Cr18Mn18高氮奧氏體不銹鋼高溫氧化特性

王 宇， 隋小波， 金松哲

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

Cr18Mn18高氮奧氏體不銹鋼高溫氧化特性

王 宇， 隋小波， 金松哲*

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

采用X 射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)分析氧化層的成分和相組成，研究了Cr18Mn18高氮奧氏體不銹鋼高溫氧化行為和氧化動(dòng)力學(xué)。研究表明,Cr18Mn18高氮奧氏體不銹鋼氧化速率常數(shù)Kp在950、1 050、1 150 ℃時(shí),分別為3.10×10-5kg2·m-4·h-1，1.85×10-4kg2·m-4·h-1和3.71×10-4kg2·m-4·h-1，其氧化激活能Q值為113 881 J/mol。

Cr18Mn18高氮奧氏體不銹鋼； 高溫氧化； 激活能

0 引 言

鎳已經(jīng)被許多國(guó)家作為戰(zhàn)略資源,其出口已經(jīng)被限制，隨著不銹鋼的飛速發(fā)展,對(duì)鎳元素的需求日益增長(zhǎng),使鎳元素的價(jià)格飛速上漲，導(dǎo)致含鎳不銹鋼的成本也不斷增加，由于這些原因人們迫切希望尋找一種元素來替代鎳的作用,因此促進(jìn)了高氮鋼的飛速發(fā)展[1-6]。

高氮奧氏體不銹鋼憑借其優(yōu)良性能，得到了各行各業(yè)極大的關(guān)注[7]。相對(duì)于其他不銹鋼,高氮鋼采用Mn、N代替Ni的工藝,一方面減少了生產(chǎn)成本;另一方面Mn、N元素都具有增強(qiáng)奧氏體穩(wěn)定性的作用[8]。Mn可以改善鋼在高溫下的使用性能[9-10],N有耐點(diǎn)蝕的作用[11],Mo可以提高高溫強(qiáng)度、高溫疲勞和抵抗麻點(diǎn)裂紋的萌生[12-13]，使得高氮不銹鋼不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能，耐腐蝕、耐氧化、耐磨損性能也十分優(yōu)異。目前,廣泛地應(yīng)用于石油天然氣等能源的開采以及軍工領(lǐng)域。

不銹鋼從鑄造到成材過程需經(jīng)歷多次升溫，這過程導(dǎo)致氧化反應(yīng)的發(fā)生,形成較厚的氧化層,從而使鋼中大量的元素被氧化，使鋼性能下降。了解高氮鋼氧化過程可以為高氮鋼的鍛造加工提供相關(guān)的理論參考。

文中以Cr18Mn18高氮奧氏體不銹鋼為對(duì)象，分析其高溫氧化后氧化層成分和結(jié)構(gòu)，對(duì)高溫氧化行為和氧化動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果的推廣應(yīng)用具有一定意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)采用Cr18Mn18高氮奧氏體不銹鋼為原材料，其化學(xué)成分見表1。

表1 Cr18Mn18高氮奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分

采用《HB5258-2000鋼及高溫合金的抗氧化性測(cè)定試驗(yàn)方法》對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)處理并放入干燥箱中備用。試樣尺寸為20 mm×10 mm×1.5 mm，實(shí)驗(yàn)溫度分別為950、1 050、1 150 ℃，每個(gè)試樣處理時(shí)間分別為2、4、6、8、10 h。

采用氧化增重法[14]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，氧化完成后取出冷卻至室溫，使用1×10-4g分析天平進(jìn)行稱量記錄。

2 結(jié)果與分析

2.1氧化層及其相組成

氧化層及其相組成分析如圖1所示。

(a) 氧化層SEM截面圖

不同溫度氧化10 h后的氧化層厚度和氧化層形態(tài)如圖2所示。

(b) 1 050 ℃、10 h

(c) 1 150 ℃、10 h圖2 不同溫度氧化10 h后的氧化層厚度和形態(tài)

為了確認(rèn)氧化層中氧化物的分布及成分情況，對(duì)1 050 ℃氧化10 h后氧化層進(jìn)行SEM能譜掃描分析和XRD圖譜分析。結(jié)合圖1和圖2可以看出，氧化層主要成分元素為氧、鉻、錳，其中主要存在CrMn1.5O4、FeMn2O4和Fe3Mn3O8等相，這主要是由于部分氧化層脫落使FeMn2O4、Fe3Mn3O8氧化物露出。從截面SEM能譜可以看出，氧化層厚度達(dá)到20 μm，通過SEM能譜掃描發(fā)現(xiàn)錳以獨(dú)特的氣泡形式向外擴(kuò)散使氧化層與基體具有良好的結(jié)合性，并形成了富錳的氧化區(qū)，而氧化層中形成的富鉻區(qū)則為高氮鋼提供了更好的耐腐蝕性能。

