1、前言金属的抗氧化性能是指在高温下金属对气体介质的氧化腐蚀所表现出的稳定性。对于长期处于高温下工作的零部件，抗氧化性能是决定部件使用寿命的重要指标之一。高铬铸铁抗高温氧化的基本原理是通过高铬铸铁中的合金元素，在高温下由表面生成一层致密的、高温稳定性好、完整的氧化膜，阻止空气中的氧原子和其他腐蚀性气体与金属内部发生化学发应，从而保证部件在高温条件下的使用寿命。理想中的氧化膜能够减缓阴、阳离子在晶界中的扩散速度，无孔洞，无微裂纹，无缺陷，抗剥落，高温条件下无应力集中产生，无挥发性相成分产生，并且在冷、热交替循环过程中不易脱落。然而实际上，它却易于破裂、剥落。稀土元素及其形成的弥散性氧化物对提高高铬铸
2、铁抗氧化性能的作用十分明显。以微合金化形式，或通过粉末冶金、离子注入、化学工艺(包括电泳、胶化和金属有机化合物蒸气沉淀)等方法将稀土元素添加到高铬铸铁中，在恶劣服役条件下能够显著提高高铬铸铁的抗氧化性能，这已被大量试验所证实1-5。含稀土高铬铸铁高温氧化行为研究朱林林董金龙 王忠辉 张旺（西王特钢有限公司，山东 滨州 256200）摘 要：采用钇基重稀土对高铬铸铁进行微合金化处理，通过对不同稀土含量高铬铸铁的氧化动力学曲线和微观组织进行分析，确定适合该种高铬铸铁抗氧化性的最佳稀土加入量：稀土加入量从00.30wt.%，高铬铸铁的氧化速率逐渐降，氧化增重逐渐减小，抗高温氧化性逐渐提高；但当含量超
3、过0.30wt.%时，由于稀土元素的增多，导致夹杂物的增加，从而使高铬铸铁抗氧化性降低，氧化增重出现增大的趋势。关键词：高铬铸铁；抗氧化性；钇基重稀土中图分类号：TF762文献标志码：A文章编号：1674-0971（2022）-004-03Study on high temperature oxidation behavior of highchromium cast iron containing rare earthZhu Linlin,Dong Jinlong,Wang Zhonghui,Zhang Wang（Xiwang Special Steel Co.,Ltd.,Binzhou 2
4、56200,Shandong,China）Abstract：Yttrium-based rare earth was used to microalloy high chromium cast iron.By analyzing the oxidation kineticscurve and microstructure of high chromium cast iron with different rare earth contents,the optimum rare earth addition amountsuitable for the oxidation resistance
5、of this high chromium cast iron was determined:when the rare earth addition amount was0-0.30 wt%,the oxidation rate of high chromium cast iron gradually decreased,the oxidation weight gain gradually decreased,and the high temperature oxidation resistance gradually increased.However,when the content
6、exceeds 0.30wt%,the increase ofrare earth elements leads to the increase of inclusions,which reduces the oxidation resistance of high chromium cast iron and in-creases the oxidation weight.Keywords:high-chromium iron,inoxidizability,Yttrium-based rare earth收件日期：2022-06-03作者简介：朱林林，男，（1986-），2011年毕业于东
7、北大学，工程师，现供职于西王特钢有限公司，主要从事特钢新材料冶炼、轧制工艺设计。特钢技术Special Steel Technology第28卷 总第113期2022年第4期Vol.28（113）2022.No.4DOI:10.16683/J.CNKI.ISSN1674-0971.2022.4054工艺研究与生产实践本文研究的目的就是采用钇基重稀土对高铬铸铁进行微合金化处理，通过对不同稀土含量高铬铸铁的氧化动力学曲线和微观组织进行分析，确定适合该种高铬铸铁抗氧化性的最佳稀土加入量。1稀土加入量对氧化增重的影响图1为三种不同氧化温度，氧化50h后，不同稀土加入量高铬铸铁单位面积上的氧化增重的对比
8、图。由图1可知，对于不含稀土的高铬铸铁，其循环氧化后，氧化增重量均比添加稀土的要大得多，其中950下不含稀土高铬铸铁的氧化增重为稀土加入量0.30wt.%的3倍多，由图2可以看出。而当稀土加入量为0.45wt.%时，高铬铸铁的氧化增重反而相对于0.30wt.%又呈现增大趋势，由图3可以看出。这主要是由于稀土加入量过大，导致夹杂物数量增加，从而使高铬铸铁抗氧化性能降低。2氧化膜表面形态分析高铬铸铁发生氧化时，其表面生成的氧化膜主要由固态相所组成，但并不是所有固态氧化膜对金属都具有良好的保护性，所形成的金属氧化膜的高温稳定性、致密性、完整性、氧化膜与基体的粘附性和热膨胀系数差别以及氧化膜与基体之间
