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耐热钢 的耐高温腐蚀性能!
时间:2017-04-05  编辑:舞钢市 和泰钢铁有限公司

耐热钢 的耐高温腐蚀性能

耐热钢 经常处于高温复杂的腐蚀性环境中工作。耐高温 腐蚀是耐热钢的一项很重要的性能要求。高温腐 蚀是材料在高温下与各类气体环境发生的反应。主要的 高温气体腐蚀形式有:高温氧化、硫化、氮化、碳化等形态。另外进 有高温熔盐腐蚀、高温液态金属腐蚀等。

1 、抗高温氧化

金属和 氧的亲和力大时,且氧在 晶格内溶解度达到饱和时,就在金 属表面上形成氧化物。一旦形成了氧化膜,氧化过 程的继续进行将取决于两个因素:(a)界面反应速度,包括金属/氧化物界面及氧化物/气体两 个界面上的反应速度;(b)参加反 应的物质通过氧化膜的扩散速度,在一般情况下,当金属 的表面与氧起始反应生成极薄的氧化膜时,界面反应起主导作用,即界面 反应是氧化膜生成的控制因素。但随着 氧化膜的生长增厚,扩散过 程将逐渐起着越来越重要的作用,成为继 续氧化的控制因素。金属表 面形成的氧化膜一般是固态的,但是根 据氧化膜的性质不同,在较高温度下,有些金 属的氧化物是液态的,有的还是气态的。一般情 况只有固态的氧化膜才有保护性,如Cr2O3氧化膜,但并非 所有的固态氧化膜都具有保护性.其保护 性的好坏取决于氧化物的高温稳定性、氧化膜的完整性、致密性、氧化膜 的组织结构和厚度、膜与金 属的相对热膨胀系数以及氧化膜的生长应力等因素。在这些因素中,氧化膜 的完整性和致密性是至关重要的,而它又 与膜的组织结构和氧化物高温稳定性的关系尤为密切。

耐热钢 的抗高温氧化性可以直接用钢在一定时间内经氧化腐蚀之后质量损失的大小,即用金 属减重的速度来表示:

式中:K—气体腐蚀速度;

m0—钢受腐蚀前的质量;

mt—钢经受r小时后的质量;

S0—钢腐蚀前的表面积。

当钢的 腐蚀产物呈致密薄膜附着于材料表面不易脱落下来时,则可用 增重的速度来表示:

在耐热钢中加铬、铝、硅和稀上元素等,与氧形 成一层完整致密具有保护性的氧化膜。在金属 表面施加涂层也是提高抗高温氧化能力的重要方法。如在耐热钢表面渗铝、渗硅或铬铝、铬硅共 渗都有显著的抗氧化效果。

2、 抗高温硫化

高温硫 化是一种比纯氧化更严重的高温腐蚀形态,因为硫 化物膜比氧化膜的缺陷浓度大,更容易开裂和剥落,特别是 硫化物的熔点低,蒸汽压高,多数硫化物共晶点低。硫化时,硫的存 在形式对高温硫化速度有影响。气相的 硫可能是以硫蒸汽、二氧化硫、三氧化硫,硫化氢 和有机硫化物等形态存在。当硫和氧同时存在时,在金属 表面上常形成氧化物和硫化物的混合锈层产物,这种锈层比在有H2S或有机 硫以及硫蒸汽中产生的硫化物的保护性好。

由于硫化与氧化相似,因此,氧化的 基本理论和防止氧化的基本措施都适用于硫化。在钢中加铬、铝、硅等合 金元素都可以在一定程度上防止或减缓高温硫化。

3 、抗高温氮化

氮化与 氧化和硫化不同,其产生 的失效形式也有所不同。氮化时 其最终产物可以全是氮化物层,但该层 耐水溶液腐蚀性能很差,或者由 于氮扩散到金属中去而降低金属的塑性,当在金 属表面不能形成一层连续的氮化物层时,该层很脆。因此,对基本 几乎无任何的保护作用。所以,在金属 表面一旦形成氮化,将显著 地降低金属材料的综合性能。

