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摘 要：文章研究了铈元素对Fe-B合金组织和冲击韧性的影响。分析结果表明，Fe-B合金的铸态组织由铁素体、珠光体和共晶硼化物构成，铈元素的添加能够细化奥氏体和共晶硼化物组织。热处理后，添加铈元素的Fe-B合金的冲击韧性高于未加入合金。
关键词：硼化物；冲击韧性；显微组织；铈
中图分类号：TG113.25 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）33-0203-02
Fe-B合金具有耐磨性优良、合金消耗少，铸造工艺简单和生产成本低等优点[1]。此外，Fe-B合金的冲击韧性和断裂韧性高于白口铸铁[2]。Fe-B合金在高强度冲击工况下的应用有助于减少耐磨材料的消耗[3]。然而， 在Fe-B合金中存在许多粗大的共晶硼化物，抑制了Fe-B合金强度和韧性的发挥。本研究针对铈元素对Fe-B合金组织和韧性的改善开展。
1 实验方法
1.1 Fe-B合金的熔炼与铸造
Fe-B合金在10kg中频感应电炉中熔炼。生铁和废钢是主要的炉料。采用铁合金Fe-61.5 wt.%Cr、Fe-65.8 wt.%Mn、Fe-75.3wt.%Si和Fe-16.1wt.%B等来调整Fe-B合金中B和Cr等元素的含量。Fe-B合金在1 610 ℃经Al丝脱氧后倒入浇包中静定，浇包中提前放入Fe-39.4 wt.%Ce-24.2 wt.% Si合金，待合金温度降低至1 480 ℃时浇入沙箱。Fe-B合金试样经1 050℃保温4 h后水淬，然后在180 ℃保温4 h进行回火。Fe-B合金成分，见表1。
1.2 显微组织、硬度、冲击韧性分析方法
Fe-B合金在砂箱中浇铸成六根尺寸为20 mm×20 mm×120 mm的长方体试样。在距离长方体试样底部40 mm的位置切取金相试样，试样尺寸为20 mm×20 mm×10 mm。金相试样表面需先抛光，然后在5vol.%硝酸酒精溶液中腐蚀后进行组织观察。显微硬度的测量在未经腐蚀的金相面上进行。
采用X射线衍射仪、光学显微镜、显微硬度仪、扫描电子显微镜对合金的组织形貌进行分析。采用徕卡图像分析仪和面积法[4]在深腐蚀后的金相中测量每平方毫米内的晶粒个数na。在50倍放大条件下，每个试样选取20个视场来测量na。
选用1 470 N载荷来测量洛氏硬度，测量结果为10个测量值的平均。冲击试验机的冲击能量为300 J，跨距设置为70 mm。无缺口冲击试样的尺寸为20 mm×20 mm×110 mm，以三根试样的平均值作为测量结果。
2 试验结果分析
2.1 Fe-B合金凝固组织分析
C0与C1合金的组织形貌，如图1所示，表2列出C0与C1合金的na值。依据图1和表2可知，相对于C0合金，含有铈元素的C1合金具有更高的na值和更细化的组织。XRD分析结果证明硼化物为Fe2B，如图2所示。显微硬度分析结果表明，Fe-B合金基体组织由白色铁素体和黑色珠光体组成，见表2。
2.2 Fe-B合金热处理组织分析
C0与C1合金的热处理组织，如图3所示。显微硬度测试（表2）证明共晶硼化物和基体组织分别为Fe2B和马氏体[5]。C0合金中仅有少量的硼化物出现断网（图3a），然而，在C1合金中出现了更多的短杆状和球状硼化物（图3b中的红色箭头）。这些结果证明，铈元素有助于共晶硼化物细化，使其在热处理过程中更容易断网。
2.3 Fe-B合金硬度和冲击韧性
C0与C1合金硬度及冲击韧性列于表2中。表2表明，铈元素的添加可以提高合金的硬度，而晶粒细化是硬度提高的根本原因。与此同时，含铈元素合金的冲击韧性高于普通合金，原因在于，在C0合金中网状硼化物粗大（图3a），裂纹容易在粗大硼化物周围萌生和扩展，冲击韧性值较低。相对而言，C1合金中硼化物细小、分散（图3b），基体的连续性较好抑制了裂纹的扩展，冲击韧性值较高[6]。
3 结 语
本研究结果表明，Fe-B合金中添加铈元素可细化奥氏体和共晶硼化物组织，细化的硼化物更容易在热处理的过程中断网，进而使合金的硬度和冲击韧性提高。
参考文献：
[1] H.G. Fu， and K.H. Hu， High boron cast iron base anti-wear alloy
and its heat treatment method， Chinese patent， CN1624180-A，2004.
