耐熱鋼的耐高溫腐蝕性能

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耐熱鋼的耐高溫腐蝕性能

耐熱鋼經(jīng)常處于高溫復(fù)雜的腐蝕性環(huán)境中工作。耐高溫腐蝕是耐熱鋼的一項很重要的性能要求。高溫腐蝕是材料在高溫下與各類氣體環(huán)境發(fā)生的反應(yīng)。主要的高溫氣體腐蝕形式有：高溫氧化、硫化、氮化、碳化等形態(tài)。另外進(jìn)有高溫熔鹽腐蝕、高溫液態(tài)金屬腐蝕等。

1 、抗高溫氧化

金屬和氧的親和力大時，且氧在晶格內(nèi)溶解度達(dá)到飽和時，就在金屬表面上形成氧化物。一旦形成了氧化膜，氧化過程的繼續(xù)進(jìn)行將取決于兩個因素：(a)界面反應(yīng)速度，包括金屬/氧化物界面及氧化物/氣體兩個界面上的反應(yīng)速度；(b)參加反應(yīng)的物質(zhì)通過氧化膜的擴散速度，在一般情況下，當(dāng)金屬的表面與氧起始反應(yīng)生成極薄的氧化膜時，界面反應(yīng)起主導(dǎo)作用，即界面反應(yīng)是氧化膜生成的控制因素。但隨著氧化膜的生長增厚，擴散過程將逐漸起著越來越重要的作用，成為繼續(xù)氧化的控制因素。金屬表面形成的氧化膜一般是固態(tài)的，但是根據(jù)氧化膜的性質(zhì)不同，在較高溫度下，有些金屬的氧化物是液態(tài)的，有的還是氣態(tài)的。一般情況只有固態(tài)的氧化膜才有保護(hù)性，如Cr2O3氧化膜，但并非所有的固態(tài)氧化膜都具有保護(hù)性．其保護(hù)性的好壞取決于氧化物的高溫穩(wěn)定性、氧化膜的完整性、致密性、氧化膜的組織結(jié)構(gòu)和厚度、膜與金屬的相對熱膨脹系數(shù)以及氧化膜的生長應(yīng)力等因素。在這些因素中，氧化膜的完整性和致密性是至關(guān)重要的，而它又與膜的組織結(jié)構(gòu)和氧化物高溫穩(wěn)定性的關(guān)系尤為密切。

耐熱鋼的抗高溫氧化性可以直接用鋼在一定時間內(nèi)經(jīng)氧化腐蝕之后質(zhì)量損失的大小，即用金屬減重的速度來表示：

式中：K—氣體腐蝕速度；

m0—鋼受腐蝕前的質(zhì)量；

mt—鋼經(jīng)受r小時后的質(zhì)量；

S0—鋼腐蝕前的表面積。

當(dāng)鋼的腐蝕產(chǎn)物呈致密薄膜附著于材料表面不易脫落下來時，則可用增重的速度來表示：

在耐熱鋼中加鉻、鋁、硅和稀上元素等，與氧形成一層完整致密具有保護(hù)性的氧化膜。在金屬表面施加涂層也是提高抗高溫氧化能力的重要方法。如在耐熱鋼表面滲鋁、滲硅或鉻鋁、鉻硅共滲都有顯著的抗氧化效果。

2、 抗高溫硫化

高溫硫化是一種比純氧化更嚴(yán)重的高溫腐蝕形態(tài)，因為硫化物膜比氧化膜的缺陷濃度大，更容易開裂和剝落，特別是硫化物的熔點低，蒸汽壓高，多數(shù)硫化物共晶點低。硫化時，硫的存在形式對高溫硫化速度有影響。氣相的硫可能是以硫蒸汽、二氧化硫、三氧化硫，硫化氫和有機硫化物等形態(tài)存在。當(dāng)硫和氧同時存在時，在金屬表面上常形成氧化物和硫化物的混合銹層產(chǎn)物，這種銹層比在有H2S或有機硫以及硫蒸汽中產(chǎn)生的硫化物的保護(hù)性好。

由于硫化與氧化相似，因此，氧化的基本理論和防止氧化的基本措施都適用于硫化。在鋼中加鉻、鋁、硅等合金元素都可以在一定程度上防止或減緩高溫硫化。

3 、抗高溫氮化

氮化與氧化和硫化不同，其產(chǎn)生的失效形式也有所不同。氮化時其最終產(chǎn)物可以全是氮化物層，但該層耐水溶液腐蝕性能很差，或者由于氮擴散到金屬中去而降低金屬的塑性，當(dāng)在金屬表面不能形成一層連續(xù)的氮化物層時，該層很脆。因此，對基本幾乎無任何的保護(hù)作用。所以，在金屬表面一旦形成氮化，將顯著地降低金屬材料的綜合性能。

