我国科技进步有多大？这几种提高不锈钢抗氧化性的方法，都做到了

互推小编 2023-05-15

虽然不锈钢本身具有很好的耐蚀性、抗氧化性，但是实际应用中，在不同的腐蚀介质环境下仍会产生不同程度的腐蚀破坏，因此，还需对其表面进行适当的处理，以使合金表层改性，达到提高合金抗氧化性能的目的。下面简要介绍几种用于不锈钢抗氧化性的表面处理方法。

1、预氧化处理

金属高温氧化的主要理论为瓦格纳(Wagner)氧化理论，符合该理论时，氧化膜的增厚与氧化时间呈抛物线关系。金属高温氧化速率主要受氧化膜中的缺陷种类及浓度、氧化膜的体积与所消耗金属的体积之比、氧化膜中的应力等因素控制。从瓦格纳的内氧化到外氧化转变的临界判据可知，若降低氧分压，则可降低合金元素选择性氧化的临界含量。因此，在低氧分压下氧化时，有利于合金表面选择性氧化形成的膜将合金和气体介质隔离开来，合金表面的氧分压低，保护性氧化膜仍可缓慢地生长。

预氧化处理过程有可能遇到两种情况：一种是，合金中铝或铬含量低，通常情况下氧化时形不成单一Al2O3膜或Cr2O3膜。如果选择一种氧分压足够低的气来处理时，有可能使合金表面形成单一Al2O3或Cr2O3。另一种情况是，合金正常氧化时可形成Al2O3膜或Cr2O3膜。但低氧压处理时，如果氧化速度与外界氧分压有关，那么氧化膜生长速度低，致密性和粘附性都可得到提高。但是，由于氧化形成的膜往往较薄，预氧化处理对合金抗氧化性的改善作用有限。

2、表面细晶化处理

通常合金晶粒细化有利于合金元素的选择性氧化，对常规晶粒的不锈钢材料来说，表面处理后表层晶粒细化，有助于提高抗氧化性。表面细晶化主要是利用高能量密度的激光束、电子束等辐照金属材料表面，可分为激光表面重熔和电子束表面处理。

（1）、激光表面重熔

激光表面处理技术发展迅速，工业应用领域范围广。当金属受到激光束的辐照时，金属中的电子得到光子的能量并与晶体点阵中的原子碰撞，从而加热晶体点阵。由于光子穿透金属的能力很低，因而只能使金属表面的一薄层吸收激光能量，然后通过热传导向内部传递。

激光束辐照可使合金表面在极短的时间内加热至熔点以上。当停止加热时，由于加热区域很小，该区域的热向周围快速传导，从而温度急剧降低。这一过程使得熔化区内的金属形核后来不及长大既已降到很低温度，最后熔化区呈细晶组织。

表面重熔后，对材料各方面的性能都有影响。例如，钢铁材料经激光辐照后，如加热温度超过900C，即温度高于亚共析钢的临界点AC3时，得到奥氏体，快速冷凝时则获得马氏体，因而碳钢经表面激光处理后硬度大大提高。另外，激光表面强化后，能够造成表面残余压应力，有利于提高钢的疲劳强度。另外，耐磨性和耐蚀性也都可以得到改善。

应当注意的是，当表面重熔的目的是为了提高合金的抗氧化性时，必须选择那些本身就具有较好抗氧化性的材料。否则表面重熔处理后，晶粒细化，加强了发生氧化元素的扩散。而这些元素的氧化物抗氧化性能差，合金的氧化速度反面会增大。

另外，在具体实现整个试样表面的处理时，需要进行激光束扫描。激光表面重熔处理时的具体工艺参数就包括：输出功率、激光束斑直径、扫描速度等。必须仔细调整工艺参数，否则表面处理层容易形成大量裂纹。

（2）、电子束表面处理

电子束是一束集中的高速电子。它的速度取决于加速电压的高低，可达到光速的2/3左右。电子束照射到材料表面，会同材料的原子核及电子相互作用。由于电子与原子核间质量差别极大，所以与核的碰撞基本上是弹性碰撞。因此，能量的传递主要通过与合金中的电子碰撞来实现的。传递给电子的能量立即以热能的形式传给了点阵原子。由于照射过程很短，加热过程可近似地看成是准绝热的，热导效应可忽略不计。

与激光相比，电子束更易被固体金属吸收，其功率可比激光大一个数量级。这种高能量密度的加热，其突出的特点是加热和冷却速度都极高，在合金表层可获得一种超细晶粒组织。电子束处理时，冷却速度可达到106℃/s。而激光处理时，冷却速度可达2×102～105℃/s。

电子束处理要在表面真空汇总进行，因而减少了氧化、氮化的影响，可得到纯净、质量好的表面处理层。但正因为要在低压下进行操作，所以工序复杂化、成本增加。

3、电子火花强化

电火花强化是一种简便易行的金属材料表面处理的特殊工艺。它利用脉冲电流在火花放电时输出的瞬时能量，把硬度合金或其他导电材料涂覆、熔渗到材料表面，形成一层高硬度、耐磨，且具有特殊物理、化学性能的强化层。考虑表面熔渗铝等元素，则可达到改善材料抗氧化性能的目的。电火花强化层是材料表面在电火花放电的作用下，经微区高温冶金过程所形成的合金层，所以，它与基体材料的结合极为牢固。

电火花强化处理具有设备轻巧、操作简单、成本低廉等优点。已有商业化的电火花强化机。

4、离子注入

所谓离子注入，就是将要注入的化学元素的原子经电离后变成离子，并将其在电场中加速，获得较高动能后注入到固体材料表面，以改变该材料表面的物理、化学或力学性能的一种技术。

在离子注入过程中，具有一定动能的离子射入固体后，就与固体表层内的原子核和电子发生随即碰撞。碰撞过程中，离子不断消耗其能量，离子的运动方向不断改变。经过一段碰撞过程后，离子的能量耗尽，就在固体表层内某一部分停留下来。

图1 离子注入系统图

5、喷丸处理

喷丸处理是工厂广泛采用的一种表面强化工艺，喷丸广泛用于提高零件机械强度以及耐磨性、抗疲劳和耐腐蚀性等。还可用于表面消光、去氧化皮和消除铸、锻、焊件的残余应力等。例如，对奥氏体钢的喷丸可以在钢管内壁近表面产生碎化的奥氏体晶粒、动态再结晶晶粒、大量的滑移带以及可能会出现的形变孪晶

和应变诱发马氏体。碎化晶粒的晶界和滑移带等缺陷在锅炉运行初期成为Cr元素由基体向钢管内壁表面扩散的短路通道，从而加快了Cr元素向钢管内壁表面扩散的速度。此外，喷丸引入的表层缺陷，使得铬的氧化物形核密度、氧化膜生长速度以及铬的扩散有较好的协调性,有利于Cr2O3膜形成及生长至稳态厚度。喷丸钢管内壁表面形成的致密Cr2O3薄膜，将金属与腐蚀环境隔开，阻碍了氧化的进一步进行。