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碳含量对Cr25Ni20型不锈钢耐高温氧化腐蚀的影响

SUS310S(Cr25Ni20)属于奥氏体型耐热不锈钢中的高端产品，因其优良的耐蚀性和较好的高温性能而被广泛用于石油化工、电力、蒸汽锅炉等高温设备。

耐高温310S不锈钢

对奥氏体耐热钢来说，抗高温氧化腐蚀是决定材料寿命的主要因素。一般随着温度的升高，材料的高温氧化腐蚀严重，如果钢的表面形成了FeO，钢的氧化速度会剧增且易剥落；而铬和镍可形成致密的氧化物，并与基体结合紧密，不会从材料表层脱落。奥氏体耐热钢中的碳在高温下与钢中的铬结合形成铬的碳化物，容易发生腐蚀。因此，应严格控制奥氏体耐热钢的碳含量。

本文选用了两种不同碳含量的Cr25Ni20钢进行高温氧化试验，通过对不同条件下钢的氧化膜与金属基体间黏附力的分析，研究了碳含量对Cr25Ni20钢抗高温性能的影响，为实际生产Cr25Ni20钢提供理论依据。

1、试验材料及过程

1.1试验材料
将工业纯铁、电解锰、电解镍、铬片、碳棒、硅片按一定比例配比，在真空感应熔炼炉中熔炼出Cr25Ni20铸坯(表1)，两炉铸坏只有碳含量相差较大，其他成分基本相同。将铸坯加热到1150℃，保温1h后进行锻造，锻造结束后进行空冷。

1.2 试验过程
从锻造后的钢环上线切割出15mm×10mm×3mm矩形试样进行高温氧化试验。氧化试验分别在800和1100℃两个温度下进行，每个温度下氧化时间为96h。
对800和1100℃循环氧化96h的试样，采用XRD衍射技术分析氧化膜的相组成成分；采用显微力学测试仪和光学显微镜用划痕法测量氧化膜与金属基体的黏附力。

2、试验结果及分析

2.1循环氧化增重曲线
图1所示为1号试样和2号试样在800和1100℃下空气介质中循环氧化96h后所得循环氧化增重曲线。

在800℃下，两种碳含量的钢均表现出良好的抗高温氧化能力，即氧化初期，氧化膜在试样表面快速形成，使得试样质量增加；在36h后，氧化曲线趋于稳定，即无氧化物的进一步生成，试样表面氧化膜在冷热循环过程中保持着完整性，阻止试样的进一步氧化，碳含量高的2号试样的氧化增重略高于碳含量低的1号试样。
1100℃时，相比于800℃，氧化增重曲线明显升高，氧化初期试样表面的氧化物大量生成，氧化增重曲线陡增；随着氧化时间的延长，试样的氧化增重缓慢增加，说明在循环氧化过程中，试样受外界温度冷-热循环的不断变化而逐渐腐蚀增重。而2号试样的氧化增重明显高于1号试样，说明随着碳含量的增加，钢的抗高温循环氧化能力降低，氧化膜完整性遭到更大破坏，氧化膜的剥落量增加，裸露的钢再次氧化，钢的耐腐蚀性能较1号样明显降低。
2.2氧化膜与金属基体间黏附力分析
耐热钢在高温条件下表现出良好的抗高温氧化性能是由于具有保护性质的氧化膜覆盖在钢种表面，阻止了氧化反应的进行。在高温氧化过程中，氧化膜和金属基体在高温作用下发生体积膨胀，由于两者的热膨胀系数不同，导致氧化膜与金属基体间热应力的产生，随着氧化温度的升高，热应力值也不断增加，当应力值大于氧化膜的强度时，氧化膜出现裂痕甚至局部剥落，氧化膜的完整性遭到破坏，裸露处新的金属基体继续受到氧化腐蚀，这样即使有保护性氧化膜的产生依然无法阻止金属的氧化腐蚀。因此，保护性氧化膜与基体结合力的强弱是判定耐热钢是否具有良好抗氧化性能的一个重要标准。
采用划痕法测试黏附力时载荷是由左向右线性施加的，随着加载载荷的增加，氧化膜开始出现裂痕甚至剥落，当基体大面积露出时，对应的加载载荷为氧化膜黏附力。1号试样和2号试样在800和1100℃保温96h后的黏附力见表2。

从表2可以看出，在相同温度下，2号试样的黏附力小于1号试样，即碳含量高的奥氏体耐热不锈钢抗氧化能力较弱。此外，在低温向高温氧化转变过程中，随着氧化温度的升高，热应力不断增加，在热应力的作用下氧化膜从钢种表面剥落，氧化膜与基体间的黏附力降低，说明温度对于氧化膜黏附力的影响很大，即随着氧化温度的升高，钢的氧化膜黏附力均明显下降。

3、结论

(1)800℃下，两种碳含量的钢均表现出良好的抗高温氧化能力，在36h后，氧化曲线趋于稳定，碳含量高的钢的氧化增重略高于碳含量低的钢。
(2)1100℃的循环氧化过程中，试样受外界温度冷-热循环的不断变化，试样表面的氧化膜遭到破坏，剥落处裸露的金属又遭到氧化，形成新的氧化膜，使得氧化增重增加。
(2)在1100℃时，含碳量高的钢氧化增重明显高于含碳量低的钢，碳元素的增加会造成“贫铬”现象的发生，减缓保护性氧化膜的生成，降低钢的抗高温氧化能力。
(4)温度升高，氧化膜与基体的黏附力大大降低，抗高温氧化性能也随之减弱；碳含量的增加会降低氧化膜与基体的黏附力。

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