不锈钢高温氧化性质
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2008-9-11 15:38
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。
一、氧化膜；
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。
膜内部电子环境考虑：
阳离子空位：P型半导体如FeO ，Fe3O4膜
阴离子空位：N型半导体如Fe2O3膜
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。
实际工件表面的氧化层，还有以下性质：
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；
例：V(FeO)：V(Fe)=1.77；V(Fe3O4)：V(Fe)= 2.09
V(Fe2O3)：V(Fe)=2.14
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。
②生成的氧化物结晶结构和致密性；
③和基体金属的结合。
二、氧化速度；
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：
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）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；
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）
三、提高钢氧化性能的途径。
①.加入合金元素降低氧化膜中的扩散；
②加入合金元素，提高氧化膜的稳定性；
③.加入合金元素，形成致密，稳定的合金氧化膜。
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）
四、在高温下不同环境下的腐蚀考虑（STS）
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。
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。
在N型半导体（阴离子空位）加入较高价的合金元素离子；
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。
② 加入合金元素，提高氧化膜的稳定性
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。
合金元素对FeO共析温度的影响
STS上的解释：在Cr、Ti、Al含量高时，FeO相区会消失。
③加入合金元素，形成致密，稳定的合金氧化膜
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。
条件：高温〉570度
从左到右：
A.纯铁
B.12.23%Cr
C.25%Cr
不同Cr含量在相同温度下对不锈钢表面氧化的影响。
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