高硼低碳钛氮耐磨铸造合金研究

2015-10-31王守忠张艳玲蒋桂芝

金属加工(热加工) 2015年7期

■王守忠，张艳玲，蒋桂芝

高硼低碳钛氮耐磨铸造合金研究

■王守忠，张艳玲，蒋桂芝

为提高金属材料的耐磨性，在普通低碳钢中加入B、Ti、N，获得了大量具有高硬度硼化物的铸造合金，通过对其金相显微组织观察和XRD分析，结果表明，铸造合金的铸态组织较致密，由铁素体+珠光体+Fe2B组成。经测试，热处理铸造合金硬度≥60.2HRC，冲击韧度≥25.5J/cm2，耐磨性相对40Cr钢提高了1.5倍，可作为优良的耐磨金属材料推广应用。

目前，我国矿山、冶金、电力等行业的机械设备中，广泛应用的耐磨材料是镍硬铸铁、高铬铸铁、高锰钢和低合金耐磨钢。由于高锰钢的硬度很低，其耐磨性完全依赖于使用过程中的加工硬化效应，在实际工况应用条件下，不能或不能完全加工硬化，其内在的潜能不能得到充分发挥，有时耐磨性甚至低于普通碳钢。高铬铸铁韧性低，高温热处理易开裂，不适用于有较大冲击的磨损领域；低合金耐磨钢韧性好，硬度低，耐磨性能没有明显优势。镍硬铸铁虽具有较好的抗磨性，但生产成本高，为改善淬透性还常需加入价格昂贵的Ni、Mo合金元素。近年来，在普通碳钢中加入较多的B，以改善钢铁耐磨性的研究日益受到国内外材料界的重视。

1. 试验方法

设计试验铸造合金的化学成分见表1。以生铁、废钢、硅铁（含Si 75%）、铬铁（含Cr 55%、锰铁（含Mn70%）和硼铁（含B20%）为原材料，经计算配比后，在ZGXL0025-50-25型中频感应电炉内熔化，经造渣、扒渣，待钢液熔清后加入硼铁合金，炉前化验成分合格后，将钢液升温至1600～1650℃（铂铑30-铂铑6热电偶测温），加入占钢液重量0.10%～0.30%的铝脱氧，钢液转入放有钛铁和氮的浇包后，温度降至1480～1550℃时，蜡模浇注成厚度为25mm的Y形试块。

试样的热处理在K S S—18XC型箱式电阻炉内进行，热处理工艺为：980℃×2h淬火油冷+250℃×4h回火后水冷；用L3230—510B金相显微镜观察其显微组织，用JSM—6701F型扫描电子显微镜观察板条马氏体的形貌，采用X R D6000高温X射线衍射仪进行物相定性分析。在Y形试块上截取20mm×20mm×110mm的无缺口试样，在JB30A 型摆锤式冲击试验机上测试冲击韧度，用HR—150A型硬度计测量硬度；耐磨性试验在M L D—10型动载冲击磨损试验机上进行，上试样为镍硬铸铁、高铬铸铁和高硼低碳铸造合金，下试样为40Cr，硬度61.2HRC。尺寸分别为10mm×10mm×30mm，磨料是0.5～1.5mm的精制硅砂，流量为1kg/min，冲击频率为150次/min，冲击吸收能量为5J，试验前试样磨合6min。冲击2500次后，用精度0.1mg的TG328A型光电分析天平称量失重，用相对耐磨性β来表征材料的耐磨性能，β=W1/W2（W1和W2分别为标样和试样的磨损失重，单位mg）。试验结果均取3次测试的平均值。

表1　铸造合金的化学成分（质量分数）　　　（%）

2. 试验结果及分析

（1）高硼低碳铸造合金的铸态组织与XRD分析高硼低碳铸造合金的铸态组织如图l所示，XRD物相定性分析结果如图2所示。

从图1、图2可见，高硼低碳铸造合金的铸态组织较为致密，主要由珠光体、铁素体和共晶组织组成，其共晶组织是Fe2B。Fe2B呈连续网状沿晶界分布，少量呈不规则块状形态的铁素体分布在硼化物周围，呈片层状的珠光体分布在硼化物和铁素体之间。因为硼原子的直径小于铁原子直径（B/Fe=0.7），其在铁中的固溶度很小，致使大部分的硼原子不断向晶界富集，Fe与B发生了共晶反应生成Fe2B。在硼化物形成过程中要消耗大量的合金元素，同时也会消耗少量的C，导致合金凝固过程中紧邻硼化物的区域C和合金元素含量下降，在随后的冷却过程中，在初生奥氏体和共晶硼化物的晶界处生成铁素体。当凝固温度低于912℃时，γ-Fe均为体心立方晶格结构，晶格间隙很小，溶碳能力下降，γ-Fe中的间隙固溶体发生共析转变，促进珠光体的形成。同时，在合金熔液冷却过程中，含量均为0.20%～0.40%Ti和N形成高熔点的TiN化合物，首先从熔液中结晶出来，能作为非自发核心，促进形核，使铸态组织细化，但终因其含量太低，对晶粒的细化作用有限，Fe2B仍沿晶界呈连续网状分布，经测试其显微硬度高达1430～1500HV。

