Изменение цвета металла при нагреве до высокой температуры можно наблюдать и в промышленности, и в быту. Спираль электронагревательного прибора изменяет свой оттенок после работы и последующего остывания, металлическая поверхность мангала или барбекю темнеет после нескольких циклов нагрева, торец фрагмента металлической трубы после обрезки шлифовальной машинкой также приобретает специфический оттенок. Ярким примером служит полотно ножовки, приобретающее фиолетовые оттенки после работы с заготовкой из стали. Локальные участки металлической поверхности, изменяющие окраску под воздействием высоких температур, называются побежалостями.
Тем, кто профессионально занимается обработкой металлов, необходимо знать, как проявляется побежалость на различных сплавах под действием высокой температуры. Цветовой спектр и характерные оттенки побежалости могут дать важную информацию.
Физика процесса и причины изменения цвета
В процессе нагрева металлической заготовки на её поверхности появляются побежалости, имеющие цветовой спектр от жёлтого до серого цвета. Оттенок зависит от температуры. При нагреве поверхности до 5000 С и более она приобретает первые оттенки каления, которые можно заметить в темноте. При достижении температуры 650-7000 С металл приобретает тёмно-красный цвет, а при достижении температуры 1200-13000 С цвет оксидной плёнки изменяется от вишнёвого до белого.
Дальнейший нагрев поверхности приведёт только к изменению яркости цвета, но не к изменению оттенка. Окрас поверхности металла, нагретой до определённой температуры, является косвенным индикатором и не свидетельствует о точных данных.
Оптический эффект изменения цвета нагретой поверхности объясняется интерференцией света. По мере разогрева металла исчезают определённые оттенки оксидов, содержащиеся в тонком поверхностном слое металла, т.н. оксидной плёнке. Сначала убывают оттенки фиолетового, затем жёлтого, зелёного и красного цветов. При максимальном нагреве металла он начинает светиться чисто-белым цветом.
Причина изменения цвета нагретого металла объясняется изменением толщины оксидной плёнки. Окрас поверхности меняется в зависимости от её толщины и плотности. Чем выше толщина поверхностных окислов, тем значительнее разнится цветовой тон от первоначального.
Цвет различных сталей и сплавов при нагреве
Изменение цветового спектра побежалостей для углеродистых сталей выглядит примерно следующим образом:
- бледно-соломенный – более 2200 С;
- коричневый — 2500 С;
- тёмно-малиновый – 2700 С;
- фиолетовый — 3500 С;
- серый – 400-4500 С;
- белый – 900-11000 С.
Температура достижения определённого оттенка зависит от качественного состава стали: объёмного содержания магния, углерода, сурьмы, олова и т.д.
Для нержавеющих, жаропрочных и жаростойких сталей температурный предел смещён на 100-1500 С в большую сторону. Так, соломенный оттенок начинает проявляться при температуре свыше 3000 С, а фиолетовый и пурпурный при температуре 500-6000 С.
Тепловые эффекты в сталях при лазерной резке
Лазерная и плазменная резка металлов выполняется благодаря его плавлению. Высокая температура в зоне резки является причиной возникновения различных дефектов. Края низкоуглеродистых холоднокатаных сталей в процессе обработки становятся менее твёрдыми по причине наличия зоны отжига толщиной в несколько сотых миллиметра. В большинстве случаев это не является проблемой и легко устраняется финишной обработкой заготовки.
Объёмное содержание углерода в средне- и высокоуглеродистых сталях превышает 0,3 %, из-за этого на поверхности часто образуется мартенсит. От искусственно повышает твёрдость сплава. Как только металл в зоне резания разогревается до температуры плавления, соседняя область также начинает нагреваться. Сплав стали, нагретый выше 9000 С становится аустенитом, который при охлаждении преобразуется в мартенсит. Именно так получается закалённая сталь. Это полезное явление, если необходимо одновременно обработать и закалить края изделия. В других случаях закалённый слой может стать источником микротрещин.
Высокие скорости резания на станках с ЧПУ становятся причиной появления микроструктур в прокате стали. В процессе естественного охлаждения высокоуглеродистые стали приобретают твёрдость, а сплавы с низким содержанием углерода становятся мягкими.
Нержавеющие стали являются сплавами с высоким содержанием хрома. Их кромки при резке в струе кислорода покрываются существенным слоем оксида. Это нежелательный эффект для последующего применения заготовки. Выходом является замена кислорода азотом, не вступающим в реакцию с нержавеющими сталями и позволяющим избежать данного явления.
Сплавы алюминия отличаются высокой теплопроводностью и отражательной способностью. Эти качества делают затруднительными процесс лазерной обработки. Многие сплавы склонны к образованию микротрещин на кромках среза. Если деталь изготавливается для важных и ответственных объектов промышленности, к примеру, авиационной отрасли, наличие таких дефектов недопустимо. Именно поэтому температуру резания алюминия стараются максимально снизить.
Способы удаления побежалостей с металла
Удалить следы побежалости с металлических поверхностей можно двумя способами:
- механическим;
- химическим.
Первый вариант заключается в обработке нагретых и остывших поверхностей с помощью доводочных и зачистных кругов, а также щёток из нержавеющей проволоки. Метод весьма трудозатратный и требует значительного количества времени для обработки.
Химический способ заключается в нанесении на поверхность заготовки специальной эмульсии. Большинство производителей добавляют в состав азотную и плавиковую кислоту, кремнефтористые производные и загущающие компоненты. Эмульсии не содержат хлоридов и сульфатов, поэтому не вступают в реакцию с металлом. Состав наносится обычной кисточкой.
Рекомендуемое время выдержки зависит от типа стали и цвета побежалости. Чем выше температурный оттенок побежалости, тем дольше необходимо выдерживать состав на обрабатываемой области. После выдержки эмульсия снимается ветошью, нейтрализуется щелочными компонентами или смывается водой.
Существует ещё и электрохимический способ удаления побежалостей металла, но используется крайне редко из-за сложности процесса.
