保护性氧化尺度的分解和演化符合美国钢铁协会的304,符合美国钢铁协会的316不锈钢在高温下氧化

文摘

的失败保护氧化尺度符合美国钢铁协会的304和符合美国钢铁协会的316不锈钢进行了研究和比较在1000°C合成的空气。首先,两个不锈钢的等温热重曲线绘制,以确定所需的时间达到击穿点。每个不锈钢的不同电阻被解读为结晶阶段的性质的基础上形成,形态和表面结构以及横截面结构的氧化产品。符合美国钢铁协会的304不锈钢的体重约8倍,符合美国钢铁协会的316不锈钢,并符合美国钢铁协会的316不锈钢达到击穿点约40倍低于符合美国钢铁协会的304不锈钢。在两种不锈钢,达到击穿点意味着失去保护性的氧化铬的规模₂O₃,但是在Cr符合美国钢铁协会的304不锈钢₂O₃规模完全消失了,只铁₂O₃成立,符合美国钢铁协会的316不锈钢一些铬吗₂O₃坚持和铁₃O₄主要是成立的,这意味着符合美国钢铁协会的316不锈钢抗氧化后崩溃。

1。介绍

奥氏体不锈钢可以在广泛的应用,如过热器、再热器管、涡轮叶片,和设备组件受到热波动在正常操作条件下;因此,防止退化引起的高温是必要的。这种保护可以实现由于保护性的Cr的形成₂O₃这减缓了金属基体的降解。这个保护规模保持在温和的氧化条件下,其生长动力学近似抛物线关系到900°C。氧化严重的条件下或在温度高达900°C,一个快速增长的规模增长可能发生;这就是所谓的分解和取决于材料,氧化环境,温度,和时间。此故障对应的形成一个双层组成的一种内在的尖晶石和外部Fe的规模₂O₃。根据材料和环境,这个快速氧化可以继续,或者相反,氧化速度可以减少(1- - - - - -5]。几乎没有工作分解和随后的降解这些类型的不锈钢在1000°C。在温度高达800°C,蒸发铬可以发生,这往往会把50 - 200μ米厚的防护Cr的规模₂O₃最初成立更少的保护范围内,富含铁氧化物(铁吗₂O₃/铁₃O₄)和不厚6]。击穿失效机理的解释,建议有两种可能性:“化学失败”的保护Cr₂O₃的规模和“机械故障”保护Cr₂O₃规模(7]。

不锈钢的高温氧化已被研究的文献;然而,本研究的目的是评估和比较的特点,分解在1000°C合成空气环境和产品形成符合美国钢铁协会的304和符合美国钢铁协会的316不锈钢,强调发现的差异。

2。实验程序

两个不锈钢,符合美国钢铁协会的304和符合美国钢铁协会的316调查在1000°C合成的空气环境。表1显示了不锈钢的化学成分用作金属底座。

测试标本毫米³从冷轧薄板在奥氏体回火状态(hypertempering),和各方SiC没有。600年。贱金属样品的顶部表面抛光金刚石研磨膏三个连续的步骤,即6 - 3和1 -μm-grade钻石研磨达到镜面光洁度。氧化之前,15分钟的样品在丙酮超声脱脂和清洗乙醇。

样品在热天平等温氧化(TGA 92 - 16 Setaram)合成空气(一巴压力)从室温到1000°C的速度40°C min⁻¹了100 h,然后冷却到室温的速度40°C min⁻¹。

用于描述的技术结构和氧化产品形成的构成包括光学金相、x射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能量色散x射线(EDX)分析。

3所示。结果与讨论

3.1。热重结果

非常重要的进行实验的不锈钢1000°C到故障点。

图1显示了氧化动力学符合美国钢铁协会的304不锈钢。样品到达击穿状态几乎2 h后氧化。曲线在图1通过从抛物线性情况下。的严重性氧化钢表面可以观察到。

1000°C的温度是关键和重要的运行测试,因为在900°C的氧化行为是抛物线8]。

氧化压力开始积累的增长随着体重的增加,由于氧化过程。然而,在某种程度上,规模增加厚度无法承担压力和释放压力。压力的释放可能是由于开裂的规模或基质金属的蠕变(贱金属)1- - - - - -5]。图1显示在我们的例子中故障前后的曲线。大约8000年代后,或2 h,过渡态开始,从抛物线性曲线变化,表明保护层开始打破和氧化增加。质量获得了是0.1569毫克毫米⁻²。

