第二章金属的高温氧化
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例:在通常的大气条件下,氧分压可视为衡定值,即 P 。因此,金 2 2 1 . 2 8 k P a O 属的稳定性可通过下式判断:
(1)当P 2 1 . 2 8 k P a时,处于平衡态,金属与氧化物均稳定。 M O 2 (2)当 P 2 1 . 2 8 k P a 时,反应向生成氧化物方向进行。 M O 2 (3)当 P 2 1 . 2 8 k P a时,则反应向氧化物分解方向进行。 M O 2 表2.1列出几种氧化物的分解压。即可通过分解压与环境中的氧分压相比较, 由此可直接判断氧化反应是否可能发生。
(2.12) v D ( c c ) /y d M O
又假定氧化过程完全由氧扩散控制,所以 c M 0,即由于扩散缓慢, 扩散进来的氧,均被氧化反应而消耗掉,故式(2.12)变为 (2.13) v D c v d o/ y 氧
式(2.13)表明,扩散控制的氧化速度等于扩散速度,正比于环境 中氧的浓度,反比于膜的厚度。当环境中氧浓度恒定时,在一定温 度下可得
dy / d Ae By dy / d Ae
积分后可得
By
(2.17)
(2.18)
k n 、 A、 B — 常 数
—氧化时间
y— 氧 化 厚 度
y k1 lg(k2 k3 ) 1/ y k4 k5 lg
(2.19) (2.20)
这两种规律都是在氧化膜很薄时才出现,意味着氧化过程受到的阻
物、硫化物、卤化物、碳化物、氢氧化合物等。因此,工程上广义的氧化
其产物不一定是狭义的氧化物。
第一节
金属高温氧化的热力学
一、金属高温氧化的热力学可能性 研究金属发生氧化的可能性或倾向性以 及反应进行的程度。可用系统吉布斯自 由能G的性质来进行判断。
由热力学可知,任何自发进行反应系统的吉布斯自由能变化值
2 F e O 2 F e O 2
1 G 4 1 4 k J / m o l 0 0 6 0 0 C
图2.1
一些氧化物的 G T 图
由上式反应可见铝和铁在600℃标准状态下均可氧化,而前者比后 的氧化倾向更大。将上述二式相减,可得:
2 F e O4 /3 A l 2 /3 A lO 2 F e 2 3
必须降低。当
G 0
时,过程自发进行。反之, G 0 的过程是
G
不可能发生的。金属高温氧化和腐蚀反应的行为实际上与此相同。因 此,一般都应用在一定温度条件下系统的吉布斯自由能的变化值
G
作为金属高温氧化的热力学判据。但是注意:从吉布斯自由能的变化
是不可能预测反应速度的。
对于高温氧化反应
表2.1 反 应 式 几种氧化物的分解压(1000℃) 反 应 式 分 解 压/KPa
分 解 压/KPa 1.7×10-13 2.8×10-11 1.7×10-4 1.6×10-10 2.7×102 1.7×10-8
FeO=Fe+1/2 O2 Fe3O4=3FeO+l/2 O2 Fe2O3=2/3FeO+l/6 O2 CoO=Co+l/2 O2 Co3O4=3CoO+l/2 O2 NiO=Ni+l/2 O2
给定温度下,金属氧化反应的 G 值。 G 值愈负,则该金属的氧 化物愈稳定,亦即金属还原夺氧能力愈强。 例:从图2.1中可得出,铝和铁金属在 600 0 C 状态下氧化时的系统标
准吉布斯自由能为:
1 4 / 3 A l O2 / 3 A l O G 9 3 3 . 6 5 k J / m o l 0 0 2 2 3 6 0 0 C
用下式表示: (2.5) y W M /M D O X O 2
金属的氧化动力学规律取决于金属种类、氧化温度和时间。同一金 属在不同温度下氧化可能遵循不同规律;而在同一温度下,随着氧 化时间的延长,氧化膜增厚的动力学规律也可能从一种规律转变为 另一种规律。研究表明,金属氧化动力学曲线大体遵循直线、抛物 线、对数和立方规律。 1、直线规律 金属氧化时,如果不能形成保护性氧化膜,或在反应中生成气相或
下等温氧化均服从立方规律。
y k C (2.21)
3
立方规律通常仅局限于短期的暴露,在低温薄氧化膜时出现,此现 象可能与通过氧化物空间电荷区的输送过程有关。 为综合比较膜生长各规律的速度大小,图2.6中列出了直线、抛物 线、对数及立方等氧化规律示意图。由图可知,直线型氧化速率最 为危险,因为质量增加以恒速随时间增大。
