不锈钢高温氧化性质
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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。 + F- V3 E8 F, h# A
一、氧化膜； * f: @" l a! C# e
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。 - }7 z r6 u* s8 @! X
膜内部电子环境考虑：
1 b/ ]; @. R, K( E8 D2 I 阳离子空位：P型半导体 如FeO ，Fe3O4膜 [) b9 r1 U) R& G1 b% a( q
阴离子空位：N型半导体 如Fe2O3膜
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& r3 v5 e) T3 c( o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。 $ ] J/ Q5 L# a! e) t2 `
实际工件表面的氧化层，还有以下性质： 7 ~5 J# S" v# Q' c
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；
5 u8 \6 U9 L4 P' f, H, s 例：V(FeO)：V(Fe)=1.77；V(Fe3O4)：V(Fe)= 2.09 ! M4 h) j) J; |
V(Fe2O3)：V(Fe)=2.14 8 j4 t v* c$ [' h% l& }. n
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。 3 W0 n+ j; `* r
②生成的氧化物结晶结构和致密性；
0 s2 i) C' O2 ^) R3 Q③和基体金属的结合。 ; r( y; n! v9 \- h
二、氧化速度； 3 S) L7 v8 N) L+ Q1 f0 A
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：
+ F r8 ]; r2 m; L1）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；
) J7 H8 ]5 K) x9 z# w' |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； 7 _0 U/ ~ t3 X5 E
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）
# P# s, q1 ^" c* t# z: W h1 M5 K) c三、提高钢氧化性能的途径。 ) B `+ T2 n+ \
①.加入合金元素降低氧化膜中的扩散；
9 t" T/ e# r) d9 ^②加入合金元素，提高氧化膜的稳定性； " [2 Z, k T9 j
③.加入合金元素，形成致密，稳定的合金氧化膜。 0 i7 b l( m: ^* B" v1 h2 O, {" _3 x
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） 9 P: x9 u( _* i9 T
四、在高温下不同环境下的腐蚀考虑（STS） % c$ h& n8 m6 m
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。
8 {8 l4 R! ^3 O! L) A; k 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。 " o7 A& e; |+ k5 r- f
在N型半导体（阴离子空位）加入较高价的合金元素离子； 3 w6 m# b9 j, f( f0 x8 i2 u
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。 . Y7 R% e8 ^6 D1 }; Y
② 加入合金元素，提高氧化膜的稳定性 : G- E6 I/ j+ y
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。
: G3 y( G( U+ {$ G$ j Y8 Y合金元素对FeO共析温度的影响
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STS上的解释：在Cr、Ti、Al含量高时，FeO相区会消失。 ) M+ D. x! i; h/ R
③加入合金元素，形成致密，稳定的合金氧化膜
+ {( E/ R( E8 \2 G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。
3 F4 W4 ~ J5 }
! P7 q* V9 x k$ D4 O条件：高温〉570度 / R& g6 P: |6 I! Z' {; u8 j
从左到右：
& F7 T7 H9 {% `! F9 MA.纯铁 6 j3 y$ o) t* ^8 }4 c0 e) A5 d
B.12.23%Cr ; B* t6 \& ?2 T+ M) T) |4 B, c o
C.25%Cr
$ j' Z( Z B/ Y
! \9 y) |3 v; Y 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
