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高温变色的不锈钢实验

来源:晓晓 作者:匿名 发布:2013-11-01

    不锈钢表面的氧化膜是五色透明膜,其色泽可由光干涉原理来解释。当平行光照射到氧化膜表面时,一部分光线(L2)在氧化膜上表面发生镜面反射(L5)的同时也发生折射(1),进入氧化膜,再从下表面反射回来(L4);同理另一部分光线L1也发生上述反射与折射现象。光线L1的镜面反射光与光线L2折射进入氧化膜内再从下表面反射回的光共同形成干涉光L6。当两者正好是波峰与波峰或波谷与波谷相重叠时,光波振动增强;相反,当两者是波峰与波谷相重叠时,光波振动减弱。白光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成的复合光,当其产生上述干涉后,究竟何种颜色的光波被加强,主要取决于氧化膜的厚度。即当白光通过某一厚度的氧化膜,使其中某一波长的光波振动加强,氧化膜就呈现出该波长下所对应光的颜色;当白光通过另一厚度的氧化膜,使另一波长的光振动加强,氧化膜就显示出另一种颜色。

    1、不锈钢高温变色的试验研究

    由上述的变色原理分析可知,变色根本原因是不锈钢表面发生氧化,导致钝化膜(氧化膜)厚度发生变化而引起的干涉色。故如何提高材料耐氧化性能是解决不锈钢高温变色的根本措施。

    (1)  化学元素影响

    不锈钢含碳量低,在高温环境中碳原子易在氧化过程中扩散到不锈钢基体中,故不锈钢的氧化过程伴随着渗碳过程,试验选择铬、硅、镍等含量不同的钢种进行高温循环试验。试验结束后测量各钢种的碳含量增加比例,以渗碳量判断不锈钢氧化程度。图2为不同钢种的渗碳试验结果。

    为进一步验证硅元素对耐渗碳性的影响,在SUS310S钢种中只对硅元素进行调整,然后进行高温循环试验。图3表示含硅量对耐渗碳性的效果。两组试验结果不难看出当提高铬元素质量分数到22%以上或提高硅元素质量分数达到2%以上,材料的耐高温氧化性能得到明显提高。

    (2) 氧化膜影响

    不锈钢致密的氧化膜能防止氧化剂侵入不锈钢亚表层而阻止氧化继续发生,反之疏松的氧化膜将导致继续氧化加厚。在连续生产线中通过连续酸洗方式对不锈钢表面进行强制氧化,从而提高不锈钢表面氧化膜致密程度。对酸液浓度进行相关调节后的产品进行耐高温氧化效果、氧化膜厚以及氧化膜化学构成度进行相关测试,结果如表3及图4所示。分析结果表明:通过酸液浓度的调整,对氧化膜成分构成、氧化膜厚度均无明显影响。在较高温度环境下使用仍然被加深氧化,出现变色现象。

    (3)不锈钢表面粗糙度影响

    高温环境下不锈钢表面氧化导致表面氧化膜增厚。此现象与材料本身的耐氧化性及材质吸热能力都有直接关系,不锈钢表面粗糙度、表面反色度等影响单位面积的吸热量而造成不锈钢变色程度,为验证二者对不锈钢变色的影响程度,取不同表面状态样板进行450℃烘烤试验,结果见表4。

    试验表明当表面粗糙度降到0.022μm以下的BA表面,材料吸热能力大幅度降低,不锈钢未进一步氧化。当氧化膜厚度基本维持原厚度,变色程度轻微。反之氧化膜厚度增加明显,变色严重。

    2、分析和讨论

    (1)不锈钢中铬、硅元素含量的提高能明显增强不锈钢抗氧化性能,当铬质量分数提高到22%或硅质量分数提高到2%以上能有效抑制高温氧化变色现象的发生。

    (2)在一定范围内调节连续酸洗液浓度,不能使不锈钢表面的钝化膜的厚度、成分构成、致密程度等发生改变,因而也不能防止不锈钢高温氧化变色现象的发生。

    (3)不锈钢表面粗糙度和反色度也是影响高温氧化变色的重要因素,试验表明当表面粗糙度在0.022μm以下的BA产品在450℃下烘烤而不会发生变色。

    (4)通过控制轧机最终道次工作辊、平整辊等的表面粗糙度,将不锈钢产品表面粗糙度控制在0.022μm左右,且通过光亮退火保证其表面反色度,能有效降低不锈钢高温变色程度。
 

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