高硼低碳鈦氮耐磨鑄造合金研究

2015-10-31 02:47:10王守忠張艷玲蔣桂芝

金屬加工(熱加工) 2015年7期

■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，通過對其金相顯微組織觀察和XRD分析，結果表明，鑄造合金的鑄態組織較致密，由鐵素體+珠光體+Fe2B組成。經測試，熱處理鑄造合金硬度≥60.2HRC，沖擊韌度≥25.5J/cm2，耐磨性相對40Cr鋼提高了1.5倍，可作為優良的耐磨金屬材料推廣應用。

目前，我國礦山、冶金、電力等行業的機械設備中，廣泛應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，在實際工況應用條件下，不能或不能完全加工硬化，其內在的潛能不能得到充分發揮，有時耐磨性甚至低于普通碳鋼。高鉻鑄鐵韌性低，高溫熱處理易開裂，不適用于有較大沖擊的磨損領域；低合金耐磨鋼韌性好，硬度低，耐磨性能沒有明顯優勢。鎳硬鑄鐵雖具有較好的抗磨性，但生產成本高，為改善淬透性還常需加入價格昂貴的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內外材料界的重視。

1. 試驗方法

設計試驗鑄造合金的化學成分見表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，經計算配比后，在ZGXL0025-50-25型中頻感應電爐內熔化，經造渣、扒渣，待鋼液熔清后加入硼鐵合金，爐前化驗成分合格后，將鋼液升溫至1600～1650℃（鉑銠30-鉑銠6熱電偶測溫），加入占鋼液重量0.10%～0.30%的鋁脫氧，鋼液轉入放有鈦鐵和氮的澆包后，溫度降至1480～1550℃時，蠟模澆注成厚度為25mm的Y形試塊。

試樣的熱處理在K S S—18XC型箱式電阻爐內進行，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 型擺錘式沖擊試驗機上測試沖擊韌度，用HR—150A型硬度計測量硬度；耐磨性試驗在M L D—10型動載沖擊磨損試驗機上進行，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，用相對耐磨性β來表征材料的耐磨性能，β=W1/W2（W1和W2分別為標樣和試樣的磨損失重，單位mg）。試驗結果均取3次測試的平均值。

表1　鑄造合金的化學成分（質量分數）　　　（%）

2. 試驗結果及分析

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

從圖1、圖2可見，高硼低碳鑄造合金的鑄態組織較為致密，主要由珠光體、鐵素體和共晶組織組成，其共晶組織是Fe2B。Fe2B呈連續網狀沿晶界分布，少量呈不規則塊狀形態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。因為硼原子的直徑小于鐵原子直徑（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，Fe與B發生了共晶反應生成Fe2B。在硼化物形成過程中要消耗大量的合金元素，同時也會消耗少量的C，導致合金凝固過程中緊鄰硼化物的區域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。當凝固溫度低于912℃時，γ-Fe均為體心立方晶格結構，晶格間隙很小，溶碳能力下降，γ-Fe中的間隙固溶體發生共析轉變，促進珠光體的形成。同時，在合金熔液冷卻過程中，含量均為0.20%～0.40%Ti和N形成高熔點的TiN化合物，首先從熔液中結晶出來，能作為非自發核心，促進形核，使鑄態組織細化，但終因其含量太低，對晶粒的細化作用有限，Fe2B仍沿晶界呈連續網狀分布，經測試其顯微硬度高達1430～1500HV。

（2）鑄造合金的熱處理組織與力學性能試驗研究發現，鑄造合金經980℃×2h+250℃×4h淬回火后，其鐵素體、珠光體基體組織全部轉變為強韌性均好的細小板條馬氏體，Fe2B局部出現斷網現象，少量形態接近球狀或棒狀，仍呈網狀分布，如圖3所示。

高溫淬回火時，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，馬氏體板條優先從原奧氏體晶界形核和長大，促使未轉變的奧氏體產生形變，又進一步促進馬氏體的發展。冷凝后，原奧氏體晶界內的珠光體、鐵素體便全部轉變成板條馬氏體。在高溫和少量Ti、N元素的共同作用下，導致少量硼化物溶解、硼原子的擴散和析出，使得硼化物的薄弱連接處產生溶解斷網現象，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狀特征不會得到根本改變，但其強度和韌性卻得到了明顯改善。鑄造合金鑄態與熱處理后的力學性能對比測試結果見表2。

由表2可知，鑄態高硼低碳鑄造合金經淬回火后，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（亞）結構為高密度位錯，板條多被連續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，在室溫下很穩定。在高溫和微量Ti、N變質元素的共同作用下，少量的Fe2B溶解，導致Fe2B出現局部斷網，促進了板條馬氏體基體的連續性，弱化了Fe2B的脆性，使得鑄造合金綜合力學性能顯著提高。

（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40Cr鋼耐磨性β值測試計算結果如圖5所示。

圖1　鑄造合金的鑄態組織

圖2　鑄造合金的XRD分析結果

圖3　鑄造合金熱處理顯微組織

表2　鑄造合金鑄態與熱處理力學性能測試結果

由此可知，高鉻鑄鐵和鎳硬鑄鐵的耐磨性基本相當，高硼低碳鑄造合金耐磨性較好，相對于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鋼強韌性較好，但淬透性差，硬度低且抗磨硬質相少，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，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韌性均好的板條馬氏體組成，板條馬氏體可對高硬度的硼化物產生支撐作用，防止硼化物在磨損過程中產生折斷和剝落，當高強韌性的板條馬氏體基體磨損后，硬質硼化物便凸顯出來，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. 結語

（1）以硼為主要合金元素設計開發的高硼低碳鈦氮鑄造合金，其鑄態由Fe2B+珠光體+鐵素體復相組織組成，Fe2B呈網狀沿晶界分布，其顯微硬度高達1420～1500HV。

（2）Ti、N形成高熔點的TiN化合物，能作為非自發核心，對晶粒的細化起作用，促進Fe2B溶解斷網，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980℃×2h +250℃×4h淬回火后，獲得了板條馬氏體+局部斷網的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，熔煉簡單，鑄造性能好，其耐磨性稍高于高鉻鑄鐵和鎳硬鑄鐵，相對于40Cr鋼提高了1.5倍，性價比優于常用耐磨金屬材料，值得推廣應用。