耐热钢的抗氧化性能分析

  耐热钢在高温下长时间工作时，由于受力必然要发生变形，所以对耐热钢的最基本要求之一是在高温下要有足够的强度，也就是应具有持久强度和疲劳强度；此外，由于钢的表面和高温空气、燃气、蒸汽等接触会发生氧化或遭受腐蚀，为此要求耐热钢在高温下必须要具有足够的化学稳定性。

  钢与合金在高温下不可避免地会与氧起化学反应，并在其表面生成氧化膜。从铁-氧相图（见图4-4）可以看出，铁的氧化在560℃以上加剧，这是由于氧化膜中出现了FeO的缘故。此时的氧化膜由三层组成（见图4-5），最表层为Fe₂O₃，中层为Fe₃O₄，最里层与铁接触的部分为FeO。由于FeO中空位较多，氧原子易于向内扩散与铁离子结合，因此氧化加剧。为了提高铁的抗氧化性，首先要防止FeO出现，最好能形成含有合金元素的、结构致密并与钢件牢固结合的氧化膜。

  铁中加入Cr、Al、Si等元素后，可提高FeO出现的温度。如含1.03％的铬，可使FeO在600℃出现；1.5％铬可使FeO在650℃出现。而1.14％的硅，可使FeO在750℃出现；1.1％Al＋0.4％Si，可使FeO在800℃出现；比较高的Cr、Al、Si含量，可使FeO，即使在800～1200℃也不出现。而且，当钢中含有这些元素时，在高温下可形成合金氧化膜，如Cr₂O₃、Al₂O₃或FeO·Cr₂O₃、FeO·Al₂O₃、Fe₂SiO₄等，这些合金氧化膜对基体具有良好的保护作用。

  由于硅在高含量时显著增大钢的脆性，所以一般限制其含量在3％以下。几种常用合金元素对钢抗氧化能力的影响如图4-6所示。就铬的影响而言，钢的使用温度与铬含量的关系，如图4-7所示。从图4-7中可以看出，在600～650℃，钢中需有5％的铬，才有足够的抗氧化性；在800℃左右时，就要含12％的铬才抗氧化；950℃就需要20％的铬；1100℃则必须含有28％的铬才可抗氧化，如此等等。假如用铝，在600～650℃需要4％的铝；850℃需要7％的铝。如果综合使用Cr、A1、Si元素，则可发挥更大的抗氧化效能。例如，6％Cr加2％Si可把抗氧化温度提高到900℃，其氧化膜结构由内向外是：(FeO)₂·SiO₂，FeO·Cr₂O₃，Fe₂O₃。

  一般情况下，铬铝钢表面的氧化膜其成分与结构和钢的化学成分有关。在Cr和Al含量较少时，氧化膜主要为铁的氧化物；Al含量多时，氧化膜主要由Al2O3组成；Cr含量多时，氧化膜主要由Cr₂O₃组成。当钢表面形成Al₂O₃或Cr₂O₃时，钢有良好的抗氧化能力，并且在抗温度剧变能力方面，Cr₂O₃比Al₂O₃要优越。