不锈钢抗高温氧化性能研究.ppt
山东科技大学学士论文,1,国产与进口310S不锈钢耐高温抗氧化性能研究,班级：金属材料工程09-1班学生：赵书振学号：200901130337指导教师：孙宏飞 王灿明,2013年6月17号,山东科技大学学士论文,2,目录,310S不锈钢的简要介绍,1,2,选题的目的和主要研究内容,3,4,实验步骤,实验数据的分析与讨论,5,结论,山东科技大学学士论文,3,1.310S不锈钢的简要介绍,310S不锈钢是奥氏体铬镍不锈钢，具有很好的抗氧化性、耐腐蚀性，因为较高百分比的铬和镍，使得拥有好得多的蠕变强度，在高温下能持续作业，具有良好的耐高温性。310S不锈钢的化学成分为：0.08C，25.00Cr，20.00Ni，2.00Mn，1.00Si；其对应于国内的牌号是0Cr25Ni20。,山东科技大学学士论文,4,2.选题的目的和主要研究内容,310S不锈钢被广泛的应用于各个领域中，其中就有用于制作保护磨机筒体的衬板。经过对比我们可以发现美进口310S不锈钢衬板和国产310S不锈钢衬板的使用寿命有很大的差距，国产衬板寿命明显低于美进口不锈钢衬板，本文针对上述情况，通过对国产与美进口310S不锈钢衬板在高温条件下抗氧化性能方面的差异进行研究，了解国产与美进口310S不锈钢的组织性能特点，找出其对抗高温氧化性能的影响，从而为改善国产不锈钢的性能提供借鉴经验，为材料的正确选用打下基础。本文的主要研究内容是首先分别对两种不锈钢处理后观察其宏观组织，从而可以初步推断原始组织对不锈钢抗氧化性强弱的影响；然后将两种不锈钢在700,900,1000下保温50h，测定出其各自的氧化动力学曲线，并对其进行对比分析；再对氧化后的不锈钢进行XRD分析，对比分析其物相组成；最终进行电子探针分析，对比分析其成分，并讨论其对性能的影响。,山东科技大学学士论文,5,3.实验步骤,准备国产310S不锈钢板和美进口不锈钢板。用线切割机将其加工成30mm10mm4mm的矩形试样，国产和进口试样均切割成三个样品。将已经制作好的试样进行镶嵌。试样表面经0号到6号砂纸逐级水磨，然后用金刚石研磨膏抛光，使试样的各个表面尽量光亮。在显微镜下观察，尽量避免划痕即表示试样已经合格。先后用水，酒精，丙酮清洗最后吹干备用，并标好标签（1-6号）。用千分尺测量试样的尺寸并算出其表面积，并进行记录。将用于装试样的坩埚进行焙烧处理，焙烧温度为1050，焙烧两次，此时的坩埚即为恒重坩埚。称量试样与坩埚的总重量并做记录，作为原始重量。,试样的制备,山东科技大学学士论文,6,3.实验步骤,试样置于恒重的氧化铝坩埚内，分别将国产和美进口的各一个试样置于同一个箱式电阻炉内，共需用到三个电阻炉。电阻炉依次设置温度为700,900，1000，试样随炉升温（700炉内国产和进口试样依次编号为1,2号；900炉内国产和进口依次编号为3,4号；1000炉内为5,6号）。试样置于炉内后开始随炉升温，温度到达设定温度后开始计时，每隔10h取出试样冷至室温后进行称量，并做记录。每个试样加热保温5次，每次均做好记录。,氧化实验,山东科技大学学士论文,7,4.实验数据的分析与讨论,310S不锈钢氧化前的表面形貌分析（1500）,国产310S不锈钢,进口310S不锈钢,山东科技大学学士论文,8,从以上对比可以看出，国产和美进口不锈钢原始晶粒存在明显差距，经过相同的摩擦，抛光，腐蚀步骤后，拍到的金相图片中，相同倍数的情况下，进口不锈钢晶粒非常细小，大小非常均匀，而国产不锈钢晶粒明显粗大，并且每个区域的大小不一，有很多孪晶出现，这就造成了性能上的差异。