在使用 G T平衡图时必须注意:
1、该平衡图只能用于平衡系统,不能使用于非平衡系统,且仅说明
反应发生的可能性和倾向的大小,而不能说明反应和速度问题,后者 是属于动力学范畴问题。
2、G T 平衡图中所有凝聚相都是纯物质,不是溶液或固熔体。换
言之,该图原则上只用于无溶体参与的反应。
第二节 金属高温氧化的动力学
二、系统标准吉布斯自由能-温度图
如上所述,在研究金属高温氧化过程中,可以根据金属氧化物的系
统标准吉布斯自由能 G 的变化判断氧化的可能性或反应的方向性。
1944年Ellingham编制了一些氧化物的 G T 图。不同温度下,各
氧化物的 G 为纵坐标,温度为横坐标。由该图可以直接读出任何
解压 p
若
O
2
与气相中氧分压 p O
T
2
的相对大小来判断。
M O 2 的方向进行;
2 pO2,则 G 0 ,反应向生成 pO
若p ,则 GT 0 ,高温氧化反应达到平衡; 2 pO2 O
2 pO2 ,则 G T 0 ,反应向 M O 2 分解的方向进行。 若 pO
第二章 金属的高温氧化
金属高温氧化的热力学
金属高温氧化的动力学
金属的氧化膜
合金的氧化
狭义的氧化:指金属和环境介质中的氧化合而生成金属氧化物。可用下
式表示:
M/ n 2 O M O 2 2
广义的氧化:把金属从表面开始向金属化合物变化的现象称为金属
的氧化。
金属的氧化过程:吸附 扩散 化合。这些化合物包括氮化
得:
y k
m k1
V k2
(2.8)
为实验上的测量方便,常用增加质量表示: (2.9)
或用腐蚀性气体的质量减少来表示: (2.10)
实际上,碱金属、碱土金属的氧化膜厚度随时间的增长,皆遵守直
线关系,如图2 .2镁在503~575℃下氧化时遵循线性规律。可以设
想,产生直线规律是由于膜没有任何保护性的结果,即氧化过程受 纯粹化学反应活化能控制,氧化速度等于化学反应速度。
围内氧化时,在金属表面上形成较致密的固体氧化膜,因此氧化速度与
膜厚成反比。实践证明,许多金属的氧化偏离平方抛物线规律。将式 (2.15)写成下列通式:
y k C (2.16)
n
当n〈2时,表明氧化的扩散阻滞并非完全随膜的厚度的增长而呈正比地 增长,膜的应力、空洞、缺陷可能是造成扩散偏离平方抛物线关系的缘 故。 当n〉2时,表明扩散阻滞作用比膜增厚
v氧化1 / y (2.14)
若用氧化膜的厚度增长率来表示氧化速度,则由式(2.14)可得
/y v d yd / k 氧 化
积分上式
Leabharlann Baidu
ydy kd
或
y2 2 k C
(2.15)
k —抛物线的速度常数 y—氧化膜的厚度 C—积分常数
y2 k C
当氧化膜具有保护性时,氧化反应的速度规律常呈抛物线型。氧化反应 主要受金属离子在固体膜中的扩散控制。因为许多金属在较宽的温度范
p — 给 定 温 度 下 平 衡 时 氧 的 分 压 , 也 是 该 温 度 下 金 属 氧 化 物 M O 的 分 解 压 。 O 2 2
将式(2.2)带入式(2.3 )
1 1 G R T l n R T l n ( 2 . 4 ) T p p O O 2 2
由上式可见,在温度T 时,金属是否会氧化,可根据氧化物的分
所产生的阻滞更为严重。金属氧化物或
锈层的掺杂、离子扩散受阻、致密阻挡 层的形成都是可能的原因。图2.4示出,
在较高的温度下,铁在空气中氧化的抛
物线规律。
图2.4 铁在较高温度下在空气中的氧化抛物线曲线
3、对数规律 有些金属在低温或室温氧化时,它的氧化膜形成的特点是开始反应迅 速,然后随着反应进行,速率却变得缓慢,这种氧化服从对数和反对 数规律。它们的氧化速率与膜的厚度呈指数函数关系。即
Cr2O3=2Cr+3/2 O2 Al2O3=2Al+3/2 O2 MnO=Mn+l/2 O2 Mn3O4=3MnO+l/2 O2 Mn2O3=2/3Mn3O4+l/2 O2 SiO2=Si+O2
2.3×10-20 1.3×10-33 1.1×10-22 2.2×10-4 1.3×102 1.1×10-26
1 G 5 1 9 k J /m o l 0 0 6 0 0C
这表明,在氧化膜中FeO可被Al还原而生成 A l 2 O 3。正如上述,位于
G T 图中下部的金属均可还原上部金属氧化物。
为什么Cr,Al,Si作为耐热钢的主要合金元素提高其热稳定性
?
