碳含量對Cr25Ni20型不銹鋼耐高溫氧化腐蝕的影響

來源：津鈉儀器（上海）有限公司 2025年07月30日 08:10

SUS310S(Cr25Ni20)屬于奧氏體型耐熱不銹鋼中的產品，因其優良的耐蝕性和較好的高溫性能而被廣泛用于石油化工、電力、蒸汽鍋爐等高溫設備。

耐高溫310S不銹鋼

對奧氏體耐熱鋼來說，抗高溫氧化腐蝕是決定材料壽命的主要因素。一般隨著溫度的升高，材料的高溫氧化腐蝕嚴重，如果鋼的表面形成了FeO，鋼的氧化速度會劇增且易剝落；而鉻和鎳可形成致密的氧化物，并與基體結合緊密，不會從材料表層脫落。奧氏體耐熱鋼中的碳在高溫下與鋼中的鉻結合形成鉻的碳化物，容易發生腐蝕。因此，應嚴格控制奧氏體耐熱鋼的碳含量。

本文選用了兩種不同碳含量的Cr25Ni20鋼進行高溫氧化試驗，通過對不同條件下鋼的氧化膜與金屬基體間黏附力的分析，研究了碳含量對Cr25Ni20鋼抗高溫性能的影響，為實際生產Cr25Ni20鋼提供理論依據。

1、試驗材料及過程

1.1試驗材料
將工業純鐵、電解錳、電解鎳、鉻片、碳棒、硅片按一定比例配比，在真空感應熔煉爐中熔煉出Cr25Ni20鑄坯(表1)，兩爐鑄壞只有碳含量相差較大，其他成分基本相同。將鑄坯加熱到1150℃，保溫1h后進行鍛造，鍛造結束后進行空冷。

1.2 試驗過程
從鍛造后的鋼環上線切割出15mm×10mm×3mm矩形試樣進行高溫氧化試驗。氧化試驗分別在800和1100℃兩個溫度下進行，每個溫度下氧化時間為96h。
對800和1100℃循環氧化96h的試樣，采用XRD衍射技術分析氧化膜的相組成成分；采用顯微力學測試儀和光學顯微鏡用劃痕法測量氧化膜與金屬基體的黏附力。

2、試驗結果及分析

2.1循環氧化增重曲線
圖1所示為1號試樣和2號試樣在800和1100℃下空氣介質中循環氧化96h后所得循環氧化增重曲線。

在800℃下，兩種碳含量的鋼均表現出良好的抗高溫氧化能力，即氧化初期，氧化膜在試樣表面快速形成，使得試樣質量增加；在36h后，氧化曲線趨于穩定，即無氧化物的進一步生成，試樣表面氧化膜在冷熱循環過程中保持著完整性，阻止試樣的進一步氧化，碳含量高的2號試樣的氧化增重略高于碳含量低的1號試樣。
1100℃時，相比于800℃，氧化增重曲線明顯升高，氧化初期試樣表面的氧化物大量生成，氧化增重曲線陡增；隨著氧化時間的延長，試樣的氧化增重緩慢增加，說明在循環氧化過程中，試樣受外界溫度冷-熱循環的不斷變化而逐漸腐蝕增重。而2號試樣的氧化增重明顯高于1號試樣，說明隨著碳含量的增加，鋼的抗高溫循環氧化能力降低，氧化膜完整性遭到更大破壞，氧化膜的剝落量增加，裸露的鋼再次氧化，鋼的耐腐蝕性能較1號樣明顯降低。
2.2氧化膜與金屬基體間黏附力分析
耐熱鋼在高溫條件下表現出良好的抗高溫氧化性能是由于具有保護性質的氧化膜覆蓋在鋼種表面，阻止了氧化反應的進行。在高溫氧化過程中，氧化膜和金屬基體在高溫作用下發生體積膨脹，由于兩者的熱膨脹系數不同，導致氧化膜與金屬基體間熱應力的產生，隨著氧化溫度的升高，熱應力值也不斷增加，當應力值大于氧化膜的強度時，氧化膜出現裂痕甚至局部剝落，氧化膜的完整性遭到破壞，裸露處新的金屬基體繼續受到氧化腐蝕，這樣即使有保護性氧化膜的產生依然無法阻止金屬的氧化腐蝕。因此，保護性氧化膜與基體結合力的強弱是判定耐熱鋼是否具有良好抗氧化性能的一個重要標準。
采用劃痕法測試黏附力時載荷是由左向右線性施加的，隨著加載載荷的增加，氧化膜開始出現裂痕甚至剝落，當基體大面積露出時，對應的加載載荷為氧化膜黏附力。1號試樣和2號試樣在800和1100℃保溫96h后的黏附力見表2。

從表2可以看出，在相同溫度下，2號試樣的黏附力小于1號試樣，即碳含量高的奧氏體耐熱不銹鋼抗氧化能力較弱。此外，在低溫向高溫氧化轉變過程中，隨著氧化溫度的升高，熱應力不斷增加，在熱應力的作用下氧化膜從鋼種表面剝落，氧化膜與基體間的黏附力降低，說明溫度對于氧化膜黏附力的影響很大，即隨著氧化溫度的升高，鋼的氧化膜黏附力均明顯下降。

3、結論

(1)800℃下，兩種碳含量的鋼均表現出良好的抗高溫氧化能力，在36h后，氧化曲線趨于穩定，碳含量高的鋼的氧化增重略高于碳含量低的鋼。
(2)1100℃的循環氧化過程中，試樣受外界溫度冷-熱循環的不斷變化，試樣表面的氧化膜遭到破壞，剝落處裸露的金屬又遭到氧化，形成新的氧化膜，使得氧化增重增加。
(2)在1100℃時，含碳量高的鋼氧化增重明顯高于含碳量低的鋼，碳元素的增加會造成“貧鉻”現象的發生，減緩保護性氧化膜的生成，降低鋼的抗高溫氧化能力。
(4)溫度升高，氧化膜與基體的黏附力大大降低，抗高溫氧化性能也隨之減弱；碳含量的增加會降低氧化膜與基體的黏附力。

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