定向凝固Fe-B铸造合金磨粒磨损性能研究

周晨鸣，李烨飞，易大伟，马胜强，柳红刚

（1．西安交通大学 金属材料强度国家重点试验室，陕西西安 710049;2．西安科技大学 材料科学与工程学院，陕西西安 710054；3．陕西大唐盛业信息科技有限公司，陕西西安 710065）

在工业生产中，机器零部件使用过程中往往伴随着断裂、腐蚀以及磨损等情况而产生失效。其中磨损是最常见的失效形式，我国每年因磨粒磨损导致了高昂的经济损失。随着现代社会发展对材料性能要求的日益增加，研究新型、环保和节能材料尤为重要。在耐磨材料领域，Fe-B铸造合金兼具优良的抗磨性与铸造流动性，其铸造工艺简单，生产成本低，近年来已逐渐成为行业内的研究热点[1-4]。在普通白口铸铁中，主要耐磨相是碳化物（如Cr23C6，Fe3C等），碳化物的体积分数会随着其含量的升高而升高，合金的耐磨性能也会随之提升，但是合金的韧性往往会急剧下降。

Fe-B铸造合金在调剂材料韧性方面具有独特的优势，它可以通过调节碳和硼的含量分别控制铁基体和硬质硼化物的体积分数，使得Fe-B铸造合金在具有优异的耐磨性的同时兼具良好的韧性。文献[5-9]指出，在定向凝固高铬铸铁中，当碳化物的生长方向垂直于磨损面时，铸铁具有最高的硬度以及良好的抗磨性能。据此推断Fe-B铸造合金组织中硼化物生长方向差异也会引起磨损面的硬度变化[10，11]。为了系统分析不同位向的硬质相硼化物对Fe-B铸造合金磨损性能的影响规律，本文制备了定向凝固Fe-B铸造合金并针对不同位向试样进行磨损试验并讨论其磨损失效机理。

1 材料制备及试验方法

1.1 材料制备

本文采用普通砂型铸造工艺，选用的炉料主要有：硼铁、锰铁、废钢、生铁、硅铁和纯铜。合金成分选择为：C-0.3%，B-1.0%，Si-0.6%，Mn-0.6%，Cu-0.5%，S,P≤0.05%。采用10kg的中频感应电炉，出炉温度控制在1570～1600℃，出炉后静置，待温度降到1470～1500℃时将熔化的合金液浇铸到预先准备底部放置冷铁的砂型中。砂型造型时采用Y型试块的木模进行造型。本文取样部位如图1所示并进行编号。其中，a代表硼化物[002]位向垂直于磨损面的试样，b为硼化物[002]位向平行于磨损面且垂直于磨损方向的试样，b＇为硼化物[002]位向平行于磨损面且平行于磨损方向的试样，c为普通非定向凝固试样。E为非定向区金相观察试样，D为定向区金相观察试样，其中金相面P为与[002]方向平行的金相面，而金相面V是与[002]方向垂直的金相面。

图1 定向Y型试块

本文热处理工艺为：1050℃保温1h，水淬，回火180℃保温4h，空冷。

1.2 分析测试方法

销盘式两体磨粒磨损试验机原理如图2所示。试样尺寸采用ø5.8mm×25mm圆柱，磨粒为240目碳化硅砂纸，磨损力80N。试验过程中试样在砂纸上做螺旋运动，试样由中心运动到边缘视为完成一次磨损试验，每次均更换砂纸。预磨时间是30min。每次试验结束进行超声清洗，并利用1/10000g电子天平（型号：AB104-S）记录质量W，进而计算出磨损前后的失重量△W。磨损试验重复三次取平均值，同时，选用热处理高铬铸铁Gr15作为标准样利于对比。相对耐磨性即为标准样的磨损失重与本文研究的Fe-B铸造合金的磨损失重的比值。比值越大，Fe-B铸造合金的耐磨性越优异。采用VK-9710 3D激光扫描显微镜和JSM-6360LV型扫描电镜对磨损面形貌进行分析。

2 结果与分析

2.1 Fe-B铸造合金的组织及硬度

Fe-B铸造合金的铸态和热处理态组织如图3所示。非定向区试样E的铸态组织主要由基体和硬质相硼化物构成（图3a），晶界处区域1为网状硼化物Fe2B，区域2为黑色的珠光体，区域3为白色的铁素体。试样E的热处理态（图3b）组织主要由区域1的共晶硼化物和区域2的马氏体基体组成。定向区与非定向区中的硼化形态和显微硬度存在明显差别，在定向区试样D的金相面P中（图3d），硼化物成杆状平行排列。显微硬度测试（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的宏观硬度值也表现突出，达到57.3HRC。

