第11期 李亚波等：铈对C12铁素体不锈钢抗高温氧化性能的影响 ,1407 的影响 分析采用红外吸收法，Si、Mn,Ce、P、Ni、Al和Ti等 元素的分析采用电感耦合等离子体原子发射光谱 1实验方法 (ICP一AES)法，Cr含量采用滴定法分析，得到实验 冶炼工作：实验钢的冶炼在50kg真空感应炉 钢的化学成分如表1所示 上进行，浇铸39kg钢锭，共冶炼五炉Cr12铁素体 从表1可以看出，所冶炼的5炉钢的合金元素 不锈钢.第1炉未添加Ce,其余炉次均含有不同量 控制基本稳定，只是4#钢的氧含量稍高，5#钢的碳 的Ce,冶炼后对化学成分进行分析，C、S、0和N的 含量相对于其他炉次稍高， 表1试样化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of samples % 编号 C Si Mn P Cr 0 N Ce 1# 0.0010 0.48 0.30 0.0040 0.012 11.45 0.0059 0.0030 2# 0.0050 0.46 0.29 0.0050 0.018 11.52 0.0050 0.0029 0.018 3# 0.0021 0.52 0.31 0.0024 0.015 11.49 0.0055 0.0027 0.028 4# 0.0020 0.47 0.29 0.0040 0.018 11.52 0.0079 0.0027 0.036 5# 0.0180 0.54 0.31 0.0013 0.016 11.55 0.0026 0.0028 0.056 注：其他元素Ni<0.1%,A1<0.005,Ti<0.005%. 热加工：钢锭锻造成15mm的钢棒，开锻温度 1#试样在每次取出冷却称量时，氧化膜都会脱落一 大于1100℃，终锻温度小于800℃，锻后水冷 次；2、3*和4试样氧化膜也有脱落现象，但没有1# 抗高温氧化性能：抗高温氧化性能的测定参照 严重；铈含量高的5试样氧化膜由始至终未脱落. 中华人民共和国航空工业标准HB5258一2000中 2.2高温氧化动力学曲线 的增重法，将试样加工成10mm×30mmX2mm的 由图1可以看出，较低温度(600,700和800℃) 薄片，600砂纸打磨光亮，并用丙酮清洗表面油脂. 时，所有试样的抗高温氧化性能非常优秀，氧化增重 试样放入恒温的氧化气氛的箱式电阻炉中，每24h 曲线呈抛物线形，而且随铈含量的增加，氧化增重 取出一次，冷却至室温，利用分析精度为0.0001g 降低 的天平称坩埚与试样的总质量并记录，总氧化时间 900℃氧化时，所有试样的氧化速率较快：1钢 大于100h,氧化温度取600、700、800和900℃.作 的增重曲线呈直线形；2#试样也基本呈直线形，但 增重曲线，利用扫描电镜观察氧化形貌，利用XRD 是在氧化50~75h时氧化增重有一个较大的波动， 扫描氧化层表面作物相分析， 这可能是期间有氧化膜开裂导致大规模脱落而造成 晶粒组织观察实验：为研究晶粒尺寸因素对实 的；3、4和5钢的氧化动力学曲线都呈抛物线 验钢抗氧化性能的影响，在锻后圆棒上每个炉号取 形，氧化初期的氧化速率比较快，但到后面氧化增重 10mm×10mm×10mm的金相试样一个，五个金相 不明显，显然，随着铈含量的增加，氧化的动力学已 样均在锻后材料的同一部位（相当于钢锭中部）取 经发生了改变， 得，800℃下加热，保温30min后空冷，打磨、抛光后 根据Wagner[山氧化膜抛物线生长动力学理论， 侵蚀，侵蚀剂采用5g氯化铁+15mL盐酸十100mL 抛物线形氧化曲线所反映的氧化反应是受扩散限制 水溶液.按照标准YB/T5148-1993《金属平均晶 环节控制的，所形成的氧化膜具有良好的保护性能. 粒度测定法》中的截点法来测定热处理后钢的晶粒 直线形氧化曲线所反映的反应是受界面反应限 平均尺寸， 制环节控制的，一般来说，所形成的氧化膜不具备保 2实验结果及讨论 护性能.本实验的氧化机理要结合后面的氧化膜形 貌观察和物相分析一起进行讨论， 2.1氧化过程观察 2.3氧化形貌观察及氧化物物相分析 经过100h的氧化，600℃和700℃氧化的试样 在电镜下对氧化后的试样表面及横截面进行照 还保持着金属光泽，表面稍有些发蓝色或金黄色 相并做能谱分析，以观察在不同温度下不锈钢的氧 800℃时，试样表面形成一层黑色氧化膜.900℃时， 化形貌及铈的影响，的影响． 