不銹鋼高溫氧化

AISI304奧氏體不銹鋼和AISI439鐵素體不銹鋼的氧化現(xiàn)在是1頁\一共有31頁\編輯于星期四摘要高溫條件下，在不同的O2壓力和是否有水蒸氣存在時，研究了AISI304和AISI439鋼的氧化。在高的氧化壓力下，超過850℃時，AISI439鋼具有更高的抗氧化性；在較低的氧氣壓力下，AISI304鋼具有較高的抗氧化性。通過將氧化反應常數(shù)的理論計算值與實際值的比較，探討不銹鋼氧化產(chǎn)生Cr2O3的生長動力學是否受氧或（和）鉻的擴散所控制。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是2頁\一共有31頁\編輯于星期四目錄1前言2實驗設計3實驗結(jié)果4分析討論5結(jié)論紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是3頁\一共有31頁\編輯于星期四1前言紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行不銹鋼表面形成的氧化鉻保護層有效降低了不銹鋼的高溫腐蝕。AISI304奧氏體不銹鋼在傳統(tǒng)方面有廣泛應用。鐵素體不銹鋼：價格更加低廉（不含鎳或含鎳量很小）膨脹系數(shù)更小現(xiàn)在是4頁\一共有31頁\編輯于星期四2

實驗設計紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是5頁\一共有31頁\編輯于星期四1前言紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行在本次研究實驗中：

奧氏體不銹鋼（AISI304）的高溫氧化行為與含Cr17%（加入Ti和Nb）鐵素體不銹鋼（AISI439）的高溫氧化行為進行對比。

在850℃~950℃范圍內(nèi)在不同的環(huán)境氣氛（純O2、空氣、空氣-H2O、Ar-H2-H2O的混合氣四種）下研究兩種鋼的抗氧化性?，F(xiàn)在是6頁\一共有31頁\編輯于星期四2

實驗設計紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行掃描電鏡（SEM）、能量色散光譜（EDX）、X射線衍射（XRD）、光電子能譜（XPS）樣品制備熱重測試樣品分析現(xiàn)在是7頁\一共有31頁\編輯于星期四3

實驗結(jié)果熱重（TG）：對于AISI439鋼，氣氛對其氧化狀況基本沒有影響；而溫度越高，氧化速率越大。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是8頁\一共有31頁\編輯于星期四3

實驗結(jié)果熱重（TG）：氣氛不同，AISI304鋼的氧化情況差別也比較大，特別是當溫度在900℃以上時更加明顯。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是9頁\一共有31頁\編輯于星期四3

實驗結(jié)果紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是10頁\一共有31頁\編輯于星期四3

實驗結(jié)果微觀結(jié)構(gòu)與組成（AISI439鋼）：850℃時，在空氣中氧化，氧化外層主要由等軸晶組成（圖3a），在空氣+H2O中氧化時還出現(xiàn)花狀結(jié)晶（sandroses，較多Cr、Mn、Ti，圖3b）。EDX分析表明：氧化層主要由Cr和O構(gòu)成，即Cr2O3，少量的Fe、Mn、Ti。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是11頁\一共有31頁\編輯于星期四3

實驗結(jié)果微觀結(jié)構(gòu)與組成（

AISI439鋼）：950℃條件下氧化后，樣品表面都出現(xiàn)了一些彎曲（圖4）；這些彎曲實際上在900℃有水蒸氣存在的氧化氣氛中就已經(jīng)出現(xiàn)。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是12頁\一共有31頁\編輯于星期四3

實驗結(jié)果微觀結(jié)構(gòu)與組成（

AISI439鋼）：a.氧化層表面平整，并出現(xiàn)了內(nèi)部氧化，內(nèi)部的氧化物顆粒由SiO2組成。b.在較高的H2O/O2比例下（Ar-H2-H2O混合氣氛）氧化時，會出現(xiàn)一些晶須。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是13頁\一共有31頁\編輯于星期四3

實驗結(jié)果微觀結(jié)構(gòu)與組成（

AISI439鋼）：氧化性氣氛中水蒸氣的存在對不銹鋼氧化層中的組成沒有太大的影響。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是14頁\一共有31頁\編輯于星期四3

實驗結(jié)果微觀結(jié)構(gòu)與組成（AISI304鋼）：a.氧化層在850℃和900℃時的生長具有相似的地方，氧化物薄膜是由規(guī)則的晶粒構(gòu)成的；b.這些晶粒沿著晶界區(qū)域會變厚。EDX分析：氧化層富含鉻和氧，并含有大量的錳（10%~15%）和一些硅。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是15頁\一共有31頁\編輯于星期四3

實驗結(jié)果微觀結(jié)構(gòu)與組成（AISI304鋼）：950℃下氧化后，在外表面觀察到兩種形式的氧化物組織：a.剝落區(qū)域是小的規(guī)則晶粒（氧化鉻晶粒）；b.未剝落區(qū)域是粗大的氧化物組織（含鐵的氧化物），尤其是在樣品的邊緣和外圍部分。大量研究表明，有小的氧化鉻晶粒的區(qū)域似乎與碎片區(qū)域是對應的，很可能是在冷卻過程中出現(xiàn)的。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是16頁\一共有31頁\編輯于星期四3

