田野;符寒光
【摘 要】Fe-Cr-B alloy is a new type of iron-based wear-resistant material.Its wear-resistant skeleton is M2B eutectic boride with high hardness.The research results of recent years have been reviewed in the text from aspects of alloy composition,microstructure characteristics,heat treatment on its microstructure and properties,surfacing microstructure and thermal spray coating.Based on the research and current application status of Fe-Cr-B alloys,the development trend of the Fe-Cr-B alloys has been prospected,and some issues worthy of attention in the development of Fe-Cr-B alloys have been put forward for reference of the future research and industrial production of Fe-Cr-B alloys.%Fe-Cr-B合金作为一种新型铁基耐磨材料,其抗磨骨架是具有高硬度的M2B共晶硼化物.从其合金成分、显微组织特点、热处理对其组织性能的影响、堆焊组织以及热喷涂涂层等方面,综述了近年来的研究成果.在阐述Fe-Cr-B合金的研究与应用现状的基础上,对其发展趋势作了展望,提出开发Fe-Cr-B合金值得重视的若干问题,为今后Fe-Cr-B合金在工业生产中的研究和应用提供参考.
【期刊名称】《中国铸造装备与技术》
【年(卷),期】2018(053)003
【总页数】7页(P5-11)
【关键词】Fe-Cr-B合金;显微组织;热处理;热喷涂;应用
【作 者】田野;符寒光
【作者单位】北京工业大学 材料科学与工程学院,北京100124;北京工业大学 材料科学与工程学院,北京100124
【正文语种】中 文
【中图分类】TG135+.6
断裂、腐蚀和磨损是常见的材料破坏形式，其中，材料磨损是引起设备失效或材料破坏的重要原因，普遍存在于冶金、电力、建材、机械以及航空等工业部门，造成大量的经济损
失，因此，国内外学者致力于研究和发展新型耐磨材料，减少由金属磨损带来的经济损失[1～3]。现在各国普遍使用的耐磨材料主要有：低合金耐磨钢、耐磨锰钢和耐磨白口铸铁等，它们都有各自的特点[4]。低合金耐磨钢的强韧性、抗磨性较好，且生产成本低，有一定的发展前景。目前，应用最普遍的耐磨材料是耐磨锰钢，其中高锰钢具有屈服强度低的特点，高锰钢工件在使用中易变形，在强烈冲击工况下可产生加工硬化，从而具有良好的耐磨性[5,6]。近年来，耐磨白口铸铁的发展经历了从普通白口铸铁阶段、镍硬铸铁阶段、到高铬白口铸铁阶段的变化，国内外研究者又开发了钒系白口铸铁、锰系白口铸铁和钨系白口铸铁等，其中，高铬白口铸铁得到最为广泛的应用，已被英、美、德、日、俄和中国等国家列入国家标准，并在其成分、组织和性能的研究工作中取得了一些进展[7~10]。但是Cr、Ni和Mo等合金元素在高铬白口铸铁中的含量较高，使其生产成本提高，开发生产工艺简单、生产成本低的耐磨材料，并且使之满足强度高，韧性、淬透性和淬硬性好的使用条件，是发展抗磨白口铸铁的当务之急。
近年来，国内外学者对高硼铁基合金展开了一系列的研究工作，研究内容包括高硼铁基合金的显微组织与物相组成、耐磨性与力学性质，以及变质处理等方面[11~15]。20世纪90年代初，澳大利亚Queensland大学材料系的研究人员Lakeland发明了Fe-Cr-B合金[16]。由于
碳在铁中的固溶度较高，而硼在α-Fe和γ-Fe中的溶解度很小，大部分加入铁中的硼元素会以硼化物的形式存在，因此，他认为可通过控制加入合金中的硼元素含量，实现控制硼化物硬质相的体积分数，以及通过控制加入合金中的碳元素含量，来控制基体的性能，经过一系列实验，Lakeland得到了较为优秀的Fe-Cr-B合金化学成分。作为在含硼高铬铸铁和高铬铸钢基础上发展起来的一种合金，Fe-Cr-B合金比常用的高铬白口铸铁具有更好的淬硬性和淬透性[17,18]。 为促进Fe-Cr-B耐磨合金在我国工业中的广泛应用，使其在磨料磨损工况下取代目前广泛使用的钢铁耐磨材料，现将目前对Fe-Cr-B合金的组织与性能研究的进展进行总结，并进一步分析其发展趋势，可以为这种耐磨合金材料的研发和应用提供参考。
表1 Fe-Cr-B合金的化学成分变化范围 ωB/%C B Cr Mn Si Ni Cu Mo Fe 0.11～1.05 0.01～2.75 3.85～19.50 0.24～1.25 0.29～1.22 0.09～2.32 0.01～2.00 0～0.51 Bal.
