淬火热处理对含铝高硼钢显微组织和性能的影响

尹恩生

（新疆八钢佳域工业材料有限公司）

0 前言

近年来，耐磨材料科学蓬勃发展，种类日益增多，同时质量也在不断地提高。在碳钢中加入适量硼而发展起来的高硼铸钢，与耐磨白口铸铁和普通耐磨铸钢相比，具有更好的强韧性和更优异的耐磨性，且已在冶金、矿山等行业成功应用。而高锰钢的耐磨性是有条件的，只有当使用时在外来的冲击或应力作用下迅速产生加工硬化，形成硬而耐磨的表面层，才能显示出优良的耐磨性[1,2]，而且其屈服强度低、易于变形。普通高硼铸钢中，硼化物呈连续网状分布，即使采用高温热处理，硼化物连续分布特征依然明显[3]。硼化物的连续分布增大了高硼铸钢的脆性，使其在重载、高冲击工况下使用的安全性降低，使用范围受限。近年来，师文校[4～6]等人研究了热处理对高硼低碳铸钢显微组织和性能的影响，发现随着温度的升高，高硼钢的硬度变化不大，在900℃～1050℃淬火，具有优良的耐磨性。通过在高硼钢中加入铝元素来改变硼化物的形态，研究探索淬火加热温度对含铝高硼铸钢组织和性能的影响规律，为这一新材料的研究和使用中热处理工艺的制订提供依据。

1 试验材料及方法

采用10kg中频感应电炉熔炼材料，材料的化学成分如表1所示。用线切割机加工试样，其尺寸为：φ20 mm ×10mm。试样在高温箱式电阻炉内随炉进行热处理，淬火加热温度分别为950℃、1000℃、1050℃和1100℃，保温时间1h，而后水淬冷却。

表1 含铝高硼铸钢的主要化学成分 wt%

含铝高硼钢的硬度用HR-150A型洛氏硬度计测量，试验负荷为150kg，硬度值取7个点的平均值。用HXD-1000型显微硬度计进行显微硬度测试，试验载荷100g，加载保持时间15秒。用OLYMPUS BX51金相显微镜和S-3400N扫描电镜进行组织的观察与分析。采用日本岛津XRD-7000型X射线衍射仪对含铝高硼钢中的物相进行定性分析，具体参数：采用Cu-Kα辐射，管流管压为3 0 m A 和4 0 k V，扫描速度为2o/min，20o～80°耦合连续扫描，步进0.02o。

2 试验结果及分析

2.1 含铝高硼钢凝固组织研究

图1为铸态含铝高硼钢的凝固组织，图2为其X射线衍射谱。从图1中可见，铸态含铝高硼钢中有较多的网状组织和大量的块状组织，X射线衍射谱表明网状组织为Fe2B，而块状组织为Fe。另外，基体组织主要由铁素体、珠光体和少量马氏体组成。此组织是由初生奥氏体和共晶奥氏体在凝固冷却过程中转变而成。

图1 铸态含铝高硼钢的金相(a)和扫描(b)组织

图2 铸态含铝高硼钢的XRD谱线

2.2 淬火加热温度对含铝高硼钢显微组织的影响

不同加热温度下，含铝高硼钢的水冷淬火显微组织如图3所示。可以看出，高温热处理后硼化物形态均有一定程度的改善。加热温度较低时，硼化物变化较小，网状分布趋势很明显（如图3a）。随着加热温度升高，硼化物断网和团聚化趋势明显加快。温度大于等于1000℃奥氏体完全消失，硼化物出现局部断网，其有利于改善含铝高硼钢的强韧性。由于高硼铸钢的碳含量较低，经高温淬火后，基体组织变为强韧性较好的板条状马氏体。图4的XRD分析表明，经高温淬火后，硼化物仍是Fe2B，且在高温加热时其局部溶于基体，从而使硼化物出现局部断网现象，有利于改善高硼钢的强韧性。

图3 含铝高硼钢在950℃(a)、1000℃(b)、1050℃(c)和1100℃(d)淬火后的显微组织

图4 含铝高硼钢1000℃淬火后的XRD谱线

2.3 淬火加热温度对含铝高硼铸钢性能的影响

淬火加热温度对含铝高硼钢硬度的影响见图5。可以看出，随着淬火加热温度的升高，含铝高硼钢的宏观硬度和基体显微硬度具有相同的变化趋势。宏观硬度为61～63HRC，基体显微硬度为820～885HV。在900～1000℃淬火，随着淬火加热温度的升高，硬度呈升高趋势，当温度升高到1050℃时，硬度较1000℃时有所下降，当温度继续升高到1100℃时，硬度又呈现出升高趋势，但变化不大，且在1000℃硬度达到最高。

图 5 淬火加热温度对含铝高硼钢硬度的影响

综上所述，随着温度的升高，含铝高硼钢的硬度变化不大。高硼钢在950～1100℃淬火，都可获得单一的板条状马氏体基体组织，且硼化物稳定性好，淬火加热温度的变化对硼化物数量的影响不明显，因此硬度变化不大。含铝高硼铸钢经高温奥氏体化后快速冷却，抑制了硼原子的远程扩散，使硼原子不发生明显的晶界和晶内偏聚，更难于形成硼相。硼以固溶的形式保留在基体中，形成过饱和的固溶体。不论硼原子以何种方式固溶在基体中，都将引起较大的晶格畸变，使基体硬度提高，导致高硼铸钢的基体显微硬度和宏观硬度提高。淬火加热温度超过1050℃时，高温奥氏体中溶解的硼、碳、锰量增加，高温奥氏体稳定性增加，淬火组织中出现了低硬度的残留奥氏体，导致合金硬度略有下降[7]。

2.4 含铝高硼钢锤头的制备和应用

在上述基础试验基础上，使用500kg碱性中频感应电炉熔炼含铝高硼钢材料，采用真空消失模铸造方法制备含铝高硼钢锤头，钢水浇注温度1510-1530℃。锤头经清砂、打磨后，随炉加热至1000℃，保温4小时后，出炉风冷至室温，随后加热至230℃，保温16小时，随后炉冷至温度低于120℃后，出炉空冷至室温。采用便携式肖氏硬度机测量锤头表面硬度为60.5～62.3 HRC。某铁矿原Cr15Mo3高铬铸铁锤头的使用寿命为120小时，用含铝高硼钢锤头后,使用寿命提高至160小时，含铝高硼钢锤头使用寿命比Cr15Mo3高铬铸铁锤头提高30%以上，生产成本降低40%以上，推广应用具有较好的经济和社会效益。

3 结论

（1）含0.35%C、1.5%B和1.0%Al的高硼铸钢的显微组织由Fe2B硼化物、铁素体、珠光体和马氏体组成。

（2）含铝高硼钢经高加热温度淬火，可以明显改善硼化物的形态及其分布，显著提高它的综合性能。在950～1100℃水淬，含铝高硼钢局部出现断网现象，随着淬火加热温度的增加，断网现象明显加快。

（3）不同的淬火加热温度对含铝高硼钢的整体硬度影响比较小，但材料的整体硬度较高，达到61～63HRC。该材料在1000℃进行热处理，硬度达到最大，且硼化物细小、呈孤立状均匀分布，有望获得良好的综合性能。

（4）采用含铝高硼钢制造的破碎机锤头，使用寿命比Cr15Mo3高铬铸铁锤头提高30%以上，生产成本降低40%以上，具有较好的推广应用价值。