■王守忠，張艷玲，蔣桂芝

高硼低碳鈦氮耐磨鑄造合金研究

■王守忠，張艷玲，蔣桂芝

為提高金屬材料的耐磨性，在普通低碳鋼中加入B、Ti、N，獲得了大量具有高硬度硼化物的鑄造合金，通過對(duì)其金相顯微組織觀察和XRD分析，結(jié)果表明，鑄造合金的鑄態(tài)組織較致密，由鐵素體+珠光體+Fe2B組成。經(jīng)測(cè)試，熱處理鑄造合金硬度≥60.2HRC，沖擊韌度≥25.5J/cm2，耐磨性相對(duì)40Cr鋼提高了1.5倍，可作為優(yōu)良的耐磨金屬材料推廣應(yīng)用。

目前，我國(guó)礦山、冶金、電力等行業(yè)的機(jī)械設(shè)備中，廣泛應(yīng)用的耐磨材料是鎳硬鑄鐵、高鉻鑄鐵、高錳鋼和低合金耐磨鋼。由于高錳鋼的硬度很低，其耐磨性完全依賴于使用過程中的加工硬化效應(yīng)，在實(shí)際工況應(yīng)用條件下，不能或不能完全加工硬化，其內(nèi)在的潛能不能得到充分發(fā)揮，有時(shí)耐磨性甚至低于普通碳鋼。高鉻鑄鐵韌性低，高溫?zé)崽幚硪组_裂，不適用于有較大沖擊的磨損領(lǐng)域；低合金耐磨鋼韌性好，硬度低，耐磨性能沒有明顯優(yōu)勢(shì)。鎳硬鑄鐵雖具有較好的抗磨性，但生產(chǎn)成本高，為改善淬透性還常需加入價(jià)格昂貴的Ni、Mo合金元素。近年來，在普通碳鋼中加入較多的B，以改善鋼鐵耐磨性的研究日益受到國(guó)內(nèi)外材料界的重視。

1. 試驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)試驗(yàn)鑄造合金的化學(xué)成分見表1。以生鐵、廢鋼、硅鐵（含Si 75%）、鉻鐵（含Cr 55%、錳鐵（含Mn70%）和硼鐵（含B20%）為原材料，經(jīng)計(jì)算配比后，在ZGXL0025-50-25型中頻感應(yīng)電爐內(nèi)熔化，經(jīng)造渣、扒渣，待鋼液熔清后加入硼鐵合金，爐前化驗(yàn)成分合格后，將鋼液升溫至1600～1650℃（鉑銠30-鉑銠6熱電偶測(cè)溫），加入占鋼液重量0.10%～0.30%的鋁脫氧，鋼液轉(zhuǎn)入放有鈦鐵和氮的澆包后，溫度降至1480～1550℃時(shí)，蠟?zāi)沧⒊珊穸葹?5mm的Y形試塊。

試樣的熱處理在K S S—18XC型箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行，熱處理工藝為：980℃×2h淬火油冷+250℃×4h回火后水冷；用L3230—510B金相顯微鏡觀察其顯微組織，用JSM—6701F型掃描電子顯微鏡觀察板條馬氏體的形貌，采用X R D6000高溫X射線衍射儀進(jìn)行物相定性分析。在Y形試塊上截取20mm×20mm×110mm的無缺口試樣，在JB30A 型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試沖擊韌度，用HR—150A型硬度計(jì)測(cè)量硬度；耐磨性試驗(yàn)在M L D—10型動(dòng)載沖擊磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，上試樣為鎳硬鑄鐵、高鉻鑄鐵和高硼低碳鑄造合金，下試樣為40Cr，硬度61.2HRC。尺寸分別為10mm×10mm×30mm，磨料是0.5～1.5mm的精制硅砂，流量為1kg/min，沖擊頻率為150次/min，沖擊吸收能量為5J，試驗(yàn)前試樣磨合6min。沖擊2500次后，用精度0.1mg的TG328A型光電分析天平稱量失重，用相對(duì)耐磨性β來表征材料的耐磨性能，β=W1/W2（W1和W2分別為標(biāo)樣和試樣的磨損失重，單位mg）。試驗(yàn)結(jié)果均取3次測(cè)試的平均值。

