铝含量对Fe-Cr-B-Al合金组织性能影响的研究

于 震，符寒光，蒋业华，周 荣，雷永平，岑启宏，郭红星

（1.北京工业大学，北京 100022；2.昆明理工大学，云南昆明 650093；3.云南昆钢重型装备制造集团有限公司，云南昆明 650501）

铝含量对Fe-Cr-B-Al合金组织性能影响的研究

于 震1，符寒光1，蒋业华2，周 荣2，雷永平1，岑启宏2，郭红星3

（1.北京工业大学，北京 100022；2.昆明理工大学，云南昆明 650093；3.云南昆钢重型装备制造集团有限公司，云南昆明 650501）

实验结果表明，不含铝元素的Fe-Cr-B合金铸态组织主要有马氏体、残余奥氏体和不同类型硼碳化合物组成，硬度超过65HRC。铝加入量不超过1.0%时，合金硬度变化不明显，物相组成也未出现变化。加铝量达到1.5%时，基体中出现了铁素体，合金硬度急剧下降。随铝含量的增多，铁素体在基体中所占比例越来越高，硬度逐渐下降但变化不大。

Fe-Cr-B-Al合金；铝含量；凝固组织；铁素体；力学性能

1 引言

磨损失效是机械设备的一种主要的失效形式，由于磨损每年造成巨大的经济损失。为减少材料的磨损损失，许多学者在耐磨材料方面做了大量的工作[1-4]。近年来，对于在高铬铸铁基础上发展起来的以M2B共晶硼化物为耐磨骨架的新型Fe-Cr-B耐磨合金的研究越来越多[5-7]。研究发现，Fe-Cr-B合金在硬度和耐热冲击性方面都有较高的性能[6,7]，但是Fe-Cr-B合金在高温下基体硬度下降明显，无法对M2B耐磨骨架提供足够的支撑，使其在高温下的耐磨性大大降低[8]。

铝能提高钢的回火稳定性、硬度和红硬性，对改善钢的高温耐磨性有利[9,10]。铝还能与氧结合形成耐高温腐蚀的Al2O3，提高材料高温耐腐蚀性能[11]。目前在高速钢中加铝已经有了较多的应用[12,13]，但在Fe-Cr-B合金中加入铝元素的研究还鲜见报道。

本文针对不同铝含量加入对Fe-Cr-B-Al合金凝固组织和性能的影响进行了深入的探讨，可为这种材料的研发和应用提供参考。合金热处理后的组织形貌，力学性能以及高温耐磨性能将会在以后的工作中进行研究。

2 实验材料与实验方法

Fe-Cr-B-Al合金采用10kg真空感应熔炼炉（ZG-0.01）进行熔炼，以纯铁、硼铁、铬铁、金属锰、硅铁和增碳剂作为原料。炉前调整成分合格后，在1580℃时加入铝，升温至1600℃～1620℃出炉，金属型浇注，浇铸成直径60mm、长220mm的圆柱形铸锭。在铸锭上切割10mm×10mm×15mm的试样进行金相分析。合金的成分如表1所示。

表1 Fe-Cr-B-Al合金主要化学成分（w%）

对试样表面进行磨抛、腐蚀。腐蚀液的构成是4g硫酸铜加20ml盐酸加20ml水。使用OLYMPUS BX51光学显微镜和S-3400N扫描电镜观察试样微观组织，用HR－150A型洛氏硬度计测量其宏观硬度，试验负荷为150kg；显微硬度用MICRO MET－5103数字显微硬度仪进行测量，试验载荷为50g，加载时间为15s。宏观硬度和显微硬度均在试样表面随机选取7个试验点进行平均计算。采用日本岛津XRD－7000型X射线衍射仪对耐磨合金的物相进行定性分析。具体参数：采用Cu－Kα辐射，管流管压分别为 30mA 和 40kV,扫描速度为 2(°)/min，20°～80°耦合连续扫描，步进0.02°。

3 结果与讨论

3.1 铝含量对Fe－Cr－B－Al合金的铸态凝固组织的影响

图1为未添加铝元素的Fe－Cr－B合金的铸态凝固组织。由图1（a）可以看出，未添加Al元素的Fe－Cr－B合金铸态组织主要由分布在晶界处的网状硬质相和基体组成。XRD分析的结果见图2，经XRD分析，其物相组成为α－Fe，M7(C，B)3（M=Cr，Fe）和Fe2B。基体为马氏体组织和少量奥氏体，硬质相分为片层状 Fe2B 和短棒状的（Cr，Fe）7(C，B)3。由于硼在铁中的溶解度极低，在α－Fe中的溶解度小于0.0004%，在γ－Fe中的溶解度也只有0.02%，过量硼元素加入后，一部分在晶界偏聚，形成Fe2B或者（Cr，Fe）7（C,B）3硼碳化合物，剩余硼元素溶入基体中，对基体产生较大的晶格畸变，使基体硬度升高。硼富集于奥氏体晶界降低了晶界表面能，阻碍了α相和碳化物在奥氏体晶界成核，显著提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了马氏体转变的临界冷却速度。在空冷条件下，过冷奥氏体发生马氏体相变，最终转变成马氏体和残余奥氏体，保证合金有较高的硬度。

