白口铸铁是一类传统耐磨材料，在冶金、矿山、建材、能源等领域应用广泛[1-2]。虽然近些年研究不多，但因其消耗量巨大(国内约100 万吨/年)，依然值得我们去关注与研究。传统白口铸铁组织中含有硬度较高的耐磨共晶碳化物相，具有良好的抗磨料磨损能力，在耐磨钢铁材料中具有不可替代的地位[3-6]。
传统白口铸铁发展经历了普通白口铸铁、镍硬白口铸铁和高铬白口铸铁3 个阶段，其硬度和韧性不断提高，使用寿命及工况范围也不断扩大[7-8]。但在应用过程中仍存在韧性储备不足的缺点，只能应用于冲击不高的工况条件，在冲击较高时，容易产生断裂或破碎失效。
硼在铁中独特的作用为解决白口铸铁韧性偏低问题提供了新思路。硼在铁中溶解度极低(700 ℃以下低于0.000 4%(质量分数))，当硼含量超过溶解度，就会形成硼化物[8]。硼化物具有较高的硬度(如Fe2B 硬度可达1 200~1 600 HV[9]，与M7C3 硬度相当)，可用作耐磨相。Fe-B 相图中存在与Fe-C 相图相似的共晶反应，因此以硼化物替代碳化物来形成一种新型的白口铸铁是可能的。国内外对该类材料均有一定的研究，从不同的材料体系研究其组织与性能，并取得了一定成果。研究表明，在低碳、高硼条件下，可以形成类似共晶碳化物的共晶硼化物，而且该硼化物具有良好的硬度与稳定性，从实践上说明了该类白口铸铁的可能性[10-19]。
本文研究一类以硼化物为耐磨相的新型白口铸铁，在成分上具有低碳、高铬、高硼的特点，并研究其组织与性能。
1 实验材料与方法
采用100 kg 中频感应炉熔炼，碱性炉衬。原材料包括：废钢、低碳铬铁、锰铁、硅铁、钒铁、硼铁、镍板等。采用熔模铸造方式制备基尔试块模型，浇注温度(1 430±10)℃。除了硼元素的含量外，Fe-Cr-B白口铸铁其他成分的检测均通过SPECTRO LABM10 直读光谱仪确定。硼元素含量在钢铁研究院采用化学分析的方法测得。采用Axio OBS 倒置型光学显微镜、X 射线衍射仪(XRD，7000X，Shimadzu)、ZEISS场发射扫描电子显微镜(Sigma300)对试样的显微组织及物相进行分析。宏观硬度值使用洛氏硬度计(600MRD)测量。用HV-1000A 型显微硬度计测量样品基体以及硬质相硼化物的显微硬度值，负载50 g，加载时间为10 s。每个实验样品的宏观硬度与显微硬度值均以其3 次测量结果的平均值来确定。在摆锤式冲击试验机(ZBC2452-EB)上对材料的冲击韧性进行测定。加工成10 mm×10 mm×55 mm 的无缺口试样，每种状态下加工出3 个相同的样品，取3次测量的平均值为最终结果。按照GB/T 225-2006标准进行Fe-Cr-B 白口铸铁的淬透性试验。为了减少偶然性，共进行2 组相同的实验(样品相同，实验参数相同)。热处理实验均在N7/H 型马弗炉中进行。
2 实验结果与讨论
2.1 化学成分
熔炼后材料的化学成分如表1 所示。
表1 Fe-Cr-B 白口铸铁化学成分w/%
Tab.1 Chemical composition of the Fe-Cr-B white cast iron
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Fe-Cr-B 白口铸铁在成分上具有低碳、高铬、高硼的特点，与传统高铬白口铸铁(BTMCr15)相比，Fe-Cr-B 白口铸铁的成分中Cr、Si、Mn 基本处于同一范围，高铬白口铸铁C 含量范围为2.0%~3.6%，而Fe-Cr-B 白口铸铁的碳含量为低碳钢范围；Ni 的含量比高铬白口铸铁稍高，其目的是为了提高其淬透性及韧性。不含Mo 元素，但增加V，主要是Mo元素会形成形状不规则的硼化物，从而降低材料的韧性[20]。含有大量B 元素，是普通硼钢硼含量的200多倍。为了解实验材料的凝固过程与产物，利用JMat-Pro 软件在该成分下进行计算，结果如图1 所示。
图1 Fe-Cr-B 白口铸铁凝固过程及相组成
