D0I:10.13374/i.issnl00It03.2009.11.040 第31卷第11期 北京科技大学学报 Vol.31 No.11 2009年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2009 铈对Cr12铁素体不锈钢抗高温氧化性能的影响 李亚波)王福明)李长荣)宋波) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要参照标准HB5258一2000中的增重法对不同铈含量的C12铁素体不锈钢的抗高温氧化性能进行测试，利用扫描电 镜(SEM)、X射线衍射(XD)技术等实验手段进行氧化形貌观察和氧化物物相分析，并对氧化物的生成热力学进行了计算. 实验结果表明：氧化物的分析结果与热力学计算结果相吻合.在600℃、700℃及800℃较低温度时生成的氧化产物为具有尖 晶石结构的M304型氧化物，具有良好的保护性，铈的添加可促进这种氧化膜的形成，降低氧化速率；在9O0℃时生成的氧化 产物类型主要为M203型，保护性差，晶粒细的含铈钢初期氧化速率快，但是铈可改善氧化膜与基体的黏附性，在氧化后期阻 止实验钢进一步的剧烈氧化·利用反应元素效应和晶粒尺寸效应可以较好地解释该氧化动力学机制· 关键词铈：抗高温氧化性：铁素体不锈钢：反应元素效应：晶粒尺寸效应 分类号TG142.23 Effect of cerium on the high temperature oxidation resistance of Cr12 ferritic stainless steels LI Yarbo,WANG Fu-ming),LI Chang-rong2),SONG Bo) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT Cr12 ferritic stainless steels with different amounts of cerium were obtained,their high temperature oxidation resistance was tested according to the standard HB 5258-2000,oxidation phenomena and products phase analysis were studied by SEM and XRD,and thermodynamic calculations of the formation of oxidation products were carried out.Experimental results show that the oxidation analysis results consist with the thermodynamic calculation ones.The primary oxidation product is M304type spinel oxide at lower temperatures of 600C.700C and 800C.which has good protective capability,and this protective film can be accelerated by adding cerium.As the result,the oxidation rate can be decreased at these temperatures.At 900C,the primary oxidation product is M2O3 type oxide,which has poor protective capability.and cerium-containing steels with refined grain size are oxidized faster at the beginning.Whereas cerium can improve the adherence between oxide and substrate,prevents materials from being further quick oxi- dized in the later period.The oxidation mechanism was well explained by reactive element effect and grain size effect. KEY WORDS cerium:high temperature oxidation resistance:ferritic stainless steel:reactive element effect:grain size effect 抗氧化性是指钢、高温合金及高温防护涂层在 结为稀土元素的反应元素效应，稀土元素在铁素体 高温环境下对空气腐蚀的抵抗能力·Cr12铁素体 中的应用较少，朱京希等研究了稀土元素对430不 