不銹鋼高溫氧化性質

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重慶的小吳

不銹鋼高溫氧化性質
" J9 q& s8 P1 B( @& ^2008-9-11 15:38
高溫下，不銹鋼的氧化性能受到很大的影響，其氧化層有結構性的變化。  
2 l- k& _3 Z3 c; O0 S$ g一、氧化膜；
; c9 |$ B+ a! ]不銹鋼在室溫情況下，表面只生成Fe3O4，Fe2O3相二層結構，當溫度〉570度時，生成FeO層，所以高溫環境，表面氧化膜為三層結構。從高溫冷卻回的過程：FeO要分解，氧化皮層中有相變。
0 r. P1 P, H5 O' G6 B' D膜內部電子環境考慮：
& e. \1 P- d' k+ U% h* N$ @       陽離子空位：P型半導體  如FeO ，Fe3O4膜
       陰離子空位：N型半導體  如Fe2O3膜  
) n$ d# c: E1 G+ g
過程解釋：氧化過程的主要是氧離子和鐵離子（合金元素形成的離子）在氧化層中的擴散，同時也是電子傳導過程。這個氧化腐蝕的過程，本質上也是一個電化學腐蝕過程。這也是不銹鋼和耐熱鋼在理論上的共同基礎。
實際工件表面的氧化層，還有以下性質：
①通過對氧化物體積和被氧化物體積的比較，判斷氧化膜是否覆蓋工件表面；
3 {! O  c( m& w& V0 L" g   例：V(FeO)：V(Fe)=1.77；V(Fe3O4)：V(Fe)= 2.09
           V(Fe2O3)：V(Fe)=2.14
          判定：大于1說明可以覆蓋表面，考慮體積，比值，層與層的應力，可以推斷出容易起皮。
4 {. z* m) K" d. h. t# C7 N& R②生成的氧化物結晶結構和致密性；
③和基體金屬的結合。
/ k9 d/ p  e7 e3 e4 B  ~' l 二、氧化速度；
' h5 N  P% o' ]: \  M* ?7 v氧化速度主要取決于化學反應的速度和擴散的速度，溫度的升高，化學反應的速度和擴散速度將增加，隨著時間的延長和膜的的增厚或膜的致密性的提高而減慢，因此氧化速度可有下列三種情況：
  a8 p% p( U& J$ [/ |& W1）氧化膜不完整、不連續時，像氧化物比體積小的鎂、鉀、鈣等，他們的氧化膜增厚和時間的關系是樣：y=Kt+A；
0 k+ D/ L% [  _) q- v2）氧化膜是覆蓋在金屬表面的，膜層中可以進行離子擴散。像鐵、錳、鈷、鎳、銅等的氧化膜。膜層增厚的關系：y*y=kt+A；
3）膜不僅覆蓋金屬表面，而且膜層中離子擴散困難。像鉻、鋁、硅等的氧化膜。膜層增厚為：y=lnKt（STS表面膜的狀態的解釋）  
三、提高鋼氧化性能的途徑。
①.加入合金元素降低氧化膜中的擴散；
" x8 \! \$ m' G4 V! l②加入合金元素，提高氧化膜的穩定性；
3 K1 L% W7 ?, ^/ x, V5 X3 a③.加入合金元素，形成致密，穩定的合金氧化膜。
0 O' U* @1 G3 r. q- L高溫下工作的鋼件（包含STS），由于氧化有自發的趨勢，氧化是一定要發生的。但是如前所述，氧化的速度，繼續氧化問題是可以改變和控制的，通過加入合金元素，改變氧化膜層的傳導性，降低氧化膜中的擴散，提高氧化膜的穩定性；形成致密穩定的合金元素氧化膜，提高膜的保護性，從而提高鋼（STS鋼）的抗氧化性。（空氣中的考慮）
四、在高溫下不同環境下的腐蝕考慮（STS）
# ^+ B6 g# C8 O① 加入合金元素后，基體金屬（A）、合金元素（B）在氧化時可能出現三種情況：1.形成A氧化物中有B離子2.形成的B的氧化物中含有A離子；A，B各自形成氧化物。
' e7 N' }9 L$ H9 {- d& ~     在P型半導體（金屬離子空位）加入低價合金元素離子；如NiO的氧化膜中溶進一些一價Li離子，所以Ni++通過空位的傳導性減弱。
     在N型半導體（陰離子空位）加入較高價的合金元素離子；
0 B. o0 v! Y5 P+ b! r  ?; W5 b( g這樣會導致陰離子空位的降低，使氧離子傳導削弱，鋼的抗氧化性也將提高。
* i4 i( K) H7 P6 i% E② 加入合金元素，提高氧化膜的穩定性
合金元素氧化物按點陣結構、離子半徑、電負性的條件的不同，穩定性不同。Cr、Al、Si的氧化物點陣結構接近Fe3O4，它們的離子半徑比鐵小，易穩定密度大的Fe3O4，縮小FeO形成溫度。Mn、Cu的離子半徑大于鐵，易溶于疏松的FeO，他們是FeO的穩定劑，擴大FeO的相區，降低FeO形成溫度。  
合金元素對FeO共析溫度的影響

STS上的解釋：在Cr、Ti、Al含量高時，FeO相區會消失。
: B; m1 c- |5 @  m; y: A ③加入合金元素，形成致密，穩定的合金氧化膜
當鋼中加入合金元素Cr、Ti、Al、Si時，則在氧化的過程中，由于鐵離子的消耗，而鉻、鋁、硅等氧化物的穩定，會使氧化物的底層逐漸富集為穩定的氧化物的膜層，形成以Cr2O3，Al2O3、SiO2為主的氧化膜，這類氧化膜形成時，鐵，氧通過膜的擴散嚴重受阻，氧化性顯著提高。
4 e$ e8 m0 D% v( L, |& }/ c$ h3 {
條件：高溫〉570度
2 n+ l, i. W; C! o0 b+ b$ ]從左到右：
A.純鐵
B.12.23%Cr
C.25%Cr  
% R7 g- C+ g* ^7 S7 l" t7 K
不同Cr含量在相同溫度下對不銹鋼表面氧化的影響。