表1　鑄造合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　　　 （%）

2. 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）高硼低碳鑄造合金的鑄態(tài)組織與XRD分析 高硼低碳鑄造合金的鑄態(tài)組織如圖l所示，XRD物相定性分析結(jié)果如圖2所示。

從圖1、圖2可見，高硼低碳鑄造合金的鑄態(tài)組織較為致密，主要由珠光體、鐵素體和共晶組織組成，其共晶組織是Fe2B。Fe2B呈連續(xù)網(wǎng)狀沿晶界分布，少量呈不規(guī)則塊狀形態(tài)的鐵素體分布在硼化物周圍，呈片層狀的珠光體分布在硼化物和鐵素體之間。因?yàn)榕鹪拥闹睆叫∮阼F原子直徑（B/Fe=0.7），其在鐵中的固溶度很小，致使大部分的硼原子不斷向晶界富集，F(xiàn)e與B發(fā)生了共晶反應(yīng)生成Fe2B。在硼化物形成過程中要消耗大量的合金元素，同時(shí)也會(huì)消耗少量的C，導(dǎo)致合金凝固過程中緊鄰硼化物的區(qū)域C和合金元素含量下降，在隨后的冷卻過程中，在初生奧氏體和共晶硼化物的晶界處生成鐵素體。當(dāng)凝固溫度低于912℃時(shí)，γ-Fe均為體心立方晶格結(jié)構(gòu)，晶格間隙很小，溶碳能力下降，γ-Fe中的間隙固溶體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，促進(jìn)珠光體的形成。同時(shí)，在合金熔液冷卻過程中，含量均為0.20%～0.40%Ti和N形成高熔點(diǎn)的TiN化合物，首先從熔液中結(jié)晶出來，能作為非自發(fā)核心，促進(jìn)形核，使鑄態(tài)組織細(xì)化，但終因其含量太低，對(duì)晶粒的細(xì)化作用有限，F(xiàn)e2B仍沿晶界呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，經(jīng)測(cè)試其顯微硬度高達(dá)1430～1500HV。

（2）鑄造合金的熱處理組織與力學(xué)性能 試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鑄造合金經(jīng)980℃×2h+250℃×4h淬回火后，其鐵素體、珠光體基體組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)韌性均好的細(xì)小板條馬氏體，F(xiàn)e2B局部出現(xiàn)斷網(wǎng)現(xiàn)象，少量形態(tài)接近球狀或棒狀，仍呈網(wǎng)狀分布，如圖3所示。

高溫淬回火時(shí)，奧氏體基體中C、B、Mn、Cr等元素的含量及分布均勻性提高， 鋼的淬透性提高，淬火組織中珠光體量不斷減少，馬氏體板條優(yōu)先從原奧氏體晶界形核和長(zhǎng)大，促使未轉(zhuǎn)變的奧氏體產(chǎn)生形變，又進(jìn)一步促進(jìn)馬氏體的發(fā)展。冷凝后，原奧氏體晶界內(nèi)的珠光體、鐵素體便全部轉(zhuǎn)變成板條馬氏體。在高溫和少量Ti、N元素的共同作用下，導(dǎo)致少量硼化物溶解、硼原子的擴(kuò)散和析出，使得硼化物的薄弱連接處產(chǎn)生溶解斷網(wǎng)現(xiàn)象，但是由于硼在奧氏體中的溶解度很小，加之Ti、N含量低，雖然共晶硼化物的網(wǎng)狀特征不會(huì)得到根本改變，但其強(qiáng)度和韌性卻得到了明顯改善。鑄造合金鑄態(tài)與熱處理后的力學(xué)性能對(duì)比測(cè)試結(jié)果見表2。

