高硼铁基耐磨合金组织性能的研究进展.pdf
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1、第46卷 第3期2023年6月Vol.46 No.3Jun.2023辽 宁 科 技 大 学 学 报Journal of University of Science and Technology Liaoning高硼铁基耐磨合金组织性能的研究进展赵广迪,李阳,秦墨周,王兆宇,魏耀澎,王天宇,刘俊,王茜雯心(辽宁科技大学 材料与冶金学院,辽宁 鞍山114051)摘要:高硼铁基耐磨合金是一种以硼为主要合金元素的新型耐磨材料,具有制备工艺简单、成本低、耐磨性能优异等特点,但这类合金存在韧性差的缺点,严重限制了其广泛应用。为了补足高硼铁基耐磨合金的短板,助推耐磨材料行业发展,本文综述了合金元素、变质处理
2、和热处理对这类合金组织性能影响的研究现状,重点分析硼元素对其强韧性的影响机理,并对高硼铁基耐磨合金研究中存在的主要问题及未来的研究方向进行探讨与展望。关键词:耐磨合金;硼;变质处理;热处理中图分类号:TG135.6文献标识码:A文章编号:1674-1048(2023)03-0176-06DOI:10.13988/j.ustl.2023.03.003在金属材料的常见失效形式中,磨损所占的比重最大。根据文献调研,材料磨损导致发达国家约30%的能源被损耗,也导致我国每年经济损失接近GDP的4%1-2。磨损已成为制约材料工业发展的关键因素,材料在磨损过程会发生形变和破碎,而碎屑会与工件发生化学反应,加
3、速工件腐蚀,降低工件的使用寿命。因此,开发新型耐磨材料对国民经济十分重要。目前常用的耐磨材料有低/中合金钢、镍硬铸铁和高铬铸铁等,但这些材料在机加工、生产成本及性能方面都存在明显不足,难以满足经济和工业高速发展的需求3-4。高硼铁基耐磨合金是一种以B为主要合金元素的新型耐磨材料,具有合金元素用量少、成本低、制备工艺简单、耐磨性能优异等特点,在冶金、机械及航空航天领域具有广阔的应用前景5-6,近年被国内外广泛关注。高硼铁基耐磨合金具有优异耐磨性能的主要原因是,B在-Fe和-Fe中的溶解度都很低,分别低于0.000 4%和0.02%3,合金中大部分B以含硼硬质相的形式析出,成为耐磨骨架。高硼铁基耐
4、磨合金的铸态组织由树枝晶基体和分布于枝晶间的共晶组成,该共晶主要是B向晶界非平衡偏聚形成的M2B型共晶硼化物,如Fe2B,本质脆硬7。然而,呈连续网状分布于晶界的共晶硼化物将基体分割成不连续状,恶化了高硼铁基耐磨合金的韧性,严重限制了其广泛应用和发展8。若能在保持高硬度的同时改善其韧性,将会给整个耐磨材料行业发展带来不可估量的推动作用。为此,本文综述了合金元素、变质处理和热处理对高硼铁基耐磨合金组织性能的影响,并展望这类合金未来的研究方向。1合金元素对组织性能的影响1.1硼元素的作用20世纪90年代以来,B在铸铁中的作用得到更多关注。Lakeland等9根据B在-Fe和-Fe中的溶解度极小的特
5、点,在中铬钢的基础上通过调控B含量来控制硬质相的形成,进而开发出耐磨性能优异的Fe-C-B合金,该合金已在澳大利亚等国得到广泛应用。Fe-C-B合金的凝固组织与亚共晶白口铸铁类似,含硼硬质相呈连续网状分布,使其硬度高达62HRC。收稿日期:2023-03-21。基金项目:2023年辽宁科技大学大学生创新创业训练计划。作者简介:赵广迪(1989),男,辽宁葫芦岛人,副教授。研究方向:金属材料的凝固偏析、微合金化及组织性能调控。第3期进入21世纪以后,我国也开始关注B对高硼铁基耐磨合金组织性能的影响。刘仲礼等10采用正交实验研究硼化物含量对高硼铁基合金硬度的影响,结果如图1所示。Jahazi等7研
6、究发现,随着B含量的增加,硼化物逐渐增多,且高硼铁基耐磨合金最佳耐磨性对应的B质量分数为1.5%。何正员等11研究B对Fe-0.77C-B合金组织性能的影响发现,随着B含量的增加,珠光体和铁素体逐渐减少,但含有大量脆硬硼碳化物的共晶莱氏体不断增加,这导致合金的硬度不断增大,而冲击韧性不断下降,使合金获得较好综合性能的B质量分数为1%2%。龚建勋等12发现,在Fe-Cr-B-C合金中,硼化物可呈蜂窝状、条状、网状、颗粒状、菊花状、块状或鱼骨状等,且硼化物的数量、分布特征和形状均随B含量变化而改变。随着B含量提高,合金的耐磨性呈提高趋势,但当硼化物过多聚集时,硼化物与基体的界面结合强度减弱,耐磨性
