1、目录摘要 IIAbstractIII第一章 文献综述 .11.1 耐磨材料 11.1.1 普通白口铸铁 21.1.2 铬系白口铸铁 21.1.3 硼白口铸铁 31.2 材料的磨损性能 51.2.1 磨损的类型 51.2.2 磨损失效的影响因素 61.3 硬度测试原理 71.4 硼对铬系耐磨铸铁影响的国内外研究现状 81.5 研究的目的意义及研究内容 10第二章 实验过程 .112.1 实验材料和设备 .112.2 实验过程 .112.2.1 合金样品制备 112.2.2 硬度测试和组织观察 13第三章 实验结果与分析 .143.1 组织分析与讨论 143.1.1 含 2 (wt.%)Cr 的铬
2、系白口铸铁组织 143.1.2 含 8(wt.%)Cr 的铬系白口铸铁组织 .153.1.3 含 15(wt.%)Cr 的铬系白口铸铁组织 .163.2 性能分析 17参考文献 .21致谢 .22硼对铬系白口铸铁组织与性能的影响摘要: 随着社会科技的飞速发展，人类对机械设备的要求也越来越来高，希望有更长的使用寿命以及更高的精度等。工业机械的失效形式中，磨损虽然一般不会产生灾难性的危害，但是，每年国内外因机械磨损造成的损失是相当大的。而且，随着各种资源的日益稀缺，研究开发成本低耐磨性好的材料，将是未来市场的主要需求方向。本课题采用合金化的方法，在铬系白口铸铁中加入比较廉价的硼元素，改变铬系白口铸
3、铁的组织，达到提高其耐磨性的目的。利用正交分析法，将不同的硼和铬含量配比列入正交表，通过对合金化后的试样扫描电镜观察和硬度测试，分析硼对铬系白口铸铁组织和性能的影响。最后总结出：硼元素加入到铬系白口铸铁中，改变了组织中碳化物的类型，增加了碳化物的种类和含量，至于碳化物的具体类型，还需进一步的实验研究。关键词：B，Cr，白口铸铁，硬度，碳化物Effect of Boron on the Structure and Property of Cr-Alloyed White Cast IronAbstract: With the rapid development of social science
4、 and technology, humans demand for mechanical equipment is becoming more and more high hoping wear resistence to have a longer service life and higher precision.In the industrial machinery failure forms, the wear is although generally will not have disastrous harm, however, at home and abroad each y
5、ear the loss caused by mechanical wear and tear is considerable. And with all kinds of resources are increasingly scarce, the research and development of low cost good abrasion resistance material, has been the trend of the Times.This topic adopts the method of alloying in chrome white cast iron wit
6、h more cheap boron element, changing the chrome white cast iron of the strcture, to achieve the purpose of improving its abrasion resistance. Adopt the method of orthogonal analysis method, researching the effect of the boron on chrome white cast iron, based on the sample after alloying SEM observat