不锈钢的氧化动力学分析 从图中可以看出，氧化温度和氧化时间对310S不锈钢的氧化增重影响很大，而对国产不锈钢的影响明显比进口不锈钢的大。无论在哪一个温度下，均体现出以下规律：氧化开始的一段时间氧化速率较大，经过约十个小时后进入稳定氧化状态，氧化增重趋于平缓，之后氧化速率降低，但是氧化增重却一直处于增大的状态，因此可推断其符合抛物线规律。高温氧化时两种材料的氧化增重不断增大是因为表面的金属材料不断地被氧化形成对应的氧化产物，并且被氧化过程不断向内部扩散而导致了增重效果，从增重的程度可以看出国产不锈钢的氧化增重较进口的严重。,山东科技大学学士论文,9,700下的动力学曲线,900下的动力学曲线,1000下的动力学曲线,山东科技大学学士论文,10,国产和美进口不锈钢在700下的氧化行为研究 1.两种不锈钢在700下保温50h后的形貌对比分析（2000）,进口310S,国产310S,从图中可以看出，不锈钢表面出现了很多凸起，表面被氧化膜覆盖，局部氧化膜已经破裂脱落，国产与进口表面氧化均较为严重，我们可以清晰地看到国产不锈钢氧化后的组织比进口的粗大。,山东科技大学学士论文,11,2.两种不锈钢的XRD对比分析,国产310S不锈钢700氧化后的X射线衍射图谱,进口310S不锈钢700氧化后的X射线衍射图谱,山东科技大学学士论文,12,由X射线衍射图谱可知，尽管加热保温条件相同，但是产生的产物却有较大的差距，其中前者产生的Fe2O3明显比后者产生的量大，这点可以说明前者中的铁元素被氧化的程度大，即其抗氧化程度较后者弱；此外，二者都产生了尖晶石结构，但是前者产生的量明显比后者少，根据合金化原理，若加入的合金元素能产生尖晶石结构或复杂的尖晶石结构，会降低铁离子的扩散速度，提高其抗氧化性，因此我们可以判断后者的抗氧化能力强于前者。,山东科技大学学士论文,13,3.不锈钢的电子探针成分对比分析,国产310S不锈钢700氧化后的表面成分分布图,进口310S不锈钢700氧化后的表面成分分布图,山东科技大学学士论文,14,从以上的对比可以看出，进口不锈钢的Si含量较国产的明显高，当钢中加入合金元素Si时，在氧化过程中由于铁离子的消耗，而硅的氧化物稳定，会使氧化物的底层逐渐富集为稳定的氧化物膜层形成以SiO2为主的氧化膜，铁氧通过膜的扩散严重受阻，抗氧化性能显著提高。国产和美进口不锈钢在900下的氧化行为研究 1.两种不锈钢在900下保温50h后的形貌对比分析（2000）,国产310S不锈钢900下的氧化后的形貌,进口310S不锈钢900下氧化后形貌,山东科技大学学士论文,15,从图中可以看出，国产不锈钢表面的氧化层脱落严重，氧化皮几乎完全脱落，进口不锈钢的脱落较国产的轻，尚残存着氧化皮，国产与进口不锈钢表面氧化均较为严重。2.两种不锈钢的XRD对比分析,国产310S不锈钢900氧化后的X射线衍射图谱,进口310S不锈钢900氧化后的X射线衍射图谱,山东科技大学学士论文,16,经过对比我们可以明显的看出，进口钢经过高温氧化后比国产钢多产生了TiO2等物相，其中钛原子和氧原子的亲和力大于碳原子和氧原子的亲和力，钛原子在高温氧化性气氛中能生成致密的结合牢固的TiO2薄膜，因而具有良好的抗高温氧化能力。可能由于实验条件等原因，在进口不锈钢中未发现尖晶石结构。3.