【水泥人网】F e -B -C 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他合金元素。硼化物（F e2B ，F e B ）本身硬度高，经过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。

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，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(F e ,C r )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下表现出良好的耐磨性。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。另外从目前的市场价格分析，F e -B -C 合金的平均售价只有高铬铸铁的1/2~3/5，因此研究开发F e -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。本文以高铬铸铁作为对比材料，研究了F e -B -C 合金的冲击磨料磨损性能，以期为F e -B -C 合金的推广应用奠定基础。

试验材料及方法

试验材料

在10k g 中频感应炉中熔炼F e -B -C 合金和高铬铸铁（C r 26）。F e -B -C 合金采用0.2%R E +0.2%T i 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。

F e -B -C 合金和C r 26的典型凝固组织如图1和图2所示。由图1和图2可知：F e -B -C 合金和C r 26的显微组织都是由马氏体基体和硬质相组成。C r 26的碳化物数量多、颗粒小且分布均匀，F e -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。

机械性能测试

在H R -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，取平均值。在J B -300B 型冲击试验机上测量冲击韧性，跨距70m m ，试样尺寸为20m m ×20m m ×110m m ，无缺口，每种材料取三个试样冲击试验的平均值。

磨损试验

磨损试验在M L D -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10m m ×10m m ×30m m ，工作面为10m m ×10m m ，下试样为G C r 15钢，硬度为57H R C ；上试样以200次/m i n 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 /m i n ，上下试样间以1.5k g /m i n 流速通过6~10目精制石英砂，硬度约H V 800~1200。试样跑合10m i n 后在相同条件下正式试验40m i n ，试验前后将试样用酒精溶液清洗干净，用电吹风吹干。使用0.1m g 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。

试验结果与分析

力学性能及分析

所选F e -B -C 合金和C r 26的硬度及冲击韧性见表1。硬度的高低直接影响着材料耐磨性的好坏。由表1可知：F e -B -C 合金的硬度已经达到甚至超过了C r 26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。

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一种能力，材料的冲击韧性与硬度直接影响到材料的耐磨性能。F e -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。

磨损试验结果

对试样进行磨损试验，材料的平均磨损量和相对耐磨性见表2。由表2可知：F e -B -C 合金的相对耐磨性的范围为0.4~1.16，即F e -B -C 合金的耐磨性与高铬铸铁的耐磨性已经达到相当的水平。

磨损机理探讨

磨损过程中，磨料粒子流过上试样和下试样，在冲击功的作用下，试样不仅受到磨粒对试样表面的刻入和挤压等磨损过程，而且还在下试样带动下生成切向力对试样表面产生切削、推挤和犁削等磨损过程。硼化物与碳化物都是硬脆相，在冲击力和磨料的切削作用下，极易萌生裂纹进而碎裂和脱落。磨料磨损机理主要有：1.微观切削机理；2.多次塑性变形(微观犁沟或微观压入)磨损机理；3.微观断裂机理；4.疲劳磨损机理。但在实际的磨损过程中往往是同时多种机理在共同起作用，磨损面的形貌也就表现出多种磨损机理。

硼化物与碳化物的脱落坑，其形成机理是磨料的切削导致裂纹的萌生，裂纹沿硼化物或碳化物硬质相的晶界扩展造成了硼化物与碳化物的脱落。是磨料在冲击力的作用下，对材料进行切削并嵌入基体的形貌。另外，当磨料滑过表面时，除切削外，还存在把材料推向两旁或前缘形成犁沟。由于试样在冲击磨料磨损时，硼化物或碳化物发生断裂、剥落形成磨屑使得基体无法得到硬质相的抗磨保护，同时硼化物或碳化物又如同内缺口一样，极易使裂纹扩展致使表面材料通过切削过程被除去，这就加大了材料的磨损量。因此，通过总结分析，F e -B -C 合金同C r 26的磨损机理一样，都是以微观切削为主，兼顾微观断裂和微观犁沟的混合磨损机理。

沿着与磨面垂直方向将磨损试样正切成两半，用镶嵌法制成磨损正切面。

C r 26中的初生碳化物呈大块状，且其形状尖锐，在冲击力和沙粒的切削作用下极易碎裂，碳化物碎裂后，基体失去保护，造成大块状脱落。

结论

1.F e -B -C 合金的显微组织与C r 26相似，都是由马氏体基体和硬质相组成；其硼化物数量没有C r 26中的碳化物多，呈断网状分布，硼化物周围有部分颗粒状组织和少量孤立的块状组织。F e -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，平均售价只有高铬铸铁的1/2~3/5。因此F e -B -C 合金具有优良的性价比和良好的应用前景。

2.F e -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。在冲击磨料磨损工况下，F e -B -C 合金的耐磨性的优劣主要取决于硬度，但又受制于冲击韧性。

【作者：陈跃 刘赛业 张国赏】