于 震，符寒光，蔣業(yè)華，周 榮，雷永平，岑啟宏，郭紅星

（1.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100022；2.昆明理工大學(xué)，云南昆明 650093；3.云南昆鋼重型裝備制造集團(tuán)有限公司，云南昆明 650501）

鋁含量對(duì)Fe-Cr-B-Al合金組織性能影響的研究

于 震1，符寒光1，蔣業(yè)華2，周 榮2，雷永平1，岑啟宏2，郭紅星3

（1.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100022；2.昆明理工大學(xué)，云南昆明 650093；3.云南昆鋼重型裝備制造集團(tuán)有限公司，云南昆明 650501）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不含鋁元素的Fe-Cr-B合金鑄態(tài)組織主要有馬氏體、殘余奧氏體和不同類型硼碳化合物組成，硬度超過65HRC。鋁加入量不超過1.0%時(shí)，合金硬度變化不明顯，物相組成也未出現(xiàn)變化。加鋁量達(dá)到1.5%時(shí)，基體中出現(xiàn)了鐵素體，合金硬度急劇下降。隨鋁含量的增多，鐵素體在基體中所占比例越來越高，硬度逐漸下降但變化不大。

Fe-Cr-B-Al合金；鋁含量；凝固組織；鐵素體；力學(xué)性能

1 引言

磨損失效是機(jī)械設(shè)備的一種主要的失效形式，由于磨損每年造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為減少材料的磨損損失，許多學(xué)者在耐磨材料方面做了大量的工作[1-4]。近年來，對(duì)于在高鉻鑄鐵基礎(chǔ)上發(fā)展起來的以M2B共晶硼化物為耐磨骨架的新型Fe-Cr-B耐磨合金的研究越來越多[5-7]。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-Cr-B合金在硬度和耐熱沖擊性方面都有較高的性能[6,7]，但是Fe-Cr-B合金在高溫下基體硬度下降明顯，無法對(duì)M2B耐磨骨架提供足夠的支撐，使其在高溫下的耐磨性大大降低[8]。

鋁能提高鋼的回火穩(wěn)定性、硬度和紅硬性，對(duì)改善鋼的高溫耐磨性有利[9,10]。鋁還能與氧結(jié)合形成耐高溫腐蝕的Al2O3，提高材料高溫耐腐蝕性能[11]。目前在高速鋼中加鋁已經(jīng)有了較多的應(yīng)用[12,13]，但在Fe-Cr-B合金中加入鋁元素的研究還鮮見報(bào)道。

本文針對(duì)不同鋁含量加入對(duì)Fe-Cr-B-Al合金凝固組織和性能的影響進(jìn)行了深入的探討，可為這種材料的研發(fā)和應(yīng)用提供參考。合金熱處理后的組織形貌，力學(xué)性能以及高溫耐磨性能將會(huì)在以后的工作中進(jìn)行研究。

2 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

Fe-Cr-B-Al合金采用10kg真空感應(yīng)熔煉爐（ZG-0.01）進(jìn)行熔煉，以純鐵、硼鐵、鉻鐵、金屬錳、硅鐵和增碳劑作為原料。爐前調(diào)整成分合格后，在1580℃時(shí)加入鋁，升溫至1600℃～1620℃出爐，金屬型澆注，澆鑄成直徑60mm、長220mm的圓柱形鑄錠。在鑄錠上切割10mm×10mm×15mm的試樣進(jìn)行金相分析。合金的成分如表1所示。

表1 Fe-Cr-B-Al合金主要化學(xué)成分（w%）

對(duì)試樣表面進(jìn)行磨拋、腐蝕。腐蝕液的構(gòu)成是4g硫酸銅加20ml鹽酸加20ml水。使用OLYMPUS BX51光學(xué)顯微鏡和S-3400N掃描電鏡觀察試樣微觀組織，用HR－150A型洛氏硬度計(jì)測(cè)量其宏觀硬度，試驗(yàn)負(fù)荷為150kg；顯微硬度用MICRO MET－5103數(shù)字顯微硬度儀進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)載荷為50g，加載時(shí)間為15s。宏觀硬度和顯微硬度均在試樣表面隨機(jī)選取7個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行平均計(jì)算。采用日本島津XRD－7000型X射線衍射儀對(duì)耐磨合金的物相進(jìn)行定性分析。具體參數(shù)：采用Cu－Kα輻射，管流管壓分別為 30mA 和 40kV,掃描速度為 2(°)/min，20°～80°耦合連續(xù)掃描，步進(jìn)0.02°。