7、降低,磨粒更易压入硼化物脱落后留下的空洞中。图1硼化物体积分数与热处理后硬度的关系10Fig.1Relationship between borides content and hardnessafter heat treatment最近十年,关于B对高硼铁基耐磨合金组织性能的影响机理有了更深入的研究。赵雪飞等13研究B对Fe-Cr-B-C-Nb合金组织性能的影响,发现当B质量分数为2.2%时,在奥氏体晶界处开始析出共晶硼化物,合金主要由基体和断网状硼化物组成,基体组织为铁素体和少量残余奥氏体;随着B含量的增加,硼化物不断增多,且包围着基体生长,将基体分割成不连续状;当B质量分数增加到3.1%
8、时,共晶硼化物的数量和尺寸明显增加,宏观硬度显著提高,此时网状硼化物作为更好的耐磨骨架使合金的耐磨性能提高约4倍;当B质量分数增加到4.0%,粗大的Fe2B会在磨损过程中开裂剥落,导致合金的耐磨性能下降。包蕴斌等 14 发现,添加质量分数0.01%0.04%的B可细化高硼铁基耐磨合金的铁素体晶粒,且随着B含量的增加,耐磨性及冲击韧性均有一定程度的提升,当B质量分数达到1%时,硬度达到60HRC。Ren等15研究B对Fe-B-C合金组织性能的影响,发现随着B含量的增加,硼碳化物的体积分数逐渐增加,合金的宏观硬度和耐磨性逐渐提高。Gao等16研究B在Fe-10Cr-B合金中的作用,发现增加B可提高
9、合金的硬度,当B质量分数达到2.5%时,硬度达到峰值61.8HRC,进一步提高B含量会降低宏观硬度。质量分数2.5%B合金的显微组织如图2所示,主要由基体和M23(C,B)6硼碳化物组成。图2B质量分数为2.5%合金在金相显微镜和扫描电镜下的显微组织形貌16Fig.2Microstructure morphology under OM and SEM of2.5%B alloy1.2C元素的作用由于C在Fe中的固溶度相对较大,所以合金基体的性能受C含量影响较大,同时C对硼化物的分布规律、形貌以及数量也能产生明显影响3。Egorov等17发现,随着C含量的增加,硼碳化物数赵广迪,等:高硼铁基耐磨
10、合金组织性能的研究进展 177辽 宁 科 技 大 学 学 报第46卷量明显增多,导致高硼铁基合金的韧性下降。张鹏等18研究表明,随着C含量增加,高硼铁基耐磨合金的抗弯强度、洛氏硬度和冲击韧性均先增大再减小,最优C质量分数为0.43%。1.3Cr元素的作用大多高硼铁基耐磨合金中都含有Cr元素。周烨等19在 Fe-xCr-3.5B-0.1C(x=9%、12%、15%、20%)药芯焊丝中加入不同含量的Cr,研究其对硼化物形貌及耐磨性能的影响,发现随着Cr含量的增加,共晶硼化物逐渐增多,堆焊层的硬度和耐磨性逐渐提高。Tian等20研究Cr对铸态Fe-Cr-B合金显微组织、硬度和耐磨性的影响,发现无Cr
11、合金的显微组织主要由珠光体、铁素体和共晶硼碳化物组成,其硬度很低,只有18.8HRC。随着Cr含量的增加,基体组织逐渐由珠光体和铁素体转变为板条状马氏体,且硼碳化物逐渐由Fe2(B,C)转变为 M2(B,C)、M7(C,B)3、M23(C,B)6(M=Fe,Cr)。当Cr质量分数增加到12%时,合金硬度达到最高值61.1HRC。最近,刘奇聪等21发现,Cr能促进高硼铁基耐磨合金中硬质相Fe2B的析出,并能有效抑制初晶Fe2B相产生显微裂纹;适当增加Cr含量能使合金硬度提高至65.5 HRC。1.4Mn元素的作用邓培凯22研究Mn对亚共晶Fe-C-B合金组织性能的影响,发现添加Mn能促进初晶奥氏
12、体析出,抑制共晶硼碳化物的形成,改善硬质相的分布形态,并提高合金的淬透性;当Mn质量分数提高至1.26%,硬度下降2HRC,但韧性由6.9 J/cm2提高至 9.5 J/cm2。陈金等23研究 Mn 质量分数(2%10%)对高硼铁基耐磨合金铸态组织和力学性能的影响,发现随着Mn含量的增加,基体组织含量呈下降趋势,而硼碳化合物含量变化不大,硬度先上升后下降,冲击韧度先下降后上升。此外,Mn对高硼钢的耐磨性能也具有显著影响,当Mn质量分数为4%时,其耐磨性能最好,达到NM500耐磨钢的10.8倍24。1.5Cu元素的作用添加一定量的Cr和Mn能够提高合金的淬透性,但其大部分形成了硼化物,并不能充分