不锈钢导热系数高、热膨张系数小，常作为汽车排气 锈钢抗高温氧化性能的影响；结果表明，稀土元素提 系统、燃烧喷嘴等耐热材料使用，进一步提高其抗高 高了氧化层的致密性，提高了氧化层与基体的附着 温氧化性能是一项重要的研究工作， 性，从而提高了不锈钢的抗高温氧化性，而稀土元素 大量文献[5]报道了在奥氏体不锈钢中添加 对不锈钢氧化物的构成无显著影响]， 稀土元素可降低材料的氧化增重，提高其抗高温氧 本文冶炼了不同铈含量的Cr12低铬铁素体不 化性，增强氧化膜同基体的黏附性，并将这种机制归 锈钢，研究了铈对C12铁素体不锈钢抗高温氧化性 收稿日期：2009-03-31 作者简介：李亚波(1976一），男，博士研究生：王福明(l963一)，男，教授，博士，E-mail:wangfuming@metall-ustb-edu-cn
铈对 Cr12铁素体不锈钢抗高温氧化性能的影响 李亚波1） 王福明1） 李长荣2） 宋 波1） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘 要 参照标准 HB5258—2000中的增重法对不同铈含量的 Cr12铁素体不锈钢的抗高温氧化性能进行测试利用扫描电 镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）技术等实验手段进行氧化形貌观察和氧化物物相分析并对氧化物的生成热力学进行了计算． 实验结果表明：氧化物的分析结果与热力学计算结果相吻合．在600℃、700℃及800℃较低温度时生成的氧化产物为具有尖 晶石结构的 M3O4 型氧化物具有良好的保护性铈的添加可促进这种氧化膜的形成降低氧化速率；在900℃时生成的氧化 产物类型主要为 M2O3 型保护性差晶粒细的含铈钢初期氧化速率快但是铈可改善氧化膜与基体的黏附性在氧化后期阻 止实验钢进一步的剧烈氧化．利用反应元素效应和晶粒尺寸效应可以较好地解释该氧化动力学机制． 关键词 铈；抗高温氧化性；铁素体不锈钢；反应元素效应；晶粒尺寸效应 分类号 TG142∙23 Effect of cerium on the high temperature oxidation resistance of Cr12 ferritic stainless steels LI Y a-bo 1）W A NG Fu-ming 1）LI Chang-rong 2）SONG Bo 1） 1） School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Cr12ferritic stainless steels with different amounts of cerium were obtainedtheir high temperature oxidation resistance was tested according to the standard HB 5258—2000oxidation phenomena and products phase analysis were studied by SEM and XRDand thermodynamic calculations of the formation of oxidation products were carried out．Experimental results show that the oxidation analysis results consist with the thermodynamic calculation ones．T he primary oxidation product is M3O4type spinel oxide at lower temperatures of 600℃700℃ and800℃which has good protective capabilityand this protective film can be accelerated by adding cerium．As the resultthe oxidation rate can be decreased at these temperatures．At 900℃the primary oxidation product is M2O3type oxidewhich has poor protective capabilityand cerium-containing steels with refined grain size are oxidized faster at the beginning．Whereas cerium can improve the adherence between oxide and substrateprevents materials from being further quick oxidized in the later period．