陳啟超，游程超，范曉明，李嘉臻，朱穩(wěn)定

（1.武漢工控藝術(shù)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(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)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(yīng)用于各個(gè)行業(yè)當(dāng)中。由于其長期處在高溫環(huán)境中工作，高溫氧化是其使用時(shí)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(duì)其應(yīng)用選材具有重要意義。國內(nèi)外學(xué)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(jié)果。譬如中國科學(xué)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(shí)的高溫氧化行為，分析了不同溫度氧化條件下的氧化產(chǎn)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(yè)對(duì)增壓器渦殼的工作環(huán)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(fā)展方向，要求其耐熱溫度達(dá)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(duì)其抗高溫氧化性能的相關(guān)研究還較少見報(bào)道。本文擬以GX40CrNiSi25-20奧氏體不銹鋼為研究對(duì)象，利用氧化增重法研究其在700℃、900℃和1100℃溫度下，分別經(jīng)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(duì)認(rèn)識(shí)其抗高溫氧化能力和選材應(yīng)用有所裨益。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣制備

利用中頻感應(yīng)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(fā)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(xì)逐級(jí)打磨表面，在拋光機(jī)上進(jìn)行表面拋光，并進(jìn)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(xué)成分 ωB/%

圖1 Y型試塊尺寸示意圖（單位：mm）

1.2 高溫氧化實(shí)驗(yàn)

采用靜態(tài)氧化不連續(xù)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(jì)算其總表面積。試樣置于耐高溫瓷舟內(nèi)，用AL204型精密電子天平稱量氧化前、后的試樣與瓷舟的總質(zhì)量，結(jié)果取三次稱重的平均值。實(shí)驗(yàn)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。高溫氧化試驗(yàn)設(shè)備為SXQ16-8-17型自動(dòng)控溫硅鉬高溫電阻爐。試驗(yàn)采用恒溫氧化法，即分別在700℃、900℃和1100℃高溫條件下同時(shí)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(jù)氧化前后試樣與瓷舟的總質(zhì)量差繪制高溫氧化動(dòng)力學(xué)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(jìn)行氧化試樣表面氧化膜的物相組成及表面形貌分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氧化動(dòng)力學(xué)分析

采用不連續(xù)恒溫氧化增重法，通過試樣和瓷舟氧化試驗(yàn)前后的總質(zhì)量差與試樣表面積之比來計(jì)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(qiáng)；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(dòng)力學(xué)曲線。由圖2可知，GX40CrNiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼在700℃和900℃氧化時(shí)，其氧化增重值較小，高溫氧化動(dòng)力學(xué)曲線遵循拋物線規(guī)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(shí)，其氧化速率相對(duì)于700℃、900℃時(shí)較大，在0～60h的高溫氧化時(shí)間段內(nèi)，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(tài)，其氧化動(dòng)力學(xué)曲線仍遵循拋物線規(guī)律。試樣經(jīng)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(yīng)高溫使用環(huán)境。

由氧化動(dòng)力學(xué)曲線可知，氧化時(shí)間和溫度對(duì)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(shí)間延長，其氧化增重值增大。在金屬剛開始發(fā)生氧化時(shí)，其氧化反應(yīng)速率由化學(xué)反應(yīng)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(yīng)速率由原子擴(kuò)散控制，故在氧化后期時(shí)，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(guān)，因?yàn)镹i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(zhì)的性能提高。

圖2 GX40CrNiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼氧化動(dòng)力學(xué)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(shí)，氧化初期0～60h的時(shí)間段內(nèi)，其抗高溫氧化試樣表面發(fā)生了輕微的點(diǎn)腐蝕破壞，并且可以觀察到試樣表面所帶有的金屬光澤；當(dāng)氧化時(shí)間延長至80～100h時(shí)，試樣表面顏色逐漸加深，直至整個(gè)試樣表面變成黑色。當(dāng)氧化溫度為900℃時(shí)，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(shí)間愈長，試樣表面顏色愈深。在經(jīng)歷1100℃高溫氧化后，試樣表面顏色變化基本同900℃狀態(tài)，只是顏色顯得更深。顯然，高溫氧化溫度愈高，氧化時(shí)間越長，奧氏體耐熱不銹鋼試樣被氧化的狀態(tài)將愈嚴(yán)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(jìn)一步分析奧氏體耐熱不銹鋼表面氧化層的微觀形貌，對(duì)GX40CrNiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼試樣表面進(jìn)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(dāng)氧化溫度為700℃時(shí)，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(fā)生局部程度較輕的氧化現(xiàn)象，且氧化膜無開裂；當(dāng)氧化溫度為900℃時(shí)，試樣表面氧化程度相較于700℃時(shí)加劇，試樣表面部分氧化膜發(fā)生了局部的脫離和剝落；當(dāng)氧化溫度為1100℃時(shí)，試樣的氧化程度進(jìn)一步加劇，此時(shí)，試樣表面發(fā)生了嚴(yán)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(shí)，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(fā)生氧化，所以形成了晶界接連的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。對(duì)比GX40CrNiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼在700℃、900℃和1100℃時(shí)的氧化膜微觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)，氧化溫度對(duì)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(yán)重。

2.3 氧化產(chǎn)物的XRD分析

為弄清氧化試樣表面氧化膜的物相組成，對(duì)不同溫度下氧化100h后的試樣表面進(jìn)行了XRD檢測，結(jié)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(shí)為NiO、Fe0.98O、Cr2O3和Fe0.64Ni0.36奧氏體相；在900℃時(shí)表面氧化膜物相為Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3和尖晶石結(jié)構(gòu)；在1100℃時(shí)氧化膜的物相為Fe2O3、FeO、Cr2O3和尖晶石結(jié)構(gòu)。生成的Cr2O3和尖晶石結(jié)構(gòu)等產(chǎn)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(qiáng)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(fù)雜，而含Nb相總體含量不高，故XRD沒能檢測出來，相關(guān)問題尚待今后進(jìn)一步的深入研究。

圖3 GX40CrNiSi25-20試樣的表面氧化狀態(tài)實(shí)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(jié)論

（1）GX40CrNiSi25-20奧氏體耐熱不銹鋼的高溫氧化動(dòng)力學(xué)曲線遵循拋物線規(guī)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(jīng)歷100h高溫氧化后，在700℃時(shí)，試樣表面發(fā)生輕微的氧化，氧化膜無開裂；900℃時(shí)表面氧化膜出現(xiàn)少量剝落；1100℃氧化后，試樣表面發(fā)生了嚴(yán)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(jié)構(gòu)等產(chǎn)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