7、ion and hardness test. Finally conclusion: boron element added to the chrome white cast iron, improves the carbide content in the structure and produces a new carbide, and as for specific types of carbides, still need further study.Key- words: B, Cr, white cast iron, hardness, carbide 第一章 文献综述我们的生活工
8、作中，材料的应用无处不在，小到文具、手机及各种装饰，大到汽车、工业建筑等。但是很多东西都是“一次性” 的，就拿生活中最常见的公路来说，在常年的风吹雨打和各种交通工具的碾压下，它会从开始的平整光滑变得坑坑洼洼。因此，公路维修也是我们日常生活中常见的情景。我国虽然是个资源大国，但是也是一个资源使用大国。为了能节约能源，使材料循环利用是一种有效的手段，如果不能做到循环利用，就要尽可能延长材料的使用寿命。所以，我们有必要对生活中的材料进行研究，特别是其使用性能，根据材料的破坏失效形式，改善材料的各种性能。材料有三种主要的失效形式：断裂、腐蚀和磨损。断裂和腐蚀都容易引起灾难性的危害，而磨损虽然不会造成突
9、发性灾害，但是磨损在经济上带来的损失是相当大的。根据有关的统计数据表明：失效的机械和零件中，大约有 75%80%是金属的磨损损失造成的，供给机器正常运转的能量中大约会有 30%50%消耗在机器的摩擦和磨损过程中。磨损失效后的零件不但会使机械设备无法正常工作，还需要耗费很多的人力、物力来进行维修，这是对资源的巨大浪费。由于磨损美国每年会造成大约 1200 亿美元的损失，德国大约是 500 亿马克的损失；根据 2005 年我国的金属耐磨材料统计，每年大概会消耗 500 万吨以上的金属材料，其价值大约为 550 亿元以上。从中可见，金属磨损损耗是相当惊人的。在科学技术日益飞速发展的今天，对机械零件的
10、要求也越来越严格，不再只是停留于耐用可靠，还要求更高的精密度。因此，对金属材料耐磨性的研究也越来越重要。1.1 耐磨材料耐磨材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。耐磨材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。耐磨材料按使用性能分，可分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料和机敏（智能）材料。耐磨材料在建材、火力发电和冶金矿山等工
11、业领域的整个能量和经济成本消耗中占有相当大的比重。在矿物、水泥和煤粉等原材料的生产过程中都会因机器设备和零件的磨损必须更换。因此，系统研究和不断开发新的耐磨材料和抗磨技术具有很大的实际意义。目前耐磨材料主要有以下几大类：耐磨球、耐磨钢板、耐磨焊条、耐磨陶瓷、耐磨地坪、耐磨橡胶、耐磨管道、耐磨轴承、耐磨焊材、耐磨铸件、铸石、高分子等其它耐磨材料。应用于磨料磨损工况下的特种钢铁材料称为钢铁抗磨材料或耐磨材料。金属抗磨材料从普通白口铸铁、高锰钢，到镍硬铸铁、铬系白口铸铁、贝氏体耐磨铸铁、耐磨铸钢以及金属基表面复合材料、硬质合金，获得了长足发展。但目前应用最多、消耗最大的仍是耐磨铸铁和耐磨铸钢为主。耐
12、磨钢系列：如高锰钢（ZGMn13） 、髙锰合金（ZGMn13Cr2MoRe） 、超髙锰合金（ZGMn18CrMoRe）等；耐磨铸铁系列：高铬铸铁、中铬铸铁、低格铸铁、镍硬铸铁及高铬铸钢等品种。如 （如 Cr15MoZCu） ；耐磨合金钢系列：如中、低、高碳多元合金钢（如 ZG40SiMnCrMo 和ZG35Cr2MoNiRe） ；1.1.1 普通白口铸铁普通白口铸铁一般是指不含或者含有少量特殊合金元素的白口铸铁，白口铸铁中的碳以游离碳化物形式存在，断口呈现暗白色，晶粒粗大，有明显方向性。这是我国最早使用的抗磨材料，至今为止，在一些性能要求不高的耐磨件上仍有应用。生产中常用热处理的方法改善其性能
13、，扩大应用范围。碳元素对普通白口铸铁的耐磨性起到了至关重要的作用，而且，一般含碳量越高，形成的渗碳体也越多，构成大量的莱氏体，因此其硬度越高，耐磨性也越好。但是，随着含碳量的提高，韧性也随着下降。普通白口铸铁由于其硬度高、韧性差、耐磨性比较差，不能承受冷热加工，尤其不能应用于冲击载荷高的条件下，所以不能广泛生产使用。但是由于白口铸铁有生产工艺简便、价格低廉的优点，可以节省原料节约成本而又能长久大规模生产。合金化在一定程度上能够改善白口铸铁的力学性能。向普通白口铸铁中添加少量合金元素，能够提高碳化物的显微硬度，强化金属基体，达到提高耐磨性的效果。许多研究实验也确实证明了，在白口铸铁中加入 W、
