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1、广西大学本科毕业论文 硼含量对高硼铁基耐磨合金组织和性能的影响 摘 要 高硼铁基耐磨合金具有硼化物的硬度高和热稳定性良好以及合金元素加入量少和生产成本低且工艺简单的优势，它在未来的耐磨材料领域有着广泛的应用前景。高硼铁基耐磨合金中硼元素主要以硼化物形式存在，硼化物代替传统铁基耐磨合金中的碳化物作为耐磨相，用硼化物替代碳化物后，由于碳已不是形成耐磨相的元素，所以可以大大降低其加入量，得到含碳量较低的基体，因而在保证铸铁具有良好耐磨相的同时，还具有强韧性的基体，得到性能更好的耐磨材料。因此，研究和开发高硼铁基耐磨合金对经济发展有着重要的意义。 本文以高硼铁基耐磨合金的成分优化为研究目标，通
2、过优化配比，根据力学性能测试和金相组织分析，考察合金最优性能并得出最优的组合。研究结果表明，经过优化设计后的高硼铁基耐磨合金的成分（wt%）为：0.36%C、3.5%B、1.0% Si、1.0% Mn、1.0% Cu、1.5% Cr、0.5%V，余为Fe。此时合金的综合性能最好，既有较高的强度、硬度和耐磨性能，又有一定的塑性和韧性。 关键词：高硼合金 硼化物 耐磨性 耐磨材料 Abstract High-boron iron-based wear-resistant alloy with high hardness of boride an
3、d good thermal stability and adding alloying elements, and low production cost less and the advantages of simple process, wear-resistant materials in the future it has wide application prospects. High-boron iron-based wear-resistant alloy of boron exists mainly borides, boride instead of the traditi
4、onal iron-based wear-resistant alloy as a wear-resistant carbide phase, boron carbide replacement, due to the formation of wear-resistant carbon is not phase elements, can greatly reduce their dosage, have a lower carbon content of the matrix, thus ensuring a good wear-resistant cast iron phase, it
5、is also the matrix with high toughness, wear-resistant materials have better performance. Therefore, the research and development of high-boron iron-based wear-resistant alloy have great significance on the economic development. In this paper, high-boron iron-based wear-resistant alloy composition
6、optimization is the research objectives by optimizing the ratio of the test based on the mechanical properties and microstructure, as well as the best optimal performance alloy combination was studied. The results show that the optimized design of high-boron iron-based post-wear-resistant alloy comp
