【水泥人網(wǎng)】F e -B -C 合金是近十幾年來出現(xiàn)的新鋼種，以硼為主要合金添加元素，不加或僅加入微量其他合金元素。硼化物（F e2B ，F(xiàn) e B ）本身硬度高，經(jīng)過合適的變質(zhì)處理和熱處理后，能使沿晶界分布的硼化物變成粒狀、塊狀、團(tuán)球狀彌散分布，從而提高其韌性和耐磨性能。
目前，在鋼鐵基耐磨材料中，常采用的耐磨硬質(zhì)相主要有碳化物和硼化物兩大類，對碳化物為硬質(zhì)相的耐磨材料研究較多，而以硼化物為硬質(zhì)相的研究相對較少。比如常用的耐磨材料高鉻鑄鐵中，由于加入大量的鉻等元素生成高硬度的(F e ,C r )7C3型碳化物，在磨料磨損過程中作為硬質(zhì)相抵抗磨料的磨削，同時馬氏體基體對凸出的碳化物能起到良好的支撐作用，從而使得高鉻鑄鐵在低應(yīng)力條件下表現(xiàn)出良好的耐磨性。硼化物硬質(zhì)相主要由元素硼與鐵形成，而硼在基體中的溶解度非常小，因此，以硼化物為硬質(zhì)相的耐磨材料不僅能夠通過控制硼含量來控制硬質(zhì)相的數(shù)量，還可以通過控制含碳量來控制基體中的碳含量，從而控制基體的塑韌性，提高材料使用性能。另外從目前的市場價格分析，F(xiàn) e -B -C 合金的平均售價只有高鉻鑄鐵的1/2~3/5，因此研究開發(fā)F e -B -C 合金在部分產(chǎn)品中替代高鉻鑄鐵具有廣闊的市場前景和應(yīng)用價值。本文以高鉻鑄鐵作為對比材料，研究了F e -B -C 合金的沖擊磨料磨損性能，以期為F e -B -C 合金的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
試驗(yàn)材料及方法
試驗(yàn)材料
在10k g 中頻感應(yīng)爐中熔煉F e -B -C 合金和高鉻鑄鐵（C r 26）。F e -B -C 合金采用0.2%R E +0.2%T i 復(fù)合變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理，熱處理工藝采用950℃水淬+250℃回火。高鉻鑄鐵采用1050℃空冷+250℃回火的熱處理工藝。
F e -B -C 合金和C r 26的典型凝固組織如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可知：F e -B -C 合金和C r 26的顯微組織都是由馬氏體基體和硬質(zhì)相組成。C r 26的碳化物數(shù)量多、顆粒小且分布均勻，F(xiàn) e -B -C 合金的硼化物呈連續(xù)的斷網(wǎng)狀分布，硬質(zhì)相中心有少量彌散分布的顆粒狀物質(zhì)，這種顆粒狀物質(zhì)減少了網(wǎng)狀硼化物對基體的割裂作用，提高了合金的沖擊韌性。
機(jī)械性能測試
在H R -150A 型洛氏硬度計(jì)上測定材料的宏觀硬度，每個試樣測定五個點(diǎn)，取平均值。在J B -300B 型沖擊試驗(yàn)機(jī)上測量沖擊韌性，跨距70m m ，試樣尺寸為20m m ×20m m ×110m m ，無缺口，每種材料取三個試樣沖擊試驗(yàn)的平均值。
磨損試驗(yàn)
磨損試驗(yàn)在M L D -10型沖擊磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，上試樣為所研究材料，試樣從Y 形試塊上獲取毛坯并熱處理后，精磨成10m m ×10m m ×30m m ，工作面為10m m ×10m m ，下試樣為G C r 15鋼，硬度為57H R C ；上試樣以200次/m i n 做往復(fù)沖擊運(yùn)動，通過調(diào)節(jié)滑塊高度獲得1.5J 的沖擊能量，下試樣轉(zhuǎn)速200r /m i n ，上下試樣間以1.5k g /m i n 流速通過6~10目精制石英砂，硬度約H V 800~1200。試樣跑合10m i n 后在相同條件下正式試驗(yàn)40m i n ，試驗(yàn)前后將試樣用酒精溶液清洗干凈，用電吹風(fēng)吹干。使用0.1m g 精度電子天平稱重，得到試樣失重量，用高鉻鑄鐵失重量/材料失重量得到材料相對耐磨性，高鉻鑄鐵耐磨性為標(biāo)準(zhǔn)1，每組三個試樣取平均值。
