310S不锈钢

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310S不锈钢氧化膜的表面组成及形貌和氧化动力学曲线分析

来源:至德钢业 日期:2019-11-01 06:35:17 人气:1193

  310S不锈钢在700、800、900、1000℃下氧化3小时的增重曲线,可看出,310S不锈钢在1000℃下的恒温氧化动力学曲线基本符合抛物线规律。在同一温度下,氧化增重随着氧化时间的延长而不断增加;在氧化时间相同的情况下,氧化增重随着氧化温度的升高而不断增加。在氧化开始2小时内,氧化速率较高,这是因为在氧化膜形成初期,氧气直接与试样表面接触,氧化速率受化学反应控制。随着氧化时间的增加,氧化速率逐渐降低并趋于平稳,这是由于试样表面形成的一层氧化膜阻止了试样的继续氧化。3小时时不同温度下氧化增重分别为0.14、0.34、0.65、1.23mg/cm2,这是因为在氧化膜生长过程中,影响其氧化速率的是不锈钢的元素通过氧化膜会固态扩散。根据平均氧化速率的评级标准,在700、800、900℃下,310S不锈钢为“完全抗氧化级”;在1000℃下,310S不锈钢为“抗氧化级”。310S不锈钢的氧化行为符合抛物线氧化模型。利用软件对各温度下的氧化增重数据进行图形拟合,经拟合得到形成的氧化动力学曲线方程,是与氧化温度有关的参数,该曲线为类抛物线曲线。拟合结果如图所示,拟合相关系数分别为:0.9425、0.9002、0.9575和0.9523,在各个氧化温度下,各个氧化数据点的拟合结果显示,拟合相关系数在0.9~1,拟合效果良好。



  310S不锈钢试样在不同的温度下氧化3小时后的表面形貌如图所示。可看出,在700℃时,目测试样表面呈金黄色和蓝黑色,试样发生了轻微的氧化,氧化物颗粒大小不一,氧化不均匀,并且氧化物颗粒只是弥散的分布在基体氧化表面。800℃时,目测试样的氧化表面是黑色的氧化膜,氧化膜较疏松,但是氧化物颗粒均匀,氧化膜完整紧密的覆盖在基体表面。900℃时,目测试样的表面是黑色的氧化膜,试样表面出现较致密的少量的颗粒状氧化物,部分氧化物颗粒较大。1000℃时,目测试样的表面呈深灰色,氧化物颗粒密密麻麻并且均匀的分布在试样表面,且氧化物颗粒均匀增大,以颗粒为主,有少量的孔。这可能是由于在冷却过程中,由于温度骤然下降使得氧化膜变形所引起的。总之,随着氧化温度的升高,氧化层不断加厚、氧化物尺寸逐渐增大,并最终在1000℃时形成四面体晶粒。图为700℃下恒温氧化3小时后310S不锈钢试样的横截面形貌。可看出,在700℃时,310S不锈钢氧化层厚度约为10μm,氧化层可分为内外两个。用能谱仪分析试样表面的金属元素的平均含量,可知内氧化层为Cr、Fe和Ni的氧化物;外氧化层为Fe、Cr元素但Fe元素含量增加而Cr元素含量减少。在800、900、1000℃时,氧化膜厚度变化基本不大,大约为10μm;Fe、Cr元素变化趋势同700℃下相近,并且外氧化层在1000℃时出现了Mn元素和Ni元素。这是由于高温氧化条件下,试样中的Cr元素沿晶界向外传输能力强,并且与氧的结合能力强;Fe元素虽然扩散速率较大,但与氧的结合力却不如Cr元素。这与文献[15]阐述的观点一致。Cr氧化物很好的致密性能有效阻止进一步氧化,使310S不锈钢具有很好的高温抗氧化性能。1000℃时氧化层外层开始出现Mn、Ni元素,且随着氧化时间的推移有增大的趋势,这是由于在长期超高温作用下,310S不锈钢内部的Mn、Ni元素在氧化层中发生扩散。


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