Fig.1 Solidification process and phase composition of the Fe-Cr-B white cast iron
从图1 可以看出，合金的凝固方式可概述为：合金液随着温度缓慢降低至1 283 ℃时，高温δ 相逐渐从液相中形核析出，至1 219 ℃时，δ 相数量到达极值，硼化物与γ 相开始生成，存在L→γ 相+硼化物的共晶反应；温度继续下降，在1 115 ℃液相基本转为固相而消失；当温度继续降低至738 ℃时开始析出铁素体，在710 ℃发生共析反应。在常温条件下，Fe-Cr-B 白口铸铁凝固后的平衡相包括：铁素体、奥氏体、共晶硼化物，以及M23C6 复合型的碳化物。
2.2 铸态组织
图2(a)为光学显微镜下Fe-Cr-B 白口铸铁的铸态组织形貌，图2(b)为扫描电子显微镜下硼化物及基体形貌特征照片。由图2(a)可以看到Fe-Cr-B 白口铸铁铸态组织基本上是条块状共晶硼化物与基体组成。在扫描电镜下，共晶硼化物形态类似于传统高铬白口铸铁中的共晶碳化物(图2(b))；而基体的板条状马氏体特征明显。由图2 可知，采用所设计的成分，在铸态条件下，材料是由共晶硼化物与大部分板条状马氏体基体组成。
图2 Fe-Cr-B 白口铸铁铸态组织形貌：(a)光学显微镜，(b)SEM
Fig.2 Microstructure of as-cast Fe-Cr-B white cast iron:(a)OM image,(b)SEM image
利用Image-pro 以及Photoshop 软件对铸态下Fe-Cr-B 白口铸铁的组织中硬质相的面积分数进行测定。在光学显微镜100 倍放大条件下，选取5 个不同视场区域下的金相组织照片，通过对金相图中不同组织进行渲染后的颜色差异，进行面积分数的统计，根据5 次测量值的平均值作为最终结果(表2)。
表2 不同视场硼化物面积分数
Tab.2 Area fraction of the birode in different fields of view
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根据对5 组图片中硼化物及基体的面积分数进行平均值计算可知：共晶硼化物的面积百分比为22.37%，基体的面积百分比为77.63%。对含共晶相的耐磨铸铁，一般要求共晶相数量超过20%，这样才能起到耐磨骨架的作用[21]。可见实验合金组织中硬质相含量比较高，可以满足作为耐磨相含量上的要求。
2.3 白口铸铁的铸态物相分析
Fe-Cr-B 白口铸铁铸态下XRD 衍射图谱如图3所示。由图3 可知，铸态试样的显微组织的衍射图谱主要由铁素体峰、M2B 硼化物峰和少量的奥氏体峰组成。结合显微组织分析结果可知，Fe-Cr-B 白口铸铁的铸态基体组织主要由马氏体和少量残余奥氏体组成。
图3 铸态Fe-Cr-B 白口铸铁XRD 分析图
Fig.3 XRD analysis of as-cast Fe-Cr-B white cast iron
为了能够明确各类元素在铸态组织中的实际分布情况，利用扫描电镜中的EDS 分别对基体和硼化物进行检测，结果如图4~5 所示。由图4 可以看出，共晶硼化物中M2B 中的M 主要是Cr、Fe、Mn、V，不含C、Si 与Ni。Cr 主要存在于硼化物中，Cr 增强材料中硼化物硬度的同时可以改善其网状结构，使得基体连续性变好，提高材料韧性。由图5 可以看出，基体中则主要含有C、Si、Ni、Cr、Mn、V、Fe，B 含量很低。
图4 硼化物EDS 分析结果：(a)分析区域，(b)EDS 检测结果
Fig.4 EDS analysis results of boride:(a)analysis area,(b) EDS results
图5 基体EDS 分析结果：(a)分析区域，(b)EDS 检测结果
Fig.5 EDS analysis results of the matrix:(a)analysis area,(b)EDS results
