劉雙武，舒應(yīng)軍，張 虎

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東佛山 528000）

反應(yīng)硼化燒結(jié)方法已經(jīng)成功解決了硼化物燒結(jié)不致密問題［1-4］，并制備出以Mo2FeB2、Mo2NiB2、WCoB等三元硼化物為硬質(zhì)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(jī)械性能已成功應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，特別是Mo2FeB2基金屬陶瓷具有較好的力學(xué)性能、耐磨損性能和耐腐蝕性能而引起人們廣泛關(guān)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(yīng)降低硬質(zhì)相顆粒的各向異性生長，提高M(jìn)o2FeB2基金屬陶瓷的力學(xué)性能［11-13］。有關(guān)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(zhì)量分?jǐn)?shù)：%，x=0、5、7、9、11)為基體成分，利用行星式球磨機(jī)進(jìn)行混料球磨，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，其中球料比為5：1，球磨時間為24h，轉(zhuǎn)速為220r/min。球磨完成后，利用紅外干燥箱對球磨后的粉漿進(jìn)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(jī)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(jié)爐中真空燒結(jié)，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(qiáng)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(xué)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(jié)金屬陶瓷進(jìn)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(jié)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(zhì)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(jié)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(zhì)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(zhì)相晶粒逐漸由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，組織逐漸致密，硬質(zhì)相粒度減小， 當(dāng)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(zhì)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(zhì)相和粘結(jié)相中。然而，當(dāng)Cr添加量超過9 %時，硬質(zhì)相中的Cr含量變化減小，這可能要?dú)w因于Cr在硬質(zhì)相中的固溶量已經(jīng)接近上限［15］，則更多的Cr會固溶到粘結(jié)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(zhì)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(xué)性能影響

圖3為不同Cr含量Mo2FeB2基金屬陶瓷的力學(xué)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(qiáng)度先增大后減小，在Cr添加量為9 %時達(dá)到最大值。金屬陶瓷的力學(xué)性能均與粘結(jié)相的體積分?jǐn)?shù)、硬質(zhì)相粒度和孔隙率有著密切的聯(lián)系［16］。粘結(jié)相體積分?jǐn)?shù)越高，硬質(zhì)相顆粒尺寸越大，硬度和抗彎強(qiáng)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(jié)相體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，硬質(zhì)相的平均晶粒尺寸減小，則金屬陶瓷的硬度和抗彎強(qiáng)度持續(xù)增強(qiáng)，斷裂韌性持續(xù)降低。當(dāng)Cr添加量超過9%時，金屬陶瓷組織中出現(xiàn)孔洞，導(dǎo)致其致密度下降，進(jìn)而使得金屬陶瓷硬度和抗彎強(qiáng)度下降。當(dāng)Cr含量為9%時，金屬陶瓷硬度為89.7HRA，抗彎強(qiáng)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(xué)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(jié)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(qiáng)。

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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qiáng)。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(qiáng)。

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(jié)論

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

（2）隨著Cr含量增加，Mo2FeB2基金屬陶瓷硬度和抗彎強(qiáng)度先增大后減小，斷裂韌性持續(xù)減小。當(dāng)Cr含量達(dá)到9%時，金屬陶瓷硬度為89.7HRA，抗彎強(qiáng)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(qiáng)。