不锈钢的电子探针成分对比分析,山东科技大学学士论文,17,国产310S不锈钢900氧后的表面成分分布图,进口310S不锈钢900氧后的表面成分分布图,经过对国产与进口不锈钢的对比分析我们可以发现，国产不锈钢中Cr元素的含量分布极不均匀，与进口不锈钢形成明显对比，由于Cr是对提高其抗高温氧化性能起非常重要作用的元素，因此Cr分布的不均匀使得产生的Cr2O3氧化膜分布不均匀，进而导致了各个部分抗氧化性能差距变大，致使设备过快报废。,山东科技大学学士论文,18,国产和美进口不锈钢在1000下的氧化行为研究 1.两种不锈钢在1000下保温50h后的形貌对比分析（2000）,国产310S不锈钢的氧化后的形貌,进口310S不锈钢的氧化后的形貌,山东科技大学学士论文,19,以上分别是国产和进口310S不锈钢在1000保温20h后的表面形貌，从图中可以看出,国产和进口不锈钢表面的氧化层脱落均较为严重，形成许多棱边，国产与进口不锈钢表面氧化均较为严重。2.不锈钢的XRD对比分析,国产310S不锈钢1000氧化后的X射线衍射图谱,进口310S不锈钢1000氧化后的X射线衍射图谱,山东科技大学学士论文,20,由X射线衍射图谱可知，经过对比我们可以明显的看出，进口不锈钢经过高温氧化产生了较多的Cr2O3氧化膜，这种氧化膜覆盖在材料表面可以明显阻止内部的材料进一步被氧化，从而可以明显提高其抗高温氧化性能。3.不锈钢的电子探针成分对比分析 经过以上两组成分分布图的对比分析可以得知，进口不锈钢的钛，铬，猛元素的含量明显比国产不锈钢的高，并且分布非常均匀，其中铬元素可以明显提高不锈钢的抗高温氧化性能，形成致密的Cr2O3氧化膜覆盖在材料基体上，阻止材料的进一步氧化。,山东科技大学学士论文,21,国产310S不锈钢1000氧化后的表面成分分布图,进口310S不锈钢1000氧化后的表面成分分布图,山东科技大学学士论文,22,5.结论,（1）经过实验分析，虽然国产和进口310S不锈钢成分差距不大，但是性能产生巨大的差距的原因是：进口钢晶粒细小，并且非常均匀，组织的细小影响了后续氧化膜及尖晶石结构的产生，从而保护了内部的晶粒不再受到进一步的氧化，这就造成了两种钢性能上的差异；处理工艺并非是我们所熟知的退火工艺，具体的工艺尚且不得而知。（2）采用增重法对国产和进口不锈钢在700,900,1000三个温度保温50h后的重量的变化进行了研究，根据绘制出的氧化动力学曲线发现进口不锈钢的增重明显比国产不锈钢的小，说明其抗氧化能力强；此外，每种实验材料做出的氧化动力学曲线都遵循抛物线规律，即氧化速率一开始较高，后慢慢进入稳定阶段，氧化速率变慢，但是仍然出入氧化增重的状态。（3）通过对不同温度下进口和国产钢的XRD分析发现，进口钢中存在很多的尖晶石结构，还有Cr2O3，TiO2，SiO2等有利于抗氧化性提高的产物。根据合金化原理，如果加入的合金元素能够生成尖晶石结构或复杂的尖晶石结构，会降低铁离子的扩散速度，提高其抗氧化性；此外,山东科技大学学士论文,23,Cr2O3，TiO2，SiO2氧化膜的产生也可以阻止内部的材料的进一步被氧化。（4）通过对不同温度下进口和国产钢的电子探针分析发现，进口钢中存在大量铬元素并且分布非常均匀，此外还有镍元素和钛元素；国产钢中虽然也存在铬元素，但是它的分布非常不均匀，导致不同地方的抗氧化能力不同，会导致局部破坏，致使其使用寿命大大缩短。,山东科技大学学士论文,24,谢谢观赏,WPS Office,Make Presentation much more fun,WPS官方微博kingsoftwps,
