【水泥人網】F e -B -C 合金是近十幾年來出現的新鋼種，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 e B ）本身硬度高，經過合適的變質處理和熱處理后，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，常采用的耐磨硬質相主要有碳化物和硼化物兩大類，對碳化物為硬質相的耐磨材料研究較多，而以硼化物為硬質相的研究相對較少。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力條件下表現出良好的耐磨性。硼化物硬質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，以硼化物為硬質相的耐磨材料不僅能夠通過控制硼含量來控制硬質相的數量，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 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F e -B -C 合金在部分產品中替代高鉻鑄鐵具有廣闊的市場前景和應用價值。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 合金的推廣應用奠定基礎。
試驗材料及方法
試驗材料
在10k g 中頻感應爐中熔煉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 復合變質劑進行變質處理，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相組成。C r 26的碳化物數量多、顆粒小且分布均勻，F e -B -C 合金的硼化物呈連續的斷網狀分布，硬質相中心有少量彌散分布的顆粒狀物質，這種顆粒狀物質減少了網狀硼化物對基體的割裂作用，提高了合金的沖擊韌性。
機械性能測試
在H R -150A 型洛氏硬度計上測定材料的宏觀硬度，每個試樣測定五個點，取平均值。在J B -300B 型沖擊試驗機上測量沖擊韌性，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的平均值。
磨損試驗
磨損試驗在M L D -10型沖擊磨料磨損試驗機上進行，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 做往復沖擊運動，通過調節滑塊高度獲得1.5J 的沖擊能量，下試樣轉速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40m i n ，試驗前后將試樣用酒精溶液清洗干凈，用電吹風吹干。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準1，每組三個試樣取平均值。
試驗結果與分析
力學性能及分析
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 合金的硬度已經達到甚至超過了C r 26的水平，但數據波動較大，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。
磨損試驗結果
對試樣進行磨損試驗，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達到相當的水平。
磨損機理探討
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，極易萌生裂紋進而碎裂和脫落。磨料磨損機理主要有：1.微觀切削機理；2.多次塑性變形(微觀犁溝或微觀壓入)磨損機理；3.微觀斷裂機理；4.疲勞磨損機理。但在實際的磨損過程中往往是同時多種機理在共同起作用，磨損面的形貌也就表現出多種磨損機理。
硼化物與碳化物的脫落坑，其形成機理是磨料的切削導致裂紋的萌生，裂紋沿硼化物或碳化物硬質相的晶界擴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，對材料進行切削并嵌入基體的形貌。另外，當磨料滑過表面時，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，硼化物或碳化物發生斷裂、剝落形成磨屑使得基體無法得到硬質相的抗磨保護，同時硼化物或碳化物又如同內缺口一樣，極易使裂紋擴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，通過總結分析，F e -B -C 合金同C r 26的磨損機理一樣，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理。
沿著與磨面垂直方向將磨損試樣正切成兩半，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，造成大塊狀脫落。
結論
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相組成；其硼化物數量沒有C r 26中的碳化物多，呈斷網狀分布，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，耐磨性能達到高鉻鑄鐵水平，平均售價只有高鉻鑄鐵的1/2~3/5。因此F e -B -C 合金具有優良的性價比和良好的應用前景。
2.F e -B -C 合金的磨損機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理。在沖擊磨料磨損工況下，F e -B -C 合金的耐磨性的優劣主要取決于硬度，但又受制于沖擊韌性。
【作者：陳躍 劉賽業 張國賞】