7、osition (wt%) was: 0.36% C，3.5% B, 1.0% Si, 1.0% Mn , 1.0% Cu, 1.5% Cr，0.5% V, than for the Fe. At this point the best overall performance alloys, both high strength, hardness and wear resistance, has a certain plasticity and toughness. Keywords: High-boron alloy Boride Wear resistance Wear-r
8、esistant materials 目 录 第一章 绪论 1 1.1 耐磨材料在经济建设中的作用 1 1.2 高硼铁基耐磨合金研究意义 2 1.3 高硼铁基耐磨合金的研究现状 4 1.4 高硼铁基耐磨合金研究目的与内容 5 第二章 高硼铁基耐磨合金的制备过程 6 2.1 高硼铁基耐磨合金的成分优化设计 6 2.2 配料 7 2.3 造型 9 2.4 熔炼、浇注 10 2.5 试样加工 11 第三章 力学性能测试 13 3.1 拉伸试验 13 3.2 冲击试验 14 3.3 硬度测量 15 3.4 拉伸试验结果 16 3.5 冲击试验结果
9、 18 3.6 硬度测量结果 20 第四章 金相组织观察 21 4.1 金相观察设备 21 4.2 金相观察过程 22 4.3 高硼铁基合金的金相组织 22 4.4 高硼铁基耐磨合金最优成分的确定 24 第五章 结论与展望 26 5.1 结论 26 5.2 需要进一步研究的几个问题 26 参考文献 28 致谢 29 附录 29 30 广西大学本科毕业论文 第一章 绪论 1.1 耐磨材料在经济建设中的作用 1.1.1 研究和发展耐磨材料的意义 材料的破坏有三种形式：即断裂、腐蚀和磨损 。磨损是机械零件失效的主要原因，同时，也是工业中材料和能源消耗的
10、主要根源之一。据统计，由磨损造成的经济损失，美国约500亿美元/年，德国约300亿马克/年。我国每年因磨损造成球磨机磨球消耗近200万吨，球磨机和各种破碎机衬板消耗近50万吨，轧辊消耗近60万吨，各种工程挖掘机和装载机斗齿、各种耐磨输送管道、各种破碎机锤头和颚板、各种履带板消耗也超过50万吨。据统计，我国每年消耗的金属耐磨材料约300万吨以上，在各类磨损中，磨料磨损又占有重要的地位，在金属磨损总量中占50％以上。磨损是冶金、矿山、机械、电力、煤炭、石油、交通等许多工业部门以及有色金属深加工普遍存在并成为引起设备失效或材料破坏的一个重要原因，也是造成经济损失最多的问题之一。因此，研究和发展更高性
11、能的耐磨材料对经济发展有重要的意义。 1.1.2 耐磨业在我国经济建设中的地位 随着我国国民经济的不断发展，耐磨材料行业也得到了长足的发展，它直接为建材水泥、冶金矿山、火力发电、煤炭、农机、建设机械等行业提供工业服务。而且，随着工业的不断进步和国务院节能减排的要求，对耐磨材料的数量和品种的需求也会不断护大，同时对耐磨材料的性能提出更高的要求。所以，这个行业会更加兴旺和具有更强的生命力，是一个“不朽的行业”。由于我国耐磨材料的研究和发展与国外相比较起步较晚，其发展和壮大过程是艰辛和困难的。近些年来，由于冶金矿山、建材水泥、建设机械和火力发电工业的高速发展，给耐磨材料行业带来了良好的发展机遇，
12、许多企业生产的产品供不应求，销售形势很好。同时又带动相关行业的迅猛发展。但是，另一方面，耐磨产品原材料价格的猛涨大大增加了生产成本，廉价劳动力愈来愈缺乏，都给企业的正常运转造成了不少的实际困难。应该承认，经营一般普通的耐磨铸造产品的销售利润率不是很高，然而，花费的人力和物力却是相当之大。这里的出路只能是不断地进行技术改造，改善经营管理，在不影响耐磨材料性能的情况下，降低金属合金在耐磨材料中的含量以降低成本，例如，用硼铁替代铬铁。同时更要在近期内开发一些高难度而附加值高的耐磨产品。例如，在冶金和水泥行业中的高压辊磨机和立磨磨辊、冷却器的蓖子板、圆锥破碎机破碎壁、大型破碎机锤头及建设机械行业中的高