图3和图4分别为加入0.5%和1.0%的铝元素之后合金的铸态显微组织。合金凝固组织仍旧由马氏体基体和共晶硬质相组成。铝是非碳化物形成元素，主要固溶于基体当中，在碳化物和硼化物中几乎没有。由图5的XRD分析结果可知铝的加入对共晶硬质相的类型几乎没有影响。少量的铝加入后，基体仍然为板条状马氏体，由图3（b）可以清楚的看到宽度为1μm的马氏体板条束。图4（b）中残余奥氏体含量比图3（b）中明显减少，这可能是由于铝提高了Ms点，使马氏体转变进行的更加完全，降低了残余奥氏体含量。

如图6（a）所示，加入1.5%的铝元素后，合金基体由马氏体转变成了珠光体和少量块状铁素体。由图 6（a）～（e）可以看出，随着铝含量的增加，Fe-Cr-B-Al合金基体中铁素体所占比例越来越大，由块状连成链状。含铝4.0%时，铁素体占基体的比例达到70.8%，碳化物的片层厚度也随着铝含量增加而增大，铁素体占基体比例随铝含量的变化如图7所示。

由Fe-C-Cr-Al的相图可知[14]，Fe-Cr-B-Al合金冷却过程中，钢液在较高温度出现了δ相，铝含量低于1.5%时，析出的δ相会和钢液发生δ+L→γ包晶转变成为γ相。由于Cr、Mn、B等元素在δ相和γ相中的分配系数均小于1，δ相和γ相在长大过程中会向液相中排出Cr、Mn、B等元素，使液相中B含量持续上升，当硼含量达到4.0%时，在与γ相相接的富集Cr、Mn、B的残留液相中发生L→γ+硼化物的共晶反应[15]。铝能扩大δ相区，缩小γ相，随着铝含量的增加δ相区逐渐增大，析出δ相数量增多[16]，加铝量达1.5%时，包晶转变无法完全消耗掉全部δ相，致使剩余δ相在心部保留。铝含量继续增大，剩余δ相也会随之增大。温度降低到共析转变温度时，δ相转变成α相和碳化物。继续冷却，会发生γ向α的转变。铝可以使CCT曲线左移，缩短珠光体的孕育期，降低合金的淬透性。铝含量在1.5%时，空冷条件下的冷速已经低于Fe－Cr－B－Al合金的临界冷却速度，过冷奥氏体不能形成马氏体组织而是形成珠光体。

铁素体中碳的溶解度极低，随着铁素体所占比例的增大，冷却过程中被排出到残余钢液中的碳逐渐增多，残余钢液中产生的硼碳化物也越来越粗大。

3.2 铝含量对Fe－Cr－B－Al合金铸态硬度的影响

不同铝含量的Fe－Cr－B－Al合金的宏观硬度如图8所示。不加铝的Fe－Cr－B合金由马氏体、Fe2B（1430HV～1480HV）[17]和(Cr，Fe)7(C,B)3组成。部分硼元素进入马氏体基体，产生较大的晶格畸变，使得马氏体显微硬度达到800HV，宏观硬度65.7HRC。少量铝（Al%≤1.0）加入后会进入马氏体基体，铝的扩散与碳扩散方向相反，使更多的碳聚集到晶界，使马氏体中的碳含量降低，马氏体硬度下降，造成宏观硬度略有下降。

当加铝量达到1.5%，组织中基体由马氏体转变为珠光体和少量铁素体，基体显微硬度由800HV降为450HV，硬质相依然保持原来的硬度，使得合金的宏观硬度由65.3HRC急剧下降到39.7HRC。随铝加入量的增加，铁素体在基体中所占比例增加，使硬度逐渐下降。铝在δ铁素体中的溶解度为36%，大大高于铝在奥氏体中的溶解度0.625%。铝主要集中于铁素体中，增加了铬等合金在铁素体中的固溶量，使铁素体的硬度上升到与周围珠光体相接近，即使铁素体面积增大，也无法对基体的整体硬度造成较大影响，使宏观硬度趋于稳定。

4 结论

（1）含铝量低于 1.5%的 Fe－Cr－B－Al合金铸态凝固组织是由马氏体，(Fe,Cr)2B,(Fe,Cr)7(C,B)3和少量残余奥氏体组成，随铝含量的增加，残余奥氏体的数量减少。含铝量超过1.5%时，马氏体转变为珠光体和铁素体，随含铝量增加铁素体在基体中所占的比例增大。

（2）含铝低于 1.5%的 Fe－Cr－B－Al合金宏观硬度相比不含铝的Fe－Cr－B几乎没有变化，含铝量达到1.5%时，硬度急剧下降为39.7HRC。随铝含量增加，宏观硬度变化不大。

致谢：北京市教委科研项目（PXM2012－014204－00－000136、PXM2012－014204－00－000156）、云南省院省校科技合作专项（2010AD012）、国家自然科学基金（51054008）的资助。

[1]Slys I G,Berezanskaya V I,Kossko I A,Pomytkin A P.Development of new corrosion －resistant and wear－resistant materials for use in aggressive hydrogen medium.International Journal of Hydrogen Energy,2001,26(5):531－536.