从以上分析可以看出，Fe-Cr-B 白口铸铁的成分设计思路基本得以实现，即：硼主要形成了硼化物，在基体中含量极低；而碳不溶于硼化物，主要分布在基体中，这样硼化物数量和基体性能可以通过调整硼元素与碳元素的含量分别进行控制，从而根据工况条件来设计成分，所以该材料具备先进材料的特点。
2.4 铸态力学性能
图6 为Fe-Cr-B 白口铸铁铸态下对基体和硼化物进行的显微硬度测试的压痕情况。根据测量结果，板条状硼化物的显微硬度为2 164.0 HV，基体的显微硬度为378.3 HV。硼化物的显微硬度明显超过了普通高铬白口铸铁中的硬质相M7C3 的显微硬度(1 500~1 800 HV)，更适合作为白口铸铁的耐磨相；而基体铸态条件下具有较高的显微硬度，符合马氏体基体的硬度范围特点。
图6 Fe-Cr-B 白口铸铁铸态组织显微硬度测量的压痕：(a)基体，(b)硼化物
Fig.6 Microhardness indentation of as-cast Fe-Cr-B white cast iron:(a)matrix,(b)boride
采用硬度仪检测材料的宏观硬度为54.1 HRC。由前面的金相分析可知，基体在铸态条件下为马氏体，加之硼化物也具有较高的硬度，导致其铸态硬度较高。这个特点与镍硬白口铸铁类似，所以在某些工况条件下，可以不进行淬火处理而直接使用。
对材料进行250 ℃回火后，硬度与冲击韧性均测试3 次取均值，并观察断口形貌。样品回火后硬度值为53.6 HRC，与铸态相比硬度略有降低；冲击韧性为2.63 J/cm2。
图7 为回火250 ℃后样品冲击断口形貌的扫描照片。由断口形貌可知，基体断裂后存在很多韧窝，属于韧性断裂；而硼化物断面比较光滑、平整，属于典型的脆性断裂。硼化物本身没有韧性，属于硬脆相，材料的韧性全部来自于基体。所以材料受到冲击时，通常情况下是共晶硼化物先出现裂纹源，此后裂纹沿着硬质相硼化物不断扩展，最后造成断裂。综合断口形貌特征分析可知，Fe-Cr-B 白口铸铁材料铸态下整体属于脆性断裂。
图7 250 ℃回火样品冲击断口形貌：(a)全貌，(b)硼化物，(c)基体
Fig.7 The impact fracture morphology of sample tempering at 250 ℃:(a)entire morphology of the impact fracture,(b)boride,(c)matrix
2.5 淬透性
采用国标端淬实验方法，测定的淬透性曲线如图8 所示。由图8 可知，Fe-Cr-B 白口铸铁具有优良的淬透性，这对于白口铸铁而言具有非常重要的意义。因为组织中含有大量的导热性能差的共晶化合物，而且材料属于脆性材料，淬透性不好，容易导致淬火裂纹。从Fe-Cr-B 白口铸铁铸态组织分析，即使采用冷却速度非常慢的熔模铸造，基体也转变成了马氏体，结合淬透性曲线，可以认为该材料的淬透性很好，可以空冷淬火。
图8 Fe-Cr-B 白口铸铁的淬透性曲线
Fig.8 Hardenability curve of Fe-Cr-B white cast iron
3 结论
(1)Fe-Cr-B 白口铸铁在成分上具有低碳、高铬、高硼的特点，在组织上以硼化物为耐磨相，硼化物具有比碳化物更高的显微硬度，更适合作为耐磨相。材料具有优良的淬透性，基体在铸态时即为韧性较好的板条状马氏体和分布在板条间的奥氏体。
(2)在微观组织中，碳主要分布在基体中，硼主要分布在硼化物中，其他合金元素按照其特点在基体与硼化物中分布。由于碳、硼元素的分布特点，可以通过改变2种元素的含量，从而改变硼化物及基体性能，可以根据工况进行材料性能的设计，使该类白口铸铁具有先进材料的特点。
(3)材料优良的淬透性，使其在铸态具有优良的性能，可以使其像镍硬白口铸铁一样，不经过淬火热处理直接使用，而且具备非常优良的综合性能。
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