定向凝固Fe-B鑄造合金磨粒磨損性能研究

周晨鳴，李燁飛，易大偉，馬勝強，柳紅剛

（1．西安交通大學 金屬材料強度國家重點試驗室，陜西西安 710049;2．西安科技大學 材料科學與工程學院，陜西西安 710054；3．陜西大唐盛業信息科技有限公司，陜西西安 710065）

在工業生產中，機器零部件使用過程中往往伴隨著斷裂、腐蝕以及磨損等情況而產生失效。其中磨損是最常見的失效形式，我國每年因磨粒磨損導致了高昂的經濟損失。隨著現代社會發展對材料性能要求的日益增加，研究新型、環保和節能材料尤為重要。在耐磨材料領域，Fe-B鑄造合金兼具優良的抗磨性與鑄造流動性，其鑄造工藝簡單，生產成本低，近年來已逐漸成為行業內的研究熱點[1-4]。在普通白口鑄鐵中，主要耐磨相是碳化物（如Cr23C6，Fe3C等），碳化物的體積分數會隨著其含量的升高而升高，合金的耐磨性能也會隨之提升，但是合金的韌性往往會急劇下降。

Fe-B鑄造合金在調劑材料韌性方面具有獨特的優勢，它可以通過調節碳和硼的含量分別控制鐵基體和硬質硼化物的體積分數，使得Fe-B鑄造合金在具有優異的耐磨性的同時兼具良好的韌性。文獻[5-9]指出，在定向凝固高鉻鑄鐵中，當碳化物的生長方向垂直于磨損面時，鑄鐵具有最高的硬度以及良好的抗磨性能。據此推斷Fe-B鑄造合金組織中硼化物生長方向差異也會引起磨損面的硬度變化[10，11]。為了系統分析不同位向的硬質相硼化物對Fe-B鑄造合金磨損性能的影響規律，本文制備了定向凝固Fe-B鑄造合金并針對不同位向試樣進行磨損試驗并討論其磨損失效機理。

1 材料制備及試驗方法

1.1 材料制備

本文采用普通砂型鑄造工藝，選用的爐料主要有：硼鐵、錳鐵、廢鋼、生鐵、硅鐵和純銅。合金成分選擇為：C-0.3%，B-1.0%，Si-0.6%，Mn-0.6%，Cu-0.5%，S,P≤0.05%。采用10kg的中頻感應電爐，出爐溫度控制在1570～1600℃，出爐后靜置，待溫度降到1470～1500℃時將熔化的合金液澆鑄到預先準備底部放置冷鐵的砂型中。砂型造型時采用Y型試塊的木模進行造型。本文取樣部位如圖1所示并進行編號。其中，a代表硼化物[002]位向垂直于磨損面的試樣，b為硼化物[002]位向平行于磨損面且垂直于磨損方向的試樣，b＇為硼化物[002]位向平行于磨損面且平行于磨損方向的試樣，c為普通非定向凝固試樣。E為非定向區金相觀察試樣，D為定向區金相觀察試樣，其中金相面P為與[002]方向平行的金相面，而金相面V是與[002]方向垂直的金相面。

圖1 定向Y型試塊

本文熱處理工藝為：1050℃保溫1h，水淬，回火180℃保溫4h，空冷。

1.2 分析測試方法

銷盤式兩體磨粒磨損試驗機原理如圖2所示。試樣尺寸采用?5.8mm×25mm圓柱，磨粒為240目碳化硅砂紙，磨損力80N。試驗過程中試樣在砂紙上做螺旋運動，試樣由中心運動到邊緣視為完成一次磨損試驗，每次均更換砂紙。預磨時間是30min。每次試驗結束進行超聲清洗，并利用1/10000g電子天平（型號：AB104-S）記錄質量W，進而計算出磨損前后的失重量△W。磨損試驗重復三次取平均值，同時，選用熱處理高鉻鑄鐵Gr15作為標準樣利于對比。相對耐磨性即為標準樣的磨損失重與本文研究的Fe-B鑄造合金的磨損失重的比值。比值越大，Fe-B鑄造合金的耐磨性越優異。采用VK-9710 3D激光掃描顯微鏡和JSM-6360LV型掃描電鏡對磨損面形貌進行分析。

2 結果與分析

2.1 Fe-B鑄造合金的組織及硬度

Fe-B鑄造合金的鑄態和熱處理態組織如圖3所示。非定向區試樣E的鑄態組織主要由基體和硬質相硼化物構成（圖3a），晶界處區域1為網狀硼化物Fe2B，區域2為黑色的珠光體，區域3為白色的鐵素體。試樣E的熱處理態（圖3b）組織主要由區域1的共晶硼化物和區域2的馬氏體基體組成。定向區與非定向區中的硼化形態和顯微硬度存在明顯差別，在定向區試樣D的金相面P中（圖3d），硼化物成桿狀平行排列。顯微硬度測試（表1）表明，金相面V中的硼化物具有最高硬度（1594 HV），而金相面P中的硼化物硬度最低（1428 HV）。因而使得金相面V的宏觀硬度值也表現突出，達到57.3HRC。