3 結(jié)果與討論

3.1 鋁含量對(duì)Fe－Cr－B－Al合金的鑄態(tài)凝固組織的影響

圖1為未添加鋁元素的Fe－Cr－B合金的鑄態(tài)凝固組織。由圖1（a）可以看出，未添加Al元素的Fe－Cr－B合金鑄態(tài)組織主要由分布在晶界處的網(wǎng)狀硬質(zhì)相和基體組成。XRD分析的結(jié)果見圖2，經(jīng)XRD分析，其物相組成為α－Fe，M7(C，B)3（M=Cr，F(xiàn)e）和Fe2B?；w為馬氏體組織和少量奧氏體，硬質(zhì)相分為片層狀 Fe2B 和短棒狀的（Cr，F(xiàn)e）7(C，B)3。由于硼在鐵中的溶解度極低，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%，過量硼元素加入后，一部分在晶界偏聚，形成Fe2B或者（Cr，F(xiàn)e）7（C,B）3硼碳化合物，剩余硼元素溶入基體中，對(duì)基體產(chǎn)生較大的晶格畸變，使基體硬度升高。硼富集于奧氏體晶界降低了晶界表面能，阻礙了α相和碳化物在奧氏體晶界成核，顯著提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，降低了馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度。在空冷條件下，過冷奧氏體發(fā)生馬氏體相變，最終轉(zhuǎn)變成馬氏體和殘余奧氏體，保證合金有較高的硬度。

圖3和圖4分別為加入0.5%和1.0%的鋁元素之后合金的鑄態(tài)顯微組織。合金凝固組織仍舊由馬氏體基體和共晶硬質(zhì)相組成。鋁是非碳化物形成元素，主要固溶于基體當(dāng)中，在碳化物和硼化物中幾乎沒有。由圖5的XRD分析結(jié)果可知鋁的加入對(duì)共晶硬質(zhì)相的類型幾乎沒有影響。少量的鋁加入后，基體仍然為板條狀馬氏體，由圖3（b）可以清楚的看到寬度為1μm的馬氏體板條束。圖4（b）中殘余奧氏體含量比圖3（b）中明顯減少，這可能是由于鋁提高了Ms點(diǎn)，使馬氏體轉(zhuǎn)變進(jìn)行的更加完全，降低了殘余奧氏體含量。

如圖6（a）所示，加入1.5%的鋁元素后，合金基體由馬氏體轉(zhuǎn)變成了珠光體和少量塊狀鐵素體。由圖 6（a）～（e）可以看出，隨著鋁含量的增加，F(xiàn)e-Cr-B-Al合金基體中鐵素體所占比例越來越大，由塊狀連成鏈狀。含鋁4.0%時(shí)，鐵素體占基體的比例達(dá)到70.8%，碳化物的片層厚度也隨著鋁含量增加而增大，鐵素體占基體比例隨鋁含量的變化如圖7所示。

由Fe-C-Cr-Al的相圖可知[14]，F(xiàn)e-Cr-B-Al合金冷卻過程中，鋼液在較高溫度出現(xiàn)了δ相，鋁含量低于1.5%時(shí)，析出的δ相會(huì)和鋼液發(fā)生δ+L→γ包晶轉(zhuǎn)變成為γ相。由于Cr、Mn、B等元素在δ相和γ相中的分配系數(shù)均小于1，δ相和γ相在長大過程中會(huì)向液相中排出Cr、Mn、B等元素，使液相中B含量持續(xù)上升，當(dāng)硼含量達(dá)到4.0%時(shí)，在與γ相相接的富集Cr、Mn、B的殘留液相中發(fā)生L→γ+硼化物的共晶反應(yīng)[15]。鋁能擴(kuò)大δ相區(qū)，縮小γ相，隨著鋁含量的增加δ相區(qū)逐漸增大，析出δ相數(shù)量增多[16]，加鋁量達(dá)1.5%時(shí)，包晶轉(zhuǎn)變無法完全消耗掉全部δ相，致使剩余δ相在心部保留。鋁含量繼續(xù)增大，剩余δ相也會(huì)隨之增大。溫度降低到共析轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，δ相轉(zhuǎn)變成α相和碳化物。繼續(xù)冷卻，會(huì)發(fā)生γ向α的轉(zhuǎn)變。鋁可以使CCT曲線左移，縮短珠光體的孕育期，降低合金的淬透性。鋁含量在1.5%時(shí)，空冷條件下的冷速已經(jīng)低于Fe－Cr－B－Al合金的臨界冷卻速度，過冷奧氏體不能形成馬氏體組織而是形成珠光體。