13、压水泥泵车输送管道等等。最近几年，国外对国内生产的耐磨产品的需求也在不断增加，为我国耐磨件的出口提供了许多有利条件。一些采用先进的生产工艺和具备完善的质量控制系统的企业已经率先走向国际市场，走向世界。同时，一些国外知名的企业也看中了国内的宽广市场和优惠政策，纷纷来到中国，寻求合作伙伴和供应商。 1.2 高硼铁基耐磨合金研究意义 目前广泛应用的耐磨材料主要有高锰钢、低中合金耐磨钢、高铬铸铁三大类。高锰钢自1882年问世以来，已有100多年的历史，成为传统的耐磨材料，得到广泛的应用，但高锰钢的耐磨性是有条件的，只有在冲击大、应力高、磨料硬的情况下，高锰钢才耐磨。而且其屈服强度低、易于变形。因此
14、在许多领域已逐渐为其它耐磨材料所代替。低、中合金耐磨钢是以硅、锰为基础，加入铬、钼以及其它微量元素而发展起来的，具有较好的强韧性，低、中冲击载荷下的耐磨性优于高锰钢，但存在淬透性和淬硬性低的不足，耐磨性较差。高铬铸铁是应用较早且应用比较广泛的一类耐磨材料，但合金元素含量高、生产成本高以及相对较低的韧性限制了其应用范围。虽然合金化和变质处理能在一定程度上提高高铬铸铁的韧性，但是没有实质性的进展，其主要原因在于高铬铸铁基体碳含量较高，热处理后基体往往转变成为硬脆的马氏体，韧性较差。高铬铸铁中碳化物是没有韧性的，韧性主要来自于基体，由于基体的韧性较差，所以高铬铸铁的韧性能提高的程度也就有限。 硼
15、为黑色或银灰色固体，晶体硼为黑色，熔点约2300°C，沸点2550°C，密度2.34克/厘米³，硬度仅次于金刚石，较脆。硼元素在硼铁合金中主要以硼化物形势存在。硼化物代替传统铁基耐磨合金的碳化物作为耐磨相，用硼化物替代碳化物后，由于碳已不是形成耐磨相的元素，所以可以大大降低其加入量，得到含碳量较低的基体，因而在保证铸铁具有良好耐磨相的同时，还具有强韧性的基体。而且，由于硼在铁中的溶解度极低，同时碳几乎不溶于硼化物，因此以硼化物为耐磨相的高硼铁基耐磨合金中硼化物数量和基体的性质可以通过碳和硼的质量分数来分别控制，即可以根据工况条件来设计材料的性能。高硼铁基耐磨合金主要以高韧性的马氏体为基体，在基
16、体上分布有硬度高、热稳定性好的硼化物，可以确保合金在具有优异强韧性的前提下，还具有高的硬度和优良的耐磨性，可以克服目前广泛应用的以碳化物为主的传统铁基耐磨合金脆性大，使用中易断裂和剥落的不足，也可以克服无耐磨硬质相的铁基合金(如高锰钢、低碳合金钢)硬度低、淬透性与耐磨性差的不足，在冶金、矿山、机械、电力、煤炭、石油、交通等许多工业部门以及有色金属深加工行业将会发挥其优异的耐磨性能，延长耐磨部件寿命。 硼元素在地壳中的含量约占3xlO-4％，接近钨、钼的含量，属于我国富有的元素，价格低而且稳定。因此，研究以硼化物为耐磨相的新型铁基耐磨合金符合我国国情，可以充分利用我国富有的资源，对我国国民经济
17、的发展，特别是对我区有色金属材料深加工将起到巨大的推动作用。 开发以硼为主要合金元素的高硼铁基合金材料，具有良好的淬硬性和淬透性，贵重合金元素加入量少，生产成本低廉，熔炼工艺简单，成形性好，无污染，具有很高的性能价格比和国际市场竞争力，在耐磨材料领域将具有广泛的应用前景。高硼铁基合金在普通制备条件下，共晶硼化物粗大且呈连续网状分布，致使晶界脆化，导致强度和韧性降低，而且还存在元素偏析严重，热处理时易变形开裂的不足，很难应用到重载、高冲击、要求设备高可靠性的碎石机上抗磨损部件上。 高硼铁基合金脆性大的主要原因在于其中的硼化物形状和分布破坏了基体的连续性，因此，在外力作用下，易于在材料中产生较
18、大的应力集中，使裂纹易于萌生和扩展。改善硼化物的形态和分布是改善其韧性的有效手段，特别是使硼化物呈团球状分布后，裂纹不容易沿着晶界扩展，因此，强度和韧性将会有明显提高。微合金变质处理是改变铸造合金中非金属相的结晶形貌的一种有效手段。提出开发高硼铁基合金耐磨材料，并用微量元素改善硼化物形态和分布，使其具有良好的强韧性和耐磨性，有望克服现有耐磨材料的不足，在抗磨粒磨损部件上将具有良好的推广应用前景。此外，通过研究硼元素与铁元素相互作用机理及其对硼化物形态与分布的影响，有望深入揭示材料组成、组织与性能之间的内在关系，具有高的学术价值。该项目同时对研究高性能钢铁材料的微合金化技术和强韧化技术有积极的理
