GX40Cr NiSi25-20奧氏體不銹鋼的高溫氧化性能研究

陳啟超，游程超，范曉明，李嘉臻，朱穩定

（1.武漢工控藝術制造有限公司，湖北武漢430200；2.六和金屬（湖北）有限公司，湖北仙桃433000；3.武漢理工大學 材料科學與工程學院，湖北武漢430070）

奧氏體耐熱不銹鋼由于其具有較高的耐熱溫度而被廣泛應用于各個行業當中。由于其長期處在高溫環境中工作，高溫氧化是其使用時最常見也是最重要的腐蝕破壞形式，因此，研究奧氏體耐熱不銹鋼的高溫抗氧化性能對其應用選材具有重要意義。國內外學者在不銹鋼的高溫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結果。譬如中國科學院金屬研究所的李磊等[5]研究了00Cr25Ni22Mo2N奧氏體不銹鋼在700℃、800℃和900℃時的高溫氧化行為，分析了不同溫度氧化條件下的氧化產物與氧化膜厚度。龍劍平[6]、裴明德[7]、李冬升[8]等人分別研究了1Cr18Ni9Ti、310S、Super304H和Super304HS奧氏體不銹鋼在不同溫度下的高溫氧化行為，分析了氧化膜的形貌和物相組成。目前，汽車行業對增壓器渦殼的工作環境溫度的要求越來越高，奧氏體耐熱不銹鋼已成為制作渦殼的主流發展方向，要求其耐熱溫度達到1000℃以上。GX40CrNiSi25-20為汽車渦輪增壓器殼體鑄件用奧氏體耐熱不銹鋼，但是，對其抗高溫氧化性能的相關研究還較少見報道。本文擬以GX40CrNiSi25-20奧氏體不銹鋼為研究對象，利用氧化增重法研究其在700℃、900℃和1100℃溫度下，分別經歷20h、40h、60h、80h和100h后的高溫抗氧化性能，并采用X射線衍射和電子顯微鏡分析其表面氧化膜的物相組成和微觀形貌，以期對認識其抗高溫氧化能力和選材應用有所裨益。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣制備

利用中頻感應電爐熔煉奧氏體耐熱不銹鋼GX40CrNiSi25-20，然后取樣澆注激冷試樣，采用PDA-5500S型島津光電發射光譜儀測試成分（見表1），合格后澆注樹脂砂殼型Y塊試樣，截取其底部長條（見圖1），然后采用線切割加工成大小為30mm×10mm×4mm的方形試樣，再用SiC水磨砂紙由粗到細逐級打磨表面，在拋光機上進行表面拋光，并進行無水乙醇清洗和干燥處理，最后置于干燥皿中備用。

表1 GX40Cr NiSi25-20奧氏體不銹鋼的化學成分 ωB/%

圖1 Y型試塊尺寸示意圖（單位：mm）

1.2 高溫氧化實驗

采用靜態氧化不連續稱重法測試GX40Cr-NiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼的高溫抗氧化性能。千分尺測量試樣的長、寬和高三次，取平均值計算其總表面積。試樣置于耐高溫瓷舟內，用AL204型精密電子天平稱量氧化前、后的試樣與瓷舟的總質量，結果取三次稱重的平均值。實驗前，先將瓷舟焙燒至恒定的重量然后再放置試樣，以減少其對試驗結果的影響。高溫氧化試驗設備為SXQ16-8-17型自動控溫硅鉬高溫電阻爐。試驗采用恒溫氧化法，即分別在700℃、900℃和1100℃高溫條件下同時放入試樣，每隔20h將試樣連同瓷舟取出冷至室溫稱重，直到100h。根據氧化前后試樣與瓷舟的總質量差繪制高溫氧化動力學曲線，然后觀察氧化試樣的表面形貌，利用D/MAX-RB型X射線衍射儀和JSM-IT300型電子顯微鏡進行氧化試樣表面氧化膜的物相組成及表面形貌分析。

2 結果與分析

2.1 氧化動力學分析

采用不連續恒溫氧化增重法，通過試樣和瓷舟氧化試驗前后的總質量差與試樣表面積之比來計算奧氏體耐熱不銹鋼的氧化增重。氧化增重值越小，說明奧氏體耐熱不銹鋼的高溫抗氧化能力越強；反之，抗氧化性能越弱。圖2為GX40Cr-NiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼在700℃、900℃和1100℃溫度下氧化100h的氧化動力學曲線。由圖2可知，GX40CrNiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼在700℃和900℃氧化時，其氧化增重值較小，高溫氧化動力學曲線遵循拋物線規律。在700℃和900℃溫度下氧化100h后，其氧化增重分別為0.143mg/cm2和0.323mg/cm2。在1100℃氧化時，其氧化速率相對于700℃、900℃時較大，在0～60h的高溫氧化時間段內，其重量增加較快；60h后，其重量增加速率漸漸變慢，曲線趨于平緩，但是其重量一直處于增加的狀態，其氧化動力學曲線仍遵循拋物線規律。試樣經過60h、100h的高溫氧化后，其氧化增重值分別為0.787mg/cm2、0.813mg/cm2。這表明GX40CrNiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼具有較好的抗高溫氧化的能力，能適應高溫使用環境。