試驗(yàn)結(jié)果與分析
力學(xué)性能及分析
所選F e -B -C 合金和C r 26的硬度及沖擊韌性見表1。硬度的高低直接影響著材料耐磨性的好壞。由表1可知：F e -B -C 合金的硬度已經(jīng)達(dá)到甚至超過了C r 26的水平，但數(shù)據(jù)波動較大，受外界的因素影響較明顯，作為新型耐磨材料，仍有待進(jìn)一步完善。
沖擊韌性是表征材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的一種能力，材料的沖擊韌性與硬度直接影響到材料的耐磨性能。F e -B -C 合金的沖擊韌性比高鉻鑄鐵好，主要是由于其硬質(zhì)相沒有高鉻鑄鐵的多，形狀也比高鉻鑄鐵的先析出相圓滑。
磨損試驗(yàn)結(jié)果
對試樣進(jìn)行磨損試驗(yàn)，材料的平均磨損量和相對耐磨性見表2。由表2可知：F e -B -C 合金的相對耐磨性的范圍為0.4~1.16，即F e -B -C 合金的耐磨性與高鉻鑄鐵的耐磨性已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)乃健?/P>
磨損機(jī)理探討
磨損過程中，磨料粒子流過上試樣和下試樣，在沖擊功的作用下，試樣不僅受到磨粒對試樣表面的刻入和擠壓等磨損過程，而且還在下試樣帶動下生成切向力對試樣表面產(chǎn)生切削、推擠和犁削等磨損過程。硼化物與碳化物都是硬脆相，在沖擊力和磨料的切削作用下，極易萌生裂紋進(jìn)而碎裂和脫落。磨料磨損機(jī)理主要有：1.微觀切削機(jī)理；2.多次塑性變形(微觀犁溝或微觀壓入)磨損機(jī)理；3.微觀斷裂機(jī)理；4.疲勞磨損機(jī)理。但在實(shí)際的磨損過程中往往是同時多種機(jī)理在共同起作用，磨損面的形貌也就表現(xiàn)出多種磨損機(jī)理。
硼化物與碳化物的脫落坑，其形成機(jī)理是磨料的切削導(dǎo)致裂紋的萌生，裂紋沿硼化物或碳化物硬質(zhì)相的晶界擴(kuò)展造成了硼化物與碳化物的脫落。是磨料在沖擊力的作用下，對材料進(jìn)行切削并嵌入基體的形貌。另外，當(dāng)磨料滑過表面時，除切削外，還存在把材料推向兩旁或前緣形成犁溝。由于試樣在沖擊磨料磨損時，硼化物或碳化物發(fā)生斷裂、剝落形成磨屑使得基體無法得到硬質(zhì)相的抗磨保護(hù)，同時硼化物或碳化物又如同內(nèi)缺口一樣，極易使裂紋擴(kuò)展致使表面材料通過切削過程被除去，這就加大了材料的磨損量。因此，通過總結(jié)分析，F(xiàn) e -B -C 合金同C r 26的磨損機(jī)理一樣，都是以微觀切削為主，兼顧微觀斷裂和微觀犁溝的混合磨損機(jī)理。
沿著與磨面垂直方向?qū)⒛p試樣正切成兩半，用鑲嵌法制成磨損正切面。
C r 26中的初生碳化物呈大塊狀，且其形狀尖銳，在沖擊力和沙粒的切削作用下極易碎裂，碳化物碎裂后，基體失去保護(hù)，造成大塊狀脫落。
結(jié)論
1.F e -B -C 合金的顯微組織與C r 26相似，都是由馬氏體基體和硬質(zhì)相組成；其硼化物數(shù)量沒有C r 26中的碳化物多，呈斷網(wǎng)狀分布，硼化物周圍有部分顆粒狀組織和少量孤立的塊狀組織。F e -B -C 合金的硬度和沖擊韌性與高鉻鑄鐵相當(dāng)，耐磨性能達(dá)到高鉻鑄鐵水平，平均售價只有高鉻鑄鐵的1/2~3/5。因此F e -B -C 合金具有優(yōu)良的性價比和良好的應(yīng)用前景。
2.F e -B -C 合金的磨損機(jī)理是以微觀切削為主，同時存在微觀斷裂和微觀犁溝的混合磨損機(jī)理。在沖擊磨料磨損工況下，F(xiàn) e -B -C 合金的耐磨性的優(yōu)劣主要取決于硬度，但又受制于沖擊韌性。
【作者：陳躍 劉賽業(yè) 張國賞】