T he oxidation mechanism was well explained by reactive element effect and grain size effect． KEY WORDS cerium；high temperature oxidation resistance；ferritic stainless steel；reactive element effect；grain size effect 收稿日期：2009—03—31 作者简介：李亚波（1976—）男博士研究生；王福明（1963—）男教授博士E-mail：wangfuming＠metall．ustb．edu．cn 抗氧化性是指钢、高温合金及高温防护涂层在 高温环境下对空气腐蚀的抵抗能力．Cr12铁素体 不锈钢导热系数高、热膨胀系数小常作为汽车排气 系统、燃烧喷嘴等耐热材料使用进一步提高其抗高 温氧化性能是一项重要的研究工作． 大量文献［1—5］报道了在奥氏体不锈钢中添加 稀土元素可降低材料的氧化增重提高其抗高温氧 化性增强氧化膜同基体的黏附性并将这种机制归 结为稀土元素的反应元素效应．稀土元素在铁素体 中的应用较少．朱京希等研究了稀土元素对430不 锈钢抗高温氧化性能的影响；结果表明稀土元素提 高了氧化层的致密性提高了氧化层与基体的附着 性从而提高了不锈钢的抗高温氧化性而稀土元素 对不锈钢氧化物的构成无显著影响［6］． 本文冶炼了不同铈含量的 Cr12低铬铁素体不 锈钢研究了铈对 Cr12铁素体不锈钢抗高温氧化性 第31卷 第11期 2009年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．11 Nov．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．11．040
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∙005Ti＜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（600700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·
,1408 北京科技大学学报 第31卷 12 1.4 (a) 。-1” (b) 。1 1.0 12 ◆2” 43 43 4 5” 0.8 0.6 0.6 0.4 4 0.2 0.2 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100 氧化时间h 氧化时间h 1.6 500 (c) d 14 年-1 量 400 -20 30 300 4 0 0.6 2 200 04 +3 4" 100 5 40 60 100 40 60 100 氧化时间h 氧化时间h 图1高温氧化动力学曲线.(a)600℃：(b)700℃：(c)800℃；(d)900℃ Fig-10 xidation kinetic curves at different temperatures:(a)600C;(b)700℃；(c)800℃；(d)900℃ 2.3.1600℃和700℃氧化 现氧化物内含Fe、Cr、Mn和0等元素（图2） 在600℃和700℃时，可以看到试样还残留着 氧化试样表面的XRD衍射结果显示，600℃下 加工痕迹，试样表面分布着细小的氧化物颗粒.对 氧化试样表面只有很少的氧化物，氧化程度非常轻， 700℃氧化的试样表面氧化物颗粒做能谱分析，发 未发现有可辨认的氧化物衍射峰， 600 e Cr 400 n 200 Si e 能量keV 图2700℃1#钢氧化物颗粒形貌及能谱分析 Fig.2 Appearance and EDS result of oxide grains in Sample 1 oxidized at 700C 700℃氧化时，试样表面XRD衍射图谱开始显 样形成的氧化膜致密而连续，能够起到保护作用 示氧化物的衍射峰（图3），结合图2的能谱分析结 (图4)，这可能是5#钢比1*钢抗高温氧化性能优 果，可以确定氧化物是具有尖晶石结构M304 良的原因 (cubic)的锰、铁和铬氧化物，在此温度下，这种氧化 800℃氧化时，1*钢、5*钢试样氧化膜的能谱 产物形成的氧化膜具有优良的保护作用，能阻止氧 分析结果显示，5#钢氧化膜中的Cr含量较低，这与 化的进一步进行] 文献[1,8]中对稀土元素等“氧活性元素”在氧化中 2.3.2800℃氧化 的作用的描述是一致的，“活性元素可以促进含Cr 800℃氧化时，金属表面形成致密的较厚的氧 保护性氧化膜的形成，在较低的Cr含量时形成保护 化膜.通过对试样横截面的观察，可以看出，5*钢试 性氧化膜”，这样，含铈的实验钢就可以以相对较小
