氧化鋯對(duì)鉬金屬組織和性能的影響

張 曉，卜春陽(yáng)，武 州，莊 飛

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710077)

氧化鋯對(duì)鉬金屬組織和性能的影響

張 曉，卜春陽(yáng)，武 州，莊 飛

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710077)

通過(guò)對(duì)MZO合金與純鉬斷口形貌和力學(xué)性能的測(cè)試分析，研究了添加ZrO2對(duì)鉬金屬的組織和性能的影響。結(jié)果表明：添加ZrO2使鉬的燒結(jié)進(jìn)程延遲；ZrO2顆粒明顯抑制了鉬顆粒長(zhǎng)大，最終獲得晶粒組織細(xì)小，第二相均勻分布的鉬合金，這使得MZO合金比純鉬具有更高的室溫強(qiáng)度與延伸率。

氧化鋯；純鉬；斷口形貌；力學(xué)性能

0 引 言

鉬具有高熔點(diǎn)、良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)異的耐磨性和抗腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于電子、航空航天、能源、核反應(yīng)堆等高新技術(shù)領(lǐng)域。但純鉬的脆性行為[1]使其應(yīng)用受到了很大的限制，因此提高鉬的韌性成為鉬領(lǐng)域的核心問(wèn)題。

隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鉬金屬制品有著更廣闊的應(yīng)用前景和更大的市場(chǎng)需求。一般情況下提高金屬韌性時(shí)會(huì)顯著降低合金的硬度和耐磨性[2]。“陶瓷鋼”以來(lái)，圍繞著ZrO2的相變特性展開(kāi)的相變陶瓷增韌研究受到極大的關(guān)注。氧化鋯可通過(guò)基體晶粒的細(xì)化增韌、相變?cè)鲰g、微裂紋增韌、裂紋的轉(zhuǎn)向與分叉增韌[3-6]。由于ZrO2相變的自身特點(diǎn)[7]，氧化鋯增韌陶瓷被證明具有較好的增韌效果。目前，基于相變?cè)鲰g的ZTA已可用作許多零部件的結(jié)構(gòu)材料[8]。利用其特點(diǎn)增強(qiáng)增韌金屬基復(fù)合材料也已開(kāi)展了研究[9]，且證實(shí)了ZrO2相變機(jī)理在金屬基復(fù)合材料中仍然起作用。陶瓷相-金屬基復(fù)合材料可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，大幅度提高金屬基復(fù)合材料的綜合性能[10]。ZrO2作為第二相粒子成為復(fù)合材料提高韌性和力學(xué)性能的有效方法。本文利用氧化鋯增韌的特點(diǎn)進(jìn)行了提高鉬金屬性能的試驗(yàn)研究。

1 試 驗(yàn)

采用FMo-l高純鉬粉與試劑ZrO2為原料，用固-固摻雜方法將0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))ZrO2粉末摻入鉬粉末制得MZO合金粉。為對(duì)比起見(jiàn)，將純鉬粉與MZO合金粉在相同工藝條件下，經(jīng)冷等靜壓壓制成型、中頻感應(yīng)高溫?zé)Y(jié)，獲得φ17 mm燒結(jié)棒坯；φ17 mm燒結(jié)棒經(jīng)203旋鍛開(kāi)坯、拉拔，得到φ5 mm鉬桿。

材料的室溫拉伸性能在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 228-2002，取3次測(cè)量結(jié)果平均值；在HITACHI S-3400型掃描電鏡上觀察合金組織以及拉伸斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 MZO合金與純鉬組織形貌

圖1為MZO合金與純鉬燒結(jié)坯斷口形貌，ZrO2的加入顯著降低了合金的晶粒尺寸，其中灰色相為Mo晶粒，亮白色相為ZrO2顆粒，ZrO2顆粒沒(méi)有明顯的聚集長(zhǎng)大，較為彌散地分布在Mo晶粒的晶界與三叉晶界上且晶粒細(xì)小均勻，與Mo基體結(jié)合良好。相比較純鉬，MZO合金中孔隙較多，可采用更高的燒結(jié)溫度。

添加ZrO2后，鉬晶粒細(xì)化且分布趨于均勻化，其原因是在壓制混合鉬粉末時(shí)，細(xì)小的ZrO2顆粒彌散分布在生坯中，減少了鉬顆粒之間的接觸幾率和接觸面積，在隨后的燒結(jié)過(guò)程中，阻礙鉬原子的遷移，降低晶界遷移和物質(zhì)遷移速率，從而抑制鉬顆粒間燒結(jié)頸的進(jìn)一步長(zhǎng)大和顆粒的聚集長(zhǎng)大，有利于獲得ZrO2顆粒均勻分布且鉬晶粒得到細(xì)化的顯微組織。

