淬火温度对显微结构及性能的影响

白口铸铁,比如高铬白口铸铁或含镍耐磨白口铸铁,具有高硬度及极好的耐磨性。但是白口铸铁的断裂韧性较差,这个关键的问题限制了其应用范围。尽管已在冶金学及机械学方面作了较大的努力,但上述白口铸铁的韧性仍没有明显的改善。这些合金的低韧性阻碍了其在重复撞击方面的应用:比如球磨机衬里或破碎机锤子。

马氏体钢是一种广泛使用的耐磨材料。通常,马氏体钢的韧性比合金白口铸铁高,而且其耐磨性也优于奥氏体钢。由于哈德菲尔奥氏体钢在轻微的撞击下很难变硬,因此马氏体钢尤其适合这些要求。由马氏体铸钢制成的球磨机衬里或破碎机锤子比由哈德菲尔奥氏体钢制成的球磨机衬里或破碎机锤子变得越来越有竞争力.

为了进一步增强马氏体钢的耐磨性,通过在马氏体铸碳钢中添加一些硼元素研发出马氏体硼铸钢。硼铸钢比耐磨的白口铸铁具有更好的强度及韧性,并且比马氏体钢具有更好的耐磨性。在普通的硼铸钢中,硼化物的分布呈一个连续的网状,这样就增强了硼铸钢的脆性。近来,人们发现硼铸钢的硬度随着淬火温度的升高而增强,而且硼铸钢经过900°C – 1050°C的热处理后具有极好的耐磨性。

在一个研究项目中,来自北京科技大学及西安交通大学的研究人员通过在硼铸钢中添加铝以改善硼化物的形态。这样做的目的旨在研究淬火温度对含铝硼铸钢(ACBS)的显微结构及性能的影响,并观察含铝硼铸钢的热处理过程。

随着淬火温度的升高,含铝硼铸钢的金属基体由铁氧体、珠光体及马氏体的混合结构变成单一的马氏体。淬火温度的升高也导致了连续硼化物断开离析。

通过光学显微法、扫描电子显微法、X射线衍射法、洛氏硬度及维氏硬度测试法对这些影响进行了调查研究。含铝硼铸钢在1600°C时融化并流入盛钢桶。样品均在1475°C时浇铸至石墨模具中以形成一个圆柱体。这些样品分别在950°C、1000°C、1050°C及1100°C的高温下热处理2小时,然后进行水冷却至室温。样品的回火过程是在200°C的温度下热处理3小时,然后冷却至室温。

含有0.25 – 0.45%碳、1.5 – 1.8%硼及1.4 – 1.6%铝的含铝硼铸钢铸态显微结构由金属基体及硼化物Fe2B组成,而金属基体是铁氧体、珠光体及马氏体的混合。

硼化物形态经高温处理后得到改善。当加热温度低于1000°C时,硼化物形态略有变化,呈网状结构。硼化物破碎及凝结的趋势随淬火温度的升高而增强。当温度升高或接近1000°C时,奥氏体完全消失,大部分硼化物网状结构都被破坏,而且大部分粒状硼化物消失,这样就提升了含铝硼铸钢的强度及韧性。由于含铝硼铸钢的低碳含量,水淬火后的金属基体为板条马氏体,具有较高的强度及韧性。

随着淬火温度的升高,含铝硼铸钢的宏观硬度及基体显微硬度呈现同样的变化趋势。当淬火温度介于950°C到 1000°C之间时,硬度会随着淬火温度的升高而略微增强;当淬火温度超过1000°C时,硬度则轻微降低。

随着淬火温度的升高,含铝硼铸钢的金属基体由铁氧体、珠光体及马氏体的混合结构变成单一的马氏体。淬火温度的升高也导致了连续硼化物断开离析。

J. Hou, et al., Mat.-wiss. u.Werkstofftech; DOI:10.1002/mawe.201000567.