图1 高温氧化动力学曲线．（a）600℃；（b）700℃；（c）800℃；（d）900℃ Fig．1 Oxidation kinetic curves at different temperatures：（a）600℃；（b）700℃；（c）800℃；（d）900℃ 2∙3∙1 600℃和700℃氧化 在600℃和700℃时可以看到试样还残留着 加工痕迹试样表面分布着细小的氧化物颗粒．对 700℃氧化的试样表面氧化物颗粒做能谱分析发 现氧化物内含 Fe、Cr、Mn 和 O 等元素（图2）． 氧化试样表面的 XRD 衍射结果显示600℃下 氧化试样表面只有很少的氧化物氧化程度非常轻 未发现有可辨认的氧化物衍射峰． 图2 700℃1＃钢氧化物颗粒形貌及能谱分析 Fig．2 Appearance and EDS result of oxide grains in Sample1＃ oxidized at 700℃ 700℃氧化时试样表面 XRD 衍射图谱开始显 示氧化物的衍射峰（图3）结合图2的能谱分析结 果可 以 确 定 氧 化 物 是 具 有 尖 晶 石 结 构 M3O4 （cubic）的锰、铁和铬氧化物．在此温度下这种氧化 产物形成的氧化膜具有优良的保护作用能阻止氧 化的进一步进行［7—8］． 2∙3∙2 800℃氧化 800℃氧化时金属表面形成致密的较厚的氧 化膜．通过对试样横截面的观察可以看出5＃钢试 样形成的氧化膜致密而连续能够起到保护作用 （图4）．这可能是5＃ 钢比1＃ 钢抗高温氧化性能优 良的原因． 800℃氧化时1＃ 钢、5＃ 钢试样氧化膜的能谱 分析结果显示5＃钢氧化膜中的 Cr 含量较低．这与 文献［18］中对稀土元素等“氧活性元素”在氧化中 的作用的描述是一致的“活性元素可以促进含 Cr 保护性氧化膜的形成在较低的 Cr 含量时形成保护 性氧化膜”这样含铈的实验钢就可以以相对较小 ·1408· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
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 ,1409 7000r A AFe-Cr (bce) 6000 B=(MnFe,Cr:,)O,(cubic) 5000 4000 3000 2000 1000 B B 0 20 40 60 80 28/°) 图3700℃5钢氧化物XRD衍射图谱 Fig-3 XRD pattern of oxidation products on Sample 5 oxidized at 700C 2日0 2,80e101m 1655sE1 2年11 2,ae包0m 1759E1 图4800℃氧化形貌（截面），(a)1钢：(b)5*钢 Fig-4 Oxidation morphologies of samples oxidized at800℃(section）:(a）l÷;(b)2# 的代价形成保护性的氧化膜 化膜都有脱落现象 在800℃氧化时，出现了Fe、Cr的三价氧化物 900℃氧化时，各试样的氧化膜分为多层，随铈 (rhombohedral结构)（见图5），这同文献[9]中分析 含量的增加，氧化膜同基体钢的附着性增强了（图 的氧化产物类型一致 6)·图6(c)显示，氧化沿着晶界进行，形成的氧化物 2.3.3900℃氧化 对氧化膜有钉扎作用， 900℃时，全部试样都进入到剧烈氧化阶段，氧 由图7可见，在1#钢未脱落的最外一层，和 化速率比较大，氧化膜厚，除5#钢试样外，其他钢氧 5#钢剥落掉的第1层下，还保持“晶粒”状组织. 由晶粒的尺寸推断，1钢的晶粒直径大约是50 I0000r A=Fe-Cr(bce) m,5*钢的晶粒直径大约是20m,同800℃退 B=(MnFe,Cr,)O,(cubic) 8000 C-(Fe,Cr-)O;(rhombohedral) 火0.5h后的晶粒大小基本相符.晶界氧化物像 “楔子”一样钉扎晶界和黏附氧化膜，据文献报 6000 道28]，晶粒小的氧化膜受力状态、与基体的黏 4000 附力都要强于晶粒大的，所以铈含量高的细晶钢 氧化膜的抗脱落能力强，对氧化过程的观察结 2000F B 果也证实了这一点， 对900℃氧化的1÷钢、5#钢表面进行XRD衍 0 60 20) 射分析（图8），衍射结果显示形成的氧化物类型均 为(Fe,Cr)z03型(rhombohedral结构)，与文献[l0] 图58O0℃5钢氧化物表面XRD衍射图谱 中观察到的产物相同，但是，据文献[11]报道，此温 Fig.5 XRD pattern of oxidation products on Sample 5 oxidized at 度下氧化产物中也有尖晶石结构氧化物出现.在本 800℃ 实验中，由于仪器灵敏度所限，含量少的其他类型的
