铁的高温氧化机理及应用

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：因为γ-Fe2O3在高于350℃时不稳定，所以高温氧化层的结构为α-Fe2O3/Fe3O4/FeO/Fe。在600℃以上时，FeO约占总氧化层量的90%以上。表1-5铁的各种氧化物的结构与性质Fe在570℃以上温度下氧化时生成的三层氧化物，其生长情况如图1-16所示。

铁是应用最广泛的金属材料，在电力行业中，制造热力设备的金属材料主要是碳钢，有的部件采用合金钢。因此研究铁的高温氧化显得尤为重要。

1.铁的氧化规律

Fe在高于300℃的温度下进行氧化时，氧化速度符合抛物线规律；在低于300℃的温度下进行氧化时，符合对数或反对数规律。

Fe在空气中，氧化温度在570℃以下时生成Fe₃O₄/Fe₂O₃双层氧化膜；氧化温度在570℃以上时生成FeO/Fe₃O₄/Fe₂O₃三层氧化膜。图1-12～图1-14分别表示在700～1250℃的空气中，Fe上生成的各类氧化膜的厚度与时间的平方根（即t）的关系。图1-12表示的是在700～1250℃时，氧化膜中α-Fe₂O₃层的等温生成曲线；图1-13所示的是在700～1250℃时，氧化膜中Fe₃O₄层的等温生长曲线；图1-14所示的是在700～1250℃时，氧化膜的等温生长曲线。图1-15所示的是在450～975℃时，氧化膜增重速度的等温曲线。在上述所有温度条件下，氧化膜的增量与氧化时间的平方根呈直线关系，即符合抛物线规律。

图1-12　在700～1250℃时，氧化膜中α-Fe₂O₃层的等温生长曲线

a）700～1000℃时　b）1050～1250℃时

图1-13　在700～1250℃时，氧化膜中Fe₃O₄层的等温生长曲线

a）700～1000℃时　b）1050～1250℃时

2.铁的氧化物的结构

表1-5列出了铁的各种氧化物的结构与性质。

Fe在室温到175℃范围内氧化时，生成的表面膜结构为γ-Fe₂O₃/Fe₃O₄/Fe，在175℃以上开始生成α-Fe₂O₃，此时氧化膜的结构为α-Fe₂O₃/（γ-Fe₂O₃）/Fe₃O₄/Fe。因为γ-Fe₂O₃在高于350℃时不稳定，所以高温氧化层的结构为α-Fe₂O₃/Fe₃O₄/FeO/Fe。在600℃以上时，FeO约占总氧化层量的90%以上。

图1-14　在700～1250℃时，氧化膜的等温生长曲线

a）700～1000℃时　b）1050～1250℃时

图1-15　450～975℃时，氧化膜增重速度的等温曲线(https://www.chuimin.cn)

a）450～650℃时　b）650～975℃时

在氧化层中各类氧化物的厚度之比为FeO∶Fe₃O₄∶Fe₂O₃=100∶（5～10）∶1。此厚度比与时间无关，而且在700℃以上时，此比值随温度的变化也不大。

表1-5　铁的各种氧化物的结构与性质

Fe在570℃以上温度下氧化时生成的三层氧化物，其生长情况如图1-16所示。FeO是金属不足型氧化物，含有和等当量的⊕（离子），是由Fe2+离子向外扩散来生长的。在FeO晶格中缺陷非常大，最高可达9%～10%，所以Fe²⁺离子在FeO中的扩散速度很大，因此FeO的生长速度也最快，生成的量最多。Fe₃O₄也是金属不足型氧化物，但缺陷浓度要比FeO小得多。它在生长时，80%是由O^2-离子向内扩散，20%是由Fe²⁺离子向外扩散来进行的。Fe₂O₃是金属过剩型氧化物，是由O^2-离子向内扩散来生长的。