不銹鋼高溫氧化性質(zhì)

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WANGZHENQING

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落日余輝

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重慶的小吳

不銹鋼高溫氧化性質(zhì)
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(jié)構(gòu)性的變化。  
一、氧化膜；
+ O( h+ M/ U* p8 x7 Z" g/ S不銹鋼在室溫情況下，表面只生成Fe3O4，F(xiàn)e2O3相二層結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度〉570度時(shí)，生成FeO層，所以高溫環(huán)境，表面氧化膜為三層結(jié)構(gòu)。從高溫冷卻回的過(guò)程：FeO要分解，氧化皮層中有相變。
膜內(nèi)部電子環(huán)境考慮：
       陽(yáng)離子空位：P型半導(dǎo)體  如FeO ，F(xiàn)e3O4膜
8 P! {" D# h& b+ I- D: X6 b3 f       陰離子空位：N型半導(dǎo)體  如Fe2O3膜  

過(guò)程解釋：氧化過(guò)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(kuò)散，同時(shí)也是電子傳導(dǎo)過(guò)程。這個(gè)氧化腐蝕的過(guò)程，本質(zhì)上也是一個(gè)電化學(xué)腐蝕過(guò)程。這也是不銹鋼和耐熱鋼在理論上的共同基礎(chǔ)。
實(shí)際工件表面的氧化層，還有以下性質(zhì)：
2 {0 b2 {  c, x7 b ①通過(guò)對(duì)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；
& B& T1 F* n( ?. C: E. ]   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(shuō)明可以覆蓋表面，考慮體積，比值，層與層的應(yīng)力，可以推斷出容易起皮。
②生成的氧化物結(jié)晶結(jié)構(gòu)和致密性；
③和基體金屬的結(jié)合。
9 s- F6 H7 E& ?( T3 {& Z( [ 二、氧化速度；
  N& J0 [: \& S3 r( C氧化速度主要取決于化學(xué)反應(yīng)的速度和擴(kuò)散的速度，溫度的升高，化學(xué)反應(yīng)的速度和擴(kuò)散速度將增加，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)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：
" ?8 @( D  {* D3 w1）氧化膜不完整、不連續(xù)時(shí)，像氧化物比體積小的鎂、鉀、鈣等，他們的氧化膜增厚和時(shí)間的關(guān)系是樣：y=Kt+A；
( ^9 a( r, Q( v( I& `- s2）氧化膜是覆蓋在金屬表面的，膜層中可以進(jìn)行離子擴(kuò)散。像鐵、錳、鈷、鎳、銅等的氧化膜。膜層增厚的關(guān)系：y*y=kt+A；
' [7 X% c9 D* w4 d/ w3）膜不僅覆蓋金屬表面，而且膜層中離子擴(kuò)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(tài)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(kuò)散；
, \9 J) o" s+ S5 I3 R$ V, z5 m②加入合金元素，提高氧化膜的穩(wěn)定性；
/ ~) P5 o5 e$ F! y/ \# ?/ p# Z$ d# m③.加入合金元素，形成致密，穩(wěn)定的合金氧化膜。
2 p, O# F' y# D3 N# \# t( k7 R高溫下工作的鋼件（包含STS），由于氧化有自發(fā)的趨勢(shì)，氧化是一定要發(fā)生的。但是如前所述，氧化的速度，繼續(xù)氧化問(wèn)題是可以改變和控制的，通過(guò)加入合金元素，改變氧化膜層的傳導(dǎo)性，降低氧化膜中的擴(kuò)散，提高氧化膜的穩(wěn)定性；形成致密穩(wěn)定的合金元素氧化膜，提高膜的保護(hù)性，從而提高鋼（STS鋼）的抗氧化性。（空氣中的考慮）
6 s9 x7 R: m7 @. @: E4 N7 L2 U四、在高溫下不同環(huán)境下的腐蝕考慮（STS）
① 加入合金元素后，基體金屬（A）、合金元素（B）在氧化時(shí)可能出現(xiàn)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。
     在P型半導(dǎo)體（金屬離子空位）加入低價(jià)合金元素離子；如NiO的氧化膜中溶進(jìn)一些一價(jià)Li離子，所以Ni++通過(guò)空位的傳導(dǎo)性減弱。
  [4 W' e: p+ ^     在N型半導(dǎo)體（陰離子空位）加入較高價(jià)的合金元素離子；
3 Z. `1 @$ b! F這樣會(huì)導(dǎo)致陰離子空位的降低，使氧離子傳導(dǎo)削弱，鋼的抗氧化性也將提高。
. F& I' T/ {* O/ A! k② 加入合金元素，提高氧化膜的穩(wěn)定性
合金元素氧化物按點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、離子半徑、電負(fù)性的條件的不同，穩(wěn)定性不同。Cr、Al、Si的氧化物點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)接近Fe3O4，它們的離子半徑比鐵小，易穩(wěn)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(wěn)定劑，擴(kuò)大FeO的相區(qū)，降低FeO形成溫度。  
  G# [& i# U0 a- s) s0 d0 w合金元素對(duì)FeO共析溫度的影響
7 \* A4 n1 Z2 B" W) B8 }
STS上的解釋：在Cr、Ti、Al含量高時(shí)，F(xiàn)eO相區(qū)會(huì)消失。
③加入合金元素，形成致密，穩(wěn)定的合金氧化膜
當(dāng)鋼中加入合金元素Cr、Ti、Al、Si時(shí)，則在氧化的過(guò)程中，由于鐵離子的消耗，而鉻、鋁、硅等氧化物的穩(wěn)定，會(huì)使氧化物的底層逐漸富集為穩(wěn)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(shí)，鐵，氧通過(guò)膜的擴(kuò)散嚴(yán)重受阻，氧化性顯著提高。
; K, r/ q2 j" z( o" g: o
條件：高溫〉570度
從左到右：
7 T+ g! O" S4 {. c4 B+ |A.純鐵
B.12.23%Cr
& B  [6 W% K5 v* r( ^: s$ c4 G* bC.25%Cr  
3 C/ G' |' y. _1 B/ w: ~
, q+ H* C& i& B 不同Cr含量在相同溫度下對(duì)不銹鋼表面氧化的影響。