1 实验方法 冶炼工作：实验钢的冶炼在50kg 真空感应炉 上进行‚浇铸39kg 钢锭．共冶炼五炉 Cr12铁素体 不锈钢．第1炉未添加 Ce‚其余炉次均含有不同量 的 Ce‚冶炼后对化学成分进行分析．C、S、O 和 N 的 分析采用红外吸收法‚Si、Mn、Ce、P、Ni、Al 和 Ti 等 元素的分析采用电感耦合等离子体原子发射光谱 （ICP—AES）法‚Cr 含量采用滴定法分析‚得到实验 钢的化学成分如表1所示． 从表1可以看出‚所冶炼的5炉钢的合金元素 控制基本稳定‚只是4＃钢的氧含量稍高‚5＃钢的碳 含量相对于其他炉次稍高． 表1 试样化学成分（质量分数） Table1 Chemical composition of samples ％ 编号 C Si Mn S P Cr O N Ce 1＃ 0∙0010 0∙48 0∙30 0∙0040 0∙012 11∙45 0∙0059 0∙0030 — 2＃ 0∙0050 0∙46 0∙29 0∙0050 0∙018 11∙52 0∙0050 0∙0029 0∙018 3＃ 0∙0021 0∙52 0∙31 0∙0024 0∙015 11∙49 0∙0055 0∙0027 0∙028 4＃ 0∙0020 0∙47 0∙29 0∙0040 0∙018 11∙52 0∙0079 0∙0027 0∙036 5＃ 0∙0180 0∙54 0∙31 0∙0013 0∙016 11∙55 0∙0026 0∙0028 0∙056 注：其他元素 Ni＜0∙1％‚Al＜0∙005‚Ti＜0∙005％． 热加工：钢锭锻造成●15mm 的钢棒‚开锻温度 大于1100℃‚终锻温度小于800℃‚锻后水冷． 抗高温氧化性能：抗高温氧化性能的测定参照 中华人民共和国航空工业标准 HB 5258—2000中 的增重法．将试样加工成10mm×30mm×2mm 的 薄片‚600＃砂纸打磨光亮‚并用丙酮清洗表面油脂． 试样放入恒温的氧化气氛的箱式电阻炉中‚每24h 取出一次‚冷却至室温‚利用分析精度为0∙0001g 的天平称坩埚与试样的总质量并记录‚总氧化时间 大于100h‚氧化温度取600、700、800和900℃．作 增重曲线‚利用扫描电镜观察氧化形貌‚利用 XRD 扫描氧化层表面作物相分析． 晶粒组织观察实验：为研究晶粒尺寸因素对实 验钢抗氧化性能的影响‚在锻后圆棒上每个炉号取 10mm×10mm×10mm 的金相试样一个‚五个金相 样均在锻后材料的同一部位（相当于钢锭中部）取 得‚800℃下加热‚保温30min 后空冷‚打磨、抛光后 侵蚀‚侵蚀剂采用5g 氯化铁＋15mL 盐酸＋100mL 水溶液．按照标准 YB／T 5148—1993《金属平均晶 粒度测定法》中的截点法来测定热处理后钢的晶粒 平均尺寸． 2 实验结果及讨论 2∙1 氧化过程观察 经过100h 的氧化‚600℃和700℃氧化的试样 还保持着金属光泽‚表面稍有些发蓝色或金黄色． 800℃时‚试样表面形成一层黑色氧化膜．900℃时‚ 1＃试样在每次取出冷却称量时‚氧化膜都会脱落一 次；2＃、3＃和4＃试样氧化膜也有脱落现象‚但没有1＃ 严重；铈含量高的5＃试样氧化膜由始至终未脱落． 2∙2 高温氧化动力学曲线 由图1可以看出‚较低温度（600‚700和800℃） 时‚所有试样的抗高温氧化性能非常优秀‚氧化增重 曲线呈抛物线形‚而且随铈含量的增加‚氧化增重 降低． 900℃氧化时‚所有试样的氧化速率较快：1＃钢 的增重曲线呈直线形；2＃ 试样也基本呈直线形‚但 是在氧化50～75h 时氧化增重有一个较大的波动‚ 这可能是期间有氧化膜开裂导致大规模脱落而造成 的；3＃、4＃和5＃ 钢的氧化动力学曲线都呈抛物线 形‚氧化初期的氧化速率比较快‚但到后面氧化增重 不明显．显然‚随着铈含量的增加‚氧化的动力学已 经发生了改变． 根据 Wagner ［1］氧化膜抛物线生长动力学理论‚ 抛物线形氧化曲线所反映的氧化反应是受扩散限制 环节控制的‚所形成的氧化膜具有良好的保护性能． 直线形氧化曲线所反映的反应是受界面反应限 制环节控制的‚一般来说‚所形成的氧化膜不具备保 护性能．本实验的氧化机理要结合后面的氧化膜形 貌观察和物相分析一起进行讨论． 2∙3 氧化形貌观察及氧化物物相分析 在电镜下对氧化后的试样表面及横截面进行照 相并做能谱分析‚以观察在不同温度下不锈钢的氧 化形貌及铈的影响． 第11期 李亚波等： 铈对 Cr12铁素体不锈钢抗高温氧化性能的影响 ·1407·