的氧化行为符合美国钢铁协会的316不锈钢在1000°C如图2。测试样品达到约80 h后破裂极限。样品表面上的氧化那么严重比符合美国钢铁协会的304不锈钢。

1000°C的温度是关键和重要的运行测试,因为在900°C的氧化行为是抛物线8]。质量获得了是0.0209毫克毫米⁻²。

4所示。表面特征

4.1。x射线衍射分析

水晶阶段,氧化物获得腐蚀后,由XRD分析,使用D5000D衍射仪从西门子(德国),在环境温度之间的强度和衍射角扫描5°、70°(步长为0.050°,扫描速度每一步3 s)使用铜辐射()、40千伏的电压和一个30 ma灯丝电流。

x射线的特征符合美国钢铁协会的304不锈钢的表面(图3)表明,菲₂O₃(赤铁矿)和铁和铬的氧化物的混合物产生的主要化合物氧化。没有nickel-bearing阶段可以被识别为1000°C。此外,没有Cr的保护范围₂O₃被发现。这个结果是在良好的协议与文献[1- - - - - -5:当没有保护性的氧化物,如Cr₂O₃,因为它已经被摧毁了,击穿发生。

x射线的特征符合美国钢铁协会的316不锈钢的表面(图4铁的)显示了两个不同的阶段₃O₄(磁铁矿)和铬氧化铁。没有防护的Cr₂O₃被发现。这个结果是在良好的协议与文学:当没有保护性的氧化,因为它已被摧毁,击穿发生。

5。扫描电子显微镜

图5显示样品表面的SEM显微图在不同的放大,×100×400×20日分别与客观区分两个不同的区域:岛形成和下一个封闭区除以边界线。氧化的传播是不规则的,可以清楚的看到在水面上分散的岛屿。

EDX结果微量分析的岛屿和旁边的区域岛屿如表所示2。这些岛屿富含铁₂O₃并包含一些MnO。少量的铁铬氧化物被发现。这些岛屿的氧化铁分解后,因为没有Cr₂O₃发现没有任何保护。这一发现的同时,发现从XRD分析。

符合美国钢铁协会的316不锈钢的SEM显微图表明,它形成了一个异构氧化层完全氧化后运行。灰色和深灰色的鳞片被发现已经作为一个毯子包含几大结节和无数小结节,从图可以看出6。

发现了两个不同的区域:大、小结节(区)和受损的Cr₂O₃层(B区)、EDX分析数据表中给出3。结节有多孔结构,氧气的扩散可能容易进行。另一方面,损坏的Cr₂O₃层多孔不如结节但不完全契约。

受损的Cr₂O₃层相邻的结节和晶体结构,如图6(d)。

Cr的保护作用₂O₃仅限于1000°C左右由于波动的形成阴极射线示波器吗₃。当最初形成被动层的机械故障,这导致的成核和生长氧化物通过短路结节。

Cr₂O₃成立伊始,但随着氧化进行铁可能已经开始氧化,因为损耗大量的铬合金可能发生(9]。在过渡期后,更快的动力学被发现,可能是因为公司的铁氧化物规模。48和90 h之间过渡的氧化物在高温防护状态发生故障状态。因此,氧化速率增加而增加,可能对应于铁氧化物的形成。

铁氧化物的形成可能是由于铬表面上的损耗,而且因为CrO的挥发₃,随后铬发生的损耗。氧化铬₂O₃穿越₃不稳定,发生在约950°C (10- - - - - -13]。

符合美国钢铁协会的316不锈钢的破裂是由于多孔铁的结节的形成₃O₄、铁和铬氧化物一样尺度形成(损坏的Cr₂O₃层)铁的混合物₂O₃和铁和铬的氧化物。这些氧化产品完全覆盖衬底,形成与符合美国钢铁协会的304不锈钢,铁群岛₂O₃比铁分解后用更少的保护能力₃O₄,这也许可以解释故障的形成延迟符合美国钢铁协会的316不锈钢的情况下对符合美国钢铁协会的304不锈钢。

6。截面特性

图7显示符合美国钢铁协会的304不锈钢氧化的横截面为1000°C 100 h。氧化严重以来这个测试样品达到崩溃的极限。将研究三个重要领域:substrate-oxide区域,内部氧化,表面氧化。

氧化物EDX光谱数据从表中给出的三个重要领域4。

图7(b)显示了substrate-oxide面积和衬底之间的接口线和氧化。恶化由于氧化扩散对贱金属。氧化物似乎并不连续,不粘底物。有许多微裂隙和衬底之间的内部氧化,有空洞。EDX分析氧化底物的发现(表4)演示了铬的含量高₂O₃(70.57%)和铁的₃O₄(28.54%)和NiO的微不足道。这些氧化物被认为是下的初始氧化过程中氧化层。

图7(c)显示了内部氧化面积:非均匀厚度,由光明与黑暗的交替层色彩,含有空洞,和毛孔都证明了这一点黑色的颜色。这个内部层一致坚持贱金属。EDX分析发现的氧化物(表4)演示了一个温和的Cr的内容₂O₃(40.34%)和铁的₃O₄NiO的(46.97%)和更大的内容(12.69%)。

图7(d)显示了外部氧化面积:均匀厚度的,大约130μ米,隔开了裂纹内部氧化层。这个区域包括两个不同的领域:一个浅灰色区域和肤色区域。与内部氧化区相比,这个oxide-gas接口具有更少的空洞和毛孔。EDX分析发现的氧化物(表4)演示了铬的含量低₂O₃(6.82%),高铁含量₂O₃(92.71%),和一个微不足道的NiO (0.47%)。菲₃O₄已经完全消失了。