铁、铬、铝、钛等元 素很容易形成氮化物;镍、铜等元 素即使在高温下也不形成稳定的氮化物。因此,镍、铜等元 素对抑制氮化是有作用的。在混合气氛中(如含有硫的气氛),由于镍易被硫化,因此,镍也是 不能抑制氮化的。但在实际工程中,高镍铬 的材料仍是抗高温氮化的最佳材料。材料的 预氧化对提高其抗氮化性能有一定作用,对不锈耐热钢,效果尤为明显。

4 、抗高温碳化

高温碳 化是材料暴露于高温下含碳的气体或液态环境中由于气体与材料表面发生高温反应,吸附在 其表面上那一部分碳原子产生的表面增碳现象。金属表 面吸收大量的碳,碳连续 不断地渗入金属内部,当超过 了碳在金属中的溶解度,高温下 将形成许多不稳定的碳化物、析出石墨等,这就大 大地降低了材料的耐腐蚀性能和综合力学性能。特别是 不锈钢和耐热钢,由于碳化,在钢中 出现大量的碳化铬,从而造成钢的贫铬,使耐腐 蚀性能及抗高温氧化性能显著降低。碳化是 一种危害很大的高温腐蚀形态,但它不 像高温氧化和硫化那样普遍。

使用高 合金的耐热钢是解决高温碳化的重要途径。在工程中常用25Cr-20Ni钢和25Cr-35Ni钢来制 造高温裂解炉的炉管,效果很好。硅是提 高钢抗高温碳化的有利元素之一,但它在 钢中的含量不宜超过2%。碳化物稳定元素铌、钛、钨等对 提高抗高温碳化性能是有利的。改变气 氛的成分能改变碳化条件,改善高温碳化的环境。

5、 抗氢腐蚀

氢腐蚀 是高温腐蚀形态之一。一般发 生在露点以上的高温高压氢环境中,如合成 氨的生产和石化工业中的加氢装置等都是在高温高压氢环境中进行的。

氢腐蚀 是指高温下钢中首先发生脱碳现象,即钢中的碳化物分解,在钢的 表面上形成脱碳层,从而严 重地降低钢的力学性能。钢中碳 化物分解形成的碳原子在高温高压的氢环境中与氢反应生成甲烷气体。氢腐蚀 是一种不可逆的氢损伤形态。

钢中碳 含量与氢腐蚀有直接关系。钢中碳含量增加,使钢的 抗氢腐蚀性能变坏。在氢腐蚀条件下,选择含 碳量低的钢是有益的。在钢中 加人能形成稳定性高的碳化物的台金元素,如铬、钼、钨、钛、铌等是 提高钢的抗氢腐蚀的主要措施。0.5Mo钢、0.5Cr-0.5Mo钢、9/4Cr1Mo钢等都 具有较好的抗氢腐蚀性能。

6  、抗热腐蚀

热腐蚀 是金属材料在高温含硫的燃气工作条件下与沉积在其表面上的盐发生的反应而引起的高温腐蚀形态。最典型 的实例是在含氯化钠的大气与含硫的油料燃烧时沉积在其表面上的硫酸钠引起的高温腐蚀。

环境中 的硫与氯化钠是导致产生热腐蚀的主要环境因素。硫主要来自燃料,而氯化 钠主要来自大气,当一旦 形成硫酸盐类时,会加速 材料的热腐蚀过程。燃料中 的硫含量及燃烧用的空气中的氯化钠含量是影响热腐蚀的主要环境因素。因此,提高燃料的质量,减少燃 料中的杂质含量足减缓热腐蚀的重要措施。提高合 金元素氧化物的稳定性是抗热腐蚀的主要因素。材料中含有钨、钼、钒等合 金元素易于形成酸性熔融热腐蚀,特别是钒,它封热 腐蚀的影响较大。但材料中含有铬、铝等合 金元素对材料的抗热腐蚀极为有利。一方面 它能能与氧形成保护性良好的氧化膜,也可能 形成尖晶石型复台氧化膜,这对提 高材料的抗热腐蚀性能有很大好处。在材料 中加入稀土元素等微量元素也能提高材料的抗热腐蚀能力。在材料 表面涂覆高温涂层是提高材料抗热腐蚀的重要措施。在航空 发动机叶片表面上涂高温涂层,能显著 地提高叶片抗热腐蚀能力。

 
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