309S不銹鋼

您的當前位置:網站首頁 > 309S不銹鋼 > 309S不銹鋼高溫抗氧化性能研究分析

309S不銹鋼高溫抗氧化性能研究分析

來源:至德鋼業 日期:2020-04-04 17:20:23 人氣:178

  浙江至德鋼業有限公司采用不連續稱重法測得了309S不銹鋼在不同溫度下的高溫氧化動力學曲線,結果表明309S不銹鋼高溫氧化動力學曲線遵循拋物線規律。利用掃描電鏡、X射線衍射和XPS的方法對氧化膜表面的形貌及化學元素沿氧化膜縱深方向的分布情況進行了研究,發現各溫度下的氧化膜均均勻覆蓋于基體表面。500℃下氧化膜氧化產物表層主要為Cr2O3和Fe2O3,內層主要為Cr2O3和NiO,1000℃下氧化膜表層主要成分為Cr2O3、NiO、Fe3O4或Fe2O3,氧化膜內層基本不含NiO,主要為Cr2O3、Fe3O4或Fe2O3。


   309S(0Cr23Ni13)奧氏體不銹鋼屬于奧氏體耐熱不銹鋼鋼中的高端產品,由于其耐蝕、耐熱性能優良,常用于核燃料工業中鈾水冶廠堿浸出工藝的浸出槽及管線、鈾精制工藝裝備中的蒸發罐和管道、鈾精制工藝裝備中UO3還原(1000℃)工藝的反應器和攪拌器。目前國內309S不銹鋼管使用量大約在萬噸左右,但由于該鋼種管材生產難度大,對此鋼的研究和生產經驗少、分析檢測也缺乏成熟的經驗,因此國內生產量仍無法滿足市場需求,絕大部分熱軋板及全部冷軋板從國外進口,并且價格昂貴。同時309S不銹鋼在使用過程中最常見的失效破壞形式為高溫下氧化。因而展開對309S不銹鋼高溫抗氧化性能的研究,為實際生產及后續使用提供參考性意見具有十分重要的意義。


一、實驗材料及方法


1. 試樣的制備


    實驗材料選用某鋼廠生產的309S不銹鋼連鑄坯,其主要化學成分(質量分數,%)如表所示。經線切割得到30mm×10mm×4mm的方形試樣,試樣各表面經120號到1500號的SiC砂紙逐級水磨,而后用金剛石研磨膏拋光,以使試樣的各個表面盡量光潔,先后用水、酒精、丙酮、酒精清洗,再放于濾紙上,用吹風機吹干。


2. 實驗過程


   實驗采用不連續稱重法,首先用千分尺測量各試樣的尺寸,而后將其放入燒至恒重的坩堝內,再用精度為0.1mg的精密電子天平稱量各坩堝連同試樣的總重量。每個溫度(500℃、700℃、900℃和1000℃)下的恒溫氧化實驗采用5個試樣,每個試樣對應一個數據點。將試樣置于電阻爐內保溫,每隔20小時后取出一個,冷卻至室溫后稱重, 直至100小時。各溫度下的循環氧化實驗分別采用1個試樣,20小時為一個循環,共循環5次。


二、實驗結果及分析


1. 氧化動力學


  圖分別為實驗獲得的恒溫氧化動力學曲線及循環氧化動力學曲線,由圖可知,在500℃和700℃下,相同的氧化時間內,氧化增重隨溫度的升高而增加,增重量較小且平穩,氧化速度緩慢,試樣的抗高溫氧化性能較好。在900℃和1000℃下的初期,增重十分明顯,氧化速度也較快;而在氧化的后期,增重趨于平穩,整個曲線遵循拋物線氧化規律。這是由于在氧化初期,氧氣直接與試樣表面接觸,氧化速度受化學反應控制,所以氧化速度較快;而在氧化后期,由于表面氧化膜的形成,金屬與氧化介質不能直接接觸,氧化過程由元素在氧化膜中的擴散來控制,所以氧化速度有所減慢。圖所示的循環氧化動力學曲線和恒溫氧化動力學曲線很相似,這說明氧化過程中未出現氧化膜開裂和剝落的現象。因此該鋼種在實際的冷熱交替循環中,仍舊表現出了良好的抗氧化性能。


2. 氧化膜表面形貌


圖為通過SEM觀察到的各溫度下100小時后的恒溫氧化氧化膜形貌,通過掃描電鏡觀察,發現500℃氧化試樣表面的氧化膜覆蓋均勻,隨著氧化時間的增長,表面氧化膜的顏色由金黃色向藍色過渡。700℃氧化膜表面呈深藍色,且均勻覆蓋于試樣表面。900℃,1000℃試樣的表面呈黑色和黑灰色,并有少量的粉末狀的氧化脫落。1000℃時局部氧化膜表面比較粗糙,隨著氧化時間的增長,粗糙程度有所增大,氧化膜表面顏色也逐漸加深。同時發現,隨著氧化溫度的升高,氧化物的晶粒尺寸不斷增大。500℃下氧化物顆粒不明顯,僅可觀測到以條狀聚集的氧化產物。700℃下表面已生成均勻而且較小的氧化物顆粒。900℃和1000℃的氧化顆粒已明顯可見,并且顆粒形貌十分規則。