9、的应力的大小将决定所形成的氧化膜是否具有保护性。氧化膜的致密完整性和与基体的粘附性在这些影响因素中尤为重要。2.1 氧化膜表面宏观形态通 过 图 13 的 分 析 可 知，稀 土 加 入 量 为0.30wt.%的高铬铸铁抗氧化效果最好，因此为了进一步确定稀土元素的作用机制，对不含稀土与稀土加入量0.3wt.%高铬铸铁氧化膜的宏观形貌进行了检测分析，如图 4 所示。图 4 为三个氧化温度（750、850、950）下高铬铸铁氧化膜的宏观形貌。由图4可以看出，随着氧化温度的不断增加，高铬铸铁表面氧化膜致密性逐渐增加。当温度升高到950时，可以看出，不含稀土与稀土加入量0.30wt.%的表层氧化膜差别
10、很大。通过图4(e，f)可以明显看出：不含稀土元素的试样有明显氧化膜脱落现象，脱落的氧化物呈黑色，基体呈灰色；加入稀土的试样表面形成一层致密的黑色氧化膜，并未脱落。不含稀土的合金表面形成的氧化膜与基体的粘附性不强，易脱落，从而失去保护作用，抗氧化性差；而添加稀土后，形成的氧化膜致密，不易脱落，具有良好的保护性，抗氧化性良好，正与图13提到的一致。2.2 氧化膜微观形貌分析由前面氧化膜表面宏观形态可以明显看出，当氧化温度为 950时，不含稀土与稀土加入量特钢技术第28卷第4期图1 不同稀土添加量高铬铸铁的单位面积氧化增重Fig.1 Oxidation weight gain of unit ar
11、ea of high chromium castiron with different RE adding图2 经950,50h氧化后不含稀土与稀土加入量0.30wt.%高铬铸铁的氧化动力学曲线Fig.2 Oxidation dynamic curves of high chromium cast iron castiron with 0 and 0.30wt.%RE adding after 950,50h oxidation图3 经950,50h氧化后稀土加入量0.30wt.%与0.45 wt.%高铬铸铁的氧化动力学曲线Fig.3 Oxidation dynamic curves of h
12、igh chromium cast iron cast ironwith 0.30 wt.%and 0.45wt.%RE adding after 950,50h oxidationa,b-750;c,d-850e,f-950（a,c,e-0-Y-RE;b,d,f-0.30 wt.%-Y-RE）图4 经高温氧化50h后不含稀土与稀土加入量0.3wt.%高铬铸铁的表面宏观形貌Fig.4 Surface macroscopic morphology of high chromium castiron cast iron with 0 and 0.30wt.%RE adding after oxid
13、ationwith high temperature,50h 160.30wt.%的表层氧化膜有明显差别。因此对该温度下的两种合金的表面进一步进行微观形貌分析。图6为不含稀土与稀土加入量0.30wt.%高铬铸铁氧化膜的微观形貌。对于不含稀土的氧化膜其晶粒大小不均，排列松散，致密性较差，且表面凹凸不平，如图6（a，b）可以看出；对于稀土加入量0.3wt.%的氧化膜，其晶粒细小均匀，较致密，平整，特别是表面一层葡萄状尖晶石氧化物环环相扣，结合力较强，是内层氧化膜剥落的有效屏障，如图6（e，f）可以看出。对于不加稀土的氧化膜容易起皱，表面凹凸不平，氧化膜内有空洞，沿空洞有微裂纹。这是由于铸铁容易沿晶
14、界和夹杂等优先氧化，形成厚度不均匀的氧化膜，从而引起局部的应力集中，导致褶皱的产生，如图6（a，b）；氧化膜的粘附性差，膜与基体局部产生分层，产生空洞；空洞下氧分压又低，从而加快了氧气通过氧化膜向空洞扩散，于是促进了基体的继续氧化，从而氧化膜增厚，致使空洞周围产生微裂纹，最后使部分氧化膜崩落，如图6（c，d）。稀土元素的加入基本上填补了氧化膜中类似位错这样的阳离子向外扩散的通道，使氧负离子沿着氧化膜晶界向里扩散成为氧化膜生长速度的控制因素，这时在氧化膜/基体界面上产生空洞的空位来源基本消除，由于在界面处不能形成空洞，使氧化膜的粘附性得到良好的改善。当然，因为向外扩散的金属阳离子缺乏，从而导致了
15、氧化膜的横向生长基本停止，氧化膜表面平直，不会引起应力集中，从而不起皱，氧化膜不易脱落，如图6（g，h）可以看出。3结论（1）通过高温氧化实验得到，高铬铸铁单位面积上氧化增重随时间变化遵循抛物线规律；稀土加入量从00.30wt.%，随着含量的增加，高铬铸铁的氧化速率逐渐降低，氧化增重逐渐减小，抗高温氧化性逐渐提高；但当含量超过0.30wt.%时，由于稀土元素的增多，导致夹杂物的增加，从而使高铬铸铁抗氧化性降低，氧化增重出现增大的趋势。（2）通过对高铬铸铁表层氧化膜进行相组成分析，得到表层氧化膜多为铁的氧化物（FeO，Fe2O3,Fe3O4等）和铬的氧化物（Cr2O3）组成，其中位于最外层的主要
16、为铬的氧化物，依次向内将会出现大量铁的氧化物。对于成分偏析的区域将会导致氧化膜的剥落，进而使基体产生“熔蚀”现象。（3）通过对不同稀土含量高铬铸铁的表面微观形貌分析得到，对于不加稀土元素的氧化膜容易起皱，表面凹凸不平，氧化膜内有空洞，沿空洞有微裂纹；稀土的加入可以有效防止空洞的产生，防止应力集中，从而防止微裂纹的产生，防止了氧化膜的脱落；并且使晶粒细小均匀，氧化膜较致密，平整，特别是表面有一层葡萄状尖晶石氧化物环环相扣，结合力较强，从而成为内层氧化膜剥落的保护性屏障。参考文献1 Whittle D P,Stringer J.Philos.Trans.R.Soc.London,1980,A295:309.2 Stringer J.Mater.Sci.Eng.1989,A120:129.3 Moon D P.Role of reactive elements in alloy protectionJMater Sci Technol，1989，5(8):754-764.4 The Role of Active Elements in the Oxidation Behaviour ofHi
