铈元素对Fe—B合金组织和韧性的影响研究

2016-12-27 10:59易大伟陈进张志云
企业技术开发·下旬刊 2016年11期
关键词:硼化物显微组织冲击韧性

易大伟 陈进 张志云

摘 要:文章研究了铈元素对Fe-B合金组织和冲击韧性的影响。分析结果表明,Fe-B合金的铸态组织由铁素体、珠光体和共晶硼化物构成,铈元素的添加能够细化奥氏体和共晶硼化物组织。热处理后,添加铈元素的Fe-B合金的冲击韧性高于未加入合金。

关键词:硼化物;冲击韧性;显微组织;铈

中图分类号:TG113.25 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2016)33-0203-02

Fe-B合金具有耐磨性优良、合金消耗少,铸造工艺简单和生产成本低等优点[1]。此外,Fe-B合金的冲击韧性和断裂韧性高于白口铸铁[2]。Fe-B合金在高强度冲击工况下的应用有助于减少耐磨材料的消耗[3]。然而, 在Fe-B合金中存在许多粗大的共晶硼化物,抑制了Fe-B合金强度和韧性的发挥。本研究针对铈元素对Fe-B合金组织和韧性的改善开展。

1 实验方法

1.1 Fe-B合金的熔炼与铸造

Fe-B合金在10kg中频感应电炉中熔炼。生铁和废钢是主要的炉料。采用铁合金Fe-61.5 wt.%Cr、Fe-65.8 wt.%Mn、Fe-75.3wt.%Si和Fe-16.1wt.%B等来调整Fe-B合金中B和Cr等元素的含量。Fe-B合金在1 610 ℃经Al丝脱氧后倒入浇包中静定,浇包中提前放入Fe-39.4 wt.%Ce-24.2 wt.% Si合金,待合金温度降低至1 480 ℃时浇入沙箱。Fe-B合金试样经1 050℃保温4 h后水淬,然后在180 ℃保温4 h进行回火。Fe-B合金成分,见表1。

1.2 显微组织、硬度、冲击韧性分析方法

Fe-B合金在砂箱中浇铸成六根尺寸为20 mm×20 mm×120 mm的长方体试样。在距离长方体试样底部40 mm的位置切取金相试样,试样尺寸为20 mm×20 mm×10 mm。金相试样表面需先抛光,然后在5vol.%硝酸酒精溶液中腐蚀后进行组织观察。显微硬度的测量在未经腐蚀的金相面上进行。

采用X射线衍射仪、光学显微镜、显微硬度仪、扫描电子显微镜对合金的组织形貌进行分析。采用徕卡图像分析仪和面积法[4]在深腐蚀后的金相中测量每平方毫米内的晶粒个数na。在50倍放大条件下,每个试样选取20个视场来测量na。

选用1 470 N载荷来测量洛氏硬度,测量结果为10个测量值的平均。冲击试验机的冲击能量为300 J,跨距设置为70 mm。无缺口冲击试样的尺寸为20 mm×20 mm×110 mm,以三根试样的平均值作为测量结果。

2 试验结果分析

2.1 Fe-B合金凝固组织分析

C0与C1合金的组织形貌,如图1所示,表2列出C0与C1合金的na值。依据图1和表2可知,相对于C0合金,含有铈元素的C1合金具有更高的na值和更细化的组织。XRD分析结果证明硼化物为Fe2B,如图2所示。显微硬度分析结果表明,Fe-B合金基体组织由白色铁素体和黑色珠光体组成,见表2。

2.2 Fe-B合金热处理组织分析

C0与C1合金的热处理组织,如图3所示。显微硬度测试(表2)证明共晶硼化物和基体组织分别为Fe2B和马氏体[5]。C0合金中仅有少量的硼化物出现断网(图3a),然而,在C1合金中出现了更多的短杆状和球状硼化物(图3b中的红色箭头)。这些结果证明,铈元素有助于共晶硼化物细化,使其在热处理过程中更容易断网。

2.3 Fe-B合金硬度和冲击韧性

C0与C1合金硬度及冲击韧性列于表2中。表2表明,铈元素的添加可以提高合金的硬度,而晶粒细化是硬度提高的根本原因。与此同时,含铈元素合金的冲击韧性高于普通合金,原因在于,在C0合金中网状硼化物粗大(图3a),裂纹容易在粗大硼化物周围萌生和扩展,冲击韧性值较低。相对而言,C1合金中硼化物细小、分散(图3b),基体的连续性较好抑制了裂纹的扩展,冲击韧性值较高[6]。

3 结 语

本研究结果表明,Fe-B合金中添加铈元素可细化奥氏体和共晶硼化物组织,细化的硼化物更容易在热处理的过程中断网,进而使合金的硬度和冲击韧性提高。

参考文献:

[1] H.G. Fu, and K.H. Hu, High boron cast iron base anti-wear alloy

and its heat treatment method, Chinese patent, CN1624180-A,2004.

[2] H.G. Fu, and Z.Q. Jiang, A study of abrasion resistant cast Fe B C

alloy, Acta Metall. Sinica, 2006, 42, p545–548

[3] H.G. Fu, A study of high boron cast steel hammer, Foundry,2006,

55,p292 295

[4] Chinese National Standard, GB/T 6394 2002. Metal methods for

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Standard, Beijing, Bureau of Quality Supervision, Inspection and

Quarantine, 2002.

[5] D.W. Yi, J.D. Xing and S.Q. Ma, Three-body abrasive wear behavior

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different casting process, Tribol. Lett., 2011, 42, p67-77

[6] H. Qiu, H. Mori, M. Enoki and T. Kishi, Fracture mechanism and

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static and dynamic loading, Metall. Mater. Trans. A, 2000, 31,

p2785 2791.

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