稀土在430铁素体不锈钢中的行为及作用机理研究
本文通过低倍组织观察，实验室升温氧化实验，加速腐蚀、电化学等腐蚀测试，并配合扫描电镜、X射线衍射等手段研究了稀土对430铁素体不锈钢的凝固组织、抗高温氧化性能和耐腐蚀性能的影响。研究了实验室试制的两批试验不锈钢，加入不同含量的稀土，范围在0.05～O.6％，并将由于冶炼操作水平产生的不同的总氧含量分为两个组，高氧组(0.0150％～0.0200％)和低氧组(集中在0.0070～0.0100％)，并讨论了总氧含量对稀土合金化作用的影响。 铸锭的低倍凝固组织研究结果表明，稀土对430铁素体不锈钢凝固组织的改善作用是明显的，稀土使430铁素体不锈钢凝固组织中的柱状晶区域缩小、最多缩小35.9％；同时稀土使中心等轴晶区域扩大、最多扩大了10倍，并使中心等轴晶明显的细化。稀土使柱状晶区域缩小和柱状晶细化的作用，可以减小化学成分的偏差，提高材料变形性能的均匀性从而防止产生皱折：430铁素体不锈钢塑性应变比加权平均值(-ｒ)随稀土含量的增加而增加，不含稀土的试样其(-ｒ)值为0.899，而稀土含量为0.283％的试样，其(-ｒ)值则提高到了1.278，由此可见稀土对430RE铁素体不锈钢薄板成型性的改善是有益的。 通过不同的升温氧化方法研究了稀土对430铁素体不锈钢的抗高温氧化性能的影响，研究结果表明在稀土元素的作用下，试验不锈钢的抗高温氧化性能得到了显著提高，氧化增重量随稀土总量的增加大幅度降低，不含稀土的试样其氧化增重量是含稀土(W<,RE>％=0.28％)的15.25倍，氧化层的厚度也降低数十倍甚至百倍。在本试验连续升温氧化的试验条件下，稀土促进Cr、Mn向合金表面和氧化反应发生的界面更快更多地富集，从而改变了合金元素氧化反应过程中的动力学条件，使不锈钢表面发生的复杂氧化反应进行的过程和产物发生变化，生成了更多尖晶石相的固态反应产物，阻碍了对不锈钢基体氧化反应的进一步进行。同时还发现，当动力学条件允许时，稀土元素也能够到达氧化层参与反应，同Cr氧化物和尖晶石相一起阻碍氧化反应的进行。由于稀土元素在高温氧化过程中实际上始终是在向着氧化层运动，所以无论它是否到达氧化层，它在自身迁移的过程中都能够同时促进cr等元素的运动。另外，稀土在改善试验钢抗高温氧化性能的过程中，总氧含量对其作用的发挥也有一定的影响，总氧含量越低且稀土固溶量越高，430铁素体不锈钢的抗高温氧化性能越好，改善越明显。 通过电化学试验等腐蚀测试手段测量了430不锈钢的带钝化特征极化曲线和带点蚀特征极化曲线，计算了稀土试验钢的腐蚀反应特征值：自腐蚀电位、自腐蚀电流、极化电阻以及点腐蚀电位，研究了稀土对试验钢耐蚀性能的影响。结果表明加稀土后，铁素体不锈钢的耐蚀性得到了明显改善：钝化稳定性增强，自腐蚀电位平均提高300mV，自腐蚀电流平均减小100mA，极化电阻提高3Ω／cm2、点腐蚀电位平均提高了200mV并从负电位逐渐正移为正电位。稀土可以提高试验钢的自腐蚀电位、极化电阻，从而抑制了阳极反应，使整个电化学反应的阻力增大，使得钢的腐蚀速率显著降低。稀土可以通过推动Cr扩散迁移促进钝化膜的形成来提高试验钢的钝化性能，点腐蚀击穿电位因此提高、钝化膜的保护作用增强，同时使不锈钢点腐蚀发生的时间滞后，则不锈钢使用寿命延长。稀土在改善试验钢耐腐蚀性能的过程中，总氧含量对其作用的发挥有很大的影响，总氧含量越低越有利于稀土发挥其改善作用。总氧含量越低且固溶稀土量越高，430铁素体不锈钢的耐腐蚀性能越好，其改善越明显。 因此，本试验结果表明，稀土对430不锈钢抗高温氧化性能和耐腐蚀性能有益影响的机理是一致的。在高温氧化、腐蚀反应以及类似的化学反应中，只要是有Cr参加并且其反应产物是希望得到的对性能有利的物质，则稀土都能对Cr原子的扩散起到推动，从而对反应起到促进作用。实验数据更进一步表明，固溶态的稀土对这些性能的改善有更密切的关系，430不锈钢某方面的性能提高与稀土总量的提高固然有关系，但是稀土固溶量的提高能够带来更直接的效果。
- 作者：
- 朱京希
- 学位授予单位：
- 钢铁研究总院
- 专业名称：
- 冶金物理化学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2006年
- 导师姓名：
- 王龙妹
- 中图分类号：
- TG142.23；O614.33
- 关键词：
- 稀土；铁素体不锈钢；凝固组织；高温氧化
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