19、论指导意义和学术价值。因此，开展本课题的研究同时具有重要的科学意义和广泛的应用前景。 1.3 高硼铁基耐磨合金的研究现状 长期以来，以硼作为主要合金元素的铸造铁基合金的研究国内外并未引起足够重视，近年来，随着镍、钼、钨、钒等合金元素供应日趋紧张，对高硼铸造铁基耐磨合金的研究渐渐引起了国内外的重视，亦有相关文献的报道。 在铁基耐磨材料中，已经发现的耐磨硬质相主要有碳化物和硼化物两大类。以碳化物为耐磨硬质相的铁基耐磨材料国内外研究较多，而以硼化物为耐磨硬质相的铁基耐磨材料研究较少，究其原因是以往的研究结果表明，在钢铁材料中如果硼含量超过0.003%，将会在晶界上形成脆性硼化物，产生硼脆现象，
20、使材料韧性显著降低。这样使人们形成传统的观念，硼会引起材料变脆，在生产中首先控制硼含量，其次是控制生产工艺（加热和冷却方式）。 20世纪8O年代末以来，以硼化物为耐磨相的铸铁引起了人们的注意。硼化物具有较高的硬度（如M2B型硼化物的硬度可以达到2010HV，比传统高铬铸铁中碳化物的硬度高得多），可以利用其来做为耐磨相。另外，Fe—B与Fe—C二元相图非常相似，也存在生成奥氏体和硼化物的共晶反应。所以，以共晶硼化物替代共晶碳化物来形成一类新型的高铬铸铁是可能的。前苏联、澳大利亚、日本等国都对该类材料进行了研究，并发表了若干论文和申请了专利。以硼化物为耐磨硬质相的铁基合金的工业应用也引起了重视，
21、据报道，瑞典AKERS公司于1996年从澳大利亚购买了铁铬硼合金的部分使用权，用于开发轧辊，其使用寿命达到球墨铸铁轧辊的8倍。以硼化物为耐磨相的铸铁虽然在国内已开始引起了人们的注意，但在这方面的研究仍然几乎为空白。清华大学符寒光等人在《高硼铸造耐磨合金研究的进展》一文中指出：高硼铁基耐磨合金中硼化物的高硬度和良好的热稳定性以及合金元素加入量少和生产成本低且工艺简单的优势，预示着它在未来的耐磨材料领域有着广泛的应用前景，它也将是耐磨材料的重要发展方向。 本研究探讨以硼化物代替传统铁基耐磨合金中的碳化物作为耐磨相的关键技术，进而开发出不但具有高的硬度和优良耐磨性能而且同时具有优异强韧性的新型耐磨
22、材料。研究中首先探讨硼元素在铁基合金中与铁元素相互作用机理及其对硼化物形态与分布的影响，在此基础上，深入研究硼含量和碳含量对高硼铁基耐磨合金组织和性能的影响。 1.4 高硼铁基耐磨合金研究目的与内容 1.4.1 研究的目的 以硼化物代替传统铁基耐磨合金中的碳化物作为耐磨相，开发以硼化物作为耐磨相的高硼铁基耐磨合金，这类耐磨合金既具有良好的耐磨性能，又有高的强韧性，应用范围大幅度扩大。 1.4.2 研究内容 主要通过正交试验法开展实验和现代检测手段进行相应的检测，辅以计算机 模拟分析和成分优化的基础上，进行多次实验室熔炼和制备工艺试验以及金相组织与性能的检测，分析所制取的以硼化物为耐
23、磨相的高硼铁基耐磨合金的性能，探讨硼元素在高硼铁基耐磨合金中与铁元素相互作用机理及其对硼化物形态与分布的影响，在此基础上，深入研究硼含量和碳含量对高硼铁基耐磨合金组织和性能的影响。根据分析结果，反复优选配方和制取工艺参数，进而选出合理碳硼最优配比。 第二章 高硼铁基耐磨合金的制备过程 2.1 高硼铁基耐磨合金的成分优化设计 高硼铁基合金的制备原材料为生铁、废钢、75硅铁、65锰铁、硼铁、钒铁、铬铁和电解铜。碳、硅、锰三大元素是配制不同牌号铸铁的主要元素，而碳又是首要元素。碳是强烈促进石墨化的元素，石墨来源于碳，随着碳含量的提高，铁水中的碳浓度和未溶解的
24、石墨微粒增多，有利于石墨形核，从而促进了石墨化。但是碳含量过高，石墨也变得粗大，基体中珠光体数量减少，铁素体增加，将导致铸铁的强度、硬度下降，组织疏松。硅是铸铁石墨化的一个重要元素。实验表明：若铸铁中没有硅或含硅很少时，就是含碳很高，石墨化也很困难，只有在铸铁中有硅存在时，碳量的提高才能起促进石墨化的作用。锰是一个阻碍石墨化的元素。锰能溶于铁素体和渗碳体，起固定碳的作用，从而阻碍石墨化。Mn能与S结合生成MnS，消除硫的有害影响。普通灰口铸铁的锰含量一般在0.5-1.4%范围内，若要获得铁素体基体，则取下限。若要获得珠光体基体，则取上限。过高的锰含量易产生游离渗碳体，增加铸铁的脆性。锰在铸铁中
