硼对铸态Fe-0.4C-B合金组织与性能的影响

蔡云秀,李 飞

(1.云南机电职业技术学院，云南昆明 650000；2.昆明理工大学城市学院，云南昆明 650093)

CAI YunXiu1，LI Fei2，

(1.Yunnan Vocational College of Mechanical and Electricaol Tloegcyh,nKunming 650000,Yunnan,China；2. Kunming University of Science and Technology City Collengme，inKgu650093,Yunnan 650093,China )

近年来，铬、钼、镍等合金供应日趋紧张，价格飞涨，以硼化物为耐磨硬质相的铁基耐磨材料的研究日益受到人们的重视[1-3]，硼元素在地壳中的含量约占（3×10-4）%，我国储量丰富，价格低廉且稳定[3]。硼在α-Fe和γ-Fe中的溶解度分别小于0.0 004%和0.02%[4]，Fe-C合金中加入硼元素后，大部分硼在凝固过程中以硬度高、高温稳定性好的硼化物的形式析出[5]，表现出类似高铬铸铁的性能。在此基础上，调节硼含量，控制硼化物体积分数，将有可能获得强韧搭配、价格低廉的新型耐磨材料。但目前的高硼铁基合金是在铬系铸钢基础上发展起来的，铬是合金中必要的添加元素，因此如何在不加铬的情况下获得高性能的耐磨材料将是未来研究的重点。

1 实验方法

试验在实验室条件下进行，废钢炉料在10 kg中频感应电炉中熔炼，使用碳粒增碳，熔清后插铝脱氧，加入硼铁(B含量18%)，造渣扒渣后在1 510 ℃左右出炉，静置后浇铸试样，浇铸温度1 430 ℃，使用水玻璃砂铸型。冲击功使用JB30A型冲击试验机检测，试样为20 mm×20 mm×110 mm无缺口标准试样，跨距70 mm，冲断试样使用洛氏硬度计测量其断面硬度后，用Leica金相显微镜观察其组织，并使用X射线衍射仪分析其凝固组织相构成。X射线衍射（XRD）分析时实验参数：Cu-Kα辐射、管流200 mA、管压 40 kV、扫描速度 1(°)/min，10°～100°耦合连续扫描,步进0.02°。合金的硼含量使用ICP-AES法进行分析，其余元素含量由PulsarA30金属分析仪测定，分析结果如表1所示。

表1 Fe-0.4C-B合金的化学成分 wt%

2 实验结果及分析

2.1 铸态Fe-0.4C-B合金凝固组织

铸态Fe-0.4C-B合金凝固组织见图1，由图可见，尽管合金的含碳量在中碳钢范围内，但在普通铸态条件下却获得了一定量的共晶组织，共晶组织随着硼含量增加而增加。当硼含量0.59%时，晶界上析出少量的沉淀相，并成颗粒状和长条状分布在晶界周围；当硼含量达到1.46%时，黑色颗粒状的初生奥氏体周围有大量的共晶组织且呈网状分布；硼含量进一步增加到2.95%时，Fe-0.4C-B合金呈现出类似过共晶白口铸铁的凝固组织，从图中可以看出组织呈现为鱼骨状、菊花状和白色块状。

图1 铸造Fe-0.4C-B合金凝固组织

图2为 1、2、3、4号 Fe-0.4C-B 合金试样凝固组织的X射线衍射谱，由图1可知铸造Fe-0.4C-B合金凝固组织由铁素体＋珠光体+硼化物组成，典型珠光体层片状组织分布在初生奥氏体枝晶内，铁素体围绕在初生奥氏体枝晶周围，另由少量铁素体分布在初生奥氏体颗粒间，硼化物多数呈连续网状分布在初生奥氏体枝晶周围。

铸态Fe-0.4C-B合金的凝固过程是合金熔体在冷却过程中，先析出初生奥氏体枝晶，由于硼在奥氏体中的最大溶解度为1 149 ℃时的0.02%，所以大量的硼原子聚集在初生奥氏体枝晶周围的液相中，使液相中的硼原子浓度大于0.02%。随后初生奥氏体枝晶长大的同时不断向周围的液相中排出硼元素，当温度降到1 149 ℃时，初生奥氏体枝晶间的合金熔体发生共晶反应生成共晶奥氏体和硼化物。在形核时，共晶奥氏体为领先相，共晶奥氏体长大的过程中不断的向周围的液相中排出硼原子，这给硼化物的形核在成分上创造了条件，于是两相交替形核和长大，构成了共晶组织，图3为2号Fe-0.4C-B合金试样凝固组织的扫描电镜图。

