GX40Cr NiSi25-20奥氏体不锈钢的高温氧化性能研究

2019-04-01陈启超游程超范晓明李嘉臻朱稳定

中国铸造装备与技术 2019年2期

陈启超，游程超，范晓明，李嘉臻，朱稳定

（1.武汉工控艺术制造有限公司，湖北武汉430200；2.六和金属（湖北）有限公司，湖北仙桃433000；3.武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北武汉430070）

奥氏体耐热不锈钢由于其具有较高的耐热温度而被广泛应用于各个行业当中。由于其长期处在高温环境中工作，高温氧化是其使用时最常见也是最重要的腐蚀破坏形式，因此，研究奥氏体耐热不锈钢的高温抗氧化性能对其应用选材具有重要意义。国内外学者在不锈钢的高温抗氧化方面做了大量的研究工作[1-8]，并得出了一些有益的研究结果。譬如中国科学院金属研究所的李磊等[5]研究了00Cr25Ni22Mo2N奥氏体不锈钢在700℃、800℃和900℃时的高温氧化行为，分析了不同温度氧化条件下的氧化产物与氧化膜厚度。龙剑平[6]、裴明德[7]、李冬升[8]等人分别研究了1Cr18Ni9Ti、310S、Super304H和Super304HS奥氏体不锈钢在不同温度下的高温氧化行为，分析了氧化膜的形貌和物相组成。目前，汽车行业对增压器涡壳的工作环境温度的要求越来越高，奥氏体耐热不锈钢已成为制作涡壳的主流发展方向，要求其耐热温度达到1000℃以上。GX40CrNiSi25-20为汽车涡轮增压器壳体铸件用奥氏体耐热不锈钢，但是，对其抗高温氧化性能的相关研究还较少见报道。本文拟以GX40CrNiSi25-20奥氏体不锈钢为研究对象，利用氧化增重法研究其在700℃、900℃和1100℃温度下，分别经历20h、40h、60h、80h和100h后的高温抗氧化性能，并采用X射线衍射和电子显微镜分析其表面氧化膜的物相组成和微观形貌，以期对认识其抗高温氧化能力和选材应用有所裨益。

1 试验材料与方法

1.1 试样制备

利用中频感应电炉熔炼奥氏体耐热不锈钢GX40CrNiSi25-20，然后取样浇注激冷试样，采用PDA-5500S型岛津光电发射光谱仪测试成分（见表1），合格后浇注树脂砂壳型Y块试样，截取其底部长条（见图1），然后采用线切割加工成大小为30mm×10mm×4mm的方形试样，再用SiC水磨砂纸由粗到细逐级打磨表面，在抛光机上进行表面抛光，并进行无水乙醇清洗和干燥处理，最后置于干燥皿中备用。

表1 GX40Cr NiSi25-20奥氏体不锈钢的化学成分 ωB/%

图1 Y型试块尺寸示意图（单位：mm）

1.2 高温氧化实验

采用静态氧化不连续称重法测试GX40Cr-NiSi25-20奥氏体耐热不锈钢的高温抗氧化性能。千分尺测量试样的长、宽和高三次，取平均值计算其总表面积。试样置于耐高温瓷舟内，用AL204型精密电子天平称量氧化前、后的试样与瓷舟的总质量，结果取三次称重的平均值。实验前，先将瓷舟焙烧至恒定的重量然后再放置试样，以减少其对试验结果的影响。高温氧化试验设备为SXQ16-8-17型自动控温硅钼高温电阻炉。试验采用恒温氧化法，即分别在700℃、900℃和1100℃高温条件下同时放入试样，每隔20h将试样连同瓷舟取出冷至室温称重，直到100h。根据氧化前后试样与瓷舟的总质量差绘制高温氧化动力学曲线，然后观察氧化试样的表面形貌，利用D/MAX-RB型X射线衍射仪和JSM-IT300型电子显微镜进行氧化试样表面氧化膜的物相组成及表面形貌分析。

2 结果与分析

2.1 氧化动力学分析

采用不连续恒温氧化增重法，通过试样和瓷舟氧化试验前后的总质量差与试样表面积之比来计算奥氏体耐热不锈钢的氧化增重。氧化增重值越小，说明奥氏体耐热不锈钢的高温抗氧化能力越强；反之，抗氧化性能越弱。图2为GX40Cr-NiSi25-20奥氏体耐热不锈钢在700℃、900℃和1100℃温度下氧化100h的氧化动力学曲线。由图2可知，GX40CrNiSi25-20奥氏体耐热不锈钢在700℃和900℃氧化时，其氧化增重值较小，高温氧化动力学曲线遵循抛物线规律。在700℃和900℃温度下氧化100h后，其氧化增重分别为0.143mg/cm2和0.323mg/cm2。在1100℃氧化时，其氧化速率相对于700℃、900℃时较大，在0～60h的高温氧化时间段内，其重量增加较快；60h后，其重量增加速率渐渐变慢，曲线趋于平缓，但是其重量一直处于增加的状态，其氧化动力学曲线仍遵循抛物线规律。试样经过60h、100h的高温氧化后，其氧化增重值分别为0.787mg/cm2、0.813mg/cm2。这表明GX40CrNiSi25-20奥氏体耐热不锈钢具有较好的抗高温氧化的能力，能适应高温使用环境。