2.2 兩體磨損性能分析

不同位向Fe-B鑄造合金試樣的兩體磨粒磨損相對耐磨性對比如圖4所示，可見對于不同位相的試樣中，試樣a的相對耐磨性最高，c試樣次之，b試樣的耐磨性略高于b＇試樣。這一試驗結果與鐵硼合金不同位向試樣的硬度具有較好的對應關系。根據Richardson軟/硬磨粒理論[12]可知，SiC磨粒的硬度高于鐵硼合金基體以及Fe2B硬質相，因此表現為硬磨粒，在這種情況下，Fe-B鑄造合金的磨粒磨損機制主要為顯微切削。在試樣a中，硼化物擇優生長方向[002]與磨損面垂直，硼化物最高硬度的（002）晶面與磨料直接接觸，因而試樣a展現出優異的耐磨性。

圖5為定向與非定向Fe-B鑄造合金的磨損面形貌。由圖5a可知，磨損面未出現硬質相硼化物的破碎現象。由圖5b、c可知，在b和b＇試樣中硬質相硼化物的生長方向[002]晶向與磨損面平行，但兩試樣的磨損方向不同，在磨損過程中硼化物出現了不同程度的破碎。試樣b中硼化物生長方向垂直于磨損方向，硼化物破碎相對輕微；試樣b＇中硼化物生長方向平行于磨損方向，硼化物的破碎較為嚴重，有少量硼化物剝落現象。非定向Fe-B鑄造合金試樣c硬度高于b和b＇試樣，磨損面上硼化物破碎相對輕微（圖5d），因此其耐磨性高于b和b＇試樣。

圖3 Fe-B鑄造合金組織形貌

表 1 Fe-B鑄造合金定向凝固與非定向凝固試樣顯微硬度

圖4 不同位向Fe-B鑄造合金試樣的磨粒磨損相對耐磨性對比

2.3 Fe-B鑄造合金中基體及Fe2B相對其磨損性能的影響

依據Fe-B鑄造合金中硼化物和基體的成分，利用熱壓燒結法制備了純Fe2B塊體試樣，利用鑄造工藝制備了基體試樣。試樣的切取方法與前述Fe-B鑄造合金一致，進而分析在磨損過程中硼化物、基體以及兩者協同作用對鐵硼合金磨損性能的影響。

基體試樣相對耐磨性分量（G）、Fe2B相對耐磨性分量（P）和基體與不同位向Fe2B的協同相對耐磨性分量（GP）可通過下式計算：

圖5 Fe-B鑄造合金中不同位向磨料磨損試樣磨損面形貌

式中，T為Fe-B鑄造合金不同位向試樣的相對耐磨性；G為Fe-B鑄造合金不同位向試樣中基體的耐磨性分量；P為Fe-B鑄造合金不同位向試樣中硼化物的耐磨性分量；A為基體試樣的相對耐磨性（0.4874）；B為不同位向Fe2B塊體的相對耐磨性；M為Fe-B鑄造合金不同位向試樣中基體的體積分數（%）；N為Fe-B鑄造合金不同位向試樣中硼化物的體積分數（%）。體積分數的測定有定量金相顯微鏡統計15個視場數據取平均值，如圖6所示。

圖6 定向凝固Fe-B鑄造合金不同位向試樣中基體與硼化物體積分數

Fe-B鑄造合金各試樣的Fe2B相與基體的協同耐磨性與合金的相對耐磨性比值均高于16%，表明在磨損過程中Fe2B相與基體之間的協同作用會對合金的耐磨性產生積極的影響。其中，a試樣中的達到最高20.9%，b＇試樣的相對耐磨性值最低為16%，因為a試樣在磨損過程中，其磨損面中的Fe2B相硬度最高可以有效抵抗磨料磨損，基體能夠很好地保護Fe2B相，不會出現明顯的破碎。而b＇試樣的磨損面中Fe2B相硬度低，在磨損的過程中，Fe2B相破碎嚴重，基體將被磨料輕易犁削，無法發揮Fe2B相和基體之間的協同作用。

圖7 基體試樣與不同位向Fe2B的耐磨性分量在Fe-B合金耐磨性中所占的比例

3 結論

（1）Fe-B鑄造合金鑄態組織由鐵素體、珠光體和共晶硼化物組成，在垂直于硼化物擇優生長方向硼化物具有最高硬度1495HV，Fe-B鑄造合金的宏觀硬度最大57.3HRC。

（2）定向凝固Fe-B鑄造合金磨粒磨損機制為顯微切削，當硼化物的擇優生長方向垂直于磨損面時，相對耐磨性最高，非定向試樣的相對耐磨性次之，當硼化物擇優生長方向平行于磨損面相對耐磨性最低。

（3）當硼化物擇優生長方向垂直于磨損面時，硼化物與基體的協同作用發揮良好。此時，基體與硼化物的協同相對耐磨值在鐵硼合金總體相對耐磨值中所占比例達到最大為20.9%。