（2）铸造合金的热处理组织与力学性能试验研究发现，铸造合金经980℃×2h+250℃×4h淬回火后，其铁素体、珠光体基体组织全部转变为强韧性均好的细小板条马氏体，Fe2B局部出现断网现象，少量形态接近球状或棒状，仍呈网状分布，如图3所示。

高温淬回火时，奥氏体基体中C、B、Mn、Cr等元素的含量及分布均匀性提高，钢的淬透性提高，淬火组织中珠光体量不断减少，马氏体板条优先从原奥氏体晶界形核和长大，促使未转变的奥氏体产生形变，又进一步促进马氏体的发展。冷凝后，原奥氏体晶界内的珠光体、铁素体便全部转变成板条马氏体。在高温和少量Ti、N元素的共同作用下，导致少量硼化物溶解、硼原子的扩散和析出，使得硼化物的薄弱连接处产生溶解断网现象，但是由于硼在奥氏体中的溶解度很小，加之Ti、N含量低，虽然共晶硼化物的网状特征不会得到根本改变，但其强度和韧性却得到了明显改善。铸造合金铸态与热处理后的力学性能对比测试结果见表2。

由表2可知，铸态高硼低碳铸造合金经淬回火后，硬度提高了49.5%，冲击韧度提高了2.6倍。如图4所示，板条马氏体精细（亚）结构为高密度位错，板条多被连续的高度变形的残留奥氏体薄膜（约20μm）所隔开，且板条间残留奥氏体薄膜的碳含量较高，在室温下很稳定。在高温和微量Ti、N变质元素的共同作用下，少量的Fe2B溶解，导致Fe2B出现局部断网，促进了板条马氏体基体的连续性，弱化了Fe2B的脆性，使得铸造合金综合力学性能显著提高。

（3）高硼低碳铸造合金的耐磨性高硼低碳铸造合金、高铬铸铁和镍硬铸铁相对40Cr钢耐磨性β值测试计算结果如图5所示。

图1　铸造合金的铸态组织

图2　铸造合金的XRD分析结果

图3　铸造合金热处理显微组织

表2　铸造合金铸态与热处理力学性能测试结果

由此可知，高铬铸铁和镍硬铸铁的耐磨性基本相当，高硼低碳铸造合金耐磨性较好，相对于40Cr钢提高了1.5倍。一般来说，在冲击磨料磨损条件下，金属材料的磨损主要由切削磨损和疲劳磨损组成，切削磨损量的大小取决于金属材料的硬度，而抵抗疲劳磨损的能力主要决定于材料的硬度和塑性。40Cr钢强韧性较好，但淬透性差，硬度低且抗磨硬质相少，抗切削磨损能力差。镍硬铸铁和高铬铸铁硬度较高，抗切削磨损能力强，但由于其基体是高碳马氏体，韧性差，抗疲劳磨损能力低。高硼低碳铸造合金由高硬度的硼化物和基体强韧性均好的板条马氏体组成，板条马氏体可对高硬度的硼化物产生支撑作用，防止硼化物在磨损过程中产生折断和剥落，当高强韧性的板条马氏体基体磨损后，硬质硼化物便凸显出来，减缓基体的磨损速率，其抗切削磨损和疲劳磨损能力均高于上述耐磨金属材料。

3. 结语

（1）以硼为主要合金元素设计开发的高硼低碳钛氮铸造合金，其铸态由Fe2B+珠光体+铁素体复相组织组成，Fe2B呈网状沿晶界分布，其显微硬度高达1420～1500HV。

（2）Ti、N形成高熔点的TiN化合物，能作为非自发核心，对晶粒的细化起作用，促进Fe2B溶解断网，在不降低硬度的前提条件下，大幅度提高铸造合金的韧性。

（3）铸造合金经980℃×2h +250℃×4h淬回火后，获得了板条马氏体+局部断网的Fe2B组织，硬度≥60.2HRC，冲击韧度≥25.5J/cm2。

（4）高硼低碳钛氮铸造合金元素含量少，熔炼简单，铸造性能好，其耐磨性稍高于高铬铸铁和镍硬铸铁，相对于40Cr钢提高了1.5倍，性价比优于常用耐磨金属材料，值得推广应用。