20g鋼在高溫下氧化行為的研究

摘 要:通過20g鋼分別在600℃， 800℃高溫條件下的氧化實(shí)驗(yàn)，用靜態(tài)增重法測出氧化動力學(xué)曲線，其近似于三條斜率不同的直線，且隨溫度的增加氧化速率變大;對氧化膜進(jìn)行X-Ray衍射，SEM以及能譜分析，結(jié)果表明，其氧化膜的氧化物為Fe3O4·O，呈針狀及片狀，且發(fā)現(xiàn)其氧化物晶粒開始形成的位置是隨機(jī)的，氧化初期的氧化速率較大，隨后趨于平緩，并且氧化一直從表層開始發(fā)生。

關(guān)鍵詞:20g鋼高溫氧化氧化動力學(xué)氧化膜

中圖分類號:TG172文獻(xiàn)標(biāo)識碼:Ａ文章編號:1674-098X(2011)08(a)-0081-02

20g厚壁無縫鋼管主要用做石油地質(zhì)鉆探管、石油化工用的裂化管、鍋爐管、航空用結(jié)構(gòu)管等[1-3]，經(jīng)常會在高溫的情況下工作，高溫會加快金屬氧化腐蝕，使其原本性能下降，使用壽命減短，嚴(yán)重的情況下甚至?xí)l(fā)生意想不到的工程事故[4]。研究20g鋼的文章較多，但是其研究溫度及內(nèi)容都比較單一，沒有橫向的可比性，說明問題能力也較小。本文將對20g鋼在2中不同的高溫下氧化行為研究，確定其氧化動力學(xué)曲線，運(yùn)用能譜分析，X-Ray，以及掃描電子顯微鏡研究其氧化膜成分及形貌，及氧化膜的形成過程。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

用于測定氧化動力學(xué)曲線的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為1200℃的高溫電阻爐2臺，先將爐溫分別設(shè)置為600℃，800℃。

實(shí)驗(yàn)所用的材料是熱軋的20g厚壁無縫鋼管，用線切割從鋼板上切割下7mm的立方實(shí)驗(yàn)試樣若干塊，用砂紙依次磨制，之后用丙酮清洗干凈，其中特定2塊做好標(biāo)記，用于氧化動力學(xué)曲線測定。

待2爐的爐溫達(dá)到指定的溫度要求，然后將預(yù)先制作好的懸掛架放于爐內(nèi)，并將試樣懸掛于架上進(jìn)行高溫氧化，在此條件下開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)氧化到2h，6h，8h，24h，64h時從各爐內(nèi)取出一塊試樣，進(jìn)行電鏡掃描觀察氧化膜形貌，能譜分析，X射線衍射分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 氧化動力學(xué)研究

根據(jù)試樣分別在2個不同溫度下氧化后單位面積增重量繪制20g鋼的氧化動力學(xué)曲線。從圖1可以看出:

(1)20g在高溫下氧化的氧化動力學(xué)曲線可以近似為三條不同斜率的直線，在16h之前，氧化曲線的斜率比較大，因?yàn)榇穗A段的氧化是由氧控制進(jìn)行的，空氣中氧比較充足以至于氧化較快。

(2)在16h-48h，氧化動力學(xué)曲線近似一條斜率較小的直線，氧化速率較慢，是因?yàn)榻?jīng)過前面16h的氧化，試樣表面已形成氧化膜，阻礙了試樣的進(jìn)一步氧化。

(3)氧化進(jìn)行到48h之后，氧化動力學(xué)曲線近似一條斜率為零的直線，是因?yàn)樵嚇颖砻嫜趸镏懈患腇e大量減少，抑制了新氧化物的形成;同時由于氧化膜的形成抑制了擴(kuò)散反應(yīng)和界面反應(yīng)。

(4)隨著溫度的升高，20g鋼的氧化速率變大且氧化程度加重，在600℃，氧化的量是十分少的，當(dāng)溫度為800℃時氧化的量明顯增大。

2.2 氧化膜形貌的分析

由圖2a可以看出，在600℃下，氧化進(jìn)行2h后，試樣的表面就形成了比較致密的針狀的氧化物，說明在該溫度下氧化較快;當(dāng)氧化進(jìn)行到8h時，原先的針狀氧化膜繼續(xù)生長，變成了片狀，表面試樣表面氧化膜的生長方式是按照形核→長大的方式進(jìn)行的;氧化進(jìn)行到64h，氧化膜的表面形成了致密的片狀氧化物。

由圖2b，在800℃的高溫下氧化的電鏡圖片可以看出，20g鋼在該溫度下的氧化是十分劇烈的，氧化進(jìn)行2h時，便形成了大于1層的氧化膜，并在該氧化膜的基礎(chǔ)上有長出了較粗的針狀氧化物顆粒;當(dāng)氧化進(jìn)行到8h之后，試樣表面的氧化膜就已經(jīng)十分的致密了，原來針狀片狀的氧化物都生長并連到一起，緊密的包裹了試樣;氧化64h時，在原先致密的氧化膜表面又有少許的氧化物顆粒形成，說明氧化還在極為緩慢的進(jìn)行。

2.3 氧化膜成分及物相分析

(1)試樣在600℃和800℃下進(jìn)行高溫氧化64小時后的各元素含量圖像如圖3所示，其X射線衍射圖像如圖3所示。(2)由圖2可以看出，600℃下，試樣氧化2h后和氧化64h后的O∶Fe分別為，1.50∶1和1.74∶1，在800℃下的O∶Fe分別為1.64∶1和1.74∶1，由此可以知道，試樣在800℃下的前期氧化比在600℃下前期氧化的速度要快，最后試樣表面形成相同成分的氧化膜，說明在600℃氧化與800℃氧化最終物質(zhì)是相似的，并且氧化一直在氧富集的條件下進(jìn)行。(3)通過圖Fig.3試樣在600℃和800℃下分別氧化2h，氧化物為極少量的Fe3O4和α- Fe2O3，氧化進(jìn)行64h后，氧化膜成分為極少量α-Fe2O3與較多Fe3O4，并且由能譜圖Fig.4可以確定最終的氧化產(chǎn)物為Fe3O4·O。

3 結(jié)語

(1)20g剛在600℃和800℃下氧化的最終物質(zhì)相同，都為富氧的Fe3O4。(2)氧化過程中氧化物最先形成的位置是隨機(jī)位置，且進(jìn)一步氧化是在原先氧化膜的表面開始，并非是氧化膜與基體的結(jié)合處。(3)氧化動力學(xué)曲線可近似為3條斜率不同的直線，開始時氧化速度較快，隨著氧化時間的增加而逐漸趨于平緩，且隨著氧化溫度的增加，20g的氧化速度越快，且氧化程度越大。

參考文獻(xiàn)

[1]吳維韜，金屬腐蝕研究集萃[C].曹楚南院士論文選，2010.

[2]陳鴻偉，李永華，梁化忠，鍋爐高溫腐蝕實(shí)驗(yàn)研究[J].—中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003(01).

[3]盧金柱，王斌，周冬梅，桑東恒，氣田集輸管線腐蝕及其防護(hù)[J].—石油化工腐蝕與防護(hù)，2010，27(3).

[4]伯克斯 N，邁耶G H，金屬高溫氧化導(dǎo)論[M].趙公臺譯.北京冶金工業(yè)出版社，1989.