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              310S不銹鋼絲網高溫氧化行為及機理研究

              310S不銹鋼(18902091112)310S奧氏體不銹鋼絲網以其高鉻鎳含量,優異的耐腐蝕、耐酸堿特別是耐800℃以上的高溫氧化性能,廣泛用于石油化工、食品醫藥、航空航天、汽車船舶、核電及軍工等行業的篩分過濾和防護裝置等特殊服役環境中。310S不銹鋼隨著社會對生態環境保護性的加強,汽車尾氣排放標準的提高,要求排氣系統的工作溫度越來越高,對用于排氣系統的310S不銹鋼絲網的耐高溫氧化性提出了更高的要求。為保證310S絲網在服役環境下良好的高溫抗氧化性和可靠的使用性能,本文針對同規格不同批次的310S奧氏體不銹鋼絲網采用循環氧化法分析評價了1050℃的高溫循環氧化性能,并探究了產生高溫抗氧化性差異的影響因素。通過JMatPro軟件模擬分析了合金元素對不同溫度下平衡相的析出及含量的影響。310S不銹鋼采用連續氧化方式研究了絲網在不同溫度下連續氧化的動力學曲線,并建立了動力學方程。采用SEM、XRD、EDS等手段研究了310S絲網的高溫氧化行為和氧化機理,主要結論如下:高溫循環氧化實驗表明:1050℃恒溫循環氧化,P1、P3兩個批次試樣兩個周期氧化增重量均小于3.5%,產品合格;其余四個批次試樣循環氧化兩個周期的增重量均超過3.5%,產品不合格,其中P2絲網兩個周期的氧化增重量最大,達7.74%,為標準的1.3倍以上。SEM微觀形貌表征顯示:1050℃下合格絲網P1循環氧化一周期,表面形成的氧化膜由非常細小均勻的晶粒組成,氧化膜平整、致密,覆蓋均勻;兩個周期后氧化膜晶粒略有長大,氧化物形態為排列緊密的四面體和薄片狀。不合格絲網P2一個周期后形成的氧化膜晶粒的大小與合格絲網同周期的相當,但表面平整性略差;兩個周期后表面的氧化膜為多孔的蜂窩狀,氧化膜疏松,表面起伏不平整,有剝落。XRD、EDS和化學成分的分析表明:P1絲網在1050℃下循環氧化一周期后氧化膜表面主要由細小均勻的Cr2O3顆粒組成,氧化兩周期后形成具有尖晶石結構的MnCr2O4和NiCr2O4組織和片狀Cr2O3的致密氧化膜。P2絲網氧化兩周期后,表面氧化膜主要由疏松、多孔、穩定性差的Fe2O3和Fe3O4組成。造成絲網高溫抗氧化性差的主要原因與不合格產品化學成分中的碳含量略高,而Cr、Si、Ni、Mn含量略低,導致高溫氧化膜形成過程中因Cr含量不足,形成的氧化膜尖晶石結構Cr的缺位,氧化膜Cr含量低,其致密性和穩定性下降,高溫抗氧化性衰退。材料中適當含量的Si與O結合在內層形成更穩定的SiO2氧化膜可阻礙O原子向基體擴散,對提高絲網的高溫抗氧化性起到了積極的保護作用。高溫連續氧化實驗表明:1050℃循環氧化實驗中合格P3絲網與不合格P6絲網在850℃、950℃連續氧化10 h,均顯現良好的高溫抗氧化性。850℃、950℃、1050℃連續氧化時,兩種絲網氧化動力學曲線均符合拋物線規律,氧化膜增重主要受氧原子通過氧化膜的擴散反應速率影響,溫度升高,氧化反應速率顯著升高,1050℃時P6絲網連續氧化的拋物線常數是P3絲網的兩倍以上,原因是P6絲網1050℃下形成的疏松多孔的不致密Fe氧化物,氧原子擴散加劇,導致其增重劇增,高溫抗氧化性能變差,而P3絲網1050℃下形成的致密富含Cr的尖晶石結構的氧化膜,使其具有良好的高溫抗氧化性能。JMatPro熱力學模擬結果表明:1050℃循環氧化合格絲網P1與不合格絲網P2在1000℃-1050℃范圍內基本上為單相奧氏體組成,含碳量的升高導致高溫區相圖中存在少量M23C6型碳化物,降低奧氏體中的Cr含量,影響其高溫抗氧化性。溫度低于890℃,隨溫度降低,脆性σ相和M23C6碳化物增多,材料的脆性增大。Si元素含量升高,延緩310S奧氏體不銹鋼的完全奧氏體化,使310S不銹鋼完全奧氏體化時溫度更高,提高310S不銹鋼的高溫抗氧化能力。Ni、Mn合金元素影響高溫下奧氏體相的穩定性,從而會導致絲網的高溫抗氧化性的差異。
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