汇总目前的sem、ebsd及tem的观察结果,即明确到,通过添加ti,cr2o3氧化皮变厚了,构成其氧化皮的晶粒细化了。图11所示具有代表性的tem明视场图像清楚地显示处添加ti带来的cr2o3细化效果。
图11 具有代表性的tem明视场图像清楚地显示处添加ti带来的cr2o3细化效果
另外,由图9及图10所示的μ-eds解析,得以确认ti积蓄在氧化皮最表层,是固溶在最表层的cr2o3,或是形成了tio2 ,可是关于最表层以外的cr2o3氧化皮中ti的存在状态还没能弄明白。因此,调查了非最表层cr2o3晶界中ti的存在。图12表示选择2个接近氧化皮/母相界面的cr2o3晶粒,其粒内和其间晶界的μ-eds测定结果。虽然不能确认在粒内分析点(图12(b)及(c))有ti的存在,但最终确认了,在考虑是晶界的分析点(图12(a)、(d)及(e))无论哪个都有ti的存在。ti的存在量平均下来约2.4%。从以上可推测,ti在晶界以高浓度存在,通过cr2o3中的晶界扩散到了外方。
图12 选择2个接近氧化皮/母相界面的cr2o3晶粒,其粒内和其间晶界的μ-eds测定结果
图13是模拟性地汇总了因添加ti、氧化皮构造变化的图形。图13(a)显示的19cr钢中,氧化皮是cr2o3 ,其结晶的大小与氧化皮的厚度同等程度对应。另外,内部氧化相为θ-al2o3 。另一方面,图13(b)显示的19cr-0.15ti钢中,虽然氧化皮同样是cr2o3 ,不过除此之外有少量tio2生成。并且cr2o3晶由于ti的添加而细化了。内部氧化相在接近氧化皮/母相界面的领域生成了考虑是tio2- al2o3的复合氧化物的al2tio5、以及al2ti7o15 。在更深的领域只有θ-al2o3 。
图13是模拟性地汇总了因添加ti、氧化皮构造变化的图形
4、考察
4.1 ti添加对氧化皮形成的效果
正常氧化状态,与不添加ti的钢相比较,添加ti的钢氧化皮变厚了是明确的,考虑这就是起因于ti的添加。在这里对此做考察。
从试验结果来看,到达了表面的ti有存在,ti是固溶成最表层的cr2o3 ,或是形成了tio2。有关ti向cr2o3固溶naoumidis等人报告过,报告说在1272k(10000c)最多18%固溶到了阳离子侧。虽然没有关于ti在cr2o3中扩散速度的数据,但negelsberg报告称在高温氧化氛围中,ti会穿透cr2o3。由此来考虑,ti扩散到cr2o3中,进而确认了ti在cr2o3晶界的存在,ti的扩散举动轨迹晶界的可能性很高。
另外,有关因ti添加造成cr2o3细化,可以推测是由于ti存在于晶界妨碍了晶界向cr2o3晶粒的面内移动的结果。这如同报告中叙述的那样,可以认为在铁素体系不锈钢中添加的mn明显地将cr2o3晶粒细化了的结果是同样的原理。
另外,ti添加钢的cr2o3氧化皮变厚了的理由可如下考虑。ti添加钢的cr2o3氧化皮的结晶颗粒细化的结果可推测为,有助于晶界向板厚方向的扩散增量了,cr2o3氧化皮的成长速度,也就是氧化速度增加了。
也就是说,添加了ti的钢, 由于ti被氧化、把晶界扩散,使cr2o3晶粒细化。其结果可认为是,阳离子的扩散轨迹增大,使得氧化速度增加。
4.2 添加ti对内部氧化的效果
如图13所示,不添加ti的19cr钢的内部氧化相是θ-al2o3 。相对于此,添加了ti的钢在接近氧化皮母相界面的领域生成有al2tio5、及al2ti7o15 。而且没有观察到tio2。并且在氧化皮/母相界面更深的领域生成有θ-al2o3。
从elingumエリンガム图来看, cr、ti、al是难以氧化的排序,因此,按平衡论来说,从表层侧开始即为cr2o3、tio2和al2o3。由于tio2和al2o3之间能够相互固溶,结果会在氧化皮/母相界面正下方有tio2-al2o3复合氧化物形成。认为这是al2tio5、al2ti7o15。另外,估计生成不了tio2,而是在氧化皮/母相界面更深领域生成了al2o3。
4.3 添加ti对氧化行为的效果
由于添加ti氧化增量会增加,不过抗氧化性界限会提高(图1及图2)。也就是,可以说通过添加ti,抗氧化性有提高的倾向。
通过添加ti,氧化增量增加的主要原因之一是由于ti自身的氧化。ti是比cr容易氧化的元素,从试验结果看,在氧化皮最表层部ti或是固溶于al2o3,或是以tio2存在。还有,作为内部氧化相,在氧化皮/母相界面附近以ti氧化物存在。这些都是ti形成的氧化增量。另外,通过添加ti, al2o3的晶粒径细化,al2o3层变厚会使氧化增量增加的又一个要因。这些除了al2o3层增厚机理外,都与okabe等人报告一样。但是从观察结果来估计,ti自身的氧化增量并没那么多。因此,可以考虑氧化增量增加的很大原因是由于al2o3层变厚的结果。
通常,氧化增量增加的情况是使抗氧化性降低的主要原因。但是,弄明白了尽管因ti添加、氧化增量增加了,可是抗氧化性界限提高了。
正如moroishi等人、fujikawa等人叙述的那样,还可认为有抑制γ相的效果。如上面所述,本研究中即使不添加ti钢,也因是极低c、n的19cr钢,认为γ相的影响是有限的。由此可以推断,还有添加ti形成的抑制γ相效果以外的效果。
ike等人关于微量al,暗示过它具有oxygen getter 吸氧剂效果的可能性。这是在o向里面扩散较小的情况,al由于内部氧化而消耗o,来抑制fe氧化的机理由。ti也和al一样发挥oxygen getter吸氧剂效果的可能性很大,推测由于ti被氧化从而消费o,抑制在氧化皮/母相界面上的po2上升,有一直抑制着fe氧化的可能性。
5. 结束语
在降低了si、mn和其它不纯物元素(p、s)的高纯度铁素体系19cr钢中添加ti,调查了大气中的氧化举动,特别是ti的添加对于氧化皮及氧化皮/母相界面附近的组织变化的影响,从结果得出以下结论。
(1) 不添加ti的19cr钢的抗氧化性界限为1123k。
(2) 虽然由于ti的添加,氧化增量会增加,但抗氧化性界限上升。19cr-0.15ti 、19cr-0.3ti的抗氧化性界限为1173k。也就是可以说,因ti的添加,抗氧化性会得到改善。
(3) 从cr2o3晶界有ti存在来看,可以推测ti扩散到cr2o3中的晶界,到达了氧化皮表层。
(4) 由于ti的添加,氧化皮中的cr2o3晶粒细化,cr2o3氧化皮变厚。
(5) 内部氧化相方面,不添加ti的钢只是θ-al2o3 。添加ti的钢在氧化皮/母相界面附近生成了认为是tio2和 al2o3复合氧化物的al2tio5、al2ti7o15 。在比其更深的领域生成了θ-al2o3 。