高铝轻质不锈钢的组织结构及耐热耐蚀性能研究

作     者：许旭鹏 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘守平

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Fe-Cr-Al-Si轻质不锈钢 高铝钢 耐热性能 耐腐蚀性能 

摘      要：为达到实现不锈钢轻量化,在总结前人经验的基础上,设计出一种探索性质的Fe-6Al-9Cr-0.02C-0.2%N-0.5Si不锈钢,并用真空感应炉熔炼出9.06Cr-5.37Al-0.47Si-0.03C-0.018N-Fe轻质钢,利用排水法测得其密度;用Zeiss光学显微镜、电子显微镜、X射线衍射等方法和手段分析了钢的铸态组织结构;用马弗炉、热分析仪测试研究了轻质不锈钢在800℃、1000℃、1100℃、1200℃的耐氧化性能;通过酸浸实验和中性盐雾实验,检测并探究不锈钢的耐蚀性能。得到以下结论:Fe-9Cr-5Al-0.5Si-0.02N-0.03C钢锭没有宏观裂纹和孔洞,钢的铸态组织致密,晶界清晰细小;基体组织是α-铁素体,以及有序相FeAl、FeCr和少量的化合物AlN;平均显微硬度是197 HV0.5,与常用的铬系304不锈钢(显微硬度215HV0.5)相近,密度为7.30g/cm,比3Cr13不锈钢的密度8.07g/cm小0.77g/cm,减轻了9.54%;Fe-9Cr-5Al-0.5Si-0.02N-0.03C钢晶粒很大,直径达到了0.5mm左右,造成其晶粒粗大的主要原因是,铝和铬元素能显著提高α铁素体的晶格常数、降低钢的致密度,使原子容易迁移,晶粒长大速度加快;其次是因为钢的基体组织为单相铁素体,不发生晶型转变,在凝固过程中没有相变细化晶粒的作用;Fe-9Cr-5Al-0.5Si-0.02N-0.03C钢在800℃空气中的平均氧化速度为0.068 g/h m,平均氧化速度均小于GB/T13303-199l标准规定的0.1 g/h m,达到了完全抗氧化的级别;Fe-9Cr-5Al-0.5Si-0.02N-0.03C钢在800℃氧化形成的氧化膜物相包含FeAlCr、AlFeO、AlFeSi、(FeCr)O、FeO、CrO;1000℃下氧化后氧化膜物相为:AlO、SiO、FeAlCr、AlSiO、CrO;1100℃下氧化后氧化膜物相为:AlO、FeSiO、AlSiO、CrO;在1200℃,表面氧化膜物相相除了CrO、SiO、AlO外,还有大量复杂的铁、铝、氧、硅、铬的复合化合物物相,如:Fe+Al(SiO4)、FeAlCr、(AlCr)O、AlSiO、Fe(CrAl)O等。对比不同温度下的氧化膜的物相组织发现,随着氧化温度升高,铬的氧化物由低价态转为高价态,铝的氧化物不断增多,氧化物的种类中复杂氧化物增多,氧化程度随温度升高不断增大;Fe-9Cr-5Al-0.5Si-0.02N-0.03C钢的氧化膜主要有紫红色和绿色氧化物组成,紫红色氧化物可能是FeO,绿色的氧化物可能是CrO;在氧化膜基体上密集分布着黄白色的岛状组织,且黄白色岛组织上又有很多同型红圈,黄白色的岛状组织可能是AlO,同型红圈可能是FeO,黄白色岛组织上存在很多同型红圈可能是钢中铝和铁选择氧化还原的原因造成的;另外,在氧化膜上还分布有黑色的岛状组织,黑色岛中心部分又呈淡黄色,黑色的岛状组织可能是FeO,中心部分呈淡黄色的物相可能是AlO;在浓硝酸浸泡腐蚀实验中,Fe-9Cr-5Al-0.5Si-0.02N-0.03C钢和3Cr13钢的对比试样浸泡三天,均未出现腐蚀迹象,一直持续浸泡10天,Fe-9Cr-5Al-0.5Si-0.02N-0.03C钢试样的整个表面才开始呈现出网络状的腐蚀现象,3Cr13钢的试样表面也出现很多细小的黑点和条纹;浸泡23天后,Fe-9Cr-5Al-0.5Si-0.02N-0.03C钢试样被腐蚀区域锈迹严重,表面出现腐蚀脱落,而3Cr13钢的试样浸泡试样表面的蜂窝状疏松腐蚀已经被彻底腐蚀。Fe-9Cr-5Al-0.5Si-0.02N-0.03C钢盐雾试验表明,96小时盐雾试验后就出现了严重腐蚀,360小时后试样表面出现了大量的腐蚀产物。从耐腐蚀性实验结果来看,Fe-9Cr-5Al-0.5Si-0.02N-0.03C钢耐腐蚀性与3Cr13不锈钢相当;对比Fe-9Cr-5Al-0.5Si-0.02N-0.03C钢的耐热性能与耐腐蚀性能,Fe-9Cr-5Al-0.5Si-0.02N-0.03C钢在耐热钢方面上更有开发应用前景。