fe-b-c合金冲击磨料磨损性能及磨损机制的研究090521

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1、Fe-B-C合金冲击磨料磨损性能及磨损机制的研究陈跃，刘赛业，张国赏河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471003摘要：以高铬铸铁为对比材料，采用MLD-10型冲击磨料磨损试验机，研究了Fe-B-C合金冲击磨料磨损性能，借助于扫描电镜，探讨了Fe-B-C合金的磨损机制。结果表明：Fe-B-C合金的硬度和冲击韧性与高铬铸铁相当，耐磨性能达到高铬铸铁水平，具有良好的性价比；Fe-B-C合金的磨损机理是以微观切削为主，同时存在微观断裂和微观犁沟的混合磨损机理。关键词：Fe-B-C合金；冲击磨料磨损；磨损机制；耐磨材料1前言Fe-B-C

2、合金是近十几年来出现的新钢种，以硼为主要合金添加元素，不加或仅加入微量其它合金元素。硼化物（Fe2B，FeB）本身硬度高，经合适的变质处理和热处理后，能使沿晶界分布的硼化物变成粒状、块状、团球状弥散分布，从而提高其韧性和耐磨性能[1,2]。目前，在钢铁基耐磨材料中，常采用的耐磨硬质相主要有碳化物和硼化物两大类[3,4]，对碳化物为硬质相的耐磨材料研究较多，而以硼化物为硬质相的研究相对较少。比如常用的耐磨材料高铬铸铁中，由于加入大量的铬等元素生成高硬度的(Fe,Cr)7C3型碳化物，在磨料磨损过程中作为硬质相抵抗磨料的磨削，同时马氏体基

3、体对凸出的碳化物能起到良好的支撑作用，从而使得高铬铸铁在低应力条件时表现出良好的耐磨性[5,6]。硼化物硬质相主要由元素硼与铁形成，而硼在基体中的溶解度非常小，因此，以硼化物为硬质相的耐磨材料不仅能够通过控制硼含量来控制硬质相的数量，还可以通过控制含碳量来控制基体中的碳含量，从而控制基体的塑韧性，提高材料使用性能[7]。另外从目前的市场价格分析，Fe-B-C合金的平均售价只有高铬铸铁的1/2~3/5，因此开发研究Fe-B-C合金在部分产品中替代高铬铸铁具有广阔的市场前景和应用价值[8]。本文以高铬铸铁作为对比材料，研究了Fe-B-C合

4、金的冲击磨料磨损性能，以期为Fe-B-C合金的推广应用奠定基础。2试验材料及方法2.1试验材料在10kg中频感应炉中熔炼Fe-B-C合金和高铬铸铁（Cr26）。其化学成分见表1。Fe-B-C合金采用0.2%RE+0.2%Ti复合变质剂进行变质处理，热处理工艺采用950℃水淬+250℃回火。高铬铸铁采用1050℃空冷+250℃回火的热处理工艺。表1Fe-B-C合金和高铬铸铁的化学成分材料CBCrMoNiMnSiPSFe-B-C合金0.29-0.390.5-5.60.51——0.8-1.5<1.5<0.05<0.05Cr263.55—25

5、0.260.36<1.5<1.5<0.05<0.05Fe-B-C合金和Cr26的典型凝固组织如图1和图2所示。由图1和图2可知：Fe-B-C合金和Cr26的显微组织都是由马氏体基体和硬质相组成。Cr26的碳化物数量多、颗粒小且分布均匀，Fe-B-C合金的硼化物呈连续的断网状分布，硬质相中心有少量弥散分布的颗粒状物质，这种颗粒状物质减少了网状硼化物对基体的割裂作用，提高了合金的冲击韧性。图1典型的Fe-B-C合金的显微组织图2Cr26的显微组织2.2机械性能测试在HR-150A型洛氏硬度计上测定材料的宏观硬度，每个试样测定五个点，取平均

6、值。在JB-300B型冲击试验机上测量冲击韧性，跨距70mm，试样尺寸为20mm×20mm×110mm，无缺口，每种材料取三个试样冲击试验的平均值。2.3磨损试验磨损试验在MLD-10型冲击磨料磨损试验机上进行，上试样为所研究材料，试样从Y形试块上获取毛坯并热处理后，精磨成10mm×10mm×30mm，工作面为10mm×10mm，下试样为GCr15钢，硬度为57HRC；上试样以200次/min做往复冲击运动，通过调节滑块高度获得1.5J的冲击能量，下试样转速200r/min，上下试样间以1.5kg/min流速通过6-10目精制石英砂，

7、硬度约HV800-1200。试样跑合10min后在相同条件下正式试验40min，试验前后将试样用酒精溶液清洗干净，用电吹风吹干。使用0.1mg精度电子天平称重，得到试样失重量，用高铬铸铁失重量/材料失重量得到材料相对耐磨性，高铬铸铁耐磨性为标准1，每组三个试样取平均值。3试验结果与分析3.1力学性能及分析所选Fe-B-C合金和Cr26的硬度和冲击韧性见表2。硬度的高低直接影响着材料耐磨性的好坏。由表2可知：Fe-B-C合金的硬度已经达到甚至超过了Cr26的水平，但数据波动较大，受外界的因素影响较明显，作为新型耐磨材料，仍有待进一步完善

8、。冲击韧性是表征材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，材料的冲击韧性与硬度直接影响到材料的耐磨性能。Fe-B-C合金的冲击韧性比高铬铸铁好，主要是由于其硬质相没有高铬铸铁的多，形状也比高铬铸铁的先析出相圆滑。由图3(