由氧化动力学曲线可知，氧化时间和温度对GX40CrNiSi25-20奥氏体耐热不锈钢的氧化增重值有重要的影响。随着氧化温度的升高与氧化时间延长，其氧化增重值增大。在金属刚开始发生氧化时，其氧化反应速率由化学反应控制，所以在试样的氧化初期，其氧化增重的速率较快。随后，试样表面生成完整的氧化膜后，其氧化反应速率由原子扩散控制，故在氧化后期时，试样重量增加的速率逐渐变慢。此外，GX40CrNiSi25-20奥氏体耐热不锈钢良好的高温抗氧化性能与其较高的含Ni量（ωNi=19.631%）有关，因为Ni是提高钢耐蚀和耐热性的元素，随着镍含量的提高，奥氏体不锈钢耐氧化性介质的性能提高。

图2 GX40CrNiSi25-20奥氏体耐热不锈钢氧化动力学曲线

2.2 氧化膜表面形貌分析

2.2.1 氧化膜表面形貌宏观分析

图3为GX40CrNiSi25-20奥氏体耐热不锈钢在700℃、900℃和1100℃温度下分别氧化20h、40h、60h、80h、100h后试样表面氧化膜的宏观形貌。

由3可知，GX40CrNiSi25-20奥氏体耐热不锈钢在氧化温度为700℃时，氧化初期0～60h的时间段内，其抗高温氧化试样表面发生了轻微的点腐蚀破坏，并且可以观察到试样表面所带有的金属光泽；当氧化时间延长至80～100h时，试样表面颜色逐渐加深，直至整个试样表面变成黑色。当氧化温度为900℃时，在氧化初期20h后，抗高温氧化不锈钢试样表面已基本被氧化成了黑色，随着氧化时间愈长，试样表面颜色愈深。在经历1100℃高温氧化后，试样表面颜色变化基本同900℃状态，只是颜色显得更深。显然，高温氧化温度愈高，氧化时间越长，奥氏体耐热不锈钢试样被氧化的状态将愈严重，表面氧化的程度越大。

2.2.2 氧化膜表面形貌SEM分析

为了进一步分析奥氏体耐热不锈钢表面氧化层的微观形貌，对GX40CrNiSi25-20奥氏体耐热不锈钢试样表面进行了扫描电镜观察，其在700℃、900℃和1100℃温度下氧化100h的表面氧化膜的SEM照片如图4所示。

从图4中可以看到，当氧化温度为700℃时，仍能看到奥氏体耐热不锈钢试样表面的金属光泽和加工划痕，试样表面只是发生局部程度较轻的氧化现象，且氧化膜无开裂；当氧化温度为900℃时，试样表面氧化程度相较于700℃时加剧，试样表面部分氧化膜发生了局部的脱离和剥落；当氧化温度为1100℃时，试样的氧化程度进一步加剧，此时，试样表面发生了严重破坏。由于奥氏体耐热不锈钢的金相组织由奥氏体基体和晶间共晶碳化物组成，在此温度下氧化时，其奥氏体基体被大量氧化，从而剩下大量的孔洞，其晶间共晶碳化物不易发生氧化，所以形成了晶界接连的网状结构。对比GX40CrNiSi25-20奥氏体耐热不锈钢在700℃、900℃和1100℃时的氧化膜微观形貌，可以发现，氧化温度对其氧化程度影响较大，氧化温度越高，试样表面被氧化的越严重。

2.3 氧化产物的XRD分析

为弄清氧化试样表面氧化膜的物相组成，对不同温度下氧化100h后的试样表面进行了XRD检测，结果见图5。

由图5可知，GX40CrNiSi25-20奥氏体耐热不锈钢试样在不同温度下氧化100h后检测到的主要物相如下：在700℃时为NiO、Fe0.98O、Cr2O3和Fe0.64Ni0.36奥氏体相；在900℃时表面氧化膜物相为Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3和尖晶石结构；在1100℃时氧化膜的物相为Fe2O3、FeO、Cr2O3和尖晶石结构。生成的Cr2O3和尖晶石结构等产物有益于高温抗氧化性能。这里需要说明的是，表1显示试样材料中加入了Nb元素。一般而言，含Nb不锈钢比不含Nb的具有更好的高温强度和抗氧化性能。但是，由于Nb在不锈钢中可能存在固溶，与碳、氮形成化合物，形成金属间化合物等较为复杂，而含Nb相总体含量不高，故XRD没能检测出来，相关问题尚待今后进一步的深入研究。