鐵、鉻、鋁、鈦等元素很容易形成氮化物；鎳、銅等元素即使在高溫下也不形成穩(wěn)定的氮化物。因此，鎳、銅等元素對抑制氮化是有作用的。在混合氣氛中(如含有硫的氣氛)，由于鎳易被硫化，因此，鎳也是不能抑制氮化的。但在實際工程中，高鎳鉻的材料仍是抗高溫氮化的最佳材料。材料的預(yù)氧化對提高其抗氮化性能有一定作用，對不銹耐熱鋼，效果尤為明顯。

4 、抗高溫碳化

高溫碳化是材料暴露于高溫下含碳的氣體或液態(tài)環(huán)境中由于氣體與材料表面發(fā)生高溫反應(yīng)，吸附在其表面上那一部分碳原子產(chǎn)生的表面增碳現(xiàn)象。金屬表面吸收大量的碳，碳連續(xù)不斷地滲入金屬內(nèi)部，當(dāng)超過了碳在金屬中的溶解度，高溫下將形成許多不穩(wěn)定的碳化物、析出石墨等，這就大大地降低了材料的耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能。特別是不銹鋼和耐熱鋼，由于碳化，在鋼中出現(xiàn)大量的碳化鉻，從而造成鋼的貧鉻，使耐腐蝕性能及抗高溫氧化性能顯著降低。碳化是一種危害很大的高溫腐蝕形態(tài)，但它不像高溫氧化和硫化那樣普遍。

使用高合金的耐熱鋼是解決高溫碳化的重要途徑。在工程中常用25Cr-20Ni鋼和25Cr-35Ni鋼來制造高溫裂解爐的爐管，效果很好。硅是提高鋼抗高溫碳化的有利元素之一，但它在鋼中的含量不宜超過2％。碳化物穩(wěn)定元素鈮、鈦、鎢等對提高抗高溫碳化性能是有利的。改變氣氛的成分能改變碳化條件，改善高溫碳化的環(huán)境。

5、 抗氫腐蝕

氫腐蝕是高溫腐蝕形態(tài)之一。一般發(fā)生在露點以上的高溫高壓氫環(huán)境中，如合成氨的生產(chǎn)和石化工業(yè)中的加氫裝置等都是在高溫高壓氫環(huán)境中進(jìn)行的。

氫腐蝕是指高溫下鋼中首先發(fā)生脫碳現(xiàn)象，即鋼中的碳化物分解，在鋼的表面上形成脫碳層，從而嚴(yán)重地降低鋼的力學(xué)性能。鋼中碳化物分解形成的碳原子在高溫高壓的氫環(huán)境中與氫反應(yīng)生成甲烷氣體。氫腐蝕是一種不可逆的氫損傷形態(tài)。

鋼中碳含量與氫腐蝕有直接關(guān)系。鋼中碳含量增加，使鋼的抗氫腐蝕性能變壞。在氫腐蝕條件下，選擇含碳量低的鋼是有益的。在鋼中加人能形成穩(wěn)定性高的碳化物的臺金元素，如鉻、鉬、鎢、鈦、鈮等是提高鋼的抗氫腐蝕的主要措施。0.5Mo鋼、0.5Cr-0.5Mo鋼、9/4Cr1Mo鋼等都具有較好的抗氫腐蝕性能。

6  、抗熱腐蝕

熱腐蝕是金屬材料在高溫含硫的燃?xì)夤ぷ鳁l件下與沉積在其表面上的鹽發(fā)生的反應(yīng)而引起的高溫腐蝕形態(tài)。最典型的實例是在含氯化鈉的大氣與含硫的油料燃燒時沉積在其表面上的硫酸鈉引起的高溫腐蝕。

環(huán)境中的硫與氯化鈉是導(dǎo)致產(chǎn)生熱腐蝕的主要環(huán)境因素。硫主要來自燃料，而氯化鈉主要來自大氣，當(dāng)一旦形成硫酸鹽類時，會加速材料的熱腐蝕過程。燃料中的硫含量及燃燒用的空氣中的氯化鈉含量是影響熱腐蝕的主要環(huán)境因素。因此，提高燃料的質(zhì)量，減少燃料中的雜質(zhì)含量足減緩熱腐蝕的重要措施。提高合金元素氧化物的穩(wěn)定性是抗熱腐蝕的主要因素。材料中含有鎢、鉬、釩等合金元素易于形成酸性熔融熱腐蝕，特別是釩，它封熱腐蝕的影響較大。但材料中含有鉻、鋁等合金元素對材料的抗熱腐蝕極為有利。一方面它能能與氧形成保護(hù)性良好的氧化膜，也可能形成尖晶石型復(fù)臺氧化膜，這對提高材料的抗熱腐蝕性能有很大好處。在材料中加入稀土元素等微量元素也能提高材料的抗熱腐蝕能力。在材料表面涂覆高溫涂層是提高材料抗熱腐蝕的重要措施。在航空發(fā)動機葉片表面上涂高溫涂層，能顯著地提高葉片抗熱腐蝕能力。