由圖2金相形貌可以看出，隨著溫度的升高，氧化層逐漸變厚，且氧化程度逐漸加劇，950 ℃時(shí)，基體與氧氣發(fā)生接觸氧化有輕微脫落現(xiàn)象，1 050 ℃時(shí)，基體中元素以氣泡狀形式開始向外擴(kuò)散,氧化層逐漸向基體內(nèi)部擴(kuò)展，1 150 ℃時(shí)，表面氧化物結(jié)構(gòu)疏松出現(xiàn)明顯的氧化裂紋和較大面積的脫落。

2.2氧化動(dòng)力學(xué)研究

采用氧化增重實(shí)驗(yàn)，研究了高氮鋼氧化動(dòng)力學(xué)。氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 單位時(shí)間內(nèi)氧化增重

950、1 050、1 150 ℃氧化溫度下氧化時(shí)間對(duì)表面氧化增重的影響曲線如圖3所示。

由圖3可以明顯觀察到，隨著溫度的升高，單位面積內(nèi)氧化增重增加，相同溫度下，單位面積氧化增重比率在氧化前期速度較快，而4 h后，氧化速率趨于穩(wěn)定。

溫度對(duì)表面氧化增重的影響曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，當(dāng)氧化時(shí)間一定時(shí)，氧化增重的量與溫度呈正比。隨著溫度的升高，單位時(shí)間內(nèi)增重也不斷升高。

圖3 單位面積氧化增重隨氧化時(shí)間變化曲線

圖4 氧化增重隨溫度變化曲線

在950 ℃時(shí)，10 h氧化速率為8.5×10-4g/h，1 050 ℃時(shí)，10 h氧化速率為2.04×10-3g/h，1 150 ℃氧化,10 h時(shí)，氧化速率為3.01×10-3g/h，1 050、1 150 ℃下的氧化速率比950 ℃下的氧化速率分別提高了2.4、3.54倍，說明隨著溫度的升高，氧化速率更快。

由于高氮鋼在950、1 050、1 150 ℃下的單位面積氧化增重規(guī)律均遵守拋物線氧化規(guī)律，單位面積增重和時(shí)間的關(guān)系滿足下式：

Kp----氧化拋物線速率常數(shù);

t----氧化時(shí)間。

通過式(1)以及氧化表面增重的平方和時(shí)間的關(guān)系曲線可以計(jì)算出氧化拋物線速率常數(shù)，因此,氧化表面增重的平方和時(shí)間的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 不同溫度下氧化表面增重的平方與時(shí)間的關(guān)系

對(duì)曲線進(jìn)行線性擬合，求得氧化拋物線速率常數(shù)，其結(jié)果見表3。

表3 不同溫度下的氧化速率常數(shù)

由所得直線的斜率即可求出各溫度下高氮鋼的拋物線氧化速率常數(shù)Kp，從所得的KP數(shù)據(jù)也可以看出，隨著溫度的升高，合金的氧化反應(yīng)速率增加，且在1 050 ℃時(shí)，Kp迅速增加，說明氧化嚴(yán)重。

Kp隨著溫度的變化遵從Arrhernius方程，這也表明，該氧化反應(yīng)過程是由擴(kuò)散機(jī)制所控制的。因此，Kp與溫度的函數(shù)關(guān)系如下：

式中：Q----氧化激活能。

將式(2)兩邊取對(duì)數(shù)得

由式(3)可知，lnKp與1/T呈線性關(guān)系，如圖6所示。

圖6 高氮鋼在不同溫度時(shí)1/T和lnKp的關(guān)系

其斜率為-Q/R。將實(shí)驗(yàn)獲得的氧化動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)代入，并通過線性回歸方式，即可求得合金的氧化激活能Q=113 881 J/mol。

3 結(jié) 語

主要研究了Cr18Mn18高氮奧氏體不銹鋼高溫氧化特性，系統(tǒng)分析了氧化層的成分、物相組成以及Cr18Mn18高氮奧氏體不銹鋼的高溫氧化行為，結(jié)論如下：

1)Cr18Mn18高氮奧氏體不銹鋼高溫氧化后氧化層主要存在CrMn1.5O4、FeMn2O4、Fe3Mn3O8等相。

2)Cr18Mn18高氮奧氏體不銹鋼高溫氧化動(dòng)力學(xué)研究表明，Cr18Mn18高氮奧氏體不銹鋼氧化速率常數(shù)Kp在950、1 050、1 150 ℃時(shí)分別為3.10×10-5kg2·m-4·h-1，1.85×10-4kg2·m-4·h-1和3.71×10-4kg2·m-4·h-1，其氧化激活能Q值為113 881 J/mol。

[1] Park K T. Tensile deformation of low-density Fe-Mn-Al-C austenitic steels at ambient temperature[J]. Scripta Materialia,2013,68(6):375-379.