25、通常是作为有益合金元素加入的，因为一般铸铁中都含有硫，而锰可以抵消硫的有害作用。硫阻碍碳原子的扩散，是一个促进白口铸铁的元素，而且降低铁水的流动性，恶化铸造性能，增加铸件缩松缺陷。因此，硫是一个有害元素，其含量应控制在0.15%以下。磷是一个促进石墨化不十分强烈的元素。磷在奥氏体和铁素体中的固溶度很小，且随铸铁中碳含量的增加而减小。当P含量大于0.2%后，就会出现化合物Fe3P，它常以二元磷共晶(a+Fe3P)或三元磷共晶(a+Fe3P+Fe3C)的形态存在。磷共晶的性质硬而脆，在铸铁组织中呈孤立、细小、均匀分布时，可以提高铸铁件的耐磨性。反之，若以粗大连续网状分布时，将降低铸件的强度，增加铸
26、件的脆性，造成铸件产生冷裂。铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，但同时降低塑性和韧性。钒是钢的优良脱氧剂。钢中加适量的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性。 本实验以总重4千克为标准确定生铁和废钢加入量，并且根据调控生铁和废钢的配比来实现配料中要求的碳含量。实验通过控制75硅铁、65锰铁、钒铁、铬铁、电解铜和硼铁的加入量来控制各种元素的含量。通过配料实现不同要求下的碳硼配比组合。 2.2 配料 2.2.1 高硼铁
27、基耐磨合金化学成分设计 碳是高硼铁基耐磨合金中的重要元素，主要怍用是提高淬硬性和淬透性。碳含量过高，淬火组织中会出现大量脆性的高碳马氏体，降低高硼铁基耐磨合金的强度和韧性；硼也是高硼铁基耐磨合金的主要合金元素，其作用是为了获得高硬度的硼化物。部分硼溶入基体，有利于改善高硼铁基耐磨合金的淬透性和淬硬性。但硼加入量过多，形成的硼化物数量太多，会使合金的强度和韧性大幅度降低。基体的性能受碳含量的影响最大,同时硼化物的数量以及分布状态也将对材料的韧性产生重要的影响,因此硼、碳是决定高硼铁基合金基本性能的最重要的两种元素,它们的含量对高硼铁基合金组织和性能的影响是研究该类材料的基础。 基于上述考虑，
28、本试验的方法是固定其它元素，考察碳、硼加入量对合金组织和性能的影响，因此设计的试验合金化学成分如下： C：0.36％， 0.43％， 0.5％ B：2.5％， 3.0％， 3.5％ Cr: 0.5％， 1.0％ 1.5％ Mn:1.0％； Cu:1.0％； V:0.5％；Si:1.0％； P、S 越少越好。 2.2.2 原材料成分及其在中频炉中变化率 试验用原材料及其化学成分见表2-1，中频感应电炉熔炼过程中元素的变化率见表2-2． 表2-1 原材料及其化学成分表 原材料 Si% Mn% P% S% C% Cr% Al% Cu% B% V%
29、 低碳钢 0.19 0.41 0.017 0.014 0.25-0.3 —— —— —— —— —— 生铁 1.27 0.17 0.098 £0.05 4.13 —— —— —— —— —— 75硅铁 75.5 0.5 £0.04 £0.02 —— —— —— —— —— —— 65锰铁 3.65 65.5 £0.4 0.03 6.6 —— —— —— —— —— 硼铁 0.87 —— 0.037 0.003 0.34 —— —— —— 15.56 —— 钒铁 1.2 0.22
30、 0.04 0.01 0.11 —— 0.6 —— —— 51.8 铬铁 2.3 —— £0.1 £0.04 1.6 50 —— —— —— —— 电解铜 —— 0.003 0.001 0.005 —— —— —— 99.9 —— —— 表2-2 中频感应电炉熔炼过程中元素的变化率 元素名称 碳 硼 硅 锰 钒 铬 硫 磷 变化率 烧损0.5% 烧损3% 烧损5% 烧损5% 基本没变化 烧损5% 基本没变化 基本没变化 2.2.3 配料单 每炉合金以4千克原料进行配料，计算过程参看附录，得配料单
31、如表2-3所示。 表2-3合金配料单 (单位：克) 材料 编号 低碳钢 生铁 75硅铁 65锰铁 硼铁 钒铁 铬铁 电解铜 1 3136.1 —— 36.2 44.2 662.6 38.6 42.1 40.2 2 3040 55.4 34.2 35.4 662.6 38.6 84.2 40.2 3 2941.4 113.5 32.2 45.2 662.6 38.6 126.3 40.2 4 2962.7 —— 33.8 45.4 795 38.6 84.2 40.2 5 2884