[2]Lin C H,Komeya K,Meguro T,Tatami J,Abe Y,Komatsu M.Corrosion resistance of wear resistant silicon nitride ceramics in various aqueous solutions.Journal of the Ceramic Society of Japan,2003,111(7):452-456.

[3]Aruna S T,Ezhil S V,William G V K,Rajam K S.Corrosion-and wear-resistant properties of Ni-Al2O3composite coatings containing various forms of alumina.Journal of Applied Electrochemistry,2011,41(4):461-468.

[4]Nilsson A,Kirkhorn L,Andersson M,St a°hl J E.Improved tool wear properties in sheet metal forming using Carbide Steel,a novel abrasion resistant cast material.Wear,2011,271(9-10):1280-1287.

[5]Zhang H,Fu H,Jiang Y,Guo H,Lei Y,Zhou R,Cen Q.Effect of boron concentration on the solidification microstructure and properties of Fe-Cr-B alloy.Materialwissenschaft und Werkstofftechnik,2011,42(8):765-770.

[6]Christodoulou P,Calos N.A step towards designing Fe-Cr-B-C cast alloys.Materials Science&Engineering A,2001,A301(2):103-117.

[7]Guo C,Kelly P M.Boron solubility in Fe-Cr-B cast irons.Materials Science&Engineering A,2003,A352(1-2):40-45.

[8]Kirchganer M,Badisch E,Franek F.Behaviour of iron-based hardfacing alloys under abrasion and impact.Wear,2008,265(5-6):772-779.

[9]Chubinidze G G,Krasnov A V.Effect of aluminum,titanium,and silicon on the structure and properties of steel ROM2F3-MP.Metal Science and Heat Treatment,1986,28(7-8):595-599.

[10]迟宏宵，马党参，雍岐龙,等.铝对Cr8WMo2V2SiNb钢临界点及淬火组织的影响[J].材料热处理学报,2009,30（6）：61-68.

[11]张志刚，牛炎，张学军.铁-铬-铝合金中铬的第三组元作用[J].钢铁研究学报，2007,19（7）：46-49,53.

[12]郑双七，王豫.铝对高速钢红硬性的影响[J].热处理，2005,20（3）：3-10.

[13]徐祖耀.铝在高速钢中的作用[J].机械工程材料，1993,17（2）：4-5,35.

[14]石淑琴，谷南驹，古原忠，等.铝元素抑制超高碳钢中网状碳化物析出机理[J].材料热处理学报，2005,26（4）：79-82.

[15]符寒光.耐磨铸造 Fe-B-C合金的研究[J].铸造，2005,54（9）：859-863.

[16]李彦军，姜启川，何镇明,等.Al对M2高速钢凝固过程的作用[J].材料研究学报，1997,11（2）：216-218.

[17]Kocsis B M.Boron hardenability effect in case-hardening ZF-steels.Materials Science Forum,1994,163-166(1):99-106.

Effect of Aluminum Content on Solidification Microstructure and Properties of Fe-Cr-B-Al Alloy

YU Zhen1,FU HanGuang1,JIANG YeHua2,ZHOU Rong2,LEI YongPing1,CEN QiHong2,GUO HongXing3
（1.Beijing University of Technology,Beijing 100124,Beijing China;2.Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,Yunnan China;3.Yunnan Kun-Steel Heavy Equipment Manufacturing Group Co.Ltd.,Kunming 650501,Yunnan China）

The results indicated that with hardness over 65 HRC the as-cast microstructure of the aluminiumfree sample consisted of martensite,residual austenite and varieties of boron and carbon compound.With a small amount of aluminium element(Al≤1.0%)added,the phase composition had no significant change nor the hardness of the alloy.While the concentration of aluminium reached 1.5%,ferrite appeared in the matrix of Fe-Cr-B-Al alloy with a sharply decrease of hardness.The proportion of ferrite in the matrix went up along with increasing aluminium concentration and the hardness of alloy decreased gradually though without sharply change.

Fe-Cr-B-Al alloy；Aluminium content；Solidification microstructure；Ferrite；Mechanics properties

TG146.2+1;

A；

1006－9658（2012）04－0040-5

2012-04-16

稿件编号：1204-041

于震（1988-），男，硕士研究生，主要从事先进材料制备的研究工作