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Cr在玻璃基涂层熔体中动态迁移及存在形态的研究

付国燕  
【摘要】:碳钢在高温氧化性气氛条件下极易发生氧化性腐蚀反应,造成严重氧化烧损,不仅降低了碳钢的成材率和表面质量,而且造成资源和能源的极大浪费。为了降低碳钢高温氧化烧损,采用高温防护涂层是一种价格低廉并且操作简单的有效防护措施。玻璃涂层熔体能够对不锈钢基体进行有效的防护,取决于不锈钢中Cr元素在基体表面形成的Cr富集氧化物与玻璃涂层熔体的协同作用。由此反推,针对普通碳钢采用含Cr玻璃基涂层熔体对基体表面进行高温防护开展了大量研究工作。研究发现,在高温反应过程中,碳钢基体与玻璃基涂层熔体界面处同样可以形成完整的Cr富集层,结合玻璃熔体对提高钢基体抗高温氧化腐蚀性能具有重要作用,本文研制了含Cr玻璃基涂层熔体材料。研究了升温过程中Cr元素在玻璃熔体中的动态迁移及存在形态,阐明了高温氧化性氛围下含Cr玻璃基涂层熔体对普碳钢的高温防护机理。主要研究结果如下:(1)为了辅助含Cr玻璃基涂层熔体的设计,首先研究了几种典型碳钢和不锈钢的高温氧化行为;重点剖析了 J55碳钢在800℃~1100℃温度区间内高温氧化传质扩散系数,研究了 1vol%~15vol%氧含量范围内氧含量对J55碳钢氧化行为的作用关系;并证明了 Cr203与玻璃基涂层熔体协同对420不锈钢(含铬12wt%~14wt%)的高温抗氧化腐蚀作用机制。(2)依据涂层材料与钢基体的工艺性能匹配性,及Cr元素在玻璃中低溶解性能设计原则,研制了组成为Al2O3-SiO2-K20-Na2O-Cr2O3的含Cr玻璃基涂层熔体材料。玻璃基体的玻璃转化温度为730℃,热膨胀系数为8.0×10-6K-1(30℃~600℃),玻璃基体材料中Cr元素的溶解量为0.52wt%~0.83wt%(900℃~1200℃)。(3)SEM-EDS研究表明,在20MnSiNb钢基体与玻璃基涂层熔体界面处形成Cr元素富集层。试验结果表明,Cr富集层与玻璃熔体的协同作用对20MnSiNb钢起到较好的高温防护效果,1050℃保温60 min烧损率降低86%,1000℃~1100℃保温120 min时烧损率降低幅度仍大于75%。900℃~1100℃温度区间内含Cr玻璃基涂层熔体明显降低了 20MnSiNb钢样品的氧化反应速率常数,仅为空白样品的1/7~1/10,氧化反应表观活化能提高了近一倍,达到160.06 kJ/mol。又系统探明了不同Cr源及利用Na、Ti、Sn元素改变玻璃组成后的玻璃熔体对Cr元素在玻璃熔体中的迁移过程有显著的控制作用。(4)研究了 Cr元素在Al2O3-SiO2-K2O-Na2O-Cr2O3玻璃熔体中存在形态和动态迁移过程。研究表明,温度对Cr元素在玻璃熔体中的扩散系数影响显著,从900℃到1100℃时,Cr元素在玻璃熔体中的扩散系数由1.63×10-10 cm2/s提高到2.91×10-9 cm2/s,Cr元素扩散速率提高了 17.85%。XPS测试表明,Cr元素在高温处理条件下形成的玻璃熔体中主要是以Cr3+和Cr4+形态存在。(5)阐明了 Cr元素与玻璃熔体协同对碳钢高温表面防护作用机制:一是由于致密的熔融玻璃基涂层熔体阻断了铁和氧离子的接触,延缓碳钢发生氧化反应;二是由于Cr元素在玻璃涂层熔体中发生扩散迁移,形成Cr富集层,对钢基体起到良好的防护作用;三是由于玻璃基涂层熔体中及界面层的Cr、Fe、O在高温反应过程中形成FeCr2O4、(Fe0.6Cr0.4)2O3、Cr2(FeO2)6等物质,有效地减少了氧和铁离子的扩散。此外,采用Pt惰性标记匹配SEM检测方法,从氧化传质角度也证实了含Cr玻璃基涂层熔体有效地阻止铁离子向外扩散形成氧化层。(6)基于Cr在玻璃基涂层熔体中的动态行为及微观形成相的研究发现,800℃时随保温时间延长,Cr元素在界面处发生迁移富集反应,保温60 min时形成完整的Cr富集层(Cr元素相对含量可达60%)。从Fe,Cr和O元素形成物结构、Cr元素在玻璃熔体中的溶解性能差、反应新相的形成等多因素条件下,剖析了 Cr元素在玻璃基涂层熔体中的迁移扩散反应和富Cr界面层的形成。


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