32、2 37.8 32 45.8 795 38.6 126.3 40.2 6 2843.8 161.8 32.6 45.7 795 38.6 42.1 40.2 7 2789.4 —— 31.4 46.5 927.6 38.6 126.3 40.2 8 2809.8 62.6 32.8 46.2 927.6 38.6 42.1 40.2 9 2709.2 122.8 30.8 46.6 927.6 38.6 84.2 40.2 2.2.4 试验炉次安排 ,通过正交试验法开展实验，试验炉次安排见表2-4。
33、表2-4合金的熔炼成分 （%） 元素 编号 C B Gr Si Mn V Cu 1 0.36 2.5 0.5 1.0 1.0 0.5 1.0 2 0.43 2.5 1.0 1.0 1.0 0.5 1.0 3 0.5 2.5 1.5 1.0 1.0 0.5 1.0 4 0.36 3.0 1.0 1.0 1.0 0.5 1.0 5 0.43 3.0 1.5 1.0 1.0 0.5 1.0 6 0.5
34、3.0 0.5 1.0 1.0 0.5 1.0 7 0.36 3.5 1.5 1.0 1.0 0.5 1.0 8 0.43 3.5 0.5 1.0 1.0 0.5 1.0 9 0.5 3.5 1.0 1.0 1.0 0.5 1.0 2.3 造型 2.3.1实验造型要求 实验的造型图如图2-1所示： 图2-1 实验造型图 2.3.2 造型设备 简易砂箱、木模、铁钩、夹子、细铁条、铁锤、铲子、定位铁棒、翻砂机、砂冲、刷子、浇口棒、烘干设备等。 2.3.3 造型
35、原材料 型砂、滑石粉。 2.3.4 造型方法 采用假箱法进行手工造型。采用双砂箱，顶浇式浇注系统。 2.4 熔炼、浇注 2.4.1 熔炼设备 12kg中频感应电炉及附属工具。 感应电炉是利用电流感应产生热量来加热和熔化铁料的熔炉。中频炉将三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的电流，供给由电容和感应线圈里流过的交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。这种涡流同样具有中频电流的一些性质，即金属自身的自由电子在有电阻的金属体里流动要产生热量。炉子的构造分为有芯式和无芯式两种，在无芯式感应电炉中，坩埚内的铁料在交
36、变磁场的作用下产生感应电流，并因此产生热量，而将其自身熔化和使铁液过热。感应电炉适用于熔炼高质量灰铸铁、合金铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁等。无芯感应电炉能够直接熔化固体炉料，而且开炉及停炉比较方便，适合于间断性生产条件。感应电炉作为熔炼设备，具有诸多优点，可以稳定生产高质量的铸件，同时改善了劳动条件，降低了环境污染。 2.4.2 熔炼浇注过程 1、加热中频炉炉温 2、将炉料放入中频炉进行融化 3、将熔融的合金液体倒入砂型 4、自然风干 5、清砂、取出铸件。 原材料包括；废钢、生铁、钒铁、硼铁、75硅铁、65锰铁、铬铁、铜、混合稀土。为了保证所配成分的准确可靠，在每次熔炼之前要进行洗炉。熔炼
37、时进行造渣、扒渣、铝丝脱氧。另外，为了提高硼的收得率，高硼合金的熔炼温度和浇注温度也应该严格按照Fe-B相图确定的合适温度进行，同时熔体不能在空气中保留时间过长。熔炼温度控制在1500℃～1550℃，挠注温度控制在1450℃～1500℃。铸型采用砂型铸造工艺制作，浇注前至少在500℃焙烧2小时。熔炼时的加料顺序依次为：先加入废钢，硅铁，锰铁，生铁，钒铁，铬铁，待熔清后加入硼铁，铜最后加入稀土和铝。 2.5 试样加工 2.5.1 加工方法 由于制造的铸件为高耐磨高硬度的材料，无法直接使用车床加工，于是浇注成型试样，并用砂轮机打磨的方式进行粗加工，得到所需尺寸。 拉伸试样尺寸见图2-2，冲