这些元素的氧化物位于 G T 图中的Fe氧化物的平衡线以下,故此 在高温下具有较高的热稳定性。
液相产物而脱离金属表面,则氧化速率直接由形成氧化物的化学反
应所决定,因而膜的成长速度恒定不变:
d y/ d k
(2.6)
y— 氧 化 膜 厚 度
—氧化时间 k—常数
对上式积分得:
y k C ( 2 . 7 )
上式表明,氧化膜的厚度与时间成直线关系,积分常数取决于氧化
起始瞬间膜厚,若是在纯净金属表面开始氧化,式中的C=0,可
D—扩散系数 dc / dy —浓度梯度
图2.3
金属氧化膜增长示意图
如果氧化过程是稳态扩散过程,则扩散物质在膜的任何截面上均不 发生积累,于是可用下列比例式 (c M c O)/ y来代替浓度梯度导数 式dc
/dy
,故式(2.11)变为
c — 膜 / 环 境 界 面 上 氧 的 浓 度 O c — 金 属 / 膜 界 面 上 氧 的 浓 度 M
一、金属高温氧化动力学
主要研究氧化膜增长和速度规律,即考虑 是按什么规律成长。从工程观点看金属高 温氧化最重要的参数是它的反应速度。 由于氧化反应产物一般都保留在金属表面,所以氧化速度通常以单
2 位面积上质量变化 W (m g/c m)
表示。膜厚与氧化质量增加可以
y — 膜 厚 W — 单 位 面 积 上 的 氧 化 量 增 加 M 及 M — 分 别 为 氧 化 物 及 氧 的 摩 尔 质 量 O X O 2 D — 氧 化 物 密 度
2
均 为 1 2 — p 气 相 中 氧 的 分 压 O
G T 与反应平衡常数K 的关系如下
M O G R T l n K R T l n T p M O
2 2
2
( 2 . 3 )
和 分 别 为 金 属 MM 和 O 在 T 温 度 平 衡 时 的 活 度 , 均 为 1 M M O— 2
图2.2
纯镁在各种温度下在氧气中的氧化
2、抛物线规律
该规律首先由实验得到,用Ag与I2蒸气发生氧化反应而导出抛物线
方程。设金属表面已有厚度为y的完整氧化膜(图2 .3),若金属进 一步被氧化时,反应物质必定通过扩散经由而氧化反应。由菲克第
一定律可知粒子的扩散速度:
(2.11) v D ( d d c /d y)
M OM O ( 2 . 1 ) 2 2
按照Van’t Hoff等温方程式,在温度T 下此反应的自由能变化为
O M G G R T l n T T p MO
2 2
G 温 度下 T 反 应 的 标 准 自 由 能 变 化 T—
和 O — 分 别 为 金 属 M 及 其 氧 化 物 M O 的 活 度 , M M 2 ( 2 . 2 )
滞程度比抛物线规律为大。图2.5中示出,铁在305℃ 和252℃ 的空 气中氧化过程遵循对数曲线规律。由图可知,在很短的时间内,膜 层厚度的变化就很小。
图2.5
铁在较低温度下空气中氧化对数曲线
4、立方规律 在一定的温度范围内,一些金属的氧化服从立方规律,例如金属锆在
101.325kPa 氧压中,于600~900℃ 范围内,铜在100~300℃ 各种气压
(1)当P 2 1 . 2 8 k P a时,处于平衡态,金属与氧化物均稳定。 M O 2 (2)当 P 2 1 . 2 8 k P a 时,反应向生成氧化物方向进行。 M O 2 (3)当 P 2 1 . 2 8 k P a时,则反应向氧化物分解方向进行。 M O 2 表2.1列出几种氧化物的分解压。即可通过分解压与环境中的氧分压相比较, 由此可直接判断氧化反应是否可能发生。
(2.12) v D ( c c ) /y d M O
又假定氧化过程完全由氧扩散控制,所以 c M 0,即由于扩散缓慢, 扩散进来的氧,均被氧化反应而消耗掉,故式(2.12)变为 (2.13) v D c v d o/ y 氧
