Cr含量對Mo2FeB2基金屬陶瓷組織和性能的影響*

劉雙武，舒應軍，張 虎

（廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東佛山 528000）

反應硼化燒結方法已經成功解決了硼化物燒結不致密問題［1-4］，并制備出以Mo2FeB2、Mo2NiB2、WCoB等三元硼化物為硬質相的金屬陶瓷［5-8］。這些三元硼化物基金屬陶瓷由于具備較好的機械性能已成功應用于工業(yè)領域，特別是Mo2FeB2基金屬陶瓷具有較好的力學性能、耐磨損性能和耐腐蝕性能而引起人們廣泛關注［9-10］。

在Mo2FeB2基金屬陶瓷研究中，Cr元素是常見的改性合金元素之一，有報道指出，Cr固溶于 Mo2FeB2相中，從而相應降低硬質相顆粒的各向異性生長，提高Mo2FeB2基金屬陶瓷的力學性能［11-13］。有關Cr含量對Mo2FeB2基金屬陶瓷腐蝕性能的影響還未見報道。本文通過改變Cr含量研究Cr對Mo2FeB2基金屬陶瓷組織和性能影響。

1 實驗

以Fe-44.4Mo-4.9B-xCr-2.9Ni-0.5C(質量分數(shù)：%，x=0、5、7、9、11)為基體成分，利用行星式球磨機進行混料球磨，以無水乙醇為球磨介質，其中球料比為5：1，球磨時間為24h，轉速為220r/min。球磨完成后，利用紅外干燥箱對球磨后的粉漿進行干燥，其中干燥溫度為80℃，干燥時間為120min。利用DY-30臺式電動壓片機采用雙向壓制法將干燥后的粉料壓制成型，其中壓力大小為200MPa，保壓時間為30s。將壓制完成的坯樣放在真空燒結爐中真空燒結，真空度為10-1～100 Pa之間。

采用三點彎曲法濁量試樣的抗彎強度TRS，其中跨距為14.8mm。采用HR-150A型洛氏硬度計濁量試樣硬度。采用壓痕法濁量試樣的斷裂韌性KIC。采用CHI660D電化學工作站濁量實驗腐蝕性能，其中所用電解液為3.5%的NaCl溶液，陽極為Pb電極，參比電極為甘汞電極。利用UltimaⅣ型（Japan）X射線衍射儀(Cu 靶，Kα）對燒結金屬陶瓷進行物相分析。將試樣拋光后采用日本JSM-7500F型掃描電子顯微鏡在背散射模式下觀察其顯微組織和成分分析。

2 結果與討論

2.1 Cr含量對Mo2FeB2基金屬陶瓷物相影響

圖1為不同Cr含量Mo2FeB2基金屬陶瓷XRD圖譜。由XRD圖譜可得，隨著Cr添加量的增加，金屬陶瓷的顯微組織中除了檢濁到Mo2FeB2硬質相和Fe基粘接相外，還發(fā)現(xiàn)存在Fe23B6相，同樣有研究證明Cr含量增加會生成Fe23B6相［14］。由于Cr完全溶于Fe基粘結相中，所以在XRD衍射圖譜中并沒有檢濁到Cr元素衍射峰。

圖1 不同Cr含量Mo2FeB2基金屬陶瓷XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of Mo2FeB2-based cermets with different Cr content

2.2 Cr含量對Mo2FeB2基金屬陶瓷顯微組織影響

圖2為不同Cr含量Mo2FeB2基金屬陶瓷的顯微組織，表1為不同Cr含量Mo2FeB2基金屬陶瓷硬質相和粘接相中Cr含量的變化。由不同Cr含量顯微組織圖可知，隨著Cr添加量的增加，硬質相晶粒逐漸由柱狀晶向等軸晶轉變，組織逐漸致密，硬質相粒度減小， 當Cr含量為9%時金屬陶瓷的顯微組織最為均勻致密，在Cr含量為11%時，顯微組織中已出現(xiàn)孔洞。由表1可知，隨著Cr添加量的增加，硬質相和粘接相中的Cr含量也會隨之增加，表明Cr會同時固溶于硬質相和粘結相中。然而，當Cr添加量超過9 %時，硬質相中的Cr含量變化減小，這可能要歸因于Cr在硬質相中的固溶量已經接近上限［15］，則更多的Cr會固溶到粘結相中。