随着温度的进一步降低，硼在奥氏体中的溶解度不断减少，一部分的硼将置换Fe3C中的碳而固溶形成含硼渗碳体Fe3(C,B)，一部分以硼化物的形式析出在初生奥氏体枝晶晶界周围，但因为量比较少，与共晶莱氏体连成一片，难以分清。铁素体在组织中的形态呈现不规则的块状，分布在初生奥氏体枝晶周围，还有少量的分布在初生奥氏体颗粒中间。分布在初生奥氏体颗粒中间的铁素体是由于硼的加入缩小了奥氏体区，如图4所示[5]，从而减小了碳在奥氏体中的溶解度，所以在冷却的过程中，冷却速率大的先结晶形成了珠光体，冷却速率小的结晶形成了铁素体；分布在初生奥氏体枝晶周围的铁素体是由于硼化物的形成过程中消耗了大量的碳原子，初生奥氏体枝晶周围的碳原子向共晶莱氏体组织扩散的结果。图1.c、d中出现类似过共晶组织的形态，网孔状共晶组织虽也存在，但更多的是连成一片的鱼骨状和块状的共晶组织。

图2 Fe-0.4C-B合金试样凝固组织的X射线衍射谱

如图1.a、b所示，硼化物呈连续网状的莱氏体形态，围绕在初生奥氏体枝晶周围，铁素体分布在初生奥氏体枝晶周围，依附在硼化物(Fe23(C,B)6)上，少量的分布在初生奥氏体颗粒中间。随着硼含量的增加，硼化物的百分含量在不断增加，初生奥氏体枝晶周围铁素体的量在增加，这说明碳含量近似相等的基础上，硼含量越多，一定程度上促进了铁素体的形成。随着硼含量的继续增加，达到1.46%时，铸态Fe-0.4C-B合金凝固组织的初生相变成了大块白长条状的硼化物，如图1.c、d所示，X射线衍射(XRD)分析结果表明初生相为Fe2B，见图2。

图3 2号试样组织的扫描电镜图

图4 硼对Fe－Fe3C二元系中奥氏体单相区的影响

2.2 铸态Fe-0.4C-B合金的性能

表2 铸态Fe-0.4C-B合金的力学性能

硼化物是脆硬的化合物，所以基体是材料韧性的来源，基体的性能受碳含量的影响较大，同时硼化物的数量以及分布状态也将对材料的韧性产生重要的影响[6]，因此硼、碳是决定高硼铁基合金基本性能的最重要的元素。在碳含量一定的基础上，材料韧性将由硼化物的数量以及分布状态决定，随着硼含量的增加，材料的硬度在不断变大，材料的冲击韧性在不断降低，见表2。随着硼含量的增加，初生奥氏体的室温转变产物珠光体和铁素体量逐渐减少，而共晶莱氏体不断增加，共晶莱氏体中含有大量硬、脆的硼化物，从而导致了试样硬度不断增加，而冲击韧性不断下降。

3 结论

（1）铸态Fe-0.4C-B合金，在砂型条件下其凝固组织为珠光体＋铁素体＋少量马氏体＋硼化物Fe23(C,B)6和Fe2B。硼化物Fe23(C,B)6组织形态呈现为连续网状，其分布在初生奥氏体枝晶间，当硼含量增加到1.46%时，铸态Fe-0.4C-B合金凝固组织出现大块白长条状的硼化物Fe2B。

（2）随着硼含量的增加，硼化物Fe23(C,B)6的百分含量、硬度增加，冲击韧度降低。在不加入铬，碳含量一定的情况下，通过控制硼含量可以获得硬度、强韧性较匹配的Fe-0.4C-B合金。

[1]谢友柏.工程前沿,第二卷,摩擦学科学与工程前沿[M].北京：高等教育出版社,2005.

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[3]吴占文,符寒光,周强,等.高硼铸造合金在搅拌机衬板上的应用 [J].工程机械 ,2006,37(9)：61-65.

[4]符寒光.铸造Fe-B-C合金组织和性能的基础研究[J].铸造 ,2005,54(9)：859-863.

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[6]刘仲礼,李言祥,陈祥,等.硼、碳含量对高硼铁基合金组织和性能的影响[J].钢铁,2007,42（6）：78-82.

[7]曾昭辉，王文海，林汉同，等.硼铸铁及其在大型船舶柴油机气缸套中的应用[J].中国铸造装备与技术,1996(4).

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