总之,故障显示,首先,裂缝内部氧化,即内部氧化和表面氧化,,其次,可怜的Cr₂O₃表面氧化层的内容。

图8显示元素的x射线映射根据氧化线选择横在所有尺度给一般概念的形成过程中元素的扩散氧化。根据图8 (b)氧化的氧含量仍然很高,但是内容是更大的内部氧化层。内部的氧化物层对应于NiO和Cr₂O₃的内容,减少因为它变得靠近内部和外部之间的界面氧化物。铁一般扩散到表面氧化层;因此,分解成为清单除了裂缝和穷人Cr₂O₃层。铁主要是集中在表面氧化层和铁的形式₂O₃。

图9显示了一个横截面的扫描电镜图像符合美国钢铁协会的316不锈钢100 h后氧化在1000°C。一层氧化2和12之间的规模μ米厚的成立;一些毯子和结节规模以上氧化形成的表面,在基质和裂缝毯子和入侵也形成了。

分析结果的氧化物三个重要领域如表所示5。

图9(b)显示毛孔渗透下结节,这表明少贱金属的保护下结节。结节的内部提供一定的保护,因为Cr₂O₃内容是根据EDX分析(72.67%)高。氧化物的中间层仍然附着层内部的氧化物和显示高孔隙度,尽管其Cr₂O₃内容较低(41.42%);结节的外部层主要是由铁组成的₃O₄(79.21%)和由一层裂缝中间分隔。

氧气的结节轮廓有毛孔很容易分散。EDX微量分析清楚地表明这些结节主要由铁氧化物、锰。由于这些结节的大尺寸,坚持基质可能需要氧气的重要通量(13- - - - - -15]。

最初的机械故障增加保护层和codevelopment几个规模阶段暴露是典型的发病机制,导致这些结节形成(16- - - - - -18]。

结节没有开发的地方,一个连续的氧化物观察。这种规模的XRD图谱表明,它主要由铬和似乎没有紧凑的衬底和坚持。这Cr₂O₃规模将无法提供保护合金,,再加上不同的结节的存在,或许可以解释后氧化时间的高氧化率(19,20.]。

总之,分解由裂纹首先显示结节基础其次的可怜的Cr₂O₃中间的内容和外部层氧化物。

图10显示元素的x射线映射根据氧化线选择通过所有的尺度给一般概念形成的氧化中元素的扩散。分析显示了一个内部氧化旁边一个连续的贱金属,丰富的Cr₂O₃层;中间和外部层表现出明显的Cr的内容₂O₃和菲₃O₄提供一些保护。更好的行为符合美国钢铁协会的316不锈钢比符合美国钢铁协会的304不锈钢对于击穿延迟可以解释首先Cr的更多内容₂O₃在所有的横截面层。其次,符合美国钢铁协会的316不锈钢的外观层包含主要是铁₃O₄,而符合美国钢铁协会的304不锈钢的外观层含有铁₂O₃对抗氧化,保护能力。最后,内部和中间氧化层符合美国钢铁协会的316不锈钢NiO的有更大的内容,这使得阳离子扩散通过氧化层更加困难。

7所示。结论

(我)符合美国钢铁协会的304的分解,符合美国钢铁协会的316不锈钢在空气合成发生在1000°C, 2 h后符合美国钢铁协会的304不锈钢和77 h后符合美国钢铁协会的316不锈钢。(2)在1000°C合成空气和100 h的曝光时间后,符合美国钢铁协会的304不锈钢的质量获得8倍的符合美国钢铁协会的316不锈钢。(3)符合美国钢铁协会的304的分解,符合美国钢铁协会的316不锈钢意味着Cr₂O₃保护层丧失,但这两种情况下的破坏过程是不同的,尤其是符合美国钢铁协会的304不锈钢的外观层,已完全失去了Cr₂O₃和主要有铁₂O₃,而外观符合美国钢铁协会的316层还包含一些Cr₂O₃和主要有铁₃O₄。(iv)符合美国钢铁协会的304的表面形态和分解后符合美国钢铁协会的316不锈钢是不同的;岛屿富含铁的特征₂O₃出现在外部规模符合美国钢铁协会的304不锈钢,而富含铁的结节特征₃O₄出现在外部规模符合美国钢铁协会的316不锈钢。(v)分解后,符合美国钢铁协会的304和符合美国钢铁协会的316不锈钢氧化的横截面显示三个不同的区域,而这些有不同的形态,厚度和组成。

确认

作者欣然承认Fundacio Caixa银行所提供的金融支持通过授予P1.1A2008-13 Castello-Bancaixa。特别感谢将何塞·奥尔特加和拉奎尔·奥利弗,工程材料的实验室,实验期间给予的帮助和哈维尔·戈麦斯和加布里埃尔·珀里斯,从在大学中加Jaume Castellon我。

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