来源：中国硼网

刘仲礼¹，李言祥¹，陈 祥¹，胡开华²

(1.清华大学机械工程系，北京100084；2.浙东精密铸造有限公司，浙江宁波315137)

摘要：高硼铁基合金是一种新型耐磨材料。硼、碳分别是决定和基体的重要元素，其含量对组织和性能起决定作用。采用正交实验法研究了硼的质量分数为1.5%～2.5%、碳的质量分数为0.2%～0.5%时高基合金组织的变化及其对硬度和冲击韧度的影响，为此类材料的研究提供了基础。

关键词：高硼铁基合金；硼化物；热处理；硬度；冲击韧度

中图分类号：TG142.7   文献标识码：A   文章编号：0449-749X(2007)06-0078-05

硼作为一种合金元素在钢中应用的时间并不长，最早把硼作为合金元素的工业化应用是在1934年，目的是为了增加钢的淬透性。人们研究发现微量的硼就可以极大地提高钢的淬透性，而其它贵重元素如铬、镍、锰等要达到同样的效果则其含量必须是硼含量的几十倍甚至上百倍^[1～3]。硼作为提高淬透性合金元素时，在钢中含量较低，一般低于30×10^-6(质量分数)^[4]。当硼的质量分数超过0.01%时，组织中出现硬脆的硼化物，此时钢的韧性较低^[5，6]。因为硼是地壳中含量相对丰富的一种元素，将其作为合金元素来应用，可以大量节省贵重元素，对工业生产和国防建设都有积极的意义。

高硼铁基合金是一种新型的耐磨材料，它含有耐磨相，与之相类似的材料是白口铸铁。目前对含碳化物耐磨相的耐磨材料的研究较多，但是对含硼化物耐磨相的耐磨材料的研究相对较少。对此种材料的基础研究，也是期望能够在耐磨性能不下降的情况下，减少贵重元素的加入，降低材料成本。此种材料的设计思路是将钢中硼的质量分数控制在0.5%～3.8%之间，由于硼在铁中的溶解度极低(硼在α-Fe中的溶解度小于0.0004%，在γ-Fe中的溶解度也只有0.02%^[7](质量分数))，所以加入的硼大多形成硼化物，硼化物具有非常高的硬度(如硼与铁生成的Fe₂B硬度为HV1400～1500)和热稳定性，因此是良好的耐磨相。同时通过调节碳含量来控制基体的组织和性能，从而获得一种综合性能良好的耐磨材料。

1 高硼铁基合金的凝固特点

高硼铁基合金的硼的质量分数一般在0.5%～3.8%，是一种亚共晶合金(图1^[7])。Fe-B相图与Fe-C相图比较相似，在γ相区有较大的固溶极限；Fe₂B的出现相当于Fe-C平衡相图中的Fe₃C。而固态下硼化物的析出，并不与Fe-C系的共析反应相对应，而是呈包析反应出现。高硼铁基合金的凝固先是形成奥氏体初晶，随温度的下降，熔体成分到达共晶点后发生共晶反应，所以其凝固组织是由基体和硼化物组成，基体随碳含量和其它合金元素含量的不同而有所不同。

2 高硼铁基合金的组织特点

图2是一种含C 0.3、B 1、Si 0.68、Mn 0.8(质量分数，%)的高硼铁基合金的金相组织。在铸态下，组织由共晶硼化物、铁素体和珠光体三相组成。铁素体在组织中的形态呈不规则的块状，分布在硼化物的周围，这种分布特点可能与合金在910℃发生包析反应有关；硼化物呈连续网状的莱氏体形态，将基体分割；珠光体分布在硼化物和铁素体两相之间，其数量与碳含量和其它合金元素的种类和含量有关。热处理条件下，基体转变为马氏体。共晶硼化物的存在是此种材料的一个特点，其分布、形态和成分等特点对材料的耐磨性能有较大的影响。硼化物经X衍射测定是Fe₂B(图3)。

该高硼铁基合金的基本性能如表1所示。热处理制度为920℃保温2h，水淬；200℃回火1h，空冷。冲击试样为20mm×20mm×110mm无缺口试样。研究认为，对于具有耐磨相的耐磨材料，其耐磨相的体积分数应该在20%～30%范围之内，才有较好的耐磨性。硼化物的含量是由合金中硼的含量来决定的，材料的宏观硬度是由基体的硬度和硼化物的硬度以及硼化物的含量来决定的。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{zd0}，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，因此硼、碳是决定高硼铁基合金基本性能的最重要的两种元素，它们的含量对高硼铁基合金组织和性能的影响是研究该类材料的基础。

