Cr含量对Mo2FeB2基金属陶瓷组织和性能的影响*

刘双武，舒应军，张 虎

（广东电网有限责任公司佛山供电局，广东佛山 528000）

反应硼化烧结方法已经成功解决了硼化物烧结不致密问题［1-4］，并制备出以Mo2FeB2、Mo2NiB2、WCoB等三元硼化物为硬质相的金属陶瓷［5-8］。这些三元硼化物基金属陶瓷由于具备较好的机械性能已成功应用于工业领域，特别是Mo2FeB2基金属陶瓷具有较好的力学性能、耐磨损性能和耐腐蚀性能而引起人们广泛关注［9-10］。

在Mo2FeB2基金属陶瓷研究中，Cr元素是常见的改性合金元素之一，有报道指出，Cr固溶于 Mo2FeB2相中，从而相应降低硬质相颗粒的各向异性生长，提高Mo2FeB2基金属陶瓷的力学性能［11-13］。有关Cr含量对Mo2FeB2基金属陶瓷腐蚀性能的影响还未见报道。本文通过改变Cr含量研究Cr对Mo2FeB2基金属陶瓷组织和性能影响。

1 实验

以Fe-44.4Mo-4.9B-xCr-2.9Ni-0.5C(质量分数：%，x=0、5、7、9、11)为基体成分，利用行星式球磨机进行混料球磨，以无水乙醇为球磨介质，其中球料比为5：1，球磨时间为24h，转速为220r/min。球磨完成后，利用红外干燥箱对球磨后的粉浆进行干燥，其中干燥温度为80℃，干燥时间为120min。利用DY-30台式电动压片机采用双向压制法将干燥后的粉料压制成型，其中压力大小为200MPa，保压时间为30s。将压制完成的坯样放在真空烧结炉中真空烧结，真空度为10-1～100 Pa之间。

采用三点弯曲法浊量试样的抗弯强度TRS，其中跨距为14.8mm。采用HR-150A型洛氏硬度计浊量试样硬度。采用压痕法浊量试样的断裂韧性KIC。采用CHI660D电化学工作站浊量实验腐蚀性能，其中所用电解液为3.5%的NaCl溶液，阳极为Pb电极，参比电极为甘汞电极。利用UltimaⅣ型（Japan）X射线衍射仪(Cu 靶，Kα）对烧结金属陶瓷进行物相分析。将试样抛光后采用日本JSM-7500F型扫描电子显微镜在背散射模式下观察其显微组织和成分分析。

2 结果与讨论

2.1 Cr含量对Mo2FeB2基金属陶瓷物相影响

图1为不同Cr含量Mo2FeB2基金属陶瓷XRD图谱。由XRD图谱可得，随着Cr添加量的增加，金属陶瓷的显微组织中除了检浊到Mo2FeB2硬质相和Fe基粘接相外，还发现存在Fe23B6相，同样有研究证明Cr含量增加会生成Fe23B6相［14］。由于Cr完全溶于Fe基粘结相中，所以在XRD衍射图谱中并没有检浊到Cr元素衍射峰。

图1 不同Cr含量Mo2FeB2基金属陶瓷XRD图谱Fig.1 XRD patterns of Mo2FeB2-based cermets with different Cr content

2.2 Cr含量对Mo2FeB2基金属陶瓷显微组织影响

图2为不同Cr含量Mo2FeB2基金属陶瓷的显微组织，表1为不同Cr含量Mo2FeB2基金属陶瓷硬质相和粘接相中Cr含量的变化。由不同Cr含量显微组织图可知，随着Cr添加量的增加，硬质相晶粒逐渐由柱状晶向等轴晶转变，组织逐渐致密，硬质相粒度减小， 当Cr含量为9%时金属陶瓷的显微组织最为均匀致密，在Cr含量为11%时，显微组织中已出现孔洞。由表1可知，随着Cr添加量的增加，硬质相和粘接相中的Cr含量也会随之增加，表明Cr会同时固溶于硬质相和粘结相中。然而，当Cr添加量超过9 %时，硬质相中的Cr含量变化减小，这可能要归因于Cr在硬质相中的固溶量已经接近上限［15］，则更多的Cr会固溶到粘结相中。