式(2.13)表明,扩散控制的氧化速度等于扩散速度,正比于环境 中氧的浓度,反比于膜的厚度。当环境中氧浓度恒定时,在一定温 度下可得
dy / d Ae By dy / d Ae
积分后可得
By
(2.17)
(2.18)
k n 、 A、 B — 常 数
—氧化时间
y— 氧 化 厚 度
y k1 lg(k2 k3 ) 1/ y k4 k5 lg
(2.19) (2.20)
这两种规律都是在氧化膜很薄时才出现,意味着氧化过程受到的阻
物、硫化物、卤化物、碳化物、氢氧化合物等。因此,工程上广义的氧化
其产物不一定是狭义的氧化物。
第一节
金属高温氧化的热力学
一、金属高温氧化的热力学可能性 研究金属发生氧化的可能性或倾向性以 及反应进行的程度。可用系统吉布斯自 由能G的性质来进行判断。
由热力学可知,任何自发进行反应系统的吉布斯自由能变化值
2 F e O 2 F e O 2
1 G 4 1 4 k J / m o l 0 0 6 0 0 C
图2.1
一些氧化物的 G T 图
由上式反应可见铝和铁在600℃标准状态下均可氧化,而前者比后 的氧化倾向更大。将上述二式相减,可得:
2 F e O4 /3 A l 2 /3 A lO 2 F e 2 3
必须降低。当
G 0
时,过程自发进行。反之, G 0 的过程是
G
不可能发生的。金属高温氧化和腐蚀反应的行为实际上与此相同。因 此,一般都应用在一定温度条件下系统的吉布斯自由能的变化值
G
作为金属高温氧化的热力学判据。但是注意:从吉布斯自由能的变化
是不可能预测反应速度的。
对于高温氧化反应
表2.1 反 应 式 几种氧化物的分解压(1000℃) 反 应 式 分 解 压/KPa
分 解 压/KPa 1.7×10-13 2.8×10-11 1.7×10-4 1.6×10-10 2.7×102 1.7×10-8
FeO=Fe+1/2 O2 Fe3O4=3FeO+l/2 O2 Fe2O3=2/3FeO+l/6 O2 CoO=Co+l/2 O2 Co3O4=3CoO+l/2 O2 NiO=Ni+l/2 O2
给定温度下,金属氧化反应的 G 值。 G 值愈负,则该金属的氧 化物愈稳定,亦即金属还原夺氧能力愈强。 例:从图2.1中可得出,铝和铁金属在 600 0 C 状态下氧化时的系统标
准吉布斯自由能为:
1 4 / 3 A l O2 / 3 A l O G 9 3 3 . 6 5 k J / m o l 0 0 2 2 3 6 0 0 C
用下式表示: (2.5) y W M /M D O X O 2
金属的氧化动力学规律取决于金属种类、氧化温度和时间。同一金 属在不同温度下氧化可能遵循不同规律;而在同一温度下,随着氧 化时间的延长,氧化膜增厚的动力学规律也可能从一种规律转变为 另一种规律。研究表明,金属氧化动力学曲线大体遵循直线、抛物 线、对数和立方规律。 1、直线规律 金属氧化时,如果不能形成保护性氧化膜,或在反应中生成气相或
下等温氧化均服从立方规律。
y k C (2.21)
3
立方规律通常仅局限于短期的暴露,在低温薄氧化膜时出现,此现 象可能与通过氧化物空间电荷区的输送过程有关。 为综合比较膜生长各规律的速度大小,图2.6中列出了直线、抛物 线、对数及立方等氧化规律示意图。由图可知,直线型氧化速率最 为危险,因为质量增加以恒速随时间增大。
在使用 G T平衡图时必须注意:
1、该平衡图只能用于平衡系统,不能使用于非平衡系统,且仅说明
反应发生的可能性和倾向的大小,而不能说明反应和速度问题,后者 是属于动力学范畴问题。
2、G T 平衡图中所有凝聚相都是纯物质,不是溶液或固熔体。换
言之,该图原则上只用于无溶体参与的反应。
第二节 金属高温氧化的动力学
二、系统标准吉布斯自由能-温度图
如上所述,在研究金属高温氧化过程中,可以根据金属氧化物的系
统标准吉布斯自由能 G 的变化判断氧化的可能性或反应的方向性。