本研究采用正交试验方法，综合考虑了硼和碳对材料组织以及性能的影响。

3 试验方法

熔炼采用100kg中频无芯感应电炉，原材料包括废钢、硼铁、铬铁、锰铁、硅铁、钛铁和铜。熔炼时先加入废钢，待熔清后依次加入铜、铬铁、锰铁、硅铁，插铝一次脱氧后，加入钛铁和硼铁，经熔清扒渣后插铝进行二次脱氧，然后出钢。插铝一次脱氧是为了保证钛铁和硼铁的收得率。硼是一种活性元素，易与熔体中的氧和氮发生反应，所以在硼铁加入以前，必须除氧和固氮^[8]。另外硼铁加入熔清后，保温时间不要过长，浇注时还应进行二次脱氧，而且浇注速度要快，以免熔体在浇注过程中吸收较多的氧。浇注完毕后还应在铸型表面撒覆盖剂保护。

高硼铁基合金的熔炼温度为1500～1550℃，浇注温度为1450～1500℃。高硼铁基合金的熔点在1400℃左右，因此为了保证硼的收得率，熔炼温度应严格控制。试验浇注标准的砂型基尔试块，试块的热处理制度是920℃保温3h，油淬；200℃回火1h，空冷。冲击试样为20mm×20mm×110mm无缺口试样。硼化物含量的测定采用定量金相的测量方法。

试验采用正交设计，该试验包括2个因子和3个水平。2个因子是碳、硼含量，碳含量的3个水平为0.2～0.3、0.3～0.4、0.4～0.5(质量分数，%)；硼含量的3个水平为1.5、2.0、2.5(质量分数，%)。其它合金元素的质量分数(%)设计如下：铬1.1～1.4、锰1.0～1.3、硅0.7～1.0、铜0.3～0.5。表2为实际的熔炼成分。

4 试验结果与分析

4.1 高硼铁基合金的组织

由于篇幅原因，图4选择了3种硼含量和碳含量都不相同的合金的金相组织，其中3号硼的质量分数约为2.5%、碳的质量分数为0.23%；5号硼的质量分数约为2%、碳的质量分数为0.33%；7号硼的质量分数约为1.5%、碳的质量分数为0.41%。

采用正交方法设计的高硼铁基合金，在设计成分内，铸态组织均由硼化物和珠光体组成；热处理后的组织由硼化物和马氏体组成，热处理后硼化物的形态基本无变化(图5)。硼化物在组织中呈网状结构分布，基体被硼化物分割，随着硼含量的增加，硼化物增多，团簇增多且团簇尺寸增大。随碳含量的增加，基体中高碳马氏体增多，低碳马氏体减少。

在高倍显微镜下，硼化物团簇基本由3种形态(图6)组成，即：蜂窝状、鱼骨状和板块状。共晶硼化物的形态是与其共晶特性分不开的。硼化物的共晶反应是属于非小平面-小平面长大方式，但具体生长过程和特点尚需研究。硼化物的形态是决定该类材料性能非常重要的因素，组织中大量硬脆硼化物的存在虽然可以增加材料的硬度，但是它对基体的分割必将损害材料的韧性，改善硼化物形态的研究将在以后的论文中论述。

4.2 高硼铁基合金的性能

表3列出了高硼铁基合金的性能。可以发现，硬度和冲击韧度随合金成分的不同而有所变化。在碳含量相近时，随着硼含量的增加，硼化物增多，合金的硬度增加而冲击韧度下降；在硼含量相近时，硼化物的体积分数相近，随碳含量的增加，合金的硬度增加，冲击韧度下降。

根据正交试验的分析方法，对试验结果进行计算和比较，硼、碳两个因子对结果的影响不同，硼的影响是碳的1.7倍。

材料的宏观硬度是由基体的硬度和硼化物的硬度以及硼化物的体积分数决定的，在基体和硼化物的硬度一定的基础上，硬度随硼化物含量的增加而增加，试验结果也反应了这一规律(图7)。

在硼含量一定的基础上，材料宏观硬度的变化由基体的硬度来决定，随着碳含量的增加，基体的硬度增加，表现为材料的硬度也随之增加。

基体是材料韧性的来源，在基体碳含量一定的情况下，随硼化物数量的增多，对基体的割裂作用增强，材料的韧性下降；在硼化物数量一定的情况下，基体碳含量的增加会导致基体高碳马氏体的增多，也可以降低材料的韧性。

5 结论

(1)在试验的合金成分范围内，高硼铁基合金的铸态由珠光体和硼化物组成，热处理态由马氏体和硼化物组成。

(2)硼化物在组织中呈网状分布，并且局部呈团簇状，随硼含量的增加，团簇增多，团簇尺寸增大；硼化物的形态为蜂窝状、鱼骨状和板块状。

(3)高硼铁基合金的碳含量一定时，随硼含量的增加，硼化物增多，材料的硬度增加而冲击韧度降低。

(4)高硼铁基合金的硼含量一定时，随碳含量的增加，材料的硬度增加而冲击韧度降低。

(5)正交试验分析表明，硼是影响高硼铁基合金性能的关键元素，对性能的影响是碳的1.7倍。

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