不锈钢高温氧化性质
6 j1 n8 c: I9 P) F$ e2008-9-11 15:38
$ r0 Z! }( t" {6 X( j& m. x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。
' }' h% c+ W4 u0 D一、氧化膜； 0 w! c$ t7 T0 c" ]5 L6 L# w" \! q
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。 # }( B0 T1 a$ T: _5 N
膜内部电子环境考虑： / i+ j, ?. w& r* w/ I% X) m
阳离子空位：P型半导体 如FeO ，Fe3O4膜 ! R' h. x; F3 r6 N( U. W" \
阴离子空位：N型半导体 如Fe2O3膜 8 V2 @3 O: U C+ m
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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。 2 ]5 v, [) s2 }8 Q
实际工件表面的氧化层，还有以下性质： ; Y* M" Y; K( ~! v3 h3 R# z
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；
. ~8 H$ t! m; ]' t$ ] 例：V(FeO)：V(Fe)=1.77；V(Fe3O4)：V(Fe)= 2.09
+ n0 C2 B R& o& O$ N2 w3 C/ | V(Fe2O3)：V(Fe)=2.14 + G3 c: b- b0 {- X% S
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。 ' ?/ T5 Y* S* j9 g
②生成的氧化物结晶结构和致密性；
, V9 e, z" c4 U; v$ I' ?, M③和基体金属的结合。
, d) n* A% }" y 二、氧化速度；
& A: } A. G" S# t5 P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： % {; W4 o% t$ J! g' ]1 T8 m
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； & R5 Q5 s o: l! S' r2 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；
* G( d7 s7 ^, ~3 |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） 4 S# c* S3 n4 T$ t
三、提高钢氧化性能的途径。
{2 K, ^8 Z7 p- S$ \. i①.加入合金元素降低氧化膜中的扩散； " B) F" A8 y" v
②加入合金元素，提高氧化膜的稳定性；
9 a% a/ ?1 ?/ Z+ t8 }0 q③.加入合金元素，形成致密，稳定的合金氧化膜。
% t" L) R: H" z b. k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） / k+ }3 H) L4 O
四、在高温下不同环境下的腐蚀考虑（STS） - Q& d S6 F4 L4 N) J
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。
: d: l& K1 |5 m5 @! H( M1 K; g u 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。 4 H: [6 a, J5 l
在N型半导体（阴离子空位）加入较高价的合金元素离子；
9 k/ V- @( S* |) \" \" }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。
d; V6 t5 M' }/ b② 加入合金元素，提高氧化膜的稳定性 : y" D$ I9 M$ u* Y& ^$ | V5 h# b
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。 0 d6 k/ i/ X3 ?& J0 ?2 N) V( |
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。
4 a* D( W' V" Q0 Z ③加入合金元素，形成致密，稳定的合金氧化膜
6 P$ g- k$ z* }# a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。 2 @3 v: A8 {0 X! W
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条件：高温〉570度 " ^/ ?$ g: Y' R' i; H$ Y- A
从左到右： " i! J: c; K& S9 q4 g
A.纯铁 7 q6 K) ?; S/ }0 S# V6 ~" ~
B.12.23%Cr * {1 |$ m H& D, v% I
C.25%Cr $ k. U; w! G4 a: r
' l, A, M" h( z" Y0 I8 E! {
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