图3 700℃5＃钢氧化物 XRD 衍射图谱 Fig．3 XRD pattern of oxidation products on Sample5＃ oxidized at 700℃ 图4 800℃氧化形貌（截面）．（a）1＃钢；（b）5＃钢 Fig．4 Oxidation morphologies of samples oxidized at 800℃ （section）：（a）1＃；（b）2＃ 图5 800℃5＃钢氧化物表面 XRD 衍射图谱 Fig．5 XRD pattern of oxidation products on Sample5＃ oxidized at 800℃ 的代价形成保护性的氧化膜． 在800℃氧化时出现了 Fe、Cr 的三价氧化物 （rhombohedral 结构）（见图5）这同文献［9］中分析 的氧化产物类型一致． 2∙3∙3 900℃氧化 900℃时全部试样都进入到剧烈氧化阶段氧 化速率比较大氧化膜厚除5＃钢试样外其他钢氧 化膜都有脱落现象． 900℃氧化时各试样的氧化膜分为多层随铈 含量的增加氧化膜同基体钢的附着性增强了（图 6）．图6（c）显示氧化沿着晶界进行形成的氧化物 对氧化膜有钉扎作用． 由图7可见在1＃ 钢未脱落的最外一层和 5＃ 钢剥落掉的第1层下还保持“ 晶粒” 状组织． 由晶粒的尺寸推断1＃ 钢的晶粒直径大约是50 μm5＃ 钢的晶粒直径大约是20μm同800℃退 火0∙5h 后的晶粒大小基本相符．晶界氧化物像 “楔子” 一样钉扎晶界和黏附氧化膜据文献报 道［28］ 晶粒小的氧化膜受力状态、与基体的黏 附力都要强于晶粒大的所以铈含量高的细晶钢 氧化膜的抗脱落能力强．对氧化过程的观察结 果也证实了这一点． 对900℃氧化的1＃钢、5＃钢表面进行 XRD 衍 射分析（图8）衍射结果显示形成的氧化物类型均 为（FeCr）2O3 型（rhombohedral 结构）与文献［10］ 中观察到的产物相同．但是据文献［11］报道此温 度下氧化产物中也有尖晶石结构氧化物出现．在本 实验中由于仪器灵敏度所限含量少的其他类型的 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 ·1409·
.1410 北京科技大学学报 第31卷 氧化物未被探测出，利用扫描电镜所带的能谱对氧 膜内有富集现象 化膜断面进行成分线扫描，发现Cr、Mn元素在氧化 a b xt-s0s 2ex0 xi-se Inum 1455g1 29w1,5ee10m d 455亚1 图6900℃氧化形貌（截面）-(a)1°钢：(b)2*钢；(c)3钢；(d)4*钢：(e)5钢 Fig-60 xidation morphologies of samples at900℃(section):(a)1;(b)2;(c)3°；(d)4÷;(e)5 o 图7900℃氧化膜“晶粒”形貌.(a)1*钢：(b)5钢 Fig-7 Grain structure of the oxidation film at900℃：(a)1t；(b)5t 2.4晶粒组织观察结果 800℃下退火30min后，随Ce含量的增加，钢 4000 A=(Fe,Cr_)O,(rhombohedral) 的晶粒平均直径由50m减小到19m,图9是晶 3000 粒直径同Ce含量的对应关系. 2.5氧化机理的讨论 2000 2.5.1氧化动力学问题的讨论 影响钢铁材料的抗高温氧化性的因素很多，包 1000 括介质因素、材料因素、氧化膜的性质等多方面，本 AA 实验中试样的氧化条件相同，材料因素是影响抗高 温氧化性的关键，所炼的五炉钢中，铈的含量变化 20) 比较大，而其他元素控制得相对精确，在此主要讨论 图8900℃下1钢氧化物XRD图谱 化学成分和晶粒尺寸两方面的因素，这样，引入反 Fig-8 XRD pattern of oxidation products on Sample 13 at 900C 应元素效应和晶粒尺寸效应两种理论来试着对本实
氧化物未被探测出．利用扫描电镜所带的能谱对氧 化膜断面进行成分线扫描发现 Cr、Mn 元素在氧化 膜内有富集现象． 图6 900℃氧化形貌（截面）．（a）1＃钢；（b）2＃钢；（c）3＃钢；（d）4＃钢；（e）5＃钢 Fig．6 Oxidation morphologies of samples at 900℃ （section）：（a）1＃；（b）2＃；（c）3＃；（d）4＃；（e）5＃ 图7 900℃氧化膜“晶粒”形貌．（a）1＃钢；（b）5＃钢 Fig．7 Grain structure of the oxidation film at 900℃：（a）1＃；（b）5＃ 图8 900℃下1＃钢氧化物 XRD 图谱 Fig．8 XRD pattern of oxidation products on Sample1＃ at 900℃ 2∙4 晶粒组织观察结果 800℃下退火30min 后随 Ce 含量的增加钢 的晶粒平均直径由50μm 减小到19μm．图9是晶 粒直径同 Ce 含量的对应关系． 2∙5 氧化机理的讨论 2∙5∙1 氧化动力学问题的讨论 影响钢铁材料的抗高温氧化性的因素很多包 括介质因素、材料因素、氧化膜的性质等多方面本 实验中试样的氧化条件相同材料因素是影响抗高 温氧化性的关键．所炼的五炉钢中铈的含量变化 比较大而其他元素控制得相对精确在此主要讨论 化学成分和晶粒尺寸两方面的因素．这样引入反 应元素效应和晶粒尺寸效应两种理论来试着对本实 ·1410· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