由表2可知，鑄態(tài)高硼低碳鑄造合金經(jīng)淬回火后，硬度提高了49.5%，沖擊韌度提高了2.6倍。如圖4所示，板條馬氏體精細(xì)（亞）結(jié)構(gòu)為高密度位錯(cuò)，板條多被連續(xù)的高度變形的殘留奧氏體薄膜（約20μm）所隔開，且板條間殘留奧氏體薄膜的碳含量較高，在室溫下很穩(wěn)定。在高溫和微量Ti、N變質(zhì)元素的共同作用下，少量的Fe2B溶解，導(dǎo)致Fe2B出現(xiàn)局部斷網(wǎng)，促進(jìn)了板條馬氏體基體的連續(xù)性，弱化了Fe2B的脆性，使得鑄造合金綜合力學(xué)性能顯著提高。

（3）高硼低碳鑄造合金的耐磨性 高硼低碳鑄造合金、高鉻鑄鐵和鎳硬鑄鐵相對(duì)40Cr鋼耐磨性β值測(cè)試計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖1　鑄造合金的鑄態(tài)組織

圖2　鑄造合金的XRD分析結(jié)果

圖3　鑄造合金熱處理顯微組織

表2　鑄造合金鑄態(tài)與熱處理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

由此可知，高鉻鑄鐵和鎳硬鑄鐵的耐磨性基本相當(dāng)，高硼低碳鑄造合金耐磨性較好，相對(duì)于40Cr鋼提高了1.5倍。一般來說，在沖擊磨料磨損條件下，金屬材料的磨損主要由切削磨損和疲勞磨損組成，切削磨損量的大小取決于金屬材料的硬度，而抵抗疲勞磨損的能力主要決定于材料的硬度和塑性。40Cr鋼強(qiáng)韌性較好，但淬透性差，硬度低且抗磨硬質(zhì)相少， 抗切削磨損能力差。鎳硬鑄鐵和高鉻鑄鐵硬度較高，抗切削磨損能力強(qiáng)，但由于其基體是高碳馬氏體，韌性差，抗疲勞磨損能力低。高硼低碳鑄造合金由高硬度的硼化物和基體強(qiáng)韌性均好的板條馬氏體組成，板條馬氏體可對(duì)高硬度的硼化物產(chǎn)生支撐作用，防止硼化物在磨損過程中產(chǎn)生折斷和剝落，當(dāng)高強(qiáng)韌性的板條馬氏體基體磨損后，硬質(zhì)硼化物便凸顯出來，減緩基體的磨損速率，其抗切削磨損和疲勞磨損能力均高于上述耐磨金屬材料。

3. 結(jié)語(yǔ)

（1）以硼為主要合金元素設(shè)計(jì)開發(fā)的高硼低碳鈦氮鑄造合金，其鑄態(tài)由Fe2B+珠光體+鐵素體復(fù)相組織組成，F(xiàn)e2B呈網(wǎng)狀沿晶界分布，其顯微硬度高達(dá)1420～1500HV。

（2）Ti、N形成高熔點(diǎn)的TiN化合物，能作為非自發(fā)核心，對(duì)晶粒的細(xì)化起作用，促進(jìn)Fe2B溶解斷網(wǎng)，在不降低硬度的前提條件下，大幅度提高鑄造合金的韌性。

（3）鑄造合金經(jīng)980℃×2h +250℃×4h淬回火后，獲得了板條馬氏體+局部斷網(wǎng)的Fe2B組織，硬度≥60.2HRC，沖擊韌度≥25.5J/cm2。

（4）高硼低碳鈦氮鑄造合金元素含量少，熔煉簡(jiǎn)單，鑄造性能好，其耐磨性稍高于高鉻鑄鐵和鎳硬鑄鐵，相對(duì)于40Cr鋼提高了1.5倍，性價(jià)比優(yōu)于常用耐磨金屬材料，值得推廣應(yīng)用。

圖4　板條馬氏體TEM形貌

圖5　不同金屬材料的相對(duì)耐磨性

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王守忠、張艷玲、蔣桂芝，商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院。