[2] Park S H， Chung I S， Kim T W. Characterization of the high-temperature oxidation behavior in Fe ± 25Mn ±1.5Al ± 0.5C alloy[J]. Oxidation of Metals，1998,49(31):349-371.

[3] Park K T. Tensile deformation of low-density Fe-Mn-Al-C austenitic steels at ambient temperature[J]. Scripta Materialia，2013，68(6):375-379.

[4] Kartik B, Veerababu R, Sundararaman M, et al. Effect of high temperature ageing on microstructure and mechanical properties of a nickel-free high nitrogen austenitic stainless steel[J]. Materials Science and Engineering,2015,642(A):288-296.

[5] Daniele Baldissin, Livio Battezzati. Multicomponent phase selection theory applied to high nitrogen and high manganese stainless steels[J]. Scripta MaterIalia,2006,55:839-842.

[6] 孫輝，王淮，季長(zhǎng)濤，等.高氮無鎳奧氏體不銹鋼薄板TIG焊接頭組織形貌及性能[J]. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2010,31(5):518-522.

[7] Hannes Hneder, Marion Merklein. Mamifacturing of complex high strength components out of high nitrogen steels at industrial level[J]. Science Direct,2012,22:514.

[8] 袁曉云,李興,陳禮清.N 含量對(duì)高錳奧氏體TWIP鋼高溫氧化行為的影響[J].遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,39(6):440-445.

[9] Wang C J， CHANG Y C. Na Cl-induced hot corrosion of Fe-Mn-Al-C alloys[J]. Materials Chemistry and Physics，2002，76(2)：151-161.

[10] Chen M S, Cheng H C, Huang C F, te al. Effects of C and Cr content on high-temperature microstructures of Fe-9Al-30Mn-xC-yCr alloys[J]. Matreial Characterization,2010,61(2):206-211.

[11] Simmons J W. Overview：high-nitrogen alloying of stainless steels[J]. Materials Science and Engineering A，1996，207(2)：159-169.

[12] Yun D W, Seo S M, Jeong H W, et al. Modelling high temperature oxidation behaviour of Ni-Cr-W-Mo alloys with Bayesian neural network[J]. Journal of Alloys and Compounds,2014,587:105-112.

[13] Li H, Zhang B, Jiang Z, et al. A new insight into high-temperature oxidation mechanism of super-austenitic stainless steel S32654 in air[J]. Journal of Alloys and Compounds,2016,686:326-338.

[14] Tien J K. Effect of are earth metal on elevated temperature properties of heat resisting[J]. Steel Met.,1990(10):1587-1592.

OxidationcharacteristicofhighnitrogenausteniticstainlesssteelCr18Mn18athightemperature

WANG Yu, SUI Xiaobo, JIN Songzhe*

(School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China)

With X-ray diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM), the composition and phase the oxidation layers are analyzed. Also the oxidation behavior and oxidation kinetics of Cr18Mn18 high nitrogen austenitic stainless steelat high temperature are also studied. The results indicate that the oxidation rate constantKpof the stainless steel at is 3.10×10-5kg2·m-4·h-1, 1.85×10-4kg2·m-4·h-1and 3.71×10-4kg2·m-4·h-1at 950 ℃, 1 050 ℃ and 1 150 ℃ respectively. The oxidation activation energyQis 113 881J/mol.

Cr18Mn18 high nitrogen austenitic stainless steel; high temperature oxidation; activation energy.

TG 142.71

A

1674-1374(2017)04-0381-05

2017-04-11

吉林省發(fā)改委基金資助項(xiàng)目(2017C047-3)

王 宇(1992-)，男，漢族，吉林樺甸人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事高氮鋼高溫性能方向研究,E-mail:972755536@qq.com. *通訊作者：金松哲(1965-)，男，朝鮮族，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事復(fù)合材料方向研究,E-mail:szjin@126.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.4.11