14、Mn、B 等元素，可以提高普通白口铸铁的使用性能。1.1.2 铬系白口铸铁许多年来，全世界的研究工作者对于铬在铸铁中的作用进行了大量的研究 1-4，并且，在这些实验的基础上，研制开发出了适于各种工况的铬系白口铸铁。铬元素在白口铸铁中有两种作用：一是铬元素可以促进碳化物形成，改变碳化物的结构、形态和性能；二是铬元素会固溶于奥氏体中，从而改变了奥氏体的相变本质。目前，国内研究工作者主要致力于铬系白口铸铁的成分选择、热处理工艺确定、变质剂选择、磨损机理研究的领域。而国外的研究工作者主要致力于高铬铸铁的微观组织结构、耐磨机理及新制备工艺研究开发的研究，关于低铬铸铁和高铬铸铁的研究相对较少。根据铸铁中铬
15、元素含量的不同，铬系铸铁可以分为三种：低铬铸铁、中铬铸铁、高铬铸铁。低铬铸铁中的铬含量在 5%以下，内部存在渗碳体型碳化物，而且，与普通的白口铸铁相比，C、Si 含量稍低。低铬铸铁在热处理后，基体组织变为马氏体或者马氏体加索氏体。生产中，有的也会是珠光体基体，并且，上面会分布着网状(Fe,Cr) 3C 共晶碳化物，硬度也会发生变化，由 8401100HV 提高到 10001230HV。低铬铸铁，最大的优点是成本低，但是，相应的耐磨性也会差一些。低铬铸铁可以用来制造球磨机的磨球、衬板等耐磨件，国内目前主要于制作磨球。中铬铸铁中的铬含量在 410%，碳含量在 2.32.7%之间，其内部一般为 M7
16、C3型和 M3C 型的混合碳化物，耐磨性和韧性一般高于低铬铸铁，低于高铬铸铁。中铬铸铁经水淬处理后，组织为马氏体+奥氏体混合基体+碳化物，硬度大约为 HRC5257。生产中。由于中铬铸铁的性价比不高，所以，在这个方向上的研究生产相对比较少。高铬铸铁的铬含量介于 1228%，碳的含量介于 2.43.6%之间。最初，在普通白口铸铁的基础上，发展起来镍硬铸铁；而后，大约在上个世纪 30 年代开始铬系白口铸铁的研究。在高铬白口铸铁中，铬使内部的 M3C 型碳化物转变成了具有更高硬度的M7C3 型碳化物，因此，其耐磨性得到了提升。而且，与呈网状连续分布的 M3C 型碳化物相比，M 7C3 型碳化物基本上
17、是以孤立的中空六角形存在，大大增强了基体的连续性，因而使整体材料的韧性显著提高。因此，高铬铸铁自出现以来，就被广泛认为是较为理想的耐磨材料。关于高铬铸铁的研究也相当多，包括组织、成分、热处理与性能、工艺控制等。高铬铸铁的耐磨性、韧性好，但是生产成本高、一次性投资大，尤其在高冲击载荷、高应力磨损条件下仍然存在很多缺点，所以，高铬铸铁仍需不断完善。1.1.3 硼白口铸铁 硼元素在自然界中的含量相当丰富，在工业中得到了普遍应用。在我国古代就已使用天然产的硼砂（Na 2B4O710H2O） 。硼元素约占地壳组成的 0.001%，自然界中，它主要存在于硼砂（Na 2B4O710H2O） 、白硼钙石（Ca
18、 2B6O115H2O）和镁钙石（Mg 2B2O5）主要以硼镁铁的形式存在 5。单质硼是原子晶体，硼原子的电子结构处于缺电子状态。在所有元素中，硼元素的晶体结构具有最特殊的复杂性。直至现在，已知的有至少 3 种硼晶体，其中的 2 种都是菱形六面体，它们的晶胞中分别含有 12 个和 108 个硼原子。还有一种是四方结构，晶胞中有 50 个硼原子。硼元素的密度大约是 2.37gcm 3，熔点为 2303K，沸点为4203K。硼白口铸铁也就是在普通白口铸铁中将硼作为添加元素以提高普通白口铸铁的力学和使用性能。普通白口铸铁主要是以碳化物作为耐磨相，而经过合金化后的硼白口铸铁，有两种耐磨相，一种是碳化物
19、，另一种是硼化物。对硼白口铸铁的研究是比较早的，但是，前期主要研究的是碳化物耐磨相，直至从 20 世纪 90 年代开始，以硼化物为耐磨相的硼白口铸铁才获得了人们的关注。相比于前者，以硼化物为耐磨相的硼白口铸铁，有着更高的硬度、更好的热稳定性。早期，在钢铁中，硼元素只是作为一种杂质存在；后来，研究发现，少量硼元素的存在可以提高钢的淬透性。一些研究工作者在对硼元素深入研究后 6-8，发现微量的硼元素可以极大的提高低、中碳钢的淬透性。后来又有大量研究发现，微量硼不仅可以显著增加钢的淬透性 9 ，并能降低钢的 A1 点 10。硼在铸铁中是一种反石墨化元素加入到白口铸铁后具有稳定碳化物的作用 11，对耐
