Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen
Die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit von Metall bezieht sich auf die Oxidationsbeständigkeit von Stahl bei hohen Temperaturen. Oxidation ist eine typische chemische Korrosion. Die chemische Reaktion zwischen Metall und Sauerstoff ist oxidative Korrosion. Das Korrosionsprodukt (Oxidfilm) haftet in einer oxidierenden Atmosphäre wie Hochtemperaturluft und Verbrennungsgas an der Metalloberfläche. Mit der Entwicklung der Oxidation nimmt die Dicke des Oxidfilms weiter zu. Ob die Metalloxidation nach Erreichen eines bestimmten Niveaus weiter oxidiert, hängt direkt von der Leistung des Oxidfilms auf der Metalloberfläche ab. Wenn ein dichter und stabiler Oxidfilm gebildet wird und der Oxidfilm eine hohe Bindungskraft und hohe Festigkeit mit dem Grundmetall aufweist, kann er die Diffusion von Sauerstoffatomen in das Metall verhindern und die Oxidationsrate verringern. Andernfalls wird die Oxidation beschleunigt, wodurch sich die Metalloberfläche ablöst und es zu einem frühen Ausfall der Teile kommt.
Die Zusammensetzung der Oxidschicht auf der Stahloberfläche hängt von der Temperatur ab. Die Oxidschicht besteht aus dichtem Fe2O3+Fe3O4, das die Sauerstoffdiffusion unter 570 Grad wirksam verhindern kann. Bei einer Erwärmung auf über 570 Grad besteht der Oxidfilm von innen nach außen aus FeO+Fe2O3+Fe3O4. FeO ist locker und porös und macht etwa 90 % der gesamten Oxidschichtdicke aus. Metallatome und Sauerstoffatome diffundieren leicht in die FeO-Schicht und beschleunigen die Oxidation. Hochtemperatur-FeO verringert die Oxidationsbeständigkeit von Stahl erheblich. Je höher die Temperatur, desto schneller diffundieren die Atome und desto schneller ist die Oxidationsrate.
Die Hauptmethode zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit von Stahl ist die Zugabe von Legierungselementen wie Chrom, Silizium und Aluminium. Wenn Stahl bei hohen Temperaturen mit Sauerstoff in Kontakt kommt, bildet er daher einen dichten Oxidationsfilm mit hohem Schmelzpunkt aus Cr2O3, Siliziumoxid und Aluminiumoxid, der die Oberfläche des Stahls dicht bedeckt und ihn vor weiterer Oxidation schützt.
Hochtemperaturfestigkeit
Die Hochtemperaturfestigkeit von Metall bezieht sich auf die Fähigkeit von Metallmaterialien, mechanischer Belastung bei hohen Temperaturen zu widerstehen, d. h. die Fähigkeit von Metallmaterialien, plastischer Verformung und Beschädigung bei hohen Temperaturen zu widerstehen. Die mechanischen Eigenschaften von Metallen bei hohen Temperaturen unterscheiden sich stark von denen bei Raumtemperatur. Wenn die Arbeitstemperatur höher als die Rekristallisationstemperatur ist, erfährt das Metall eine plastische Verformung und Kaltverfestigung. Neben der Einwirkung äußerer Kräfte kommt es auch zu Rekristallisation und Erweichung.
Die mechanischen Eigenschaften von Metallen bei hohen Temperaturen hängen von Temperatur, Zeit und Struktur ab. Kriechen tritt häufig bei hohen Temperaturen auf, das heißt, wenn die Arbeitstemperatur höher als die Rekristallisationstemperatur ist, die Arbeitsspannung die Elastizitätsgrenze bei dieser Temperatur überschreitet und sich das Metall mit der Zeit langsam verformt. Je höher die Kriechfestigkeit eines Metalls ist, desto höher ist seine Warmfestigkeit.
Die Hochtemperaturfestigkeit von Metall wird im Allgemeinen durch Kriechgrenze und Dauerfestigkeit ausgedrückt. Die Kriechgrenze ist der Spannungswert, bei dem die Restverformung eines Metalls nach einer gewissen Zeit bei einer bestimmten Temperatur einen bestimmten Wert erreicht. Unter dauerhafter Festigkeit versteht man den Spannungswert eines Metallmaterials innerhalb eines bestimmten Zeitraums unter konstanten Temperaturbedingungen. Bei hohen Temperaturen ist die Korngrenzenfestigkeit von Metallwerkstoffen geringer als die der inneren Körner, sodass die Zugabe von Legierungselementen die Rekristallisationstemperatur erhöht und stabile Spezialkarbide bildet. Durch die Verwendung grobkörniger Materialien zur Reduzierung der Korngrenzen kann die Hochtemperaturfestigkeit von Stahl wirksam verbessert werden.
Mo ist ein wichtiges Legierungselement in warmfestem ferritischem Stahl, der eine Betriebstemperatur von bis zu 530 Grad aufweist. Molybdän in fester Lösung kann die Kriechgeschwindigkeit von Stahl wirksam reduzieren. Molybdän kann die Agglomeration und Vergröberung von Karbiden bei hohen Temperaturen verlangsamen. Vanadium, Titan und Niob sind stark karbidbildende Elemente, die fein verteilte Karbide bilden können, um die Hochtemperaturfestigkeit von Stahl zu verbessern. Titan-, Niob- und Kohlenstoffverbindungen können auch die interkristalline Korrosion austenitischer Stähle bei hohen Temperaturen oder nach dem Schweißen verhindern.