3. 氧化膜物相成分分析


  實驗對500℃和1000℃氧化100小時試樣的物相成分進行了詳細分析,實驗采用X射線衍射分析儀對氧化膜表面的物相進行了檢測。檢測實驗結果如圖所示。經分析可知, 500℃氧化膜表面的鐵、鉻元素含量比較多, 而鎳的含量很少,故可能存在Fe2O3、Cr2O3、NiO等氧化產物,但由于在該溫度下,氧化膜較薄,所以XRD的波峰的形成主要是由于基體成分的影響。1000℃下氧化膜的主要成分為Fe2O3、Cr2O3。


  為了準確分析氧化膜的形成的機理,了解氧化膜縱深方向的元素分布,又利用掃描電子顯微鏡對500℃與1000℃氧化100h的氧化膜的截面形貌進行了線掃描以及點成分的測定,結果如圖所示。圖中沿白色直線方向上的元素分布,即為氧化膜縱深方向的元素濃度分布。從線成分分析可知,500℃下氧化膜表層鐵元素含量相對均勻, 鉻元素含量較高,而Ni含量較少,說明發生鉻元素向表層擴散傳質、氧化膜外生長的現象,這與圖8所反應出的點成分結果是一致的。結合XRD結果知,氧化產物表層主要為Cr2O3和Fe2O3,而內層主要為Cr2O3和NiO。1000℃下氧化膜表層Cr元素含量仍較高,Ni元素含量表層比內層高,結合XRD結果以及圖的點成分分析可知,氧化膜表層主要成分為Cr2O3、NiO、Fe3O4或Fe2O3;氧化膜內層基本不含NiO,主要為Cr2O3、Fe3O4或Fe2O3。


   由于500℃下形成的氧化膜很薄,因此又采用了XPS的方法對其氧化膜表層進行了分析。設備為英國公司生產的X射線光電子能譜儀。為消除電荷效應,作為參考基準來進行荷電校正。圖給出了實驗得到的鉻的XPS譜圖,XPS系統在全程寬掃描過程中未檢測到Fe2+和Ni,說明500℃下保溫100小時所得氧化膜中的表層不含FeO和NiO。這與前述結果相吻合。


   綜合分析以上內容可知,309S不銹鋼中鉻元素在高溫時容易形成Cr2O3氧化膜,從線成分分析圖中可見,表層富含鉻元素,說明鉻元素在高溫氧化過程中發生了向表層擴散的現象,表層氧化產物為Cr2O3。鎳元素在溫度較低時擴散不明顯,但在1000℃下同樣發生向表層擴散的現象,主要氧化產物為NiO。當這些氧化膜均勻覆蓋于金屬基體表面時,就可以阻止金屬的進一步氧化,對基體具有較好的保護性,這也是309S具有良好的抗高溫氧化性能的主要原因。


三、結論


1. 309S不銹鋼高溫下氧化增重緩慢,高溫氧化動力學曲線近似服從拋物線定律,循環氧化過程中,氧化膜表面無剝落。


2. 隨氧化溫度的升高,氧化膜的顏色由金黃向黑灰色過渡,900℃和1000℃時表面有少量的粉末狀的氧化物脫落。


3. 實驗各溫度下形成的氧化膜均勻覆蓋于基體表面。500℃下氧化物顆粒不明顯,僅有以條狀聚集的氧化產物,700℃下可見均勻細小的氧化物顆粒,900℃和1000℃的氧化顆粒明顯長大,且形狀十分規則。


4. 309S不銹鋼在500℃下氧化膜氧化產物表層主要為Cr2O3和Fe2O3,而內層主要為Cr2O3和NiO。1000℃下氧化膜表層主要成分為Cr2O3、NiO、Fe3O4或Fe2O3;氧化膜內層基本不含NiO,主要為Cr2O3、Fe3O4或Fe2O3。


至德微信.jpg

本文標簽:309S不銹鋼 

發表評論:

◎歡迎參與討論,請在這里發表您的看法、交流您的觀點。

北京 天津 河北 山西 內蒙 遼寧 吉林 黑龍江 上海 江蘇 浙江 安徽 福建 江西 山東 河南 湖北 湖南 廣東 廣西 海南 重慶 四川 貴州 云南 西藏 陜西 甘肅 青海 寧夏 新疆 臺灣 香港 澳門
云南快乐十分组合