2.2 两体磨损性能分析

不同位向Fe-B铸造合金试样的两体磨粒磨损相对耐磨性对比如图4所示，可见对于不同位相的试样中，试样a的相对耐磨性最高，c试样次之，b试样的耐磨性略高于b＇试样。这一试验结果与铁硼合金不同位向试样的硬度具有较好的对应关系。根据Richardson软/硬磨粒理论[12]可知，SiC磨粒的硬度高于铁硼合金基体以及Fe2B硬质相，因此表现为硬磨粒，在这种情况下，Fe-B铸造合金的磨粒磨损机制主要为显微切削。在试样a中，硼化物择优生长方向[002]与磨损面垂直，硼化物最高硬度的（002）晶面与磨料直接接触，因而试样a展现出优异的耐磨性。

图5为定向与非定向Fe-B铸造合金的磨损面形貌。由图5a可知，磨损面未出现硬质相硼化物的破碎现象。由图5b、c可知，在b和b＇试样中硬质相硼化物的生长方向[002]晶向与磨损面平行，但两试样的磨损方向不同，在磨损过程中硼化物出现了不同程度的破碎。试样b中硼化物生长方向垂直于磨损方向，硼化物破碎相对轻微；试样b＇中硼化物生长方向平行于磨损方向，硼化物的破碎较为严重，有少量硼化物剥落现象。非定向Fe-B铸造合金试样c硬度高于b和b＇试样，磨损面上硼化物破碎相对轻微（图5d），因此其耐磨性高于b和b＇试样。

图3 Fe-B铸造合金组织形貌

表 1 Fe-B铸造合金定向凝固与非定向凝固试样显微硬度

图4 不同位向Fe-B铸造合金试样的磨粒磨损相对耐磨性对比

2.3 Fe-B铸造合金中基体及Fe2B相对其磨损性能的影响

依据Fe-B铸造合金中硼化物和基体的成分，利用热压烧结法制备了纯Fe2B块体试样，利用铸造工艺制备了基体试样。试样的切取方法与前述Fe-B铸造合金一致，进而分析在磨损过程中硼化物、基体以及两者协同作用对铁硼合金磨损性能的影响。

基体试样相对耐磨性分量（G）、Fe2B相对耐磨性分量（P）和基体与不同位向Fe2B的协同相对耐磨性分量（GP）可通过下式计算：

图5 Fe-B铸造合金中不同位向磨料磨损试样磨损面形貌

式中，T为Fe-B铸造合金不同位向试样的相对耐磨性；G为Fe-B铸造合金不同位向试样中基体的耐磨性分量；P为Fe-B铸造合金不同位向试样中硼化物的耐磨性分量；A为基体试样的相对耐磨性（0.4874）；B为不同位向Fe2B块体的相对耐磨性；M为Fe-B铸造合金不同位向试样中基体的体积分数（%）；N为Fe-B铸造合金不同位向试样中硼化物的体积分数（%）。体积分数的测定有定量金相显微镜统计15个视场数据取平均值，如图6所示。

图6 定向凝固Fe-B铸造合金不同位向试样中基体与硼化物体积分数

Fe-B铸造合金各试样的Fe2B相与基体的协同耐磨性与合金的相对耐磨性比值均高于16%，表明在磨损过程中Fe2B相与基体之间的协同作用会对合金的耐磨性产生积极的影响。其中，a试样中的达到最高20.9%，b＇试样的相对耐磨性值最低为16%，因为a试样在磨损过程中，其磨损面中的Fe2B相硬度最高可以有效抵抗磨料磨损，基体能够很好地保护Fe2B相，不会出现明显的破碎。而b＇试样的磨损面中Fe2B相硬度低，在磨损的过程中，Fe2B相破碎严重，基体将被磨料轻易犁削，无法发挥Fe2B相和基体之间的协同作用。

图7 基体试样与不同位向Fe2B的耐磨性分量在Fe-B合金耐磨性中所占的比例

3 结论

（1）Fe-B铸造合金铸态组织由铁素体、珠光体和共晶硼化物组成，在垂直于硼化物择优生长方向硼化物具有最高硬度1495HV，Fe-B铸造合金的宏观硬度最大57.3HRC。

（2）定向凝固Fe-B铸造合金磨粒磨损机制为显微切削，当硼化物的择优生长方向垂直于磨损面时，相对耐磨性最高，非定向试样的相对耐磨性次之，当硼化物择优生长方向平行于磨损面相对耐磨性最低。

（3）当硼化物择优生长方向垂直于磨损面时，硼化物与基体的协同作用发挥良好。此时，基体与硼化物的协同相对耐磨值在铁硼合金总体相对耐磨值中所占比例达到最大为20.9%。