定向凝固Fe-B鑄造合金磨粒磨損性能研究

周晨鳴，李燁飛，易大偉，馬勝強，柳紅剛

（1．西安交通大學(xué) 金屬材料強度國家重點試驗室，陜西西安 710049;2．西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710054；3．陜西大唐盛業(yè)信息科技有限公司，陜西西安 710065）

在工業(yè)生產(chǎn)中，機器零部件使用過程中往往伴隨著斷裂、腐蝕以及磨損等情況而產(chǎn)生失效。其中磨損是最常見的失效形式，我國每年因磨粒磨損導(dǎo)致了高昂的經(jīng)濟損失。隨著現(xiàn)代社會發(fā)展對材料性能要求的日益增加，研究新型、環(huán)保和節(jié)能材料尤為重要。在耐磨材料領(lǐng)域，F(xiàn)e-B鑄造合金兼具優(yōu)良的抗磨性與鑄造流動性，其鑄造工藝簡單，生產(chǎn)成本低，近年來已逐漸成為行業(yè)內(nèi)的研究熱點[1-4]。在普通白口鑄鐵中，主要耐磨相是碳化物（如Cr23C6，F(xiàn)e3C等），碳化物的體積分數(shù)會隨著其含量的升高而升高，合金的耐磨性能也會隨之提升，但是合金的韌性往往會急劇下降。

Fe-B鑄造合金在調(diào)劑材料韌性方面具有獨特的優(yōu)勢，它可以通過調(diào)節(jié)碳和硼的含量分別控制鐵基體和硬質(zhì)硼化物的體積分數(shù)，使得Fe-B鑄造合金在具有優(yōu)異的耐磨性的同時兼具良好的韌性。文獻[5-9]指出，在定向凝固高鉻鑄鐵中，當(dāng)碳化物的生長方向垂直于磨損面時，鑄鐵具有最高的硬度以及良好的抗磨性能。據(jù)此推斷Fe-B鑄造合金組織中硼化物生長方向差異也會引起磨損面的硬度變化[10，11]。為了系統(tǒng)分析不同位向的硬質(zhì)相硼化物對Fe-B鑄造合金磨損性能的影響規(guī)律，本文制備了定向凝固Fe-B鑄造合金并針對不同位向試樣進行磨損試驗并討論其磨損失效機理。

1 材料制備及試驗方法

1.1 材料制備

本文采用普通砂型鑄造工藝，選用的爐料主要有：硼鐵、錳鐵、廢鋼、生鐵、硅鐵和純銅。合金成分選擇為：C-0.3%，B-1.0%，Si-0.6%，Mn-0.6%，Cu-0.5%，S,P≤0.05%。采用10kg的中頻感應(yīng)電爐，出爐溫度控制在1570～1600℃，出爐后靜置，待溫度降到1470～1500℃時將熔化的合金液澆鑄到預(yù)先準備底部放置冷鐵的砂型中。砂型造型時采用Y型試塊的木模進行造型。本文取樣部位如圖1所示并進行編號。其中，a代表硼化物[002]位向垂直于磨損面的試樣，b為硼化物[002]位向平行于磨損面且垂直于磨損方向的試樣，b＇為硼化物[002]位向平行于磨損面且平行于磨損方向的試樣，c為普通非定向凝固試樣。E為非定向區(qū)金相觀察試樣，D為定向區(qū)金相觀察試樣，其中金相面P為與[002]方向平行的金相面，而金相面V是與[002]方向垂直的金相面。

圖1 定向Y型試塊

本文熱處理工藝為：1050℃保溫1h，水淬，回火180℃保溫4h，空冷。

1.2 分析測試方法

銷盤式兩體磨粒磨損試驗機原理如圖2所示。試樣尺寸采用?5.8mm×25mm圓柱，磨粒為240目碳化硅砂紙，磨損力80N。試驗過程中試樣在砂紙上做螺旋運動，試樣由中心運動到邊緣視為完成一次磨損試驗，每次均更換砂紙。預(yù)磨時間是30min。每次試驗結(jié)束進行超聲清洗，并利用1/10000g電子天平（型號：AB104-S）記錄質(zhì)量W，進而計算出磨損前后的失重量△W。磨損試驗重復(fù)三次取平均值，同時，選用熱處理高鉻鑄鐵Gr15作為標準樣利于對比。相對耐磨性即為標準樣的磨損失重與本文研究的Fe-B鑄造合金的磨損失重的比值。比值越大，F(xiàn)e-B鑄造合金的耐磨性越優(yōu)異。采用VK-9710 3D激光掃描顯微鏡和JSM-6360LV型掃描電鏡對磨損面形貌進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Fe-B鑄造合金的組織及硬度

Fe-B鑄造合金的鑄態(tài)和熱處理態(tài)組織如圖3所示。非定向區(qū)試樣E的鑄態(tài)組織主要由基體和硬質(zhì)相硼化物構(gòu)成（圖3a），晶界處區(qū)域1為網(wǎng)狀硼化物Fe2B，區(qū)域2為黑色的珠光體，區(qū)域3為白色的鐵素體。試樣E的熱處理態(tài)（圖3b）組織主要由區(qū)域1的共晶硼化物和區(qū)域2的馬氏體基體組成。定向區(qū)與非定向區(qū)中的硼化形態(tài)和顯微硬度存在明顯差別，在定向區(qū)試樣D的金相面P中（圖3d），硼化物成桿狀平行排列。顯微硬度測試（表1）表明，金相面V中的硼化物具有最高硬度（1594 HV），而金相面P中的硼化物硬度最低（1428 HV）。因而使得金相面V的宏觀硬度值也表現(xiàn)突出，達到57.3HRC。