20、热钢有提高高温强度和蠕变性能的作用，加入不锈钢和耐热钢中可以改善热加工性能 12。加入堆焊合金中可提高堆焊合金层的耐磨性 13。我国具有丰富的硼资源 14。在 20 世纪 80 年代初，吉林工业大学就开始了硼白口铸铁的研究工作。研究表明 15，硼白口铸铁中加入的硼元素大部分都分布在碳化物中，并且，它代替了碳化物中的一部分碳，形成 Fe3(C,B)或者 Fe23(C,B)6，不仅提高了碳化物的硬度，而且增加了碳化物的百分数。表 1.1 列出了高硼低碳和高碳低硼两种成分。表 1.1 硼系耐磨白口铸铁的推荐化学成分（wt.%） 15组别 高碳低硼 高硼低碳C 2.93.2 2.22.4Si 0.91
21、.6 0.91.6Mn 0.51.0 0.51.0P 0.1 0.1S 0.05 0.05B 0.140.25 0.40.55Cu 0.81.2 0.81.2Mo 0.50.7 0.50.7Ti 0.18 0.18Re 0.020.08 0.020.08碳化物量 32.740.5 3041硼元素在铁中的溶解度极低，在 1149时，溶解度仅仅为 0.02%，因此加入的硼元素大部分会形成硼化物 16。从 Fe-B-C 合金相图中 17，可以看出，Fe-B-C 合金中存在 3 种不同的化合物：Fe 3(C,B)、Fe 23(C,B)6 和 Fe2B。硼元素加入后会形成哪种化合物与合金中的硼和碳元素含
22、量有关。一般情况下，当碳含量处于中、低碳范围内，硼的含量相对比较高（大于 0.5%）时，会在合金中形成稳定的硼化物 Fe2B。对比于Fe3C，这类硼化物的硬度和热稳定性都比较高，与 Cr7C3 的硬度和热稳定性差不多。在白口铸铁中加入微量硼还可以细化共晶碳化物，改善碳化物的形态和分布，提高白口铸铁力学性能 18-28。硼化物 (Fe:B，FeB)本身硬度高，经合适的变质处理和热处理后，能使沿晶界分布的硼化物变成粒状、块状、团球状弥散分布，从而提高其韧度和耐磨性能 29,30。1.2 材料的磨损性能耐磨金属材料被广泛应用于工业生产的各个领域。尽管材料磨损很少引起金属构件灾难性的危害，但其所造成材
23、料的消耗却不容忽视。据不完全统计，我国仅在冶金、矿山、电力、煤炭和农机部门，每年由于工件磨损造成的损失约 400 亿人民币 31。磨损是在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象。材料的磨损除主要由力学因素引起外，在整个过程中材料还将发生一系列物理、化学状态变化。如因表面材料的塑性变形引起的形变硬化以及应力分布的改变，因摩擦热引起的二次相变淬火、回火及回复再结晶以及因外部介质产生的吸附和腐蚀作用等都将影响材料的耐磨性能等。机械运转时机件间因相对运动产生的摩擦而磨损，不仅直接影响零件的使用寿命，还将增加能耗，产生噪音和震动，造成环境污染。据不完全统计，因机件间摩擦磨损要多消
24、耗总能源的 1/31/2，并引起不少机件失效。因此，在了解各种磨损类型和原理的基础上，针对工业生活中主要的失效类型，采用合金化方法等，研究开发新的耐磨材料，是市场需求的主流走向。1.2.1 磨损的类型磨损是多种因素相互影响的复杂过程。根据摩擦表面损伤和破坏的形式。大致可分为以下四类：粘着磨损：又称咬合磨损，是因两种材料表面某些接触点局部压应力超过该材料屈服强度发生粘合并拽开而产生的一种表面损伤磨损，多发生在摩擦副相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，以及接触应力大的滑动摩擦条件下。磨料磨损：又称磨粒磨损或者研磨磨损，是摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或者接触面间存在硬质粒子（从外界进
25、入或者从表面剥落）时产生的磨损。接触疲劳磨损：是两接触材料作滚动或者滚动加滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使材料表面疲劳损伤，局部区域出现小片或者小块状剥落，而使材料磨损的现象。腐蚀磨损 32：是摩擦副对偶表面在相对滑动过程中，表面材料与周围介质发生化学或电化学反应，并伴随机械作用而引起的材料损失现象。对于工业领域中各种类型的磨损在所有磨损类型中所占的大概比例，英国的一位学者 T. S. Eyre33曾经做过调查与评估，其结果如下面的表 1.2 所示：表 1.2 各种磨损所占的比例磨损类型 粘着磨损 磨粒磨损 冲蚀磨损 微动磨损 腐蚀磨损 其他百分数(%) 15 50 8 8 5 14从表
