B对Fe-Cr-B-C合金热处理后显微组织和强韧性的影响
2024-09-11 15:37:20 作者：超级管理员
B对Fe-Cr-B-C合金热处理后显微组织和强韧性的影响
李阳 1 
赵广迪 1 臧喜民 1,2姜昊源 1王兆宇 1
（1. 辽宁科技大学材料与冶金学院，鞍山 114051；2. 沈阳工业大学材料科学与工程学院，沈阳 110870 ）
摘 要 为了探索调控Fe-Cr-B-C合金强韧性匹配的新方法，研究了B对其热处理后显微组织、硬度及冲击韧性的影响。经1 050 ℃空淬处理后，在低w［B］（0.000 6%）合金的枝晶间析出大量极细二次碳硼化物，在中w［B］（0.51%）和高w［B］（2.89%）合金基体中析出弥散的二次碳硼化物。随B含量增加，二次碳硼化物的颗粒度增大，颗粒密度降低。经1 050 ℃空淬+500 ℃回火处理后，三种B含量合金中的二次碳硼化物均增多，且析出区域扩大。低B合金的枝晶干为粗大板条马氏体，枝晶间由针状马氏体、高密度二次碳硼化物及少量凝固析出相构成，其冲击韧性最佳，洛氏硬度居中；中B合金主要由弥散分布着二次碳硼化物的针状马氏体基体以及网状硼碳化物构成，其洛氏硬度最高，冲击韧度居中；高B合金由弥散分布着少量二次碳硼化物的γ基体及更致密的网状硼碳化物构成，其洛氏硬度和冲击韧度均最低。另外，中B和高B合金的网状硼碳化物发生了局部断网，导致其冲击韧性较铸态下明显提高。关键词 Fe-Cr-B-C合金；B；热处理；显微组织；二次碳硼化物；强韧性磨损是金属材料的主要失效形式之一，开发新型耐磨材料对国民经济发展具有重要意义［1-4］。Fe-Cr-B-C合金属于第四代耐磨材料，具有良好的强韧性、耐磨性、成形性及生产成本低等优点［5-6］。目前，该合金正在逐步取代高铬铸铁和高锰钢等传统耐磨材料，引起了国内外的高度重视［7］。不断改善Fe-Cr-B-C合金的强韧性匹配，从而提高其耐磨性，可为耐磨材料行业发展起到推动作用。成分优化和热处理工艺改进是提高合金耐磨性能的重要方法［8-11］。我国是富硼国家［12］，近些年越来越多的研究人员向合金中添加B元素来调控组织性能［13-14］。作为一种重要的合金化元素，B对硼系铁基耐磨合金的显微组织和强韧性具有显著影响。例如，随着B含量的增加，铸态Fe-B-C合金中的团簇状硼化物数量增多、尺寸增大，导致其宏观硬度提高，冲击韧性降低［15］。提高B含量使铸态Fe-Cr-B合金中由Fe2B和（Cr， Fe）7（C， B）3构成的网状共晶相逐渐增多，合金洛氏硬度显著升高［16］。最近，研究了B含量对Fe-Cr-B-C合金铸态组织、凝固行为、强韧性及耐磨性的影响［17］。发现当w［B］为0.000 6%时，枝晶臂为马氏体组织，枝晶间由残余γ和微量Nb（C， B）、［γ+Cr7C3］组成。当w［B］提高至0.51%时，枝晶组织大幅细化，枝晶间和枝晶臂均发生马氏体相变，沿枝晶间形成由初生（Fe， Cr）2（B， C）和［γ+（Fe， Cr）2（B， C）］共晶构成的连续网状硼碳化物。当 w［B］进一步提高至2.89%，在凝固初期就析出大量硼碳化物（包括板条状初生（Fe， Cr）2（B， C）、蜂窝状和鱼骨状［γ+（Fe， Cr）2（B， C）］共晶以及菊花状［γ+（Fe， Cr）2（B， C）+（Fe， Cr）3（C， B）］包晶），枝晶组织消失，基体保持为γ相。w［B］为0.000 6%的合金具有最高冲击韧度，以及中等洛氏硬度和耐磨性。w［B］为0.51%的合金具有最高洛氏硬度和耐磨性，以及中等冲击韧度。w［B］为2.89%的合金具有最低洛氏硬度、冲击韧度及最差的耐磨性。关于热处理对硼系铁基耐磨合金组织性能的影响也有一些报道。冯锡兰等［18］研究了淬火温度和冷却速度对w［B］＞1.0%和w［C］＜0.2%的Fe-B-C铸造合金组织和性能的影响，发现在950~1 000 ℃水冷淬火后，可获得细小板条马氏体基体上分布高硬度硼化物的复合组织，硬度大于55HRC，冲击韧度大于15 J/cm2，综合性能优良。符寒光等［19］研究了淬火温度对含1.4%~2.0%w［B］和0.4%~0.6%w［C］的Fe-B-C合金组织性能的作用，发现淬火后硼化物局部断网且无新相形成，基体完全转为马氏体，硬度高于55HRC。随淬火温度升高，合金硬度增加，冲击韧性变化不明显。顾建等［20］研究了热处理工艺对Fe-Cr-B合金组织性能的影响，发现经淬火处理后网状硼化物发生轻微断裂，基体发生马氏体相变并伴有二次碳硼化物M23（C， B）6析出，当淬火温度为1 050 ℃时硬度最高。经回火处理后，马氏体发生回火软化，基体中继续析出细小二次碳硼化物，硬度较淬火态略有下降，经500 ℃回火后冲击韧度达到最大值7.35 J/cm2。