不锈钢高温氧化性质 8 q2 Y0 ?; b+ ~' H8 o2 K
2008-9-11 15:38
0 d& B0 D8 M- ]+ K高温下，不锈钢的氧化性能受到很大的影响，其氧化层有结构性的变化。 1 w& }) {8 ?# E/ v% H& O
一、氧化膜； ) N6 Y6 d C8 L/ p9 J, \8 t5 J
不锈钢在室温情况下，表面只生成Fe3O4，Fe2O3相二层结构，当温度〉570度时，生成FeO层，所以高温环境，表面氧化膜为三层结构。从高温冷却回的过程：FeO要分解，氧化皮层中有相变。
' P! n$ F( J4 [, X9 S4 ~8 ~# G0 u膜内部电子环境考虑：
* c/ x3 C9 ?" c' I8 }( i 阳离子空位：P型半导体 如FeO ，Fe3O4膜
. |1 v2 f x/ B8 q4 }; ]+ o 阴离子空位：N型半导体 如Fe2O3膜 ; L2 a; O+ j- M' P- |
% \! {' T0 o8 Z [5 |过程解释：氧化过程的主要是氧离子和铁离子（合金元素形成的离子）在氧化层中的扩散，同时也是电子传导过程。这个氧化腐蚀的过程，本质上也是一个电化学腐蚀过程。这也是不锈钢和耐热钢在理论上的共同基础。 : Z0 J. F: }6 _
实际工件表面的氧化层，还有以下性质： ) U' b4 x ]8 g
①通过对氧化物体积和被氧化物体积的比较，判断氧化膜是否覆盖工件表面； 4 N7 S# V$ M* n) J8 ]9 Q1 [: V
例：V(FeO)：V(Fe)=1.77；V(Fe3O4)：V(Fe)= 2.09
. ~% v" d- ]! W7 _ V(Fe2O3)：V(Fe)=2.14 ' y0 d+ ~) U: r, ^ D+ x+ m
判定：大于1说明可以覆盖表面，考虑体积，比值，层与层的应力，可以推断出容易起皮。
# {1 f/ r/ i) G& Y2 H& K②生成的氧化物结晶结构和致密性； 6 z/ h( Y% t; F1 t6 @
③和基体金属的结合。
5 X1 u. Q+ U8 A: O9 D# x* B8 k2 J+ w 二、氧化速度； ' R6 p/ B- b4 x5 D8 v% Y
氧化速度主要取决于化学反应的速度和扩散的速度，温度的升高，化学反应的速度和扩散速度将增加，随着时间的延长和膜的的增厚或膜的致密性的提高而减慢，因此氧化速度可有下列三种情况： $ a: p4 Z( X) P9 ?3 n1 g0 r }* X1 k
1）氧化膜不完整、不连续时，像氧化物比体积小的镁、钾、钙等，他们的氧化膜增厚和时间的关系是样：y=Kt+A； " ?2 g# @ N7 k' v) g; o
2）氧化膜是覆盖在金属表面的，膜层中可以进行离子扩散。像铁、锰、钴、镍、铜等的氧化膜。膜层增厚的关系：y*y=kt+A； 1 ^" N, ]6 w1 l) R! t( V) ~" P) h
3）膜不仅覆盖金属表面，而且膜层中离子扩散困难。像铬、铝、硅等的氧化膜。膜层增厚为：y=lnKt（STS表面膜的状态的解释）
* _6 Y0 t; d; L2 M三、提高钢氧化性能的途径。
; x5 f1 t ]6 S# y2 ?; Z①.加入合金元素降低氧化膜中的扩散； , d( w: y) ?% X4 p- `4 u: p3 t$ _2 D
②加入合金元素，提高氧化膜的稳定性； ( x: t! O! Z* M9 C
③.加入合金元素，形成致密，稳定的合金氧化膜。 1 X# w m/ e9 f- M: D
高温下工作的钢件（包含STS），由于氧化有自发的趋势，氧化是一定要发生的。但是如前所述，氧化的速度，继续氧化问题是可以改变和控制的，通过加入合金元素，改变氧化膜层的传导性，降低氧化膜中的扩散，提高氧化膜的稳定性；形成致密稳定的合金元素氧化膜，提高膜的保护性，从而提高钢（STS钢）的抗氧化性。（空气中的考虑）
7 t+ J9 f2 P. @3 t y1 d# n, ?1 C四、在高温下不同环境下的腐蚀考虑（STS）
7 J0 X5 j- Z" ~① 加入合金元素后，基体金属（A）、合金元素（B）在氧化时可能出现三种情况：1.形成A氧化物中有B离子2.形成的B的氧化物中含有A离子；A，B各自形成氧化物。 0 {0 q' K7 P2 w$ ~- i
在P型半导体（金属离子空位）加入低价合金元素离子；如NiO的氧化膜中溶进一些一价Li离子，所以Ni++通过空位的传导性减弱。
2 e$ N. [5 u5 w" Z 在N型半导体（阴离子空位）加入较高价的合金元素离子； ' O+ E3 h6 k/ b0 p" I% b
这样会导致阴离子空位的降低，使氧离子传导削弱，钢的抗氧化性也将提高。
$ e5 P$ y% b7 C5 w② 加入合金元素，提高氧化膜的稳定性
e, b4 [4 z0 @& B# d- u合金元素氧化物按点阵结构、离子半径、电负性的条件的不同，稳定性不同。Cr、Al、Si的氧化物点阵结构接近Fe3O4，它们的离子半径比铁小，易稳定密度大的Fe3O4，缩小FeO形成温度。Mn、Cu的离子半径大于铁，易溶于疏松的FeO，他们是FeO的稳定剂，扩大FeO的相区，降低FeO形成温度。 6 ]$ o* K' e% O# O0 z
合金元素对FeO共析温度的影响
. U' I; ]$ H R0 Z& i6 } $ y: d+ g7 H2 w( O7 F" v* |7 p- G
STS上的解释：在Cr、Ti、Al含量高时，FeO相区会消失。 9 K5 |5 }8 A. V' W, b
③加入合金元素，形成致密，稳定的合金氧化膜 6 ]- k- F! g5 l3 L
当钢中加入合金元素Cr、Ti、Al、Si时，则在氧化的过程中，由于铁离子的消耗，而铬、铝、硅等氧化物的稳定，会使氧化物的底层逐渐富集为稳定的氧化物的膜层，形成以Cr2O3，Al2O3、SiO2为主的氧化膜，这类氧化膜形成时，铁，氧通过膜的扩散严重受阻，氧化性显著提高。 # k" V$ O1 ~8 m3 p: {1 W, r6 X
7 W7 q# z) L- a6 B条件：高温〉570度
5 Z' V, a' Y; M; |2 P& I m从左到右： 9 T' l8 |1 n& s6 B6 k! @* f. ?
A.纯铁 # ?! o* a7 g. c4 l- V& q" {7 U
B.12.23%Cr ( W! T6 {, b! g, N6 u* D# L
C.25%Cr , C5 L! q9 f Q( O/ X
% \1 l2 A3 Y+ c0 I" p2 @
不同Cr含量在相同温度下对不锈钢表面氧化的影响。 |
发表于 2009-4-16 15:54:23