2.2 兩體磨損性能分析

不同位向Fe-B鑄造合金試樣的兩體磨粒磨損相對耐磨性對比如圖4所示，可見對于不同位相的試樣中，試樣a的相對耐磨性最高，c試樣次之，b試樣的耐磨性略高于b＇試樣。這一試驗結(jié)果與鐵硼合金不同位向試樣的硬度具有較好的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)Richardson軟/硬磨粒理論[12]可知，SiC磨粒的硬度高于鐵硼合金基體以及Fe2B硬質(zhì)相，因此表現(xiàn)為硬磨粒，在這種情況下，F(xiàn)e-B鑄造合金的磨粒磨損機制主要為顯微切削。在試樣a中，硼化物擇優(yōu)生長方向[002]與磨損面垂直，硼化物最高硬度的（002）晶面與磨料直接接觸，因而試樣a展現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性。

圖5為定向與非定向Fe-B鑄造合金的磨損面形貌。由圖5a可知，磨損面未出現(xiàn)硬質(zhì)相硼化物的破碎現(xiàn)象。由圖5b、c可知，在b和b＇試樣中硬質(zhì)相硼化物的生長方向[002]晶向與磨損面平行，但兩試樣的磨損方向不同，在磨損過程中硼化物出現(xiàn)了不同程度的破碎。試樣b中硼化物生長方向垂直于磨損方向，硼化物破碎相對輕微；試樣b＇中硼化物生長方向平行于磨損方向，硼化物的破碎較為嚴重，有少量硼化物剝落現(xiàn)象。非定向Fe-B鑄造合金試樣c硬度高于b和b＇試樣，磨損面上硼化物破碎相對輕微（圖5d），因此其耐磨性高于b和b＇試樣。

圖3 Fe-B鑄造合金組織形貌

表 1 Fe-B鑄造合金定向凝固與非定向凝固試樣顯微硬度

圖4 不同位向Fe-B鑄造合金試樣的磨粒磨損相對耐磨性對比

2.3 Fe-B鑄造合金中基體及Fe2B相對其磨損性能的影響

依據(jù)Fe-B鑄造合金中硼化物和基體的成分，利用熱壓燒結(jié)法制備了純Fe2B塊體試樣，利用鑄造工藝制備了基體試樣。試樣的切取方法與前述Fe-B鑄造合金一致，進而分析在磨損過程中硼化物、基體以及兩者協(xié)同作用對鐵硼合金磨損性能的影響。

基體試樣相對耐磨性分量（G）、Fe2B相對耐磨性分量（P）和基體與不同位向Fe2B的協(xié)同相對耐磨性分量（GP）可通過下式計算：

圖5 Fe-B鑄造合金中不同位向磨料磨損試樣磨損面形貌

式中，T為Fe-B鑄造合金不同位向試樣的相對耐磨性；G為Fe-B鑄造合金不同位向試樣中基體的耐磨性分量；P為Fe-B鑄造合金不同位向試樣中硼化物的耐磨性分量；A為基體試樣的相對耐磨性（0.4874）；B為不同位向Fe2B塊體的相對耐磨性；M為Fe-B鑄造合金不同位向試樣中基體的體積分數(shù)（%）；N為Fe-B鑄造合金不同位向試樣中硼化物的體積分數(shù)（%）。體積分數(shù)的測定有定量金相顯微鏡統(tǒng)計15個視場數(shù)據(jù)取平均值，如圖6所示。

圖6 定向凝固Fe-B鑄造合金不同位向試樣中基體與硼化物體積分數(shù)

Fe-B鑄造合金各試樣的Fe2B相與基體的協(xié)同耐磨性與合金的相對耐磨性比值均高于16%，表明在磨損過程中Fe2B相與基體之間的協(xié)同作用會對合金的耐磨性產(chǎn)生積極的影響。其中，a試樣中的達到最高20.9%，b＇試樣的相對耐磨性值最低為16%，因為a試樣在磨損過程中，其磨損面中的Fe2B相硬度最高可以有效抵抗磨料磨損，基體能夠很好地保護Fe2B相，不會出現(xiàn)明顯的破碎。而b＇試樣的磨損面中Fe2B相硬度低，在磨損的過程中，F(xiàn)e2B相破碎嚴重，基體將被磨料輕易犁削，無法發(fā)揮Fe2B相和基體之間的協(xié)同作用。

圖7 基體試樣與不同位向Fe2B的耐磨性分量在Fe-B合金耐磨性中所占的比例

3 結(jié)論

（1）Fe-B鑄造合金鑄態(tài)組織由鐵素體、珠光體和共晶硼化物組成，在垂直于硼化物擇優(yōu)生長方向硼化物具有最高硬度1495HV，F(xiàn)e-B鑄造合金的宏觀硬度最大57.3HRC。

（2）定向凝固Fe-B鑄造合金磨粒磨損機制為顯微切削，當(dāng)硼化物的擇優(yōu)生長方向垂直于磨損面時，相對耐磨性最高，非定向試樣的相對耐磨性次之，當(dāng)硼化物擇優(yōu)生長方向平行于磨損面相對耐磨性最低。

（3）當(dāng)硼化物擇優(yōu)生長方向垂直于磨損面時，硼化物與基體的協(xié)同作用發(fā)揮良好。此時，基體與硼化物的協(xié)同相對耐磨值在鐵硼合金總體相對耐磨值中所占比例達到最大為20.9%。