38、击试样尺寸见图2-3。 图2-2 拉伸试样示意图 拉伸试样大端直径f20，试样加工后总长100mm。 图2-3 冲击试样示意图 试样数量： 每炉分别浇注三根拉伸试样，尺寸为：f25´f30´150 每炉分别浇注三根冲击试样，尺寸为：15´15´150 2.5.2 加工设备 砂轮机、切割机、游标卡尺、铁锤等。 第三章 力学性能测试 3.1 拉伸试验 3.1.1 拉伸试验介绍 拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服
39、强度和其它拉伸性能指标。 3.1.2 拉伸试验设备 电子拉伸试验机。电子拉伸试验机经调速系统控制伺服电机转动，经减速系统减速后通过精密丝杠副带横梁上升、下降，完成试样的拉伸力学性能试验，具有较宽的调速范围。电子拉伸试验机有以下特点：1、调速系统采用伺服电机和减速机，性能稳定可靠，具有过流、过压、过载等保护功能。 2、传动部分采用圆弧同步齿形带，精密丝杠副传动，传动平稳，噪音低，传动效率高。 3、配有微机接口，可外接微机实现试验过程的控制及数据的存储、打印。 4、万向节采用十字插销结构，而且具有摆角限制功能，一方面便于试样夹持，保证试验同心度，另一方面很好的消除了不规则试样对传感器的影响。
40、5、触摸健操作方式，液晶显示器实时显示，克服了老式数码管显示容易发生故障的问题。 拉伸试验机示意图见图3-1。 图3-1 拉伸试验机示意图 3.1.3 拉伸试验过程 1、调整试验机和自动绘图装置，装好试件，对以上工作进行检查。 2、进行实验。开动试验机，缓慢均匀地加载，直至试件被拉断。关闭试验机，记录拉断时的最大荷载值，取下试件和记录纸。 3、结束实验。请指导教师检查试验记录。将试验设备、工具复原，清理试验场地。 3.2 冲击试验 3.2.1 冲击试验介绍 冲击载荷指以较高的速度施加到零件上的载荷，当零件在承受冲击载荷时，瞬间冲击所引起的应力和变形比静载荷时要大的多，因此，
41、在制造这类零件时，就必须考虑到材料的抵抗冲击载荷能力，即材料的冲击性能。通过冲击试验测定试样冲击性能。 3.2.2 冲击试验设备 本次冲击试验使用RKP450型式波冲击试验机进行试验。RKP450型式波冲击试验机适合于各种不同材料，特别是金属材料在（150-450J）冲击载荷下的物理力学性能测试。整机设计精巧、美观，在一台主机上就能实现简支梁、悬臂梁等结构的冲击拉伸测试。该机测试范围广、功能齐全，可以满足DIN、ASTM、EN ISO等各类不同标准的测试要求。 RKP450型式波冲击试验机示意图见图3-2。 图3-2 RKP450型式波冲击试验机示意图 3.2.3 冲击试验过程
42、 1、设备调零 2、安装试样 3、进行冲击 4、读取读数。 3.3 硬度测量 3.3.1 测量硬度意义 硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）、划痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及显微硬度、高温硬度等多种方法。 3.3.2 试验设备 洛氏硬度计。洛氏硬度可分为HRA、HRB、HRC、HRD四种，它们的测量范围和应
43、用范围也不同。一般生产中HRC用得最多。压痕较小，可测较薄的材料和硬的材料和成品件的硬度。本实验采用HRC标准。洛氏硬度计示意图见图3-3。 图3-3 HR-150A洛氏硬度计示意图 3.3.3 试验过程 1、选取合适的硬度测试试样磨平 2、进行硬度测量 3、记录数据。 3.4 拉伸试验结果 3.4.1 拉伸试验数据 这次试验对每次实验的多个试样进行了拉伸，整理后得到的数据见表3-1，根据表3-1可以画出硼含量与抗拉强度关系曲线图见图3-4以及硼含量与延伸率关系曲线见图3-5。 表3-1 拉伸试验数据表 性能 含量（%） 抗拉强度（MPa）
44、延伸率（%） C=0.36% B=2.5% 245.3 0.9750 B=3.0% 459.9 3.4580 B=3.5% 363.3 8.6920 C=0.43% B=2.5% 328.6 2.3680 B=3.0% 107.3 0.1980 B=3.5% 201.6 0.3921 C=0.5% B=2.5% 154.6 0.3243 B=3.0% 154.8 0.3409 B=3.5% 325.7 2.6510 图3-4 硼含量与抗拉强度关系曲线图