26、1.2 中，可以明显看到，在所有的磨损类型中，磨粒磨损占有最大的比重，大约占 50%，磨料磨损现象广泛存在于大多数机械设备中，特别是在矿山机械、农业机械、工程机械、以及铸造机械中等等。1.2.2 磨损失效的影响因素 磨损环境条件的影响压力的影响 一般情况下，磨损量随着磨损压力的增加而增大，因为随着压力的增大，磨料相对于材料的刺入深度增加，对材料表面进行切削或者变形的能量亦随之增大。速度的影响 对于不同种类的磨损，速度对磨损的影响是不同的。比如：在滑动磨损的情况下，速度对磨损的影响并不明显；但是在冲蚀磨损的条件下，速度对磨损的影响就非常重要，因为，当冲击速度高到一定程度的时候，原本处于滑动磨损或
27、者低速条件下，不能造成磨损的材料这个时候也会开始磨损。冲击角度的影响 冲击角度对脆性材料和韧性材料的影响是不同的。一般情况下，对脆性材料，随着冲击角度的增加，磨损量增加，而且，在接近 90 度的时候，磨损量达到最大值。对于韧性材料，磨损量先是随着冲击角度的增加而增加，然后在某一角度达到最大值，随后，随着冲击角度的增加，磨损量反而开始下降。磨料特性的影响 在磨料的许多特性中，磨料硬度的影响最重要。磨料粒径的影响 磨料粒径对磨损的影响，开始时，是呈现线性关系增大，当到达临近粒径的时候，磨损就开始呈现缓慢增长，或者停止增长。磨料粒形的影响 磨粒的粒形对磨损的影响很大，比如：比较尖锐的磨粒，磨损能力会
28、很强，而外形圆钝的磨粒的磨损能力就相对较差。这主要是因为，外形尖锐的磨粒，比起圆钝的磨粒，很容易就能刺入材料的表面，造成材料的塑性变形。磨料中水分的影响 一般在金属磨擦副中，液体进入对磨界面，磨损量会大大下降；但是，在磨料磨损时，当有水分进入时，磨损反而会变得更加严重。材料特性的影响 在对材料磨损的影响因素中，材料特性的的影响是非常大的。在材料特性中，其最大作用的是硬度材料或者磨料的硬度值。同样，由于这个特性，在实际生活应用中，常常以硬度来判断磨损性的大小。1.3 硬度测试原理硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能。材料的耐磨性几乎和材料所有性能都有关系，一般情况下，材料的硬度越高，耐磨性也越好
29、，故常常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。硬度试验方法有几十种，按加载方式基本上可以分为压入法和刻划法两大类。在压入法中，根据加载速率的不同分为动载荷压入法和静载压入法。超声波硬度、肖氏硬度和锤击式布氏硬度属于动载实验法。布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度属于静载压入法。刻划法包括莫氏硬度顺序法和锉刀法等。硬度实验测试的特点：硬度试验所用设备简单，操作方便快捷，故被广泛用来检验热处理的工件质量和进行材料研究。硬度实验一般仅在材料表面局部区域内造成很小的压痕，可视为无损检测，故可对大多数机件成品直接进行检验，无需专门加工试样。故硬度检验已成为产品质量检查、制定合理工艺等的重要试验方法
30、之一。布氏硬度的测试原理是用一定大小的载荷 F（kgf） ，把直径为 D（mm）的淬火钢球或硬质合金球压入试样表面保持规定时间后卸除载荷，测量试样表面的残留压痕直径 d，求压痕的表面积 S。将单位压痕面积承受的平均压力（F S）定义为布氏硬度，其符号用 HB 表示。洛氏硬度也是一种压入硬度实验方法。但其原理不是通过测压痕面积求得硬度值，而是以测量压痕深度值的大小来表示材料的硬度值。洛氏硬度试验所用的压头为为圆锥角为 120 度的金刚石圆锥或者直径为 1.588mm、3.175mm 的淬火钢球。载荷分先后两次施加，先加初载荷 F1，再加主载荷 F2，其总载荷为 F（F=F1+F2） 。肖氏硬度是
31、一种动载试验法，其原理是将具有一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表面。根据重锤回跳的高度来表征材料硬度值大小。肖氏硬度的符号用 KS 表示。陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度，它只表示硬度从小到大的顺序，不表示软硬程度，后面的材料可以划破前面材料的表面。维氏硬度的试验原理是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬度值的。维氏硬度所用的压头是两相对面夹角为 136 度的金刚石四棱锥体。试验时，在载荷 F 的作用下，试样被压出一个四方锥形压痕，测量压痕的对角线长度分别为 d1 和 d2，取其平均值 d，用以计算压痕的表面积 S，F S 为试样的硬度值，用符号 HV 表示。1.