1944年Ellingham编制了一些氧化物的 G T 图。不同温度下,各
氧化物的 G 为纵坐标,温度为横坐标。由该图可以直接读出任何
解压 p
若
O
2
与气相中氧分压 p O
T
2
的相对大小来判断。
M O 2 的方向进行;
2 pO2,则 G 0 ,反应向生成 pO
若p ,则 GT 0 ,高温氧化反应达到平衡; 2 pO2 O
2 pO2 ,则 G T 0 ,反应向 M O 2 分解的方向进行。 若 pO
第二章 金属的高温氧化
金属高温氧化的热力学
金属高温氧化的动力学
金属的氧化膜
合金的氧化
狭义的氧化:指金属和环境介质中的氧化合而生成金属氧化物。可用下
式表示:
M/ n 2 O M O 2 2
广义的氧化:把金属从表面开始向金属化合物变化的现象称为金属
的氧化。
金属的氧化过程:吸附 扩散 化合。这些化合物包括氮化
得:
y k
m k1
V k2
(2.8)
为实验上的测量方便,常用增加质量表示: (2.9)
或用腐蚀性气体的质量减少来表示: (2.10)
实际上,碱金属、碱土金属的氧化膜厚度随时间的增长,皆遵守直
线关系,如图2 .2镁在503~575℃下氧化时遵循线性规律。可以设
想,产生直线规律是由于膜没有任何保护性的结果,即氧化过程受 纯粹化学反应活化能控制,氧化速度等于化学反应速度。
围内氧化时,在金属表面上形成较致密的固体氧化膜,因此氧化速度与
膜厚成反比。实践证明,许多金属的氧化偏离平方抛物线规律。将式 (2.15)写成下列通式:
y k C (2.16)
n
当n〈2时,表明氧化的扩散阻滞并非完全随膜的厚度的增长而呈正比地 增长,膜的应力、空洞、缺陷可能是造成扩散偏离平方抛物线关系的缘 故。 当n〉2时,表明扩散阻滞作用比膜增厚
v氧化1 / y (2.14)
若用氧化膜的厚度增长率来表示氧化速度,则由式(2.14)可得
/y v d yd / k 氧 化
积分上式
Leabharlann Baidu
ydy kd
或
y2 2 k C
(2.15)
k —抛物线的速度常数 y—氧化膜的厚度 C—积分常数
y2 k C
当氧化膜具有保护性时,氧化反应的速度规律常呈抛物线型。氧化反应 主要受金属离子在固体膜中的扩散控制。因为许多金属在较宽的温度范
p — 给 定 温 度 下 平 衡 时 氧 的 分 压 , 也 是 该 温 度 下 金 属 氧 化 物 M O 的 分 解 压 。 O 2 2
将式(2.2)带入式(2.3 )
1 1 G R T l n R T l n ( 2 . 4 ) T p p O O 2 2
由上式可见,在温度T 时,金属是否会氧化,可根据氧化物的分
所产生的阻滞更为严重。金属氧化物或
锈层的掺杂、离子扩散受阻、致密阻挡 层的形成都是可能的原因。图2.4示出,
在较高的温度下,铁在空气中氧化的抛
物线规律。
图2.4 铁在较高温度下在空气中的氧化抛物线曲线
3、对数规律 有些金属在低温或室温氧化时,它的氧化膜形成的特点是开始反应迅 速,然后随着反应进行,速率却变得缓慢,这种氧化服从对数和反对 数规律。它们的氧化速率与膜的厚度呈指数函数关系。即
Cr2O3=2Cr+3/2 O2 Al2O3=2Al+3/2 O2 MnO=Mn+l/2 O2 Mn3O4=3MnO+l/2 O2 Mn2O3=2/3Mn3O4+l/2 O2 SiO2=Si+O2
2.3×10-20 1.3×10-33 1.1×10-22 2.2×10-4 1.3×102 1.1×10-26
1 G 5 1 9 k J /m o l 0 0 6 0 0C
这表明,在氧化膜中FeO可被Al还原而生成 A l 2 O 3。正如上述,位于
G T 图中下部的金属均可还原上部金属氧化物。
为什么Cr,Al,Si作为耐热钢的主要合金元素提高其热稳定性
?
