鈰元素對Fe—B合金組織和韌性的影響研究

易大偉　陳進　張志云

摘 要：文章研究了鈰元素對Fe-B合金組織和沖擊韌性的影響。分析結果表明，Fe-B合金的鑄態組織由鐵素體、珠光體和共晶硼化物構成，鈰元素的添加能夠細化奧氏體和共晶硼化物組織。熱處理后，添加鈰元素的Fe-B合金的沖擊韌性高于未加入合金。

關鍵詞：硼化物；沖擊韌性；顯微組織；鈰

中圖分類號：TG113.25 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）33-0203-02

Fe-B合金具有耐磨性優良、合金消耗少，鑄造工藝簡單和生產成本低等優點[1]。此外，Fe-B合金的沖擊韌性和斷裂韌性高于白口鑄鐵[2]。Fe-B合金在高強度沖擊工況下的應用有助于減少耐磨材料的消耗[3]。然而， 在Fe-B合金中存在許多粗大的共晶硼化物，抑制了Fe-B合金強度和韌性的發揮。本研究針對鈰元素對Fe-B合金組織和韌性的改善開展。

1 實驗方法

1.1 Fe-B合金的熔煉與鑄造

Fe-B合金在10kg中頻感應電爐中熔煉。生鐵和廢鋼是主要的爐料。采用鐵合金Fe-61.5 wt.%Cr、Fe-65.8 wt.%Mn、Fe-75.3wt.%Si和Fe-16.1wt.%B等來調整Fe-B合金中B和Cr等元素的含量。Fe-B合金在1 610 ℃經Al絲脫氧后倒入澆包中靜定，澆包中提前放入Fe-39.4 wt.%Ce-24.2 wt.% Si合金，待合金溫度降低至1 480 ℃時澆入沙箱。Fe-B合金試樣經1 050℃保溫4 h后水淬，然后在180 ℃保溫4 h進行回火。Fe-B合金成分，見表1。

1.2 顯微組織、硬度、沖擊韌性分析方法

Fe-B合金在砂箱中澆鑄成六根尺寸為20 mm×20 mm×120 mm的長方體試樣。在距離長方體試樣底部40 mm的位置切取金相試樣，試樣尺寸為20 mm×20 mm×10 mm。金相試樣表面需先拋光，然后在5vol.%硝酸酒精溶液中腐蝕后進行組織觀察。顯微硬度的測量在未經腐蝕的金相面上進行。

采用X射線衍射儀、光學顯微鏡、顯微硬度儀、掃描電子顯微鏡對合金的組織形貌進行分析。采用徠卡圖像分析儀和面積法[4]在深腐蝕后的金相中測量每平方毫米內的晶粒個數na。在50倍放大條件下，每個試樣選取20個視場來測量na。

選用1 470 N載荷來測量洛氏硬度，測量結果為10個測量值的平均。沖擊試驗機的沖擊能量為300 J，跨距設置為70 mm。無缺口沖擊試樣的尺寸為20 mm×20 mm×110 mm，以三根試樣的平均值作為測量結果。

2 試驗結果分析

2.1 Fe-B合金凝固組織分析

C0與C1合金的組織形貌，如圖1所示，表2列出C0與C1合金的na值。依據圖1和表2可知，相對于C0合金，含有鈰元素的C1合金具有更高的na值和更細化的組織。XRD分析結果證明硼化物為Fe2B，如圖2所示。顯微硬度分析結果表明，Fe-B合金基體組織由白色鐵素體和黑色珠光體組成，見表2。

2.2 Fe-B合金熱處理組織分析

C0與C1合金的熱處理組織，如圖3所示。顯微硬度測試（表2）證明共晶硼化物和基體組織分別為Fe2B和馬氏體[5]。C0合金中僅有少量的硼化物出現斷網（圖3a），然而，在C1合金中出現了更多的短桿狀和球狀硼化物（圖3b中的紅色箭頭）。這些結果證明，鈰元素有助于共晶硼化物細化，使其在熱處理過程中更容易斷網。

2.3 Fe-B合金硬度和沖擊韌性

C0與C1合金硬度及沖擊韌性列于表2中。表2表明，鈰元素的添加可以提高合金的硬度，而晶粒細化是硬度提高的根本原因。與此同時，含鈰元素合金的沖擊韌性高于普通合金，原因在于，在C0合金中網狀硼化物粗大（圖3a），裂紋容易在粗大硼化物周圍萌生和擴展，沖擊韌性值較低。相對而言，C1合金中硼化物細小、分散（圖3b），基體的連續性較好抑制了裂紋的擴展，沖擊韌性值較高[6]。

3 結 語

本研究結果表明，Fe-B合金中添加鈰元素可細化奧氏體和共晶硼化物組織，細化的硼化物更容易在熱處理的過程中斷網，進而使合金的硬度和沖擊韌性提高。

參考文獻：

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[2] H.G. Fu， and Z.Q. Jiang， A study of abrasion resistant cast Fe B C

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[3] H.G. Fu， A study of high boron cast steel hammer， Foundry，2006，

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[4] Chinese National Standard， GB/T 6394 2002. Metal methods for

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