32、4 硼对铬系耐磨铸铁影响的国内外研究现状人们对耐磨材料的研究已经有一百多年的历史，从髙锰钢、合金钢、镍硬铸铁到各种白口铸铁及高铬铸铁等不同类型的耐磨材料，都有其研究发展以及生产工艺不断完善和发展的过程。由于生产工艺简单、成本相对较低，铁基耐磨材料一直普遍是国内外耐磨材料的首要选择。但是随着科技的日益发展，对很多机械用品的要求越来越高，现有的铁基材料已经无法满足人们的需求，迫切需要有更多的新耐磨材料出现。在铬系白口铸铁中添加元素，利用合金化提高材料耐磨性的研究并不少。比如硅、钨、钒等，这些元素做添加元素时，虽然或多或少都可以提高合金的耐磨性，但是都存在一定缺憾。在铬系白口铸铁中加入硅元素，形成硅
33、铬白口铸铁，碳化物含量增大，组织变细，碳化物由原先的网状分布变成断网孤立的条状分布，使得基体的连续性得到了很好的改善，从而提高了白口铸铁的耐磨性。但是，硅的含量不能太高，因为硅是强烈的石墨化元素，会在铁液凝固过程中析出石墨点，反而降低铸铁的耐磨性。在铬系白口铸铁中加入钒，细化了碳化物颗粒，而且碳化物形态也变得圆钝，在磨粒冲击的作用下，应力的集中度变小，减少了材料的碳化物颗粒松动脱落的几率，同时，钒的碳化物的硬度很高，是优良的耐磨质点，从而提高了铸铁的耐磨性。但是，存在的问题是，要对钒的含量加以控制，因为，碳化物过细反而会降低铸铁的耐磨性，而且，钒元素是贵金属元素，增加了制造成本。很长时间以来，
34、人们对于硼作为合金添加元素的研究很少，因为，人们普遍认为，硼元素是一种杂质，它会在组织中产生脆性硼化物，产生硼脆现象，使材料的韧性显著降低，所以，对于硼元素都是尽可能避免的。但是，近年来，随着镍、钼、钨、钒等合金元素的日益稀缺，人们将方向转向了对富有元素的研究利用中，硼元素作为一种合金添加元素的研究也越来越多。上个世纪 30 年代，几乎是在发展镍硬白口铸铁的同时，以美国为首进行了含1030%Cr 的白口铸铁的研究。而后美国、前苏联和德国也进行了大量的生产性研究。相对而言，在铬系白口铸铁中加入 B 元素的研究较少，但是也有很多成功范例。直到 20 世纪 90 年代，澳大利亚 Queensland
35、 大学材料系才开始在普通钢的基础上进行高硼钢（0.1%1.0%B ）的研究。1991 年，就有成功设计 Fe-Cr-B 铸铁的范例，那时的澳大利亚昆士兰大学Lakeland 就设计了一种称为“COBRA”的 Fe-Cr-B 的铸铁。尽管最初设计者只是在合金中加入了约 2%的硼元素，并且碳元素含量仅仅在 0.10.5%范围内，COBRA 的成分非常类似于高铬白口铸铁。但是，结果却是大不一样的，COBRA 不但拥有高铬白口铸铁的耐磨性，并且断裂韧度从 2025MPam 12 增加到了 33 MPam12 。从表 1.3 和表1.4 中，可以清楚地看到这种变化。表 1.3 铁铬硼合金化学组成（wt%
36、 ） 34元素 含量范围C 0.30.55Si 0.51Mn 0.51Cr 515Ni 1.52Mo 0.81.5V 0.30.5Cu 12Nb 0.30.5B 0.11表 1.4 铸造铁铬硼合金的力学性能 11性能 范围抗拉强度 Mpa 450850屈服强度 MPa 350555延伸率% 0.51.5断面收缩率 % 12冲击韧性 KJm2 80150断裂韧性 MPam12 2535硬度 HRC 22621996 年，瑞典的 AKERS 公司从澳大利亚购买了铁铬硼合金的部分使用权，用于开发轧锟，其使用寿命甚至是原球墨铸铁轧辊的 8 倍。澳大利亚已经成功开发出铁铬硼合金玻璃模具、泥浆泵叶轮等产品
37、。此外，国内外的许多关于堆焊耐磨合金的研究中，都有利用硼元素作为合金添加元素的研究。一般都是利用硼化物的高硬度和良好的热稳定性，试图以合金硼化物代替合金碳化物等，作为耐磨合金的耐磨相，不仅可以进一步提高原有耐磨合金的耐磨性，还可以减少铬、钼、钨等元素的加入，以节省资源，节约成本。目前，国内外对于硼元素的研究，大多集中于硼元素自身对于合金铸铁的影响，对于硼元素和其他合金元素的交互作用，比如铬的交互作用的研究较少。1.5 研究的目的意义及研究内容 许多国内外预测都显示了，未来新材料技术的世界市场前景是非常广阔的，其中耐磨材料约占 75%。因此，研究和发展耐磨材料，以减少金属磨损，对国民经济的发展有
