалины, но обезуглероженный слой образоваться не успеет.
На скорость протекания обоих процессов оказывают влияние температура, состав, давление газов в печи, режим нагрева, особенно химический и фазовый состав поверхностных слоев нагреваемой стали. С увеличением углерода снижаются и скорость окисления, и скорость обезуглероживания в связи с интенсивным образованием защитного слоя из окиси углерода. Трудно предупредить обезуглероживание среднеуглеродистых сталей (0,3—0,7 %). Сера, фосфор, марганец, никель практически не изменяют скорость окисления, а гитан, медь, кобальт заметно ее снижают. Очень сильно замедляют окисление хром, алюминий и кремний, образуя защитные пленки на поверхности. Наоборот, ванадий, вольфрам и молибден образуют легкоплавкие и летучие оксиды, поэтому способны заметно ускорить окисление стали. При высоких температурах более устойчивы к окислению однородные однофазные стали (аустенит с полным растворением в нем других составляющих), чем двухфазные, в связи с тем что неоднородные пленки оксидов быстрее разрушаются. Также можно разрушить защитные пленки при быстром или неравномерном нагреве металла.
Скорость обезуглероживания в значительной степени зависит от диффузии углерода в поверхностные слои металла, поэтому карбидообразующие элементы (хром, ванадий, молибден, марганец и др.), связывая атомы углерода, снижают их подвижность и препятствуют диффузии. Стали, содержащие несколько легирующих элементов, обезуглероживаются значительно меньше, чем углеродистые (У7—У13). Чтобы не допустить или сократить одновременно окисление и обезуглероживание металла, легированные марки стали часто нагревают по ускоренным режимам в защитных атмосферах. Иногда используют различные защитные обмазки, которые при деформации служат также смазками.
Рванины и трещины. При ускоренном или неравномерном нагреве металла возможны большие термические напряжения, которые могут привести к разрушению металла, особенно в условиях пониженной пластичности (например, при фазовых превращениях, при структурной неоднородности и пр.). Особенно склонны к термическим трещинам слитки средне- и высокоуглеродистых марок стали (ШХ15, У13, ЗОХГСА и др.). Такие трещины могут быть большими и грубыми (“скворечники” в виде широко раскрытых полостей, “надрывы” поверхностных слоев и пр.) или сравнительно неглубокими и мелкими, часто расположенными по границам зерен.
Склонность стали к термическим трещинам резко возрастает при наличии в стали неметаллических включений, при “выпотевании” на поверхности легкоплавких фаз и хрупких пленок, при наличии других поверхностных дефектов, плохом качестве поверхности слитка и т. п.