13、发挥其对淬透性的作用。刘仲礼等25研究Cu对高硼铁基合金组织性能的影响,发现Cu不与B反应,且不溶于硼化物中,可充分发挥其增加淬透性的作用。另外,Cu可提高B在合金中的溶解度,改善晶间硼化物的形态,提高冲击韧性。总之,优化高硼铁基耐磨合金的成分,改善合金中含硼硬质相的分布特征和形态,从而提高这类合金的强韧性是当前的研究重点和热点,也是推动高硼铁基耐磨合金广泛应用的关键。2变质处理对组织性能的影响2.1Ti变质处理高硼铁基耐磨合金的力学性能也可以通过添加变质剂来提高。张琦等26研究发现,经Ti变质处理后,高硼铁基合金的基体组织明显细化,硼化物变短变细,出现多处颈缩和断网现象。Ti变质处理对高硼铁
14、基合金力学性能的影响详见表1。经Ti变质处理后,硬度和冲击韧度都有一定程度的提高,且Ti含量越高,性能提升越明显。表1Ti变质处理后高硼铁基合金的力学性能26Tab.1Mechanical properties of high boron iron-based alloy afterTi modificationTi质量分数0.2%0.4%硬度/HRC43.044.245.0冲击韧度/(Jcm-2)4.15.46.2陈祥等27发现,向高硼钢中添加Ti可使基体中的硼化物形貌变得圆整化且呈粒状离散分布,从而明显提高其室温冲击韧性。刘常升等28发现,在高硼钢中加入Ti可减少Fe2B、FeB沿晶界析出
15、,同时Ti也是一种强碳化物形成元素,可在钢中生成高硬度、高熔点的TiC,不仅增加其耐磨性,还作为奥氏体或碳化物的晶核,细化基体组织和共晶组织,改善碳化物的分布。2.2稀土变质处理稀土也被广泛用作高硼铁基耐磨合金的变质剂。稀土主要偏聚于晶界和位错线上,阻止硼碳化物沿晶界长大,使共晶硼碳化物细化并转变为不连续的网状,还可使部分硼碳化物团球化。然而,稀土原子可增大硼碳化物的晶格畸变,降低硼碳化物的稳定性,需要谨慎控制稀土的添加量29。178第3期2.3复合变质处理单一的变质剂可在一定程度上改善高硼铁基耐磨合金的冲击韧性,但其作用比较有限,并且单纯采用Ti变质来改善硼化物的形态和分布是极其困难的。为此
16、,研究复合变质处理是进一步提高这类合金硬度、冲击韧性及耐磨性的一个重要方法30。复合变质剂与单一变质剂机理相同,但是变质效果更好。师晓莉等29发现,以稀土镁合金和稀土硅铁合金作为变质剂,均可明显提高高硼铁基合金的硬度和冲击韧性,且前者的效果更佳。变质处理工艺简单,且不受工件形状限制,是一种较为理想的改善高硼铁基耐磨合金组织性能的方法28,但变质处理效果受变质剂的影响较大,因此探寻更加理想的变质剂已成为优化变质处理效果的关键。3热处理对组织性能的影响对于高硼铁基耐磨合金,通过适当的热处理改善硼化物的分布规律和形态,并获得强韧性较好的马氏体组织。杨军等31研究表明,对高硼铸钢进行9001 100
17、的淬火加200 回火后,可获得高硬度马氏体+硼化物的双相组织,提高了耐磨性。牟楠等32研究也表明,热处理对Fe-C-B合金具有显著的增韧效果,同时还发现,当淬火温度为1 0001 050 时,合金的综合力学性能最佳。粟文弘33研究表明,高硼铁基合金的最优热处理工艺是加热到1 030 保温90 min后淬火,淬火冷却介质使用10%的氯化钠水溶液,然后在500 回火 120 min。从已有研究结果来看,即使经热处理,高硼铁基耐磨合金的韧性依旧偏低,普遍只有10 J/cm2左右,表明单一的热处理工艺对这类合金韧性的提高程度是有限的。通过变质处理热处理以及形变处理+热处理的复合处理能够进一步改善高硼铁
18、基耐磨合金中硼化物的分布形态,进而提高合金的力学性能。例如,以稀土镁、钛、氮、钒等复合变质剂作为变质剂,对Fe-C-B合金进行复合变质处理和适当热处理后,有效改善合金中硼化物的分布形态,使网状组织明显减少甚至全部消除,从而使合金的冲击韧性由 710 J/cm2提高到 2225 J/cm234。将形变处理与热处理结合起来也能显著改善高硼铁基耐磨合金的力学性能。例如,经锻造+热处理复合工艺处理后,合金的宏观硬度略有增加,而冲击韧性大幅提高,由5 J/cm2提高到107 J/cm2,冲击断口由脆性断口转变为韧性断口35。这是因为锻造使网状硼化物破断,获得均匀分布在基体中的条块状硼化物;经热处理后,硼
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