38、着重要意义。在世界资源日益贫乏的今天，盲目引入或研制高成本、耗费稀有材料的做法显然是不可取的，也是没有市场的。在现有材料的基础上，克服缺陷，发挥和提高原有优势，符合材料的发展趋势。目前应用最多、消耗最大的仍是以耐磨铸铁和耐磨钢为主。普通白口铸铁的耐磨性主要依靠碳的作用，其性能特点是硬度较高、韧性较差、耐磨性较差，尤其不能应用于受冲击载荷较高的场合，但其主要优点是生产工艺简便、价格低廉。因此，研制低合金耐磨材料，采用价格低廉的合金元素，通过成分控制获得高耐磨性是可取的方向。高铬铸铁，自问世以来，一直被认为是较理想的耐磨材料。国内外对高铬铸铁的成分、组织、热处理工艺与性能之间的关系、工艺控制特殊件
39、生产以及各种磨料磨损条件下的使用性能已进行了大量研究，但是高铬白口铸铁的韧性差、抗腐蚀性能不高的问题仍未得到根本解决，而且，加上高铬铸铁的成本高，无法大量生产而使用受到了限制。高硼铁基系列铸造耐磨合金就是以我国富有的硼为主要合金元素，不含有镍、钼、钨、钒等合金元素，具有低成本、高硬度、良好耐磨性和强韧性；而且铸态硬度低，成型工艺性好，容易切削加工，克服了高铬铸铁和高锰钢铸态难以加工的问题，适用制造尺寸精度要求高的耐磨零件。因此，高硼铁基系列耐磨合金是一种新型的耐磨材料，可以部分替代高铬铸铁材料。从铬系白口铸铁和高硼铁基系列铸造耐磨合金的耐磨机理中，可以看出铬和硼在耐磨材料中的重要作用。因此，利
40、用合金化的方法，在铬系白口铸铁中加入适量的硼元素，通过铬和硼的交互作用改善铬系白口铸铁的组织，尤其是碳化物的形态分布、类型和数量，提高铬系白口铸铁的耐磨性。第二章 实验过程课题研究的是硼对铬系白口铸铁组织和性能的影响，包括合金试样的微观形貌和硬度两方面。首先要制备好合金试样，然后进行扫描电镜观察并拍摄照片，最后进行洛氏硬度测试并将结果记录下来。2.1 实验材料和设备实验原材料有：相同成分的白口铸铁。 单质硼元素。 单质铬元素。实验设备有：WK 非自耗真空电弧炉、扫描电镜（SEM ） 、线切割仪、砂轮机、预磨机、抛光机、电子天平2.2 实验 设计2.2.1 合金样品制备（1）切割 使用线切割仪，
41、将白口铸铁切割成 10mm10mm5mm 的小块。因为这样不仅便于后面的磨制试样等操作，又不会使材料造成不必要的浪费。（2）清洗 将切割好的白口铸铁小块，用酒精溶液进行清洗。因为刚刚进行线切割的材料表面会有大量的油污，这样便于后面的磨制试样。（3）磨样 将清洗干净的白口小铁块，先在砂轮机上打磨，去掉小铁块表面大的凹凸部分。然后将砂轮机打磨好的试样，在预磨机上进行预磨，而且所有的面都要顾及到。确定小铁块表面已经比较平整，没有明显的划痕时，进行精磨处理，将小铁块在 600、800 和 1000 的砂纸上先后打磨。这个磨样的过程主要是出去小铁块表面的油污、铁锈等，为后面的熔炼做好准备。由于白口铸铁非
42、常容易氧化腐蚀，为保证测试结果的准确，在熔炼前，必须要确保白口铸铁表层没有氧化物等杂质，如果有，必须及时除去。（4）配样 按照表 2.1 正交表用电子天平配制好 1-18 号样品，将同样实验序号的小铁块、硼和铬装在同一个样品袋中，将各个样品袋标上相应的 1-18 号序号。在称量样品时要精确到 0.0001g。配样时要严格按照正交分配表中的成分进行样品称重，而且称重时还要尽可能精确，因为硼元素和铬元素加入量并不多，稍微大的误差就可能导致错误的实验结果。考虑到实验成本，实验中材料都是很少量，所以，称重时要细致认真，因为每个元素含量的微小变化，都会影响最后的试样结果。（5）熔炼 将配制好的 1-18
43、 号样品，标记好序号，分批放入 WK 非自耗真空电弧炉中进行熔炼。关闭炉门，抽真空，再熔炼。在对样品进行熔炼的时候，要对每个样品多次重熔，将最后得到的样品放入对应序号的样品袋中。熔炼合金试样前，要三次抽真空，确保熔炼时是真空操作，不断用机械手搅拌并且要进行多次重熔，这样才能得到足够均匀的合金试样。（6）锯样 将 1-18 号样品袋中的样品分别对半锯开，一半用于备用，一半用于制备合金试样，先做扫描电镜观察，而后进行硬度测试。（7）镶样 用镶样机对 1-18 号的样品进行镶样，并且每个镶好的试样都要标注好相应 1-18 号的序号，并且要在底面和侧面都要标注，否则后续磨制时有可能会将标记磨掉。表 2
