Окисление стали представляет собой процесс взаимодействия газов, окисляющих, с железом и легирующими элементами. Этот процесс зависит не только от химических реакций окисления, но и от закономерностей образования окисной пленки, по мере ее роста все больше и больше изолирует сталь от газов.
Поэтому скорость роста окалины зависит не только от протекания химического процесса окисления стали, но и от условий передвижения ионов металла (от металла и внутренних слоев окалины к внешнему) и атомов кислорода (с поверхности металла к его внутренних слоев), т.е. от условий протекания физического процесса двусторонней диффузии.
Диффузионный механизм образования окалины обусловливает трехслойной структурой окислов, образующихся при нагреве стали в печах. Во внутреннем слое (примыкающей к металлу) содержится больше всего монооксида железа, образующийся по реакции
Fe + 0,502 - FеО.
Средний слой - магнетит Fe3O4 - образуется при последующем окислении монооксида железа по реакции
3FеО + 0,502 - Fe3O4.
В этом слое железа содержится меньше и по сравнению с первым слоем он обогащен кислородом, хотя и не в такой мере, как наиболее богатый кислородом Бе2О3, образующийся в третьем слое за реакцией
2Fe3O4 + 0,502 - 3Fe2O3.
Состав каждого из трех слоев не постоянен по сечению, а постоянно изменяется в результате взаимодействия с примесями компонентов окалины, более богатых кислородом вблизи поверхности.
Окисление стали при ее нагреве в печах происходит не только благодаря ее взаимодействия со свободным кислородом, но и со связанным кислородом, входит в состав продуктов полного сгорания топлива в топливных печах: СО2, Н2О и SO2. Эти газы, так же как и О2, называют окислительными в отличие от газов СО, Н2 и СН4, яки восстанавливают. Азот, обычно в продуктах сгорания или в воздухе, является нейтральным газом. Атмосфера в большей части топливных печей представляет собой смесь N2, СО2, Н2О, SO2 с небольшим количеством свободного кислорода, поскольку только при полном сгорании топлива в печи развивается необходимая температура. Наличие большого количества газов, яки восстанавливают, в печи свидетельствует о неполное сгорание и в обычных печах недопустимо, так как топливо при этом используется не рационально. Этим объясняется то, что атмосфера обычных топливных печей имеет окислительный характер.
Толщина слоя окислов, образующихся на поверхности стали, и его структура зависят не только от атмосферы, в которой нагревается металл, но и от ряда других факторов, к которым в первую очередь относятся температура и время. Чем выше температура металла, тем большее количество окалины образуется за один и то же время его пребывания в печи. Образование окалины при температуре до 873 К происходит с очень малой скоростью, а при температуре свыше 898-923 К скорость окисления стали резко возрастает.
Время пребывания металла в печи имеет очень сильное влияние на количество окалины образуется. Увеличение времени нагрева до заданной температуры приводит к росту слоя окалины, хотя скорость окисления немного падает со временем вследствие увеличения толщины слоя и, следовательно, уменьшение скорости диффузии через него ионов железа и атомов кислорода. Время нагрева до заданной температуры может быть сокращенным увеличением температуры в печи (если это позволяет вести процесс без возникновения опасных напряжений в металле), что способствует уменьшению количества окалины образуется.
Факторы, которые влияют на скорость диффузии кислорода к поверхности стали, нагреваемой из атмосферы печи, не оказывают существенного влияния на рост слоя оксидов.
Условия перемещения стальных заготовок и деталей внутри печей, состав стали и качество ее поверхности также влияют на скорость образования окалины. Так, при перемещении металла в печи может происходить отслоение и отделение окалины, что способствует более быстрому следующем окислению незащищенных поверхностных участков. Состояние поверхности металла играет важную роль, так как слой окислов, образующаяся на гладкой поверхности, оказывается более плотным и прочным и защищает сталь от дальнейшего окисления. Наличие в стали некоторых легирующих элементов (Сг, Ми, СИ и др.). Может обеспечить образование тонкой и плотной пленки оксидов, хорошо прилегает к поверхности металла и надежно предупреждает последующее окисление. Такие стали, яки называются жаростойкими, хорошо сопротивляются окислению при нагревании.
Следует отметить, что сталь с высоким содержанием углерода в меньшей мере поддается поверхностном окислению, чем низкоуглеродистые.
Количество окалины, образовавшейся на поверхности металла, можно определить по изменению массы образца окислился, двумя способами:
1) по увеличению массы образца, покрытого окалиной (увеличение массы характеризует количество кислорода, входящего в состав окалины),
2) по уменьшению массы образца после полного снятия слоя окалины (уменьшение массы показывает, какое количество железа входила в состав снятой окалины). Кроме этого, иногда проводят изучение микро-и макроструктуры слоя окалины, образовавшейся и определяют ее химический состав.