不銹鋼高溫氧化性質 ; S, i3 a; S8 f; B, E) n- Y/ {
2008-9-11 15:38 1 g o" K/ b* X* h9 M
高溫下，不銹鋼的氧化性能受到很大的影響，其氧化層有結構性的變化。 8 C5 T( r0 F& q. z* A: S
一、氧化膜； . |) Y ^* w @# ~) {3 z) m* R# s
不銹鋼在室溫情況下，表面只生成Fe3O4，Fe2O3相二層結構，當溫度〉570度時，生成FeO層，所以高溫環境，表面氧化膜為三層結構。從高溫冷卻回的過程：FeO要分解，氧化皮層中有相變。
$ G! X; o( V, ^2 g膜內部電子環境考慮： 9 D3 G. `$ g: B! i. C/ ]9 `
陽離子空位：P型半導體 如FeO ，Fe3O4膜 / @# [( N1 I' q) p" U) M* M
陰離子空位：N型半導體 如Fe2O3膜
3 h G# a) R4 d7 A2 l, X
0 @" D! ?1 d$ J; D! R% ]/ B7 F# @2 a- L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）在氧化層中的擴散，同時也是電子傳導過程。這個氧化腐蝕的過程，本質上也是一個電化學腐蝕過程。這也是不銹鋼和耐熱鋼在理論上的共同基礎。
" C& X; A# y$ H) X4 l) P' M- S; V實際工件表面的氧化層，還有以下性質： ! i5 I' {, {# z6 T: b2 L8 F
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；
1 D/ z# T4 [( S* j 例：V(FeO)：V(Fe)=1.77；V(Fe3O4)：V(Fe)= 2.09
1 ?2 D: |% X+ n+ r5 [8 J1 ` V(Fe2O3)：V(Fe)=2.14 6 ]- Y" G/ t4 }6 Q+ M
判定：大于1說明可以覆蓋表面，考慮體積，比值，層與層的應力，可以推斷出容易起皮。 5 \& \9 O% l1 j0 n8 M3 }
②生成的氧化物結晶結構和致密性；
' q8 X9 c) R3 ], _+ |+ Y③和基體金屬的結合。 ! G4 d8 i$ ?" e) ~# U _
二、氧化速度； * M" T9 Q! S4 n4 I0 \8 i
氧化速度主要取決于化學反應的速度和擴散的速度，溫度的升高，化學反應的速度和擴散速度將增加，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： 3 Q- V- @7 F9 y% S! W6 x" `: O) j v
1）氧化膜不完整、不連續時，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系是樣：y=Kt+A；
5 g' E! f3 E# U* e$ J. e2）氧化膜是覆蓋在金屬表面的，膜層中可以進行離子擴散。像鐵、錳、鈷、鎳、銅等的氧化膜。膜層增厚的關系：y*y=kt+A；
' d. Q. \) B% t" _3）膜不僅覆蓋金屬表面，而且膜層中離子擴散困難。像鉻、鋁、硅等的氧化膜。膜層增厚為：y=lnKt（STS表面膜的狀態的解釋） + M3 u" k4 E' k, e* M+ {
三、提高鋼氧化性能的途徑。
9 }5 Q% E/ t& O' O5 C①.加入合金元素降低氧化膜中的擴散；
4 j1 [0 g; T. Q8 g②加入合金元素，提高氧化膜的穩定性； ) G+ L1 Y( r* V$ S8 d
③.加入合金元素，形成致密，穩定的合金氧化膜。
% N& R( n6 J: N+ r% m8 D高溫下工作的鋼件（包含STS），由于氧化有自發的趨勢，氧化是一定要發生的。但是如前所述，氧化的速度，繼續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性，降低氧化膜中的擴散，提高氧化膜的穩定性；形成致密穩定的合金元素氧化膜，提高膜的保護性，從而提高鋼（STS鋼）的抗氧化性。（空氣中的考慮）
1 T9 {( @( l' @) j7 N四、在高溫下不同環境下的腐蝕考慮（STS） 9 q/ h; _/ Y! `5 G# _
① 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。
; z3 t: r" J7 S" W% f! h: @ 在P型半導體（金屬離子空位）加入低價合金元素離子；如NiO的氧化膜中溶進一些一價Li離子，所以Ni++通過空位的傳導性減弱。
8 h' V. c& k6 ^% d7 h( e; c 在N型半導體（陰離子空位）加入較高價的合金元素離子；
. Y6 M* G4 a5 S# k# h# m0 Y這樣會導致陰離子空位的降低，使氧離子傳導削弱，鋼的抗氧化性也將提高。 + m3 T+ k8 D" A5 d
② 加入合金元素，提高氧化膜的穩定性 , R) E. u# @$ c6 Q6 w' V
合金元素氧化物按點陣結構、離子半徑、電負性的條件的不同，穩定性不同。Cr、Al、Si的氧化物點陣結構接近Fe3O4，它們的離子半徑比鐵小，易穩定密度大的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的穩定劑，擴大FeO的相區，降低FeO形成溫度。
% Q, c0 i" c" M) Y; b) N% O合金元素對FeO共析溫度的影響
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STS上的解釋：在Cr、Ti、Al含量高時，FeO相區會消失。
& y+ k8 N. ^ U: L( g$ J4 ? ③加入合金元素，形成致密，穩定的合金氧化膜 2 t0 d* p, A6 o: {: u* B; K& f% q. d7 H
當鋼中加入合金元素Cr、Ti、Al、Si時，則在氧化的過程中，由于鐵離子的消耗，而鉻、鋁、硅等氧化物的穩定，會使氧化物的底層逐漸富集為穩定的氧化物的膜層，形成以Cr2O3，Al2O3、SiO2為主的氧化膜，這類氧化膜形成時，鐵，氧通過膜的擴散嚴重受阻，氧化性顯著提高。 " T# e! x0 ?: \ m: R1 [/ W
! s+ @2 b7 p$ \0 D; J% L條件：高溫〉570度
* V: P. `& u) A1 z) f, H從左到右：
3 w. q/ a" I, Z, GA.純鐵 ; n+ ?$ a# @" l' E q
B.12.23%Cr
! R, e3 U# m4 j8 LC.25%Cr ! b0 ]) v. R0 i
/ J( L" t9 R( [* E: `
不同Cr含量在相同溫度下對不銹鋼表面氧化的影響。 |
發表于 2009-4-16 15:54:23
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