圖2 不同Cr含量Mo2FeB2基金屬陶瓷顯微組織：(a)0%; (b)5%; (c)7%; (d)9%; (e)11%Fig.2 The microstructure of Mo2FeB2-based cermets with different Cr content: (a) 0%; (b) 5%; (c) 7%; (d) 9%;(e) 11%

表1 不同Cr含量Mo2FeB2基金屬陶瓷硬質相和粘接相中Cr含量的變化Table 1 Variation of Cr content in hard phase and bonding phase of Mo2FeB2-based cermet with different Cr content

2.3 Cr含量對Mo2FeB2基金屬陶瓷力學性能影響

圖3為不同Cr含量Mo2FeB2基金屬陶瓷的力學性能。由圖3可知，隨著Cr含量增加，金屬陶瓷的斷裂韌性逐漸減小，硬度和抗彎強度先增大后減小，在Cr添加量為9 %時達到最大值。金屬陶瓷的力學性能均與粘結相的體積分數(shù)、硬質相粒度和孔隙率有著密切的聯(lián)系［16］。粘結相體積分數(shù)越高，硬質相顆粒尺寸越大，硬度和抗彎強度會越差，而斷裂韌性越好。隨著Cr添加量的增加，金屬陶瓷的粘結相體積分數(shù)逐漸降低，硬質相的平均晶粒尺寸減小，則金屬陶瓷的硬度和抗彎強度持續(xù)增強，斷裂韌性持續(xù)降低。當Cr添加量超過9%時，金屬陶瓷組織中出現(xiàn)孔洞，導致其致密度下降，進而使得金屬陶瓷硬度和抗彎強度下降。當Cr含量為9%時，金屬陶瓷硬度為89.7HRA，抗彎強度為1834MPa，斷裂韌性為13.8MPa·m1/2。

圖3 不同Cr含量Mo2FeB2基金屬陶瓷力學性能Fig.3 Mechanical properties of Mo2FeB2-based cermets with different Cr content

2.4 Cr含量對Mo2FeB2基金屬陶瓷耐腐蝕影響

圖4為不同Cr含量Mo2FeB2基金屬陶瓷極化曲線，結合表2不同Cr含量Mo2FeB2基金屬陶瓷腐蝕電位、腐蝕電流密度和極化電阻可知，隨著Cr含量增加，金屬陶瓷的腐蝕電位和腐蝕電流密度逐漸減小,極化電阻逐漸增大，表明其耐蝕性逐漸增強。

表2 不同Cr含量Mo2FeB2基金屬陶瓷腐蝕電位、腐蝕電流密度和極化電阻Table 2 Corrosion potential, corrosion current density and polarization resistance of Mo2FeB2-based cermets with different Cr content

圖4 不同Cr含量Mo2FeB2基金屬陶瓷極化曲線Fig.4 Polarization curves of Mo2FeB2-based cermets with different Cr content

圖5為不同Cr含量Mo2FeB2基金屬陶瓷阻抗圖，在阻抗圖上，圓弧曲線反映的是電極表面電子轉移過程受到了阻抗，圓弧直徑越大，阻礙作用也就越大。電子轉移阻力大，電子得失就不容易發(fā)生，意味著金屬越不容易被腐蝕，耐腐蝕性也就越強。從圖5可以看出，隨著Cr添加量的增加，阻抗半圓半徑逐漸增大，表明金屬陶瓷的耐蝕性逐漸增強。

圖5 不同Cr含量Mo2FeB2基金屬陶瓷阻抗圖Fig.5 Impedance diagram of Mo2FeB2-based cermet with different Cr content

3 結論

（1）隨著Cr含量增加，Mo2FeB2基金屬陶瓷硬質相晶粒逐漸由長條狀向近等軸狀轉變，當Cr含量達到9%時，金屬陶瓷顯微組織最為致密，Cr在硬質相中溶解達到上限。

（2）隨著Cr含量增加，Mo2FeB2基金屬陶瓷硬度和抗彎強度先增大后減小，斷裂韌性持續(xù)減小。當Cr含量達到9%時，金屬陶瓷硬度為89.7HRA，抗彎強度為1834MPa，斷裂韌性為13.8MPa·m1/2。

（3）隨著Cr含量增加，金屬陶瓷的腐蝕電位和腐蝕電流密度逐漸減小，極化電阻逐漸增大，阻抗半圓半徑逐漸增大，其耐蝕性逐漸增強。