掺杂对FeCoCrMoCBY大块非晶合金耐蚀、耐磨性能和热导率的影响

【摘要】：本论文采用非自耗型真空熔炼电弧炉水冷铜模吸铸法制备了(Fe_(41)Co_7Cr_(15)Mo_(14)C_(15)B_6Y_2)_(100-x)Crx(x=0,4,8,12 at%;BMG1,BMG2,BMG3,BMG4)和(Fe_(41)Co_7Cr_(15)Mo_(14)C_(15)B_6Y_2)_(100-x)(Co_(65)Cr_(15)Zr_(10)W_(10))x(x=5,10,15 at%;BMG5,BMG6,BMG7)大块非晶合金。分别利用X射线衍射法(XRD)对合金结构进行了表征;利用电化学工作站研究合金的耐蚀性能;利用差热分析、电阻率和热导率对合金的热力学进行分析;利用WTM-2E型摩擦磨损试验机研究合金的耐磨性能和磨损机制;通过X射线光电子能谱分析(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)及能谱(EDS)分析合金腐蚀和摩擦磨损后的表面形貌及钝化膜的成分和元素的含量。本文重点研究了Cr元素和Co_(65)Cr_(15)Zr_(10)W_(10)非晶合金系掺杂对Fe基大块非晶合金在3%NaCl、1mol/L HCl和1 mol/L NaOH三种溶液中耐蚀性能的影响;探讨Fe CoCrMoCBY系非晶合金中最佳的Cr/Mo比范围和Co_(65)Cr_(15)Zr_(10)W_(10)非晶合金系最佳的掺杂含量以及Cr和Co_(65)Cr_(15)Zr_(10)W_(10)掺杂对Fe基非晶合金热导率和耐磨性能的影响;建立硬度、晶化温度(Tx)和热导率三者之间的联系。通过极化曲线和交流阻抗谱分析发现,Cr元素和Co_(65)Cr_(15)Zr_(10)W_(10)非晶合金系掺杂提高了Fe基大块非晶合金的耐蚀性。在FeCoCrMoCBY非晶合金系中当Cr/Mo比在1.37~1.69范围内时,Fe基大块非晶合金的耐蚀性最好。Co_(65)Cr_(15)Zr_(10)W_(10)的最佳掺杂量为5at%,此时既能提高耐蚀性又能确保经济效益。通过对BMG2、BMG3和BMG4在1 mol/L HCl和BMG5、BMG6和BMG7在3%NaCl中钝化膜的M-S曲线分析发现,Cr/Mo比为1.37~1.69和Co_(65)Cr_(15)Zr_(10)W_(10)的掺杂量为15at%时合金的钝化膜的稳定性以及对基体的保护性要更好。对BMG2、BMG3和BMG4在1 mol/L HCl中的表面钝化膜的成分分析发现,Cr和Mo元素的协同作用决定着耐蚀性和钝化膜的稳定性,钝化膜的主要成分是Cr3+离子的氧化物或者氢氧化物,在0.5VSCE电位以下对耐蚀性起主要作用的是Cr3+离子,当电位高于0.5VSCE后,对耐蚀性起决定性作用的是Mo6+离子。对BMG5、BMG6和BMG7在饱和NaCl溶液中浸泡336h后表面形貌和成分分析发现,掺杂Co_(65)Cr_(15)Zr_(10)W_(10)含量越多点蚀坑数量和直径越小。导致耐蚀性提高的原因并不是Zr的引入,而是Co_(65)Cr_(15)Zr_(10)W_(10)非晶合金的掺杂导致了更多Cr在表面的富集,形成了更加致密的钝化膜;相比合金内部结构的改变,合金成分对耐蚀性的影响更大。随着掺杂Cr含量的增加Fe基大块非晶合金的耐磨性能越来越好,造成Cr掺杂对耐磨性能提高的原因是磨粒磨损的消失和疲劳磨损程度的降低。随着Co_(65)Cr_(15)Zr_(10)W_(10)掺杂含量的增加,磨损系数先降低后增加的原因是主要磨损机制变为了粘着磨损。硬度与Tx之间存在一个很好的线性关系:Y=3.28X-790.62。Cr的掺杂导致了Fe基大块非晶合金的电阻率的增加,而对热导率的影响不大,Co_(65)Cr_(15)Zr_(10)W_(10)的掺杂导致了Fe基大块非晶合金的电阻率和热导率下降。在20~150℃范围内,Fe基大块非晶合金的热导率随温度升高而增加。掺杂主要引起室温下声子热导率的变化,对电子热导率的影响很小;在室温下,声子热导率与Tx之间的关系符合Y=0.06756X-37.31568;总热导率与Tx之间的关系符合Y=0.06013X-29.33226。因此,总热导率与硬度之间的关系符合Y=0.01833X-14.83836。