310S耐热钢的氧化动力学曲线是评估其抗氧化性能的主要指标之一,通过高温氧化实验绘制氧化动力学曲线,可以直观的分析合金的氧化规律。由于温度对钢的高温氧化动力学的影响至关重要,根据各温度下钢的氧化动力学曲线和氧化动力学模型对合金氧化膜的形成机制的研究有重要意义。

本章通过不同厂家产310S钢在800℃~1100℃下的氧化增重实验,绘制了氧化增重动力学曲线,通过氧化动力学曲线分析310S耐热钢表面氧化膜的生长规律。在氧化动力学曲线的基础上,计算其在各氧化温度下的平均氧化速率,分析了温度对抗高温氧化性能的影响,并对310S耐热钢的抗高温氧化性能进行了评级。另外,本实验根据310S耐热钢在高温下的氧化增重规律,通过计算两种钢的氧化激活能和各温度下的氧化速率常数,对比分析了在不同氧化温度下国产、国外产310S耐热钢抗高温氧化性能的差异。

实验内容

实验材料及试样制备

本高温氧化实验采用SX-G16103型高温箱式电阻炉和型号为FA2204B的电子分析天平。SX-G16103型高温箱式电阻炉具有升温快、空耗小、炉温均恒性好等优点,广泛应用于实验室内作金属的加热、烧结等方面的热处理,可以满足氧化实验的要求。主要参数是:额定温度:1200℃;额定功率:10 KW;额定电压:220 V

本实验过程中使用的材料为国内、国外产的310S耐热钢热轧板,其化学成分见表2.1。为方便记述,国产310S耐热钢记为1#钢,国外产310S耐热钢记为2#钢。

金相实验是由切样、腐蚀、光学显微观察及图像分析等几部分组成。首先将310S耐热钢的热轧板切成10×15 mm的块状试样,然后用No.240No.5000的砂纸打磨,使用金相抛光机进行手动抛光,使用粒度为2.5µm金刚石喷雾抛光剂。

将抛光完毕的试样使用酒精超声清洗30 min。金相显微观察之前,利用50%的盐酸加FeCl溶液进行腐蚀,腐蚀时间为4060 s。腐蚀好的试样使用Axio Scope A1光学显微镜观察试样的显微组织,放大倍数为200×和500×。

高温氧化试样氧化膜截面的制备有以下4个步骤:(1)镶样:由于生成的氧化层是脆性的,在对试样截面研磨抛光时需要镶样,避免在磨抛过程中氧化层的损坏,保护其完整性。(2)标记:因为镶嵌完的试样形状接近,每个试样需要标记以避免混淆。(3)磨光:为了得到平整光滑的磨面,需要针对氧化物进行磨光。由于氧化膜是脆性的,在研磨的过程中需要使用比金相磨光更细的砂纸,在每一号砂纸磨光的时间更长,以得到完整致密的氧化膜。(4)抛光:使用机械抛光的方法。将细磨后的试样磨面进行冲洗,然后滴注金刚石喷雾抛光剂在金相抛光机上进行抛光,获得光亮无痕的平整镜面。

高温氧化性能测试

本实验是依据国标《钢的抗氧化性能测定方法》,采用静态氧化不连续增重法来研究310S不锈钢的高温氧化行为。

氧化试样尺寸为30 mm×15 mm×6 mm的长方体,氧化试验之前,样品表面经No.240No.2000金相砂纸打磨,确保试样表明光滑完整。再将试样放进烧杯中,然后加入酒精超声清洗,去除试样表面的油污和杂质。用游标卡尺测量试样的尺寸,每个试样的同一方向尺寸测量三次取平均值。试样测量完成之后再次清洗并放入干燥箱中,在150℃干燥2 h。将完全干燥后的试样在精度为0.1 mg的分析天平上称重,确保两次称重的误差在0.0003 g范围内。同时,将在实验中使用的Al 2 O 3坩埚用酒精清洗并干燥,再放入电阻炉内用实验温度焙烧5 h,然后将坩埚放入干燥箱内冷却至室温并称重。将坩埚在电阻炉内多次焙烧称重,直至坩埚保持恒重,以去除水分和可挥发性物质对实验的干扰。本实验采用循环氧化法,310S不锈钢的氧化实验温度为800℃,900℃,1000℃,1100℃,氧化时间为24 h48 h72 h96 h120 h144 h168 h。实验前期准备做好之后,将坩埚放于电阻炉中加热到实验温度,再将试样放入坩埚内。在氧化中为确保试样与空气能够充分接触,将试样以一定角度靠立在坩埚壁上。每隔24 h取一次坩埚,取出坩埚后立即将坩埚盖上,以免在冷却过程中表面氧化膜散裂到坩埚外面带来实验误差,然后放置在干燥箱里,待冷却后进行称重。

实验完成后根据试样在反应前后的质量差,计算不锈钢在不同温度下的氧化动力学曲线。利用X射线衍射仪对氧化试样表面的氧化膜进行XRD分析,用扫描电子显微镜和能谱仪对氧化层表面和截面形貌进行扫描及能谱分析,以确定氧化膜层的形成过程。

组织表征

310S不锈钢样品化学成分的检测使用X荧光光谱仪(日本岛津XRF-1800型)进行定量分析,C元素检测使用光电直读光谱仪进行检测,而N元素使用化学分析方法进行测试。

Axio Scope A1光学显微镜进行金相显微组织观察,获得不同厂家产310S不锈钢的晶粒大小和组织形貌等特征。

X射线衍射仪是利用X射线在晶体中产生的衍射现象,并结合布拉格公式来测定晶体结构特性的射线式分析仪器。采用D/Max-2400X射线衍射仪进行氧化物物相分析。测量参数为:管压为40 kV,管流为150 mA,扫描范围(2θ)为20°~100°,扫描的步长为0.03°/min

本实验采用FEG-450型场发射扫描电子显微镜,对覆盖在不锈钢表面的氧化膜的表面形貌、截面形貌和微观组织进行观察。同时利用配套的电子能谱仪对氧化膜表面元素分布进行测试,定性分析氧化物的组成成分。扫描电子显微镜采用钨灯丝电子。工作参数为:加速电压为200 V30 KV;放大倍率为3 X1000000X;扫描电流为1 pA2μA;扫描速度为20 ns/pixel10 ms/pixel

小结

1)根据两种钢在800℃~1100℃下的氧化动力学曲线,当氧化温度为800℃、900℃、1100℃时2#钢的抗氧化性能优于1#钢,当氧化温度为1000℃的时,2#钢的抗氧化性能差于1#钢。

2)根据两种钢在各温度下的氧化动力学曲线,选取符合的氧化动力学模型,两种钢在不同氧化温度下的氧化动力学曲线符合抛物线规律,因此根据瓦格纳理论,两种钢的氧化增重是由元素扩散控制的。

3)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。