310S不銹鋼高溫氧化性質
310S不銹鋼高溫氧化性質
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。
一、310S不銹鋼高溫氧化性質氧化膜;
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。
膜內部電子環境考慮:
陽離子空位:P型半導體如FeO,Fe3O4膜
陰離子空位:N型半導體如Fe2O3膜
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。
實際工件表面的氧化層,還有以下性質:
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;
例:V(FeO):V(Fe)=1.77;V(Fe3O4):V(Fe)=2.09
V(Fe2O3):V(Fe)=2.14
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。
②生成的氧化物結晶結構和致密性;
③和基體金屬的結合。
二、310S不銹鋼高溫氧化性質氧化速度;
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:
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;
2)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;
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)
三、310S不銹鋼高溫氧化性質提高鋼氧化性能的途徑。
①.加入合金元素降低氧化膜中的擴散;
②加入合金元素,提高氧化膜的穩定性;
③.加入合金元素,形成致密,穩定的合金氧化膜。
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)
四、310S不銹鋼高溫氧化性質在高溫下不同環境下的腐蝕考慮(STS)
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。
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。
在N型半導體(陰離子空位)加入較高價的合金元素離子;
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。
②加入合金元素,提高氧化膜的穩定性
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。
STS上的解釋:在Cr、Ti、Al含量高時,FeO相區會消失。
③加入合金元素,形成致密,穩定的合金氧化膜
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。
條件:高溫>570度
從左到右:
A.純鐵
B.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。
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