310S不锈钢管抗高温氧化性能的研究

310S不锈钢管因其良好的抗氧化性、耐腐蚀性、抗蠕变性及优良的加工性能常被用作于高温、高压、腐蚀等介质中的零部件，例如高温用环形退火炉内罩。然而同等工况下，国外产310S不锈钢管的抗氧化、耐腐蚀性及服役周期大多优于国产310S不锈钢管，因此本文以国内、国外不同厂家产310S不锈钢管为研究对象（国产为1#、国外产为2#），对不同厂家产310S不锈钢管的抗高温氧化性能进行对比性研究。国产、国外产310不锈钢管热轧板的化学成分相近，晶粒尺寸分别为63.5μm和31.8μm。

本课题利用增重法测试310S不锈钢管的氧化动力学曲线，利用OM、XRD、SEM、SEM-EDS表征了不同厂家产310S不锈钢管的化学成分、显微组织、表面氧化膜的物相组成、氧化物形貌、氧化膜截面形貌及元素分布，研究了不同厂家产310S不锈钢管氧化动力学曲线的演变规律及其影响因素。研究了不同厂家产310S不锈钢管氧化膜的形成机理及合金成分、组织对其作用机制。

（1）800℃～1100℃的氧化温度下，不同厂家产310S不锈钢管的氧化动力学曲线符合抛物线规律，说明合金氧化过程是由元素扩散控制的。在800℃、900℃、1100℃的氧化温度下，2#钢的氧化速率小于1#钢；当氧化温度为1000℃时，1#钢和2#钢的氧化速率接近，但1#钢的氧化速率略小于2#钢。综合来看，2#钢的抗氧化性能更好。

（2）同一氧化温度下，1#钢和2#钢表面生成的氧化膜物相组成相同，1#钢的氧化物中Fe氧化物的含量较多，2#钢的氧化物中保护性较好的Cr氧化物的含量更高。当氧化温度为800℃时，1#钢和2#钢试样表面的氧化膜呈片状结构，其中2#钢片状氧化物的尺寸较小，排列更加紧密。当氧化温度为900℃及以上时，试样表面生成尖晶石结构氧化物，并随氧化温度的升高，氧化膜发生剥落，氧化膜结构遭到破坏，其中1#钢氧化膜的剥落较严重，2#钢的氧化膜剥落区域相对较小，剥落后的内层膜中存在孔洞或裂纹等缺陷。

（3）在800℃的氧化温度下，1#钢和2#钢试样生成了薄的单层Cr2O3膜。当氧化温度为900℃～1100℃时，氧化膜厚度急剧增加，并出现分层现象，内层是Cr2O3膜，外层是Fe3O4和尖晶石氧化物（FeCr2O4、MnCr2O4、Mn3O4）形成的固溶体。1#钢的膜和基体界面没有生成连续分布的SiO2层，合金发生内氧化，氧化膜延基体界面向内非均匀生长，氧化膜界面的粗糙度较大、结合程度较弱。2#钢的氧化膜和基体界面处生成了连续的SiO2层，氧化膜厚度均匀、粘附性较好。

本文以国内外不同厂家产310S不锈钢管为研究对象（国产为1#、国外产为2#）。在800℃～1100℃下利用增重法测试310S不锈钢管的氧化动力学曲线，并利用XRD、SEM、SEM-EDS、OM等检测手段，表征了不同厂家产310S不锈钢管的化学成分、显微组织、表面氧化膜的物相组成、氧化物形貌、氧化膜截面形貌及元素分布。研究了不同厂家产310S不锈钢管氧化膜的形成机理及合金成分、组织对其作用机制。并得出以下结论：

（1）800℃～1100℃的氧化温度下，1#钢和2#钢的氧化动力学曲线都遵循抛物线规律，根据瓦格纳理论，说明合金的氧化增重是由元素扩散控制的。在800℃、900℃、1100℃的氧化温度下，2#钢的氧化速率小于1#钢；当氧化温度为1000℃时，1#钢和2#钢的氧化速率接近，但1#钢的氧化速率略小于2#钢。综合来看，2#钢的抗氧化性能更好。

（2）当氧化温度为800℃和900℃时，1#钢和2#钢的抗氧化性能评级为完全抗氧化性，当氧化温度为1000℃和1100℃时，1#钢和2#钢的抗氧化性能评级为抗氧化性。

（3）在同一氧化温度下，1#钢和2#钢生成的氧化物种类相同，当氧化温度为800℃时，合金试样表面生成了薄的单层Cr2O3膜。当氧化温度为900℃～1100℃时，氧化膜厚度急剧增加，并出现分层现象。氧化膜内层是Cr2O3，外层是Fe3O4和尖晶石氧化物（FeCr2O4、MnCr2O4、Mn3O4）形成的固溶体。其中，1#钢的氧化膜中的Fe氧化物的含量较多，2#钢的氧化膜中Cr氧化物的含量更高。

（4）在800℃和900℃的氧化温度下，1#钢和2#钢试样的氧化膜结构完整，较小区域的氧化膜剥落。当氧化温度为1000℃及以上时，1#钢和2#钢试样的氧化膜剥落区域较大，其中1#钢氧化膜的剥落严重，剥落后的内层膜中存在孔洞或裂纹等缺陷，2#钢的氧化膜只发生了部分区域的剥落，氧化膜结构相对完整。

（5）氧化温度为900℃～1100℃时，1#钢的氧化膜和基体界面没有生成连续分布的SiO2层，合金基体发生内氧化，氧化膜沿基体界面非均匀生长，膜和基体界面的粗糙度较大、结合程度较弱。2#钢的氧化膜和基体界面处生成了连续的SiO2层，氧化膜厚度均匀、粘附性较好。