包蕴斌等［21］研究发现经空冷淬火加高温回火处理后，与高铬铸铁相比，硼系铁基耐磨合金的耐磨性能可提高2倍以上。近两年，吴宪吉等［22］研究了淬火温度对w［B］为2.5%且w［C］为0.9%的Fe-Cr-B-C合金涂层组织及硬度的影响，发现经1 050 ℃淬火处理后，网状硼碳化物回溶、球化，洛氏硬度高达64.3HRC。综上所述，将B含量优化与热处理相结合是调控Fe-Cr-B-C合金强韧性匹配并提高耐磨性的有效途径，而目前鲜有相关报道。前期研究明晰了B含量在较大范围内变化对铸态Fe-Cr-B-C合金组织性能的作用机制［17］，但B如何影响该合金热处理态的组织性能尚不清楚。为此，本文重点研究了B含量对Fe-Cr-B-C合金经相同淬火+回火工艺处理后显微组织、硬度和冲击韧性的作用，探索调控该合金强韧性匹配的新方法，为提高其耐磨性提供理论指导。
图1 三种B含量Fe-Cr-B-C合金经不同热处理工艺处理后的XRD谱图：（a） 1 050 ℃空淬，（b）1 050 ℃空淬+500 ℃回火Fig. 1 XRD spectra of the Fe-Cr-B-C alloys with three content of B after different heat treatment processes：（a） air quenching at 1 050 ℃， （b） air quenching at 1 050 ℃ +500 ℃ tempering
图6 三种B含量Fe-Cr-B-C合金经1 050 ℃空淬+500 ℃回火处理后的冲击断口形貌：（a、b、c）低B合金；（d、e、f）中B合金；（g、h、i）高B合金Fig. 6 Impact fracture morphology of three Fe-Cr-B-C alloys with B content after air quenching at 1 050 ℃ + tempering at 500 ℃ ：（a， b， c） low B alloy；（d， e， f） middle B alloy；（g， h， i） High B alloy（1）经1 050 ℃空淬处理后，在低w［B］（0.000 6%）合金的枝晶间析出大量极细二次碳硼化物，在中w［B］（0.51%）合金的枝晶间和枝晶干析出弥散的细小二次碳硼化物，在高w［B］（2.89%）合金的基体中弥散析出少量二次碳硼化物。随B含量增加，二次碳硼化物的颗粒度增大，颗粒密度明显降低。（2）经1 050 ℃空淬+500 ℃回火处理后，三种B含量合金中二次碳硼化物均增多，析出区域扩大。低B合金的枝晶干为板条状马氏体，枝晶间由针状马氏体、极细二次碳硼化物及少量凝固析出相构成；中B合金由针状马氏体基体、在基体中弥散析出的二次碳硼化物及网状硼碳化物构成；高B合金由γ基体、在基体中弥散析出的少量二次碳硼化物及更致密的网状硼碳化物构成。（3）在空淬和回火的加热保温过程中，三种B含量合金的凝固析出相均发生溶解，中B和高B合金的网状硼碳化物局部断网。经1 050 ℃空淬+500 ℃回火处理后，中B合金的洛氏硬度最高，低B合金次之，高B合金的严重降低；低B合金的冲击韧性最佳，而中B和高B合金的明显恶化。与铸态相比，三种B含量合金的洛氏硬度均明显降低，低B合金的冲击韧性有所下降，而中B和高B合金的冲击韧性明显改善。引用本文： 李阳,赵广迪,臧喜民等.B对Fe-Cr-B-C合金热处理后显微组织和强韧性的影响[J].特殊钢,2024,45(05):25-33. (Li Yang,Zhao Guangdi,Zang Ximin,et al.Effect of Boron on the Microstructure and Strength-Toughness of Fe-Cr-B-C Alloy after Heat Treatment[J].Special Steel,2024,45(05):25-33.)
作者简介：李阳(2001—)，男，本科；E-mail：2268469975@qq.com
通讯作者：赵广迪(1989—)，男，博士，副教授；E-mail: gdzhao12 s@alum.imr.ac.cn
基金信息： 辽宁科技大学创新创业项目(No. S202310146008)；国家自然科学基金项目(No.52174317)
中图分类号： TG113.1
文章编号：1003-8620（2024）05-0025-09
收稿日期：2023-12-03
出版日期：2024-09-30
网刊发布日期：2024-08-28
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