鋼中硅含量和氧化溫度對尺度生長和形貌的影響

Amine Alaoui Mouayd等人：鋼中硅含量和氧化溫度對尺度生長和形貌的影響

【引言】

鋼在加熱過程中，其表層的鐵與爐氣中氧化性氣體O₂、CO₂、H₂O、SO₂等接觸發生化學反應并生成氧化鐵皮，這個反應叫鋼的氧化。根據氧化程度的不同，生成幾種不同的鐵的氧化物—FeO、Fe₃O₄、Fe₂O₃。影響氧化的因素有：加熱溫度、加熱時間、爐氣成分、鋼的成分，這些因素中爐氣成分、加熱溫度、鋼的成分對氧化速度有較大的影響。

【成果介紹】

Amine Alaoui Mouayd等人研究了鋼中高硅含量、1.6wt.% Si和3.2wt.% Si和高氧化溫度（850-1200℃）對尺度生長速率和形態的影響。鋼在15%潮濕的空氣中被氧化，具有較短的等溫氧化時間（15分鐘）。使用linseis的熱重分析儀（TGA）做氧化試驗，非合金鋼的尺度增長率隨時間呈拋物線規律，是鐵擴散控制的氧化。硅的存在通過在刻度/金屬界面上形成SiO₂阻擋層而延遲生長，這種效應對于含3.2wt.% Si的鋼更為重要，并且導致不連續的尺度。硅氧化物在規模/金屬界面上富集，其形貌取決于氧化溫度。對于低于950℃的溫度，形成二氧化硅。在950℃和1150℃之間，鐵橄欖石（Fe₂SiO₄）晶粒出現在鎢/鐵基體附近的尺度/金屬界面。對于高于1177℃的溫度，形成鐵橄欖石-方鐵礦共晶；這種熔融相有利于鐵擴散，導致高尺度生長。冷卻后，在尺度/鋼界面上獲得了具有小方鐵礦晶粒的連續鐵橄欖石層。

【圖文導讀】

圖1：15%℃潮濕空氣中Si00在900-1200℃氧化過程中的質量增加。

圖2：（a）在15%℃潮濕空氣中Si16在溫度為900-1200℃氧化過程中的質量增加。（b）放大Si16在鈍化期時的質量增加。

圖3：（a）在15%℃潮濕空氣中Si32在溫度為900-1200℃氧化過程中的質量增加。（b）放大溫度小等于1100℃的區域。

圖4：Si含量和溫度在15%濕氣中氧化15分鐘后終質量變化的影響。

圖5：（a）在15%℃潮濕空氣中850℃氧化15分鐘后Si00的斷面SEM顯微照片，（b）其表面相的拉曼光譜：赤鐵礦外表面、磁鐵礦層和方鐵礦層。

圖6：（a）Si16在15%℃潮濕空氣中1100℃下氧化15分鐘的鐵橄欖石-方鐵礦層截面的SEM顯微照片。（b）在方鐵礦中鐵橄欖石顆粒的拉曼光譜。

圖7：（a）SiO₂在15%℃潮濕空氣中1200℃氧化1分鐘時的截面SEM顯微照片。（b）具有方鐵礦小晶粒的鐵橄欖石層的拉曼光譜。

圖8：Si32在15%℃潮濕空氣中在1100℃氧化15分鐘的斷面SEM顯微照片。

圖9：Si32在15%℃空氣中1100℃氧化2分鐘后樣品表面的XPS分析：（a）45°測量，（b）O 1S和（c）Si 2P的高分辨率XPS光譜。

圖10：SiO2樣品表面在15%℃1100℃氧化2分鐘后：（a）俄歇譜的SEM顯微照片，（b）在表面光滑區域中執行微分模式，（c）在氧化鐵區域中執行微分模式。

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