鐵素體中碳的溶解度極低，隨著鐵素體所占比例的增大，冷卻過程中被排出到殘余鋼液中的碳逐漸增多，殘余鋼液中產(chǎn)生的硼碳化物也越來越粗大。

3.2 鋁含量對(duì)Fe－Cr－B－Al合金鑄態(tài)硬度的影響

不同鋁含量的Fe－Cr－B－Al合金的宏觀硬度如圖8所示。不加鋁的Fe－Cr－B合金由馬氏體、Fe2B（1430HV～1480HV）[17]和(Cr，F(xiàn)e)7(C,B)3組成。部分硼元素進(jìn)入馬氏體基體，產(chǎn)生較大的晶格畸變，使得馬氏體顯微硬度達(dá)到800HV，宏觀硬度65.7HRC。少量鋁（Al%≤1.0）加入后會(huì)進(jìn)入馬氏體基體，鋁的擴(kuò)散與碳擴(kuò)散方向相反，使更多的碳聚集到晶界，使馬氏體中的碳含量降低，馬氏體硬度下降，造成宏觀硬度略有下降。

當(dāng)加鋁量達(dá)到1.5%，組織中基體由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w和少量鐵素體，基體顯微硬度由800HV降為450HV，硬質(zhì)相依然保持原來的硬度，使得合金的宏觀硬度由65.3HRC急劇下降到39.7HRC。隨鋁加入量的增加，鐵素體在基體中所占比例增加，使硬度逐漸下降。鋁在δ鐵素體中的溶解度為36%，大大高于鋁在奧氏體中的溶解度0.625%。鋁主要集中于鐵素體中，增加了鉻等合金在鐵素體中的固溶量，使鐵素體的硬度上升到與周圍珠光體相接近，即使鐵素體面積增大，也無法對(duì)基體的整體硬度造成較大影響，使宏觀硬度趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）含鋁量低于 1.5%的 Fe－Cr－B－Al合金鑄態(tài)凝固組織是由馬氏體，(Fe,Cr)2B,(Fe,Cr)7(C,B)3和少量殘余奧氏體組成，隨鋁含量的增加，殘余奧氏體的數(shù)量減少。含鋁量超過1.5%時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w和鐵素體，隨含鋁量增加鐵素體在基體中所占的比例增大。

（2）含鋁低于 1.5%的 Fe－Cr－B－Al合金宏觀硬度相比不含鋁的Fe－Cr－B幾乎沒有變化，含鋁量達(dá)到1.5%時(shí)，硬度急劇下降為39.7HRC。隨鋁含量增加，宏觀硬度變化不大。

致謝：北京市教委科研項(xiàng)目（PXM2012－014204－00－000136、PXM2012－014204－00－000156）、云南省院省?？萍己献鲗ｍ?xiàng)（2010AD012）、國家自然科學(xué)基金（51054008）的資助。

[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]遲宏宵，馬黨參，雍岐龍,等.鋁對(duì)Cr8WMo2V2SiNb鋼臨界點(diǎn)及淬火組織的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2009,30（6）：61-68.

[11]張志剛，牛炎，張學(xué)軍.鐵-鉻-鋁合金中鉻的第三組元作用[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2007,19（7）：46-49,53.

[12]鄭雙七，王豫.鋁對(duì)高速鋼紅硬性的影響[J].熱處理，2005,20（3）：3-10.

[13]徐祖耀.鋁在高速鋼中的作用[J].機(jī)械工程材料，1993,17（2）：4-5,35.

[14]石淑琴，谷南駒，古原忠，等.鋁元素抑制超高碳鋼中網(wǎng)狀碳化物析出機(jī)理[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2005,26（4）：79-82.

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

[16]李彥軍，姜啟川，何鎮(zhèn)明,等.Al對(duì)M2高速鋼凝固過程的作用[J].材料研究學(xué)報(bào)，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

稿件編號(hào)：1204-041

于震（1988-），男，碩士研究生，主要從事先進(jìn)材料制備的研究工作