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Cu-Ni基合金导杆材料的成分设计及其抗氧化和耐腐蚀性能研究

作　者: 徐磊
导　师: 周科朝
学　校: 中南大学
专　业: 材料学
关键词: 铜镍基合金致密化高温氧化腐蚀
分类号: TG146.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 35次
引　用: 2次
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内容摘要

本论文针对铝电解用惰性阳极钢质导杆目前存在的抗高温氧化性能差,在工业电解实验中存在的表面氧化膜剥落、与阳极连接界面易开裂等问题,以获得结构稳定、耐蚀性能强的金属导杆材料及其制备技术为研究目标。采用粉末冶金方法进行合金导杆材料成分的初步优选,研究了烧结工艺对导杆致密度的影响,以及Co、Al、Cr等元素对Cu-Ni基合金抗氧化性能的影响。通过分析Cu-Ni基合金高温氧化腐蚀机理确定出抗氧化性能相对较好的合金成分,并采用熔铸方法进一步优化合金导杆的性能。获得的主要结果如下：1)对粉末冶金Cu-40Ni-5Fe-5Co合金的烧结致密化研究发现,固相烧结难以实现致密化,相对密度仅为78%；液相烧结可显著提高致密度,但烧结温度过高会使试样发生过烧,最合适的烧结温度为1250℃,所制备的合金试样相对密度为95.6%,晶粒尺寸为20-30μm。2) PM Cu-40Ni-10Fe-5Co合金在960℃的空气中氧化时,氧化膜主要由Ni的氧化物组成,Fe和Co的加入对改善氧化膜的结构和性质作用不大。由于氧化膜疏松多孔,对氧向基体扩散阻碍作用有限,基体存在严重的内氧化现象。3)通过研究合金元素Al、Cr的含量(质量分数在5%-12.5%范围内)分别对PM Cu-Ni-Fe-Al合金和PM Cu-Ni-Fe-Cr合金在850、900℃高温氧化的影响发现：Cu-40Ni-10Fe-5Al合金的氧化膜分层明显,主要由Cu氧化膜为主的最外层、Ni和Cu混合氧化物的次外层、NiFeAl混合氧化物的中间层以及最内层的A12O3层组成。其中最内两层,尤其是最内的A1203层对阻挡氧的向内扩散起到关键性作用；对于Cu-Ni-Fe-Cr合金,Cr含量较低时,由于氧化过程中Cr的供应量不足而难以形成具有保护性的氧化膜,导致合金的内氧化较严重,Cr为10wt%时,合金氧化膜结构与氧化机理类似Cu-40Ni-10Fe-5Al合金,所不同的是Cu-40Ni-10Fe-5Al中的A1203倾向于在氧化膜内层形成保护层,而Cu-40Ni-7.5Fe-10Cr中的Cr203首先在靠近基体的氧化膜内层形成保护层,随着氧化温度的升高和氧化时间的增长,Cr2O3具有在氧化膜外侧形成保护层的趋势。4)相对于粉末冶金合金,熔铸合金的优势体现在有更好的致密度,有助于选择性氧化元素Fe、Al和Cr更顺利向氧化界面扩散,促使保护层的生成与完整,具体体现在氧化膜更薄、氧化层的结构更加均匀和氧化界面相对平滑,提高合金的抗氧化性能。在900℃空气中氧化24h后,熔铸Cu-40Ni-10Fe-5Al合金和Cu-40Ni-7.5Fe-10Cr增重分别为1.2mg/cm2和0.78mg/cm2,氧化膜厚度分别为30-35μm和30μm。5) Cu-40Ni-10Fe-5Al合金在960℃电解质气氛中氧化腐蚀,由于Al2O3与基体的粘附性能较差且在电解质中溶解度高,导致表面氧化膜的局部脱落,在电解质腐蚀气氛和氧的共同作用下,改变了氧化膜组成与应力状态,最终导致合金表面氧化物大面积剥落,腐蚀严重；Cu-40Ni-7.5Fe-10Cr合金在960℃电解质气氛中氧化腐蚀,合金表面在氧化腐蚀初期形成一层致密完整的Cu的氧化物,该氧化物在电解质气氛中具有很高的化学稳定性,可有效地阻挡电解质气氛向基体的渗透。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章文献综述  9-23
  1.1 铝电解用合金导杆的性能要求和研究现状  9-14
    1.1.1 前言  9
    1.1.2 铝电解用合金阳极的性能要求  9-10
    1.1.3 铝电解用合金阳极的研究现状  10-14
  1.2 Cu基合金的性质及其制备  14-16
    1.2.1 Cu合金的性质  14
    1.2.2 Cu合金的制备  14-16
  1.3 高温抗氧化性能的研究概况  16-21
    1.3.1 高温氧化概述及其基本过程  16-17
    1.3.2 高温氧化的热力学基础  17-18
    1.3.3 高温氧化的动力学基础  18-20
    1.3.4 Cu基合金的抗氧化性能研究  20-21
  1.4 实验研究内容和方案  21-23
第二章实验过程  23-26
  2.1 实验原料及实验仪器  23-24
  2.2 实验方法  24-25
    2.2.1 采用粉末冶金方法进行合金导杆材料成分的初步优选  24
    2.2.2 采用熔铸方法对合金的性能进行优化  24-25
    2.2.3 合金试样的气氛腐蚀实验  25
  2.3 测试手段  25-26
    2.3.1 测密度  25
    2.3.2 金相显微镜检测  25
    2.3.3 X射线分析  25
    2.3.4 扫描电镜  25
    2.3.5 硬度测试  25
    2.3.6 拉伸强度测试  25
    2.3.7 氧化动力学测试  25-26
第三章 Cu-Ni基合金的烧结致密化研究  26-36
  3.1 引言  26
  3.2 实验  26-27
    3.2.1 合金试样的制备  26-27
    3.2.2 性能检测  27
  3.3 结果与讨论  27-35
    3.3.1 合金的固溶化处理  27-31
    3.3.2 烧结温度对相对密度的影响  31
    3.3.3 烧结温度对孔隙形貌的影响  31-32
    3.3.4 烧结致密化后的组织  32-34
    3.3.5 合金的力学性能  34-35
  3.4 本章小结  35-36
第四章合金元素对Cu-Ni基合金抗氧化性能的影响  36-62
  4.1 引言  36
  4.2 实验  36-37
    4.2.1 试样制备  36-37
    4.2.2 实验过程  37
  4.3 实验结果与分析  37-60
    4.3.1 Cu-Ni-Fe-Co合金氧化结果分析  37-41
    4.3.2 Cu-Ni-Fe-Al合金氧化结果分析  41-50
    4.3.3 Cu-Ni-Fe-Cr合金氧化结果分析  50-55
    4.3.4 Cu-Ni基熔铸合金氧化结果分析  55-60
  4.4 本章小结  60-62
第五章 Cu-Ni基合金的耐腐蚀性能研究  62-68
  5.1 引言  62
  5.2 实验  62-63
    5.2.1 实验原料  62
    5.2.2 实验过程  62-63
  5.3 实验结果与分析  63-67
    5.3.1 Cu-Ni-Fe-Al合金气氛腐蚀实验分析  63-65
    5.3.2 Cu-Ni-Fe-Cr合金气氛腐蚀实验分析  65-67
  5.4 本章小结  67-68
第六章结论  68-70
参考文献  70-78
致谢  78-79
研究成果  79

Cu-Ni基合金导杆材料的成分设计及其抗氧化和耐腐蚀性能研究

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