1 Fe-Cr-B合金的成分设计和组织特点高铬铸铁
在非平衡条件下 (即真实条件下)，Christodoulou和Calos[19]建立的统计模型表明：Fe-Cr-
B合金凝固过程中，液相先结晶成基体相，剩余物质会以共晶形式凝固。基于统计模型的结论，他们对合金基体的化学成分和共晶相种类进行预测，得到的成分变化如表1[19]所示。将铸态Fe-Cr-B合金在1050℃下保温2h，空冷后，分析其物相组成，Christodoulou等[19]发现Fe-Cr-B合金的相组成，主要有（Fe,Cr）2B、（Fe,Cr）3（C,B）、（Fe,Cr）5（C,B）2、（Fe,Cr）7（C,B）3、（Fe,Cr）23（C,B）6和马氏体，还发现有少量的残余奥氏体。
郭长庆[20]等也对Fe-Cr-B合金的成分设计特点和显微组织进行了一系列的研究，发现Fe-Cr-B合金的硼含量较高，通常情况下其成分的特点是C≤0.6%，B≥1.2%，Cr≥10%。Fe-Cr-B合金的耐磨骨架是硬度较高的M2B共晶硼化物。合金基体中会出现硼元素的非平衡偏聚现象，分析其组织特点后得出：（1）网状的基体和在网状之间分布的共晶体共同组成了Fe-Cr-B合金的显微组织；（2）温度、冷却速度、热循环次数和奥氏体的体积分数都会对B在Fe-Cr-B合金晶粒中向晶界或亚晶界的非平衡偏聚产生影响；（3）要促进硼元素在合金晶粒中的非平衡偏聚，可以降低冷却速度或增加热循环次数[21]。
刘仲礼[22,23]、符寒光[24]等发现添加铬和硼元素可以使部分硬质相种类发生转变，存在F
e2B和更为复杂的共晶化合物，因此，合金硬度可以在很大的范围内变化，从22HRC至62HRC，且稳定性较高，其硬度和强度最终可以达到传统工具钢的水平，耐磨性优异，并且Fe-Cr-B合金具有低硬度特性，使其更易机械加工，另外其耐热冲击性能良好。
郭红星[25]等制备了Fe-Cr-B合金材料，成分设计为Fe-0.48C-12.58Cr-l.48B-0.6Si-0.5Cu-0.5Mn，采用Materials Studio计算软件，通过第一性原理计算方法预测其硬质相的类型、硬度和力学模量等力学性质，结果表明，Fe-Cr-B合金中的硬质相是呈连续网状的共晶组织；其类型为Fe2B和Fe3B型，Fe3B的硬度、剪切模量、杨氏模量和体模量都低于Fe2B；理论上，Cr元素的加入能够使Fe2B和Fe3B的硬度和力学模量得到提高。
王琦环[20]对Fe-Cr-B合金观察了其显微组织，实验合金的成分为Fe-0.42C-11.3Cr-l.2B-l.l6Si-0.5Cu-0.88Mo-0.66V，得出：合金基体为回火马氏体，为呈细针状的树枝晶，细小、均匀的第二相颗粒弥散分布在其上，还可以在少部分晶粒的中心部位观察到1～3粒较为粗大的硬质颗粒，一类是呈不规则形状的硼化物，另一类是近似球状的碳硼化物[26]。共晶硼化物也有两类：一类是较为粗大的M2B，呈连续不规则片状，体心四方或体心斜方结构[27]，M代表 Fe，Cr，V，Mo 等合金元素，M2B的体积分数约占全部共晶硼化物的95%
