Fe- 24Mn- 4Al- 5Cr合金高温氧化表层结构分析

吴忠金，朱雪梅，王新建，张彦生

(大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)



Fe- 24Mn- 4Al- 5Cr合金高温氧化表层结构分析

吴忠金，朱雪梅，王新建，张彦生

(大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)

利用X射线衍射分析仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和电子探针显微分析仪(EPMA)分析Fe- 24Mn- 4Al- 5Cr合金在700℃空气中循环氧化160 h后表面形成的氧化膜形貌、成分分布及组织结构.研究结果表明：Fe- 24Mn- 4Al- 5Cr合金在700℃空气中循环氧化160 h后，氧化层分为两个成分区域，外氧化区和内氧化区；外氧化区主要为Mn2O3相，内氧化区为由于铝和锰的选择性氧化所产生的Al2O3和MnAl2O4相.另外，由于锰的选择性氧化使氧化层与基体之间的γ-Fe相转变成了α-Fe相.

Fe- 24Mn- 4Al- 5Cr合金；高温氧化；锰选择性氧化；氧化诱发α-Fe相

0 引言

作为部分替代Fe-Cr-Ni奥氏体钢的Fe-Mn-Al系耐热钢、无磁钢、低温钢以及某些功能合金得到了迅速的发展[1- 3]，在一些领域已经得到了应用.锰虽是一种价格低于镍的稳定奥氏体元素，但严重降低Fe-Mn-Al系合金的抗氧化性和耐电化学腐蚀性能[4- 7].Fe-Mn-Al奥氏体钢在空气700～800℃中的氧化动力学研究证明，随着Mn的减少，增加Al或Al与少量Cr、Si复合加入，其氧化的动力学方程由ΔW2=Kt→ΔW3=Kt→ΔW=Klog(at+1)转变，接近1Cr13的抗氧化性能[4]. P.Pe ′rez 等人[8- 12]发现，含有Al元素的Fe-Mn-Al系合金表现出不寻常的氧化特征，在600～1 000℃空气中氧化后，能够诱发Mn元素的选择性氧化，使氧化层与基体之间的γ-Fe相转变成了α-Fe相，这种贫Mn富Fe的铁素体层可对Fe-Mn-Al系合金的耐蚀性能产生积极的影响.

本文对Fe- 24Mn- 4Al- 5Cr奥氏体合金在700℃空气中循环氧化160 h氧化行为进行研究,利用X射线衍射分析仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和电子探针显微分析仪(EPMA)分析氧化后合金表层形貌、成分分布及组织结构.

1 实验方法

实验样品选取Fe- 24Mn- 4Al- 5Cr奥氏体合金, 化学成分(%)为C 0.28, Mn 23.5, Al 4.2, Cr 4.9, Si 0.11,其余为Fe.配制实验合金的原料为低碳纯Fe、金属Mn、Cr和工业纯Al，采用中频真空感应炉充Ar保护冶炼，铸成10 kg圆锭.合金锭经高温扩散均匀化后在1 423～1 123 K间锻成约18 mm×18 mm方棒.经1 273 K固溶处理1 h后水冷，线切割成15 mm×15 mm×6 mm试样.试样表面经1000#砂纸水磨，金刚石研磨膏抛光，丙酮清洗并吹干待用.

试样置于已烧至恒重的氧化铝坩埚内,在静止空气中分别加热到800和950℃，保温一定时间后再空冷至室温，每个循环包括保温时间以及升温、降温各约20 min.进行氧化层横截面观察的试样用环氧树脂封装保护.

用JSM-5600V 型扫描电子显微镜进行氧化层表面形貌观察，用SHIMADZU XRD-6000型X射线衍射分析仪(XRD) 检测其表面生成的物相，用SHIMADZU EPMA-1600型电子探针显微分析仪(EPMA)对氧化层的成分分布分析.

2 实验结果与讨论

2.1 氧化层的表面形貌及相结构

图1为Fe-24Mn- 4Al-5Cr合金在700℃氧化160 h后的氧化膜表面形貌.从图中可以看出，经高温氧化后，在合金表面覆盖了一层连续的、较致密的且晶粒细小的薄氧化层.

图1 Fe-24Mn- 4Al-5Cr合金的氧化膜表面形貌

图2给出了Fe- 24Mn- 4Al- 5Cr合金700℃空气中循环氧化160 h后的XRD分析谱.由图可见，XRD检测到Fe-24Mn- 4Al-5Cr合金在700℃空气中循环氧化160 h形成的氧化物主要为Mn2O3、Al2O3和MnAl2O4，没有出现Fe、Cr氧化物，其中Al2O3和MnAl2O4相结构致密，具有一定的保护性，能降低合金的氧化速率，而富含在氧化层中的Mn2O3相结构疏松，容易脱落.同时根据图2的结果发现有铁素体相产生.

图2 Fe-24Mn- 4Al-5Cr合金氧化后的XRD图谱

2.2 氧化层成分分布

图3给出了Fe-24Mn- 4Al-5Cr合金在700℃空气中160 h循环氧化表面的元素分布图.从图中可以看出，700℃时形成的氧化层厚度约为5 μm，氧化层的最外部富集Mn元素，内部富集Al元素，Fe、Cr元素在氧化层中没有富集.结合XRD分析可知，氧化层分为两个成分区域，外氧化区和内氧化区；外氧化区主要为Mn2O3相，内氧化区为由于铝和锰的选择性氧化所产生的Al2O3和MnAl2O4相.从图中还可以看出，在 氧化层与基体之间出现了厚度约为4 μm的贫Mn富Fe、Cr层，因为锰元素是稳定奥氏体元素，靠近氧化界面附近区域中的Mn元素转移使氧化层与基体之间的γ-Fe相转变成了α-Fe相，这与XRD分析结果一致.

图3 Fe-24Mn- 4Al-5Cr合金的氧化层元素截面分布图

金属氧化物的吉布斯生成自由能顺序为Al< Mn

3 结论

(1)Fe-24Mn- 4Al-5Cr合金在700℃空气中循环氧化160 h后，合金表面形成一厚度约为5 μm的连续致密氧化层；氧化层分为两个成分区域，外氧化区主要为Mn2O3相，内氧化区为Al2O3和MnAl2O4相；

(2)由于铝和锰的选择性氧化，使合金基体与氧化层之间的γ-Fe相转变成了α-Fe相，形成了一个连续的贫Mn、富Fe、Cr层.

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Microstructural Development in Surface Region during Oxidation of Fe- 24Mn- 4Al- 5Cr Alloy

WU Zhongjin,ZHU Xuemei,WANG Xinjian,ZHANG Yansheng

(School of Materials Science and Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

The surface morphology,constituent and micro-structure of oxide scales formed on Fe- 24Mn- 4Al- 5Cr alloy oxidized at 700 ℃ in air for 160 h were investigated by using XRD,scanning electron microscopy and electron probe.The oxide layers could be macroscopically classfied into two zones,the external and internal-oxide zones.The external-oxide zone is Mn2O3,while the internal oxides are identied as Al2O3and MnAl2O4formed by the selective oxidation of manganese and aluminum.On the other hand,the matrix is transformed into α phases by the selective oxidation of manganese.

Fe- 24Mn- 4Al- 5Cr alloy;high temperature oxidation；manganese selective oxidation；oxidation-induced α-Fe

1673- 9590(2016)02- 0104- 03

2015- 03- 23

吴忠金(1988-)，男，硕士研究生；朱雪梅(1964-),女，教授,硕士，主要从事腐蚀电化学的研究E-mail:xmzhu@djtu.edu.cn.

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