图2 不同Cr含量Mo2FeB2基金属陶瓷显微组织：(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基金属陶瓷硬质相和粘接相中Cr含量的变化Table 1 Variation of Cr content in hard phase and bonding phase of Mo2FeB2-based cermet with different Cr content

2.3 Cr含量对Mo2FeB2基金属陶瓷力学性能影响

图3为不同Cr含量Mo2FeB2基金属陶瓷的力学性能。由图3可知，随着Cr含量增加，金属陶瓷的断裂韧性逐渐减小，硬度和抗弯强度先增大后减小，在Cr添加量为9 %时达到最大值。金属陶瓷的力学性能均与粘结相的体积分数、硬质相粒度和孔隙率有着密切的联系［16］。粘结相体积分数越高，硬质相颗粒尺寸越大，硬度和抗弯强度会越差，而断裂韧性越好。随着Cr添加量的增加，金属陶瓷的粘结相体积分数逐渐降低，硬质相的平均晶粒尺寸减小，则金属陶瓷的硬度和抗弯强度持续增强，断裂韧性持续降低。当Cr添加量超过9%时，金属陶瓷组织中出现孔洞，导致其致密度下降，进而使得金属陶瓷硬度和抗弯强度下降。当Cr含量为9%时，金属陶瓷硬度为89.7HRA，抗弯强度为1834MPa，断裂韧性为13.8MPa·m1/2。

图3 不同Cr含量Mo2FeB2基金属陶瓷力学性能Fig.3 Mechanical properties of Mo2FeB2-based cermets with different Cr content

2.4 Cr含量对Mo2FeB2基金属陶瓷耐腐蚀影响

图4为不同Cr含量Mo2FeB2基金属陶瓷极化曲线，结合表2不同Cr含量Mo2FeB2基金属陶瓷腐蚀电位、腐蚀电流密度和极化电阻可知，随着Cr含量增加，金属陶瓷的腐蚀电位和腐蚀电流密度逐渐减小,极化电阻逐渐增大，表明其耐蚀性逐渐增强。

表2 不同Cr含量Mo2FeB2基金属陶瓷腐蚀电位、腐蚀电流密度和极化电阻Table 2 Corrosion potential, corrosion current density and polarization resistance of Mo2FeB2-based cermets with different Cr content

图4 不同Cr含量Mo2FeB2基金属陶瓷极化曲线Fig.4 Polarization curves of Mo2FeB2-based cermets with different Cr content

图5为不同Cr含量Mo2FeB2基金属陶瓷阻抗图，在阻抗图上，圆弧曲线反映的是电极表面电子转移过程受到了阻抗，圆弧直径越大，阻碍作用也就越大。电子转移阻力大，电子得失就不容易发生，意味着金属越不容易被腐蚀，耐腐蚀性也就越强。从图5可以看出，随着Cr添加量的增加，阻抗半圆半径逐渐增大，表明金属陶瓷的耐蚀性逐渐增强。

图5 不同Cr含量Mo2FeB2基金属陶瓷阻抗图Fig.5 Impedance diagram of Mo2FeB2-based cermet with different Cr content

3 结论

（1）随着Cr含量增加，Mo2FeB2基金属陶瓷硬质相晶粒逐渐由长条状向近等轴状转变，当Cr含量达到9%时，金属陶瓷显微组织最为致密，Cr在硬质相中溶解达到上限。

（2）随着Cr含量增加，Mo2FeB2基金属陶瓷硬度和抗弯强度先增大后减小，断裂韧性持续减小。当Cr含量达到9%时，金属陶瓷硬度为89.7HRA，抗弯强度为1834MPa，断裂韧性为13.8MPa·m1/2。

（3）随着Cr含量增加，金属陶瓷的腐蚀电位和腐蚀电流密度逐渐减小，极化电阻逐渐增大，阻抗半圆半径逐渐增大，其耐蚀性逐渐增强。