～98%；另一类是富钼硼化物，呈细小的薄片状，目前其晶体结构还没有被确定[20,26]。由于合金中的硬质相对韧性起着决定性作用，因此研究Fe-Cr-B合金的组织特点，对于改善Fe-Cr-B合金力学性能至关重要。
2 Fe-Cr-B耐磨合金的组织与性能研究
2.1 热处理对Fe-Cr-B合金显微组织的影响
选择合适的热处理工艺，可以改善硼化物存在形态，增强基体韧性。符寒光[28]等研究发现：淬火温度提高后，Fe-Cr-B合金的网状共晶相的断网趋势明显，主要以M2B相断裂为主，而碳硼化合物发生团球化。以上热处理工艺的研究，为Fe-Cr-B合金的加工提供了参考。研究还表明：析出碳化物颗粒数量增多和颗粒度增大，都与基体中马氏体比例升高有关。而对Fe-Cr-B合金进行低温回火处理后，显微组织变化不明显。
杜忠泽[29]等也对Fe-Cr-B合金的铸态组织，以及淬火工艺对合金显微组织和硬度影响进行了研究。合金含0.3%C、1.5%B和3.0%Cr，淬火温度为 900、950、1000、1050 和 1100℃，保温 1 h，采用水冷、油冷、空冷等3种冷却方式，结果表明：铸态组织观察得出
Fe-Cr-B合金凝固组织，包括铁素体、珠光体、共晶硼化物和二次硼碳化合物，其中，树枝晶基体周围分布着网状、鱼骨状的M2B硼化物。淬火后，基体向板条马氏体转变，淬火温度升高，基体中随之出现较小的块状白含硼化合物，同时晶界硼化物向颗粒状、块状转变，且出现断网，使脆性降低。由于淬火后的基体组织发生了由铁素体和珠光体向高强韧性的板条马氏体转变，同时，Fe-Cr-B合金快速冷却发生高温奥氏体化，可以阻止晶内的硼原子向晶界处扩散，形成硼在基体中的过饱和固溶体[30]，从而引起较大晶格畸变，提升合金基体的硬度。淬火温度超过1050℃后，冷却后的组织中会有残余奥氏体存在，使合金硬度略微下降，这是由于硼、铬元素在奥氏体中的固溶度增加，使高温奥氏体更稳定。研究淬火冷却方式的影响，发现：油冷后马氏体更细小，与空冷相比，基体韧性增强；并且油冷后硼化物更细小，与水冷相比，合金脆性降低；硬度值最高的冷却方式为油冷。
郭长庆[31]等也对冷却速度对Fe-Cr-B合金显微组织和韧性的影响进行了研究。经水冷、空冷和炉冷3种不同的冷却速度处理后，采用光学显微镜、SEM、EDS和XRD对热处理后的组织进行了观察和分析。结果表明，奥氏体化后不同的冷却速度对基体组织的形貌没有产生明显的影响，并且，在晶界上呈连续分布的、粗大的网状硼化物也只是出现了局部断裂，边缘变得更加圆整。然而，冷却速度的变化对于基体上分布的析出相颗粒却有着显著
的影响。随着冷却速度的下降，尺寸变大且数量增多的相颗粒在基体上析出，其分布变得不均匀。具体表现为：新析出相M23（C,B）6和M6（C,B）颗粒倾向于沿着在晶粒内部已经由析出相颗粒密集析出而形成的亚晶界或亚相界上优先析出。从而，使得这些部位逐渐由一根线条扩大为一个区域，这明显区别于与Fe-C合金中析出相颗粒的析出规律。郭长庆还指出，奥氏体化使合金韧性增强，与Fe-C合金不同的是：冷却速度的提高，会使Fe-Cr-B合金的冲击韧性小幅度增长，如表2所示。
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