这些元素的氧化物位于 G T 图中的Fe氧化物的平衡线以下,故此 在高温下具有较高的热稳定性。
液相产物而脱离金属表面,则氧化速率直接由形成氧化物的化学反
应所决定,因而膜的成长速度恒定不变:
d y/ d k
(2.6)
y— 氧 化 膜 厚 度
—氧化时间 k—常数
对上式积分得:
y k C ( 2 . 7 )
上式表明,氧化膜的厚度与时间成直线关系,积分常数取决于氧化
起始瞬间膜厚,若是在纯净金属表面开始氧化,式中的C=0,可
D—扩散系数 dc / dy —浓度梯度
图2.3
金属氧化膜增长示意图
如果氧化过程是稳态扩散过程,则扩散物质在膜的任何截面上均不 发生积累,于是可用下列比例式 (c M c O)/ y来代替浓度梯度导数 式dc
/dy
,故式(2.11)变为
c — 膜 / 环 境 界 面 上 氧 的 浓 度 O c — 金 属 / 膜 界 面 上 氧 的 浓 度 M
一、金属高温氧化动力学
主要研究氧化膜增长和速度规律,即考虑 是按什么规律成长。从工程观点看金属高 温氧化最重要的参数是它的反应速度。 由于氧化反应产物一般都保留在金属表面,所以氧化速度通常以单
2 位面积上质量变化 W (m g/c m)
表示。膜厚与氧化质量增加可以
y — 膜 厚 W — 单 位 面 积 上 的 氧 化 量 增 加 M 及 M — 分 别 为 氧 化 物 及 氧 的 摩 尔 质 量 O X O 2 D — 氧 化 物 密 度
2
均 为 1 2 — p 气 相 中 氧 的 分 压 O
G T 与反应平衡常数K 的关系如下
M O G R T l n K R T l n T p M O
2 2
2
( 2 . 3 )
和 分 别 为 金 属 MM 和 O 在 T 温 度 平 衡 时 的 活 度 , 均 为 1 M M O— 2
图2.2
纯镁在各种温度下在氧气中的氧化
2、抛物线规律
该规律首先由实验得到,用Ag与I2蒸气发生氧化反应而导出抛物线
方程。设金属表面已有厚度为y的完整氧化膜(图2 .3),若金属进 一步被氧化时,反应物质必定通过扩散经由而氧化反应。由菲克第
一定律可知粒子的扩散速度:
(2.11) v D ( d d c /d y)
M OM O ( 2 . 1 ) 2 2
按照Van’t Hoff等温方程式,在温度T 下此反应的自由能变化为
O M G G R T l n T T p MO
2 2
G 温 度下 T 反 应 的 标 准 自 由 能 变 化 T—
和 O — 分 别 为 金 属 M 及 其 氧 化 物 M O 的 活 度 , M M 2 ( 2 . 2 )
滞程度比抛物线规律为大。图2.5中示出,铁在305℃ 和252℃ 的空 气中氧化过程遵循对数曲线规律。由图可知,在很短的时间内,膜 层厚度的变化就很小。
图2.5
铁在较低温度下空气中氧化对数曲线
4、立方规律 在一定的温度范围内,一些金属的氧化服从立方规律,例如金属锆在
101.325kPa 氧压中,于600~900℃ 范围内,铜在100~300℃ 各种气压