實驗結(jié)果微觀結(jié)構(gòu)與組成（AISI304鋼）：a.在較高的H2O/O2比例（Ar-H2-H2O混合氣體）氣氛氧化，晶須很多，尤其沿晶界形成的“氣泡”上，并富含Cr和Mn。b.觀察氧化物-鋼的內(nèi)界面圖像發(fā)現(xiàn)：沿著橫截面，內(nèi)界面比較卷曲，并觀察到逐漸向內(nèi)部滲透的SiO2微粒。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是17頁\一共有31頁\編輯于星期四3

實驗結(jié)果結(jié)構(gòu)特性（XRD）：AISI304鋼：在950℃氧化時，樣品的氧化層主要是鐵的氧化物（Fe2O3）；而在其它條件下，氧化物中主要包含的是Cr2O3。AISI439鋼：出現(xiàn)許多小峰，由于鋼中的許多元素都不同程度被氧化，主要是Cr，還有Fe、Si、Mn、Ti。因此，混合的氧化物和Cr-Fe氧化物的固溶體是同時存在的（Mn1.5Cr1.5O4和MnTiO3）。氧化氣氛中是否有水蒸氣的存在沒有造成樣品中各元素含量的明顯變化。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是18頁\一共有31頁\編輯于星期四3

實驗結(jié)果X射線光電子能譜（XPS）：當X光束垂直入射于樣品表面時，分析的厚度為0.5~10nm。當傾斜試樣減小角度時，分析深度更小。因此，所獲得的信息來自于氧化膜的最外層。在幾乎所有的情況下，必須考慮到鉻的兩種形式，以重建實驗的鉻峰。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是19頁\一共有31頁\編輯于星期四3

實驗結(jié)果X射線光電子能譜（XPS）：在AISI439鋼中的鉻峰比304鋼中更強，這是由于AISI304鋼中鐵的氧化物的存在。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是20頁\一共有31頁\編輯于星期四3

實驗結(jié)果X射線光電子能譜（XPS）：錳的三種存在形式：第一強峰對應于Mn2+（即MnO化合物）；第二強峰對應于固定在混合氧化物（Mn1.5Cr1.5O4和/或MnTiO3）中的Mn；最后一個峰對應于附屬物。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是21頁\一共有31頁\編輯于星期四3

實驗結(jié)果X射線光電子能譜（XPS）：在304鋼被氧化的表面沒有檢測到Ti，卻大量存在于439鋼的外表面（圖d）。

與之前的結(jié)果一致，950?C氧化時，鐵存在于304鋼外表面，并隨水蒸氣的增加其含量也增加（圖e）。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是22頁\一共有31頁\編輯于星期四3

實驗結(jié)果X射線光電子能譜（XPS）：439不銹鋼在空氣中950℃氧化，使光束與樣品呈40°進行分析，Ti-Mn氧化物（MnTiO3）是位于氧化層的外表面，而氧化鉻和Mn-Cr氧化物在Ti-Mn氧化物的下面。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是23頁\一共有31頁\編輯于星期四4

分析討論紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是24頁\一共有31頁\編輯于星期四4

分析討論氣氛對材料氧化機制和耐高溫性能的影響：AISI439鋼而言，無論氧化氣氛如何，活化能在230到250kJ/mol-1之間，所有這些結(jié)果都支持保護性氧化鉻膜的形成，并且其生長動力學與氧壓和水蒸氣的形成無關(guān)。對于850℃的AISI304鋼，在一定的氧壓和水蒸氣存在下，隨著溫度的升高氧化會變快（圖1c）。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是25頁\一共有31頁\編輯于星期四4

分析討論氣氛對材料氧化機制和耐高溫性能的影響：不銹鋼在水蒸氣中的氧化機制有不同的解釋，大多數(shù)認為：在這種氣氛下，當溫度超過850℃時，AISI304鋼的氧化行為與氧化鉻保護膜完整性的缺失有關(guān)，而氧化鉻保護膜完整性的缺失與揮發(fā)或開裂有關(guān)。但在本實驗中，也不能認為水蒸氣與氧化膜的缺失有關(guān)，因為在純氧氣氣氛和水蒸氣-空氣的氣氛下有著相似的氧化速率。大量水蒸氣的存在促進了晶須的形成。并且水蒸氣存在時，似乎Si的氧化變得容易。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是26頁\一共有31頁\編輯于星期四4

分析討論紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是27頁\一共有31頁\編輯于星期四4

分析討論氣氛對材料氧化機制和耐高溫性能的影響zc和za分別為陰離子和陽離子的化合價，Dcat和DO表示的是由Deff=(1?f)Db+fDgb

給定的擴散系數(shù)，這里的Db與體擴散相關(guān)，Dgb與晶界擴散相關(guān)，f是在晶界擴散中原子擴散所占的比例。

由得到kP。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是28頁\一共有31頁\編輯于星期四5

結(jié)論AISI439鋼在1atm下，在850℃~950℃，不同的氧化氣氛中表現(xiàn)出了良好的抗氧化性；AISI439鋼的氧化動力學遵循拋物線規(guī)律，氧化膜生長受擴散速度的控制；氧化物主要由Cr2O3組成；并且在較低的溫度下，有水蒸氣存在時觀察到晶須，鋼-氧化物的內(nèi)界面非常平直，硅結(jié)節(jié)和內(nèi)部硅的氧化反應是非常顯著的。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行現(xiàn)在是29頁\一共有31頁\編輯于星期四5

結(jié)論AISI304鋼中，拋物線動力學是在較低的氧氣壓力（Ar-H2O-H2）下在850~950℃范圍內(nèi)，結(jié)合Cr2O3的生長來研究的。在較高