45、图3-5 硼含量与延伸率关系曲线图 3.4.2 拉伸试验结果分析 从图3-4可以看到，含碳量为0.36%合金的抗拉强度整体上远比含碳量为0.43%和0.5%的合金好，最大值是最小值的4倍以上。在含碳量为0.36%的情况下，抗拉强度随含硼量的增加先增后减，并且在含硼量为3.0%时合金的抗拉强度最好，含硼量为3.5%合金的抗拉强度稍微低一点。 从图3-5可以看到，含碳量为0.36%合金的延伸率整体上远比含碳量为0.43%和0.5%的合金好。在含碳量为0.36%的情况下延伸率随含硼量的增加而增加，并且在含硼量为3.5%时合金的延伸率最好。 3.5 冲击试验结果 3.5.1 冲击试验数据
46、在本试验中，分别对每次实验的试样进行了冲击试验。整理冲击实验结果如表3-2所示，根据表3-2可以得到冲击性能曲线图3-6。 表3-2 冲击试验数据表 性能 含量（%） 冲击韧度 C=0.36% B=2.5% 6.126 B=3.0% 7.115 B=3.5% 4.757 C=0.43% B=2.5% 5.838 B=3.0% 3.638 B=3.5% 5.896 C=0.5% B=2.5% 4.870 B=3.0% 2.923 B=3.5% 6.881 图3-6 冲击性能曲线图 3.5.2
47、 冲击试验结果分析 从图3-6可以看到，含碳量为0.36%合金的冲击韧性整体上比含碳量为0.43%和0.5%的合金好。在含碳量为0.36%的情况下冲击韧性随含硼量的增加先增后减，并且在含硼量为3.0%时合金的冲击韧性最好。冲击韧性的波动比较大的原因是硼碳化合物分布的不均匀，对基体的割裂作用比较大。 3.6 硬度测量结果 3.6.1 硬度测量数据 试样硬度测量值如表3-3所示。为了保证精确度，每组实验试样各取3个测试点进行测量，然后取其平均值作为实验数据。 表3-3 试样硬度表（HRC） 硬度编号 测试点一 测试点二 测试点三 平均 1 41 44 43 42.7
48、 2 48.5 51 52 50.5 3 50 49 46 48.3 4 52.5 54.5 53 53.3 5 47 50 48 48.3 6 51 52.5 50.5 51.3 7 60 57 56.8 57.9 8 48 50 51 49.7 9 54 54.5 53 54 3.6.2 硬度测量结果分析 由表3-3可以看到，高硼铁基合金的硬度较高，平均硬度值达到50.7（HRC）。尤其是第7组实验（C=0.36% B=3.5%）试样的硬度最高，平均为：57.9HRC。对于高硼铁基合金的宏观硬度来说，其主要由
49、基体的硬度和硼化物的硬度以及硼化物的含量来决定。在铸态下，高硼铁基合金的组织由共晶硼化物、铁素体和珠光体三相组成，铁素体在组织中的形态呈不规则的块状，分布在硼化物的周围。硼化物是脆硬的化合物，具有较高的硬度，例如M2B型硼化物的硬度可以达到2010HV，比传统高铬铸铁中碳化物的硬度高得多。正因为高硼铁基合金组织中存在一定量的高硬度的硼化物，因此其宏观硬度较高，耐磨性能良好。 根据上述结果和分析，我们可以得出这样的结论：高硼铁基耐磨合金的铸态硬度主要与合金的含硼量有关，含硼量越高，铸态硬度越高，而含碳量对铸态宏观硬度的影响较小。 第四章 金
50、相组织观察 4.1 金相观察设备 抛光机。抛光机是一种电动工具，抛光机由底座、抛盘、抛光织物、抛光罩及盖等基本元件组成。电动机固定在底座上，固定抛光盘用的锥套通过螺钉与电动机轴相连。抛光织物通过套圈紧固在抛光盘上，电动机通过底座上的开关接通电源起动后，便可用手对试样施加压力在转动的抛光盘上进行抛光。抛光过程中加入的抛光液可通过固定在底座上的塑料盘中的排水管流入置于抛光机旁的方盘内。 4XZ型金相显微镜摄影仪。4XZ型系列显微摄影仪是一种以摄影方法记录各种金相组织的显微镜、金相显微物镜、偏光显微物镜中所看到的各种物象的仪器。Z型系列显微摄影装置进行拍摄记录，适应于生物，金相，偏光，微循环，
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