304等三种不锈钢材料的高温氧化行为研究
高温领域应用不锈钢的基本要求就是要满足高抗氧化性和耐腐蚀性,在综合考量使用性能与经济效应后,能够通过添加各种合金元素或对其做表面处理手段而获得性能优良的耐高温不锈钢。
分析用来烧制高温石墨的410S不锈钢坩埚材料腐蚀破坏机理为目的,从这种材料高温使用被破坏后的形态角度观察,使用SEM、EDS、XRD研究410S不锈钢材料在含水蒸气的高温工业煤气介质中氧化后的元素扩散、氧化膜结构、氧化产物类型等方面的内容,总结出410S不锈钢受到高温氧化破坏的影响因素。并在这个研究的基础上,选用另外两种分别属于铁素体组织和奥氏体组织的430与304不锈钢,使用循环氧化增重法来确定在900和1000℃的O2氛围中氧化时的相关动力学参数并使用显微镜记录氧化进程。从430与304不锈钢的氧化速率、腐蚀产物类型和剥落方式等角度进行比对,以下是结论。
首先410S、430和304这三种不锈钢的氧化都遵循一个过程进行的,即致密薄膜横向覆盖金属表面、氧化膜纵向增厚并变疏松、氧化膜出现裂纹、氧化膜分层、内外氧化膜及氧化膜与基体间形成孔洞、氧化膜和基体分离剥落。铁素体不锈钢的氧化破坏形式是点蚀与全面氧化,氧化膜上分布着点状氧化物;奥氏体不锈钢以全面氧化为主,氧化膜是平整均匀的。
其次这三种不锈钢在氧化过程都是先发生铬的选择性氧化,生成Cr2O3保护膜,均为合金元素向外扩散而使氧化膜向外增厚的。铁素体不锈钢氧化后表层氧化物是铁的氧化物,且奥氏体不锈钢氧化后表层氧化物是尖晶石类的混合氧化物。
第三个结论是这三种不锈钢氧化后的氧化层都出现分层,外层疏松且存在孔洞,内层则比较致密,内外层间都有缝隙,孔洞和缝隙都是氧化气氛中氧气和水蒸气等进入的通道。铁素体型不锈钢410S和430在氧化后,都在氧化膜和基体的交界处出现了不连续的气孔,但奥氏体304不锈钢没有这种现象。在氧化膜与基体交界处,在410S和304不锈钢的内氧化膜与基体间存在过渡层,这层贫铬,厚度均大概是8μm。而430的氧化膜总厚度约18μm。
后一个结论是温度对不锈钢材料的氧化过程影响很大。在水蒸气存在时,410S不锈钢靠近高温热源的位置氧化膜局部剥落并呈现疏松多孔状,而远离高温热源的一端氧化膜较平整致密无剥落现象。在高温中,水蒸气会加速不锈钢氧化的速度,起到自催化作用,能够推进尖晶石结构氧化物的形成。430不锈钢在升温后,氧化速率提高两个数量级,氧化膜表面由裂纹状变为鱼鳞状覆盖在基体表面,仍有保护作用。高于900℃,304的抗氧化性迅速降低,氧化膜出现整层脱落而失去保护作用,使基体不断重复氧化、剥落、再氧化的过程。同等温度下,430不锈钢氧化膜的粘附性要优于304不锈钢。
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