由氧化動力學曲線可知，氧化時間和溫度對GX40CrNiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼的氧化增重值有重要的影響。隨著氧化溫度的升高與氧化時間延長，其氧化增重值增大。在金屬剛開始發生氧化時，其氧化反應速率由化學反應控制，所以在試樣的氧化初期，其氧化增重的速率較快。隨后，試樣表面生成完整的氧化膜后，其氧化反應速率由原子擴散控制，故在氧化后期時，試樣重量增加的速率逐漸變慢。此外，GX40CrNiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼良好的高溫抗氧化性能與其較高的含Ni量（ωNi=19.631%）有關，因為Ni是提高鋼耐蝕和耐熱性的元素，隨著鎳含量的提高，奧氏體不銹鋼耐氧化性介質的性能提高。

圖2 GX40CrNiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼氧化動力學曲線

2.2 氧化膜表面形貌分析

2.2.1 氧化膜表面形貌宏觀分析

圖3為GX40CrNiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼在700℃、900℃和1100℃溫度下分別氧化20h、40h、60h、80h、100h后試樣表面氧化膜的宏觀形貌。

由3可知，GX40CrNiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼在氧化溫度為700℃時，氧化初期0～60h的時間段內，其抗高溫氧化試樣表面發生了輕微的點腐蝕破壞，并且可以觀察到試樣表面所帶有的金屬光澤；當氧化時間延長至80～100h時，試樣表面顏色逐漸加深，直至整個試樣表面變成黑色。當氧化溫度為900℃時，在氧化初期20h后，抗高溫氧化不銹鋼試樣表面已基本被氧化成了黑色，隨著氧化時間愈長，試樣表面顏色愈深。在經歷1100℃高溫氧化后，試樣表面顏色變化基本同900℃狀態，只是顏色顯得更深。顯然，高溫氧化溫度愈高，氧化時間越長，奧氏體耐熱不銹鋼試樣被氧化的狀態將愈嚴重，表面氧化的程度越大。

2.2.2 氧化膜表面形貌SEM分析

為了進一步分析奧氏體耐熱不銹鋼表面氧化層的微觀形貌，對GX40CrNiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼試樣表面進行了掃描電鏡觀察，其在700℃、900℃和1100℃溫度下氧化100h的表面氧化膜的SEM照片如圖4所示。

從圖4中可以看到，當氧化溫度為700℃時，仍能看到奧氏體耐熱不銹鋼試樣表面的金屬光澤和加工劃痕，試樣表面只是發生局部程度較輕的氧化現象，且氧化膜無開裂；當氧化溫度為900℃時，試樣表面氧化程度相較于700℃時加劇，試樣表面部分氧化膜發生了局部的脫離和剝落；當氧化溫度為1100℃時，試樣的氧化程度進一步加劇，此時，試樣表面發生了嚴重破壞。由于奧氏體耐熱不銹鋼的金相組織由奧氏體基體和晶間共晶碳化物組成，在此溫度下氧化時，其奧氏體基體被大量氧化，從而剩下大量的孔洞，其晶間共晶碳化物不易發生氧化，所以形成了晶界接連的網狀結構。對比GX40CrNiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼在700℃、900℃和1100℃時的氧化膜微觀形貌，可以發現，氧化溫度對其氧化程度影響較大，氧化溫度越高，試樣表面被氧化的越嚴重。

2.3 氧化產物的XRD分析

為弄清氧化試樣表面氧化膜的物相組成，對不同溫度下氧化100h后的試樣表面進行了XRD檢測，結果見圖5。

由圖5可知，GX40CrNiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼試樣在不同溫度下氧化100h后檢測到的主要物相如下：在700℃時為NiO、Fe0.98O、Cr2O3和Fe0.64Ni0.36奧氏體相；在900℃時表面氧化膜物相為Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3和尖晶石結構；在1100℃時氧化膜的物相為Fe2O3、FeO、Cr2O3和尖晶石結構。生成的Cr2O3和尖晶石結構等產物有益于高溫抗氧化性能。這里需要說明的是，表1顯示試樣材料中加入了Nb元素。一般而言，含Nb不銹鋼比不含Nb的具有更好的高溫強度和抗氧化性能。但是，由于Nb在不銹鋼中可能存在固溶，與碳、氮形成化合物，形成金屬間化合物等較為復雜，而含Nb相總體含量不高，故XRD沒能檢測出來，相關問題尚待今后進一步的深入研究。

圖3 GX40CrNiSi25-20試樣的表面氧化狀態實物圖

圖4 GX40CrNiSi25-20在不同溫度下氧化100h的表面氧化膜SEM照片

3 結論

（1）GX40CrNiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼的高溫氧化動力學曲線遵循拋物線規律，具有良好的高溫抗氧化性能。在700℃、900℃、1100℃溫度下氧化100h后，其氧化增重分別為0.143mg/cm2、0.323mg/cm2和0.813mg/cm2。

（2）經歷100h高溫氧化后，在700℃時，試樣表面發生輕微的氧化，氧化膜無開裂；900℃時表面氧化膜出現少量剝落；1100℃氧化后，試樣表面發生了嚴重破壞。

（3）100h氧化后，不同溫度試樣表面氧化膜的主要物相中均含有Cr2O3，生成的Cr2O3和尖晶石結構等產物，使得其具有良好的高溫抗氧化性能。

圖5 GX40CrNiSi25-20不銹鋼在不同溫度下氧化100h的XRD衍射圖