不銹鋼高溫氧化性質(zhì)

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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；
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，生成FeO層，所以高溫環(huán)境，表面氧化膜為三層結(jié)構(gòu)。從高溫冷卻回的過程：FeO要分解，氧化皮層中有相變。
. l  q; Z" I* X& T. h膜內(nèi)部電子環(huán)境考慮：
* K! F9 ?" l9 C1 t0 v9 Z       陽離子空位：P型半導(dǎo)體  如FeO ，F(xiàn)e3O4膜
& E5 x4 o. N0 n" T       陰離子空位：N型半導(dǎo)體  如Fe2O3膜  
4 k3 L( f6 F, i  ?: ?4 m% X
過程解釋：氧化過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，同時也是電子傳導(dǎo)過程。這個氧化腐蝕的過程，本質(zhì)上也是一個電化學(xué)腐蝕過程。這也是不銹鋼和耐熱鋼在理論上的共同基礎(chǔ)。
實際工件表面的氧化層，還有以下性質(zhì)：
% e# |+ G3 k; T+ H ①通過對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；
0 x6 w4 f2 ]( F   例：V(FeO)：V(Fe)=1.77；V(Fe3O4)：V(Fe)= 2.09
3 N( j& y! Z; w1 o) x" I3 H           V(Fe2O3)：V(Fe)=2.14
0 ?' \, ^: B- b          判定：大于1說明可以覆蓋表面，考慮體積，比值，層與層的應(yīng)力，可以推斷出容易起皮。
# b+ e% v+ p5 l1 H/ G②生成的氧化物結(jié)晶結(jié)構(gòu)和致密性；
0 g- Q$ h1 e1 K0 D③和基體金屬的結(jié)合。
; R! W6 A6 [! ~) S# o 二、氧化速度；
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，隨著時間的延長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：
* M/ n- S+ q1 i5 K4 @% g1）氧化膜不完整、不連續(xù)時，像氧化物比體積小的鎂、鉀、鈣等，他們的氧化膜增厚和時間的關(guān)系是樣：y=Kt+A；
2）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；
. z8 W* q7 T: u/ D& N3）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。
4 X& E7 a' U8 V+ z7 v& G①.加入合金元素降低氧化膜中的擴(kuò)散；
②加入合金元素，提高氧化膜的穩(wěn)定性；
③.加入合金元素，形成致密，穩(wěn)定的合金氧化膜。
3 [; M4 h( V6 J) z& q高溫下工作的鋼件（包含STS），由于氧化有自發(fā)的趨勢，氧化是一定要發(fā)生的。但是如前所述，氧化的速度，繼續(xù)氧化問題是可以改變和控制的，通過加入合金元素，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）
四、在高溫下不同環(huán)境下的腐蝕考慮（STS）
& }& a6 a& u  ?! x) m① 加入合金元素后，基體金屬（A）、合金元素（B）在氧化時可能出現(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。
& D6 T2 O' y+ ^" m' V; q* g     在P型半導(dǎo)體（金屬離子空位）加入低價合金元素離子；如NiO的氧化膜中溶進(jìn)一些一價Li離子，所以Ni++通過空位的傳導(dǎo)性減弱。
     在N型半導(dǎo)體（陰離子空位）加入較高價的合金元素離子；
! }. [8 m& g: n這樣會導(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。
② 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。  
& n% o& `' d* W3 b* q合金元素對FeO共析溫度的影響

1 \$ \4 J1 i$ K6 O7 g) \* xSTS上的解釋：在Cr、Ti、Al含量高時，F(xiàn)eO相區(qū)會消失。
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，則在氧化的過程中，由于鐵離子的消耗，而鉻、鋁、硅等氧化物的穩(wěn)定，會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，鐵，氧通過膜的擴(kuò)散嚴(yán)重受阻，氧化性顯著提高。

9 {+ G; R8 s( V5 \/ p. N條件：高溫〉570度
從左到右：
A.純鐵
+ o: g& ?1 _) C$ U9 Y+ Y% g8 Y" DB.12.23%Cr
C.25%Cr  

不同Cr含量在相同溫度下對不銹鋼表面氧化的影響。