44、.1 含硼的铬系白口铸铁质量分数正交表成 分（wt.%）试验号 铬 硼 白口铸铁1 2 0 982 2 0.5 97.53 2 1.0 974 2 1.5 96.55 2 2.0 966 2 2.5 95.57 8 0 928 8 0.5 91.59 8 1.0 9110 8 1.5 90.511 8 2.0 9012 8 2.5 89.513 15 0 8514 15 0.5 84.515 15 1.0 8416 15 1.5 83.517 15 2.0 8318 15 2.5 82.5（8）磨样 将镶样后的 1-18 号试样，进行磨样，首先，在预磨机上预磨，然后分别在 600、800 和
45、1000 的砂纸上精磨。（9）抛光和腐蚀 将磨制好的 1-18 号试样在抛光机上进行抛光处理，然后将清洗干净的样品用 2mlHNO3+0.5mlHF+97.5mlethamol 腐蚀剂进行腐蚀，腐蚀 1-2 分钟之后，用酒精清洗，并且用吹风机吹干。2.2.2 硬度测试和组织观察把 1-18 号合金样品在扫描电镜下观察其组织形貌，并且进行拍照，按对应顺序记录好相关数据及图片。组织观察完毕后，在洛氏硬度测试仪上进行硬度测试，每个试样多次取点取硬度的平均值，并且将测试结果记录到含硼的铬系白口铸铁正交表中。第三章 实验结果与分析硼元素对铬系白口铸铁组织和性能的影响，首先，通过扫描电镜的观察每个合金样品
46、的相组成和组织形貌。然后，通过硬度测量来分析材料的耐磨性。3.1 组织分析与讨论3.1.1 含 2 (wt.%)Cr 的铬系白口铸铁组织由图 3.1 可知，含 2 (wt.%)Cr 的铬系白口铸铁中，随着硼含量的增加，其中的碳化物体积分数明显增加。在加入硼后，图 3.1(b)、 （c ）中的 Cr2 白口铸铁组织中只出现了极少量的初生碳化物，直到随硼的增加，在图 3.1（d） 、 （e） 、 （f）中出现的了明显的初生合金碳化物，且随着硼含量的增多，这些初生合金碳化物也随之增加，并且分布也越来越均匀。a bc d图 3.1 含硼 Cr2 白口铸铁组织（a）wB=0%；（b）wB=0.5%；（c
47、）wB=1.0%；（d）wB=1.5% ；（e）wB=2.0%；（f）wB=2.5%3.1.2 含 8(wt.%)Cr 的铬系白口铸铁组织由图 3.2 可知，含 8(wt.%)Cr 的铬系白口铸铁中，随着硼含量的增加，其中的碳化物体积分数也随之增加。而且，加入硼后，如图 3.2（b）中，Cr8 白口铸铁组织中出现的了初生合金碳化物，而且图 3.2（c） 、 （d） 、 （e ） 、 （f）中显示：随着加入硼含量的增多，这些初生合金碳化物也随之增加，颗粒形态由棱角变得圆钝，并且分布也越来越均匀。 e fa bc d图 3.2 含硼 Cr8 白口铸铁组织（a）wB=0%；（b）wB=0.5%；（c
48、）wB=1.0%；（d）wB=1.5%；（e）wB=2.0%；（f ）wB=2.5%3.1.3 含 15(wt.%)Cr 的铬系白口铸铁组织由图 3.3 可知，含 15%(wt.%)Cr 的铬系白口铸铁中，随着硼含量增加，其中的碳化物体积分数也随之增加。在图 3.3（a）中，已经明显可以看到组织中存在的合金碳化物，在图 3.3（b） 、 （c ） 、 （d） 、 （e ） 、 （f）和（g）中还可以看到，随着硼含量的增加，合金碳化物也随之增加，产生了新的合金碳化物，而且形状由不规则变得圆钝，合金碳化物分布也越来越细致均匀。e fcadb图 3.3 含硼 Cr15 白口铸铁组织（a）wB=0%；
49、（b）wB=0.5%；（c）wB=1.0%；（d）wB=1.5%；（e）wB=2.0%；（f ）wB=2.5%3.2 性能分析本课题设计的实验中，铬元素有三种不同的成分含量：2%、8%和 15%，分别是低铬、中铬和高铬的代表成分含量。硼元素有 6 种不同的成分含量：0.5%、 1.0%、 1.5%、2.0% 、2.5%和不添加硼元素的铬系白口铸铁。是要研究硼对铬系白口铸铁的组织和性能的影响，所以，硼元素选取的成分比较多。做性能测试的 1-18号合金样品的的成分和对应洛氏硬度值见表 3.1。表 3.1 含硼的铬系白口铸铁成分质量分数和洛氏硬度记录表成 分（wt.% ）试验号Cr B硬度（HRC）1 2 0 592 2 0.5 593 2 1.0 60.54 2 1.5 57.55 2 2.0 626 2 2.5 64.57 8 0 618 8 0.5 629 8 1.0 6410 8 1.5 63.5e f续表 3.111 8 2.0 60.512 8 2.5 6413
