高硬度高强韧Fe-C-Si-B耐磨合金凝固组织及性能研究

本项目针对耐磨钢铁材料高硬度和高强韧性不可兼得的难题，提出将高硬度的以硼化物替代碳化物的高硼白口铸铁和高强韧性的以贝氏体铁素体和残余奥氏体双相组织为基体的等温淬火高硅耐磨铸钢两种研究思路结合起来，发挥两者各自的优势，研究新型的高硬度高强韧性Fe-C-Si-B耐磨合金。高硬度高强韧性Fe-C-Si-B耐磨合金以高硬度硼化物为主要耐磨相，以强韧性配合的无碳化物贝氏体铁素体和残余奥氏体双相组织为基体，具有耐磨相数量和基体组织可以分别控制的特点。研究高硬度高强韧Fe-C-Si-B耐磨合金的化学成分、凝固组织、等温淬火热处理组织和常规力学性能；研究凝固速度以及合金熔体变质处理对硼化物形态和合金力学性能的影响规律；研究高硬度高强韧Fe-C-Si-B耐磨合金的磨损性能和断裂性能。本项目研究是钢铁耐磨材料发展和探索的一个新方向，对钢铁耐磨材料技术的拓展和进步具有重要的科学意义和理论价值。

本项目针对耐磨钢铁材料高硬度和高强韧性不可兼得的难题，研究新型的高硬度高强韧性高硼白口铸铁耐磨合金。研究了高硬度高强韧高硼白口铸铁的化学成分、凝固组织、热处理组织和常规力学性能；研究合金熔体变质处理对硼化物形态和合金力学性能的影响规律；研究高硬度高强韧高硼白口铸铁的磨损性能和断裂性能。研究结果表明，高硬度高强韧性高硼白口铸铁以高硬度硼化物为主要耐磨相，以强韧性配合的无碳化物贝氏体铁素体和残余奥氏体双相组织为基体，具有耐磨相数量和基体组织可以分别控制的特点；高硼白口铸铁的铸态组织为珠光体+硼化物，其中的硼化物为呈网状或鱼骨状分布的Fe2B型化合物；经等温淬火热处理后，可以得到单一的由贝氏体铁素体和富碳的残余奥氏体交替排列的奥-贝双相组织（Ausferrite）基体，基体组织中没有碳化物析出，而硼化物的形态没有改变；通过在铸铁中添加合适的硼化物变质元素，等温淬火高硼白口铸铁的铸态组织以及热处理组织得到了细化，网状和鱼骨状分布的硼化物的生长得到了大幅度的抑制，硼化物生长为大的颗粒状，因而其韧性得到了大幅度的提高。采用10mmX10mmX55mm的冲击试样，可以使合金的冲击韧性从原来的13J/cm2增加到40J/cm2。所获得的高硼白口铸铁的力学性能达到下列指标：硬度≥50HRC，冲击韧度αk≥20J/cm2，断裂韧度KIC≥40MPa.m1/2，抗拉强度σb≥700MPa。研究了变质处理机理和贝氏体转变的在线X实现衍射过程，提出了“贝氏体转变初期不是通过“扩散”的方式进行的，而在转变后期贝氏体是通过碳“扩散”至奥氏体的方式进行的”的观点，为贝氏体转变机理的争论提供了一种直接证据。本项目研究是钢铁耐磨材料发展和探索的一个新方向，对钢铁耐磨材料技术的拓展和进步具有重要的科学意义和理论价值。