圖1 MZO合金與純鉬燒結(jié)坯斷口形貌 (a)純鉬PM ；(b) MZO合金

2.2 MZO合金與純鉬力學(xué)性能

表1為MZO合金與純鉬室溫力學(xué)性能。從表1可以看出，MZO合金的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與延伸率均明顯高于純鉬。這說(shuō)明ZrO2的加入顯著提高了鉬金屬的室溫力學(xué)性能。

表1 MZO合金與純鉬室溫力學(xué)性能

圖2為MZO合金與純鉬室溫拉伸斷口形貌。純鉬的室溫拉伸斷口表面呈現(xiàn)常見(jiàn)的解理斷口形貌，如圖2(a)。與純鉬斷口相比，MZO合金斷口明顯的更為細(xì)致，微觀特征是韌窩狀斷口形貌，如圖2(b)。在MZO合金韌窩狀拉伸斷口中可觀察到彌散分布的微米級(jí)第二相顆粒與第二相顆粒從基體上脫落留下的孔洞?？梢?jiàn)MZO合金拉伸斷口是第二相顆粒斷裂或第二相顆粒從基體上脫落形成微孔而萌生，最終形成韌窩狀拉伸斷口，表現(xiàn)出良好的延展性。這與室溫拉伸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)結(jié)果相吻合。

圖2 MZO合金與純鉬室溫拉伸斷口形貌 (a)MZO合金； (b) 純鉬PM

ZrO2對(duì)鉬的強(qiáng)化作用是由于在塑性變形過(guò)程中，彌散分布的ZrO2粒子對(duì)位錯(cuò)具有釘扎作用，使晶界或滑移帶附近位錯(cuò)密度降低，這有利于延緩沿晶微裂紋的形成，使合金塑性得到提高[1]。裂紋擴(kuò)展過(guò)程中ZrO2粒子與基體結(jié)合區(qū)域的應(yīng)力集中誘發(fā)的微裂紋，有效分散主裂紋尖端能量，在微裂紋存在的情況下，主裂紋尖端的應(yīng)力重新分布，主裂紋鈍化，斷裂能提高，合金室溫強(qiáng)度提高。另一方面，ZrO2的加入顯著降低了合金的晶粒尺寸，晶界相對(duì)面積增大，分布在晶界上的雜質(zhì)元素濃度降低，晶界強(qiáng)度提高[1]；且在塑性變形過(guò)程中晶粒尺寸越細(xì)小，不同晶粒內(nèi)部的滑移系運(yùn)動(dòng)到晶界上時(shí)，產(chǎn)生交滑移的協(xié)調(diào)性也越好。因此ZrO2的加入使得鉬金屬韌性得到顯著改善和提高。

3 結(jié) 論

(1)在相同的燒結(jié)工藝條件下，添加ZrO2使鉬的燒結(jié)進(jìn)程延遲，ZrO2明顯抑制了鉬顆粒長(zhǎng)大，最終獲得晶粒組織細(xì)小，第二相均勻分布的鉬合金。

(2)MZO合金比純鉬具有更高的室溫強(qiáng)度與延伸率，MZO合金的韌性優(yōu)于純鉬。

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EFFECT OF ZrO2ADDITION ON MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF MOLYBDENUM

ZHANG Xiao,BU Chun-yang, WU Zhou, ZHUANG Fei

(Technical Center， Jinduicheng Molybdenum Co., Ltd., Xi′an 710077,Shaanxi,China)

The effect of ZrO2addition on microstructure and properties of molybdenum was studied by test analysis of fracture morphology and mechanical properties.The results show that with the ZrO2addition，the sintering process is delayed.Meanwhile, the ZrO2addition significantly restrain the molybdenum particles growth, get molybdenum alloy with fine grains and uniform distribution of second phase.That makes the Mo-ZrO2alloy have more higher strength and elongation at room temperature than pure molybdenum.

ZrO2; pure molybdenum; fracture morphology; mechanical properties

2017-03-27；

2017-05-04

張 曉(1984—)，女，碩士，工程師，現(xiàn)從事鉬金屬材料研究。E-mail:zhangxiaoxa029@163.com

10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2017.04.009

TF146.4+12

A

1006-2602(2017)04-0046-03