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310S不锈钢（18902091112）310S奥氏体不锈钢丝网以其高铬镍含量,优异的耐腐蚀、耐酸碱特别是耐800℃以上的高温氧化性能,广泛用于石油化工、食品医药、航空航天、汽车船舶、核电及军工等行业的筛分过滤和防护装置等特殊服役环境中。310S不锈钢随着社会对生态环境保护性的加强,汽车尾气排放标准的提高,要求排气系统的工作温度越来越高,对用于排气系统的310S不锈钢丝网的耐高温氧化性提出了更高的要求。为保证310S丝网在服役环境下良好的高温抗氧化性和可靠的使用性能,本文针对同规格不同批次的310S奥氏体不锈钢丝网采用循环氧化法分析评价了1050℃的高温循环氧化性能,并探究了产生高温抗氧化性差异的影响因素。通过JMatPro软件模拟分析了合金元素对不同温度下平衡相的析出及含量的影响。310S不锈钢采用连续氧化方式研究了丝网在不同温度下连续氧化的动力学曲线,并建立了动力学方程。采用SEM、XRD、EDS等手段研究了310S丝网的高温氧化行为和氧化机理,主要结论如下:高温循环氧化实验表明:1050℃恒温循环氧化,P1、P3两个批次试样两个周期氧化增重量均小于3.5%,产品合格;其余四个批次试样循环氧化两个周期的增重量均超过3.5%,产品不合格,其中P2丝网两个周期的氧化增重量最大,达7.74%,为标准的1.3倍以上。SEM微观形貌表征显示:1050℃下合格丝网P1循环氧化一周期,表面形成的氧化膜由非常细小均匀的晶粒组成,氧化膜平整、致密,覆盖均匀;两个周期后氧化膜晶粒略有长大,氧化物形态为排列紧密的四面体和薄片状。不合格丝网P2一个周期后形成的氧化膜晶粒的大小与合格丝网同周期的相当,但表面平整性略差;两个周期后表面的氧化膜为多孔的蜂窝状,氧化膜疏松,表面起伏不平整,有剥落。XRD、EDS和化学成分的分析表明:P1丝网在1050℃下循环氧化一周期后氧化膜表面主要由细小均匀的Cr2O3颗粒组成,氧化两周期后形成具有尖晶石结构的MnCr2O4和NiCr2O4组织和片状Cr2O3的致密氧化膜。P2丝网氧化两周期后,表面氧化膜主要由疏松、多孔、稳定性差的Fe2O3和Fe3O4组成。造成丝网高温抗氧化性差的主要原因与不合格产品化学成分中的碳含量略高,而Cr、Si、Ni、Mn含量略低,导致高温氧化膜形成过程中因Cr含量不足,形成的氧化膜尖晶石结构Cr的缺位,氧化膜Cr含量低,其致密性和稳定性下降,高温抗氧化性衰退。材料中适当含量的Si与O结合在内层形成更稳定的SiO2氧化膜可阻碍O原子向基体扩散,对提高丝网的高温抗氧化性起到了积极的保护作用。高温连续氧化实验表明:1050℃循环氧化实验中合格P3丝网与不合格P6丝网在850℃、950℃连续氧化10 h,均显现良好的高温抗氧化性。850℃、950℃、1050℃连续氧化时,两种丝网氧化动力学曲线均符合抛物线规律,氧化膜增重主要受氧原子通过氧化膜的扩散反应速率影响,温度升高,氧化反应速率显著升高,1050℃时P6丝网连续氧化的抛物线常数是P3丝网的两倍以上,原因是P6丝网1050℃下形成的疏松多孔的不致密Fe氧化物,氧原子扩散加剧,导致其增重剧增,高温抗氧化性能变差,而P3丝网1050℃下形成的致密富含Cr的尖晶石结构的氧化膜,使其具有良好的高温抗氧化性能。JMatPro热力学模拟结果表明:1050℃循环氧化合格丝网P1与不合格丝网P2在1000℃-1050℃范围内基本上为单相奥氏体组成,含碳量的升高导致高温区相图中存在少量M23C6型碳化物,降低奥氏体中的Cr含量,影响其高温抗氧化性。温度低于890℃,随温度降低,脆性σ相和M23C6碳化物增多,材料的脆性增大。Si元素含量升高,延缓310S奥氏体不锈钢的完全奥氏体化,使310S不锈钢完全奥氏体化时温度更高,提高310S不锈钢的高温抗氧化能力。Ni、Mn合金元素影响高温下奥氏体相的稳定性,从而会导致丝网的高温抗氧化性的差异。
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