[2] H.G. Fu， and Z.Q. Jiang， A study of abrasion resistant cast Fe B C
alloy， Acta Metall. Sinica， 2006， 42， p545–548
[3] H.G. Fu， A study of high boron cast steel hammer， Foundry，2006，
55，p292 295
[4] Chinese National Standard， GB/T 6394 2002. Metal methods for
estimating the average grain size， Manual of Chinese National
Standard， Beijing， Bureau of Quality Supervision， Inspection and
Quarantine， 2002.
[5] D.W. Yi， J.D. Xing and S.Q. Ma， Three-body abrasive wear behavior
of low carbon Fe–B cast alloy and its microstructures under
different casting process， Tribol. Lett.， 2011， 42， p67-77
[6] H. Qiu， H. Mori， M. Enoki and T. Kishi， Fracture mechanism and
toughness of the welding heat-affected zone in structural steel under
static and dynamic loading， Metall. Mater. Trans. A， 2000， 31，
p2785 2791.
关键词：硼化物；冲击韧性；显微组织；铈
中图分类号：TG113.25 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）33-0203-02
Fe-B合金具有耐磨性优良、合金消耗少，铸造工艺简单和生产成本低等优点[1]。此外，Fe-B合金的冲击韧性和断裂韧性高于白口铸铁[2]。Fe-B合金在高强度冲击工况下的应用有助于减少耐磨材料的消耗[3]。然而， 在Fe-B合金中存在许多粗大的共晶硼化物，抑制了Fe-B合金强度和韧性的发挥。本研究针对铈元素对Fe-B合金组织和韧性的改善开展。
1 实验方法
1.1 Fe-B合金的熔炼与铸造
Fe-B合金在10kg中频感应电炉中熔炼。生铁和废钢是主要的炉料。采用铁合金Fe-61.5 wt.%Cr、Fe-65.8 wt.%Mn、Fe-75.3wt.%Si和Fe-16.1wt.%B等来调整Fe-B合金中B和Cr等元素的含量。Fe-B合金在1 610 ℃经Al丝脱氧后倒入浇包中静定，浇包中提前放入Fe-39.4 wt.%Ce-24.2 wt.% Si合金，待合金温度降低至1 480 ℃时浇入沙箱。Fe-B合金试样经1 050℃保温4 h后水淬，然后在180 ℃保温4 h进行回火。Fe-B合金成分，见表1。
1.2 显微组织、硬度、冲击韧性分析方法
Fe-B合金在砂箱中浇铸成六根尺寸为20 mm×20 mm×120 mm的长方体试样。在距离长方体试样底部40 mm的位置切取金相试样，试样尺寸为20 mm×20 mm×10 mm。金相试样表面需先抛光，然后在5vol.%硝酸酒精溶液中腐蚀后进行组织观察。显微硬度的测量在未经腐蚀的金相面上进行。
采用X射线衍射仪、光学显微镜、显微硬度仪、扫描电子显微镜对合金的组织形貌进行分析。采用徕卡图像分析仪和面积法[4]在深腐蚀后的金相中测量每平方毫米内的晶粒个数na。在50倍放大条件下，每个试样选取20个视场来测量na。
选用1 470 N载荷来测量洛氏硬度，测量结果为10个测量值的平均。冲击试验机的冲击能量为300 J，跨距设置为70 mm。无缺口冲击试样的尺寸为20 mm×20 mm×110 mm，以三根试样的平均值作为测量结果。
2 试验结果分析
2.1 Fe-B合金凝固组织分析
C0与C1合金的组织形貌，如图1所示，表2列出C0与C1合金的na值。依据图1和表2可知，相对于C0合金，含有铈元素的C1合金具有更高的na值和更细化的组织。XRD分析结果证明硼化物为Fe2B，如图2所示。显微硬度分析结果表明，Fe-B合金基体组织由白色铁素体和黑色珠光体组成，见表2。
2.2 Fe-B合金热处理组织分析
C0与C1合金的热处理组织，如图3所示。显微硬度测试（表2）证明共晶硼化物和基体组织分别为Fe2B和马氏体[5]。C0合金中仅有少量的硼化物出现断网（图3a），然而，在C1合金中出现了更多的短杆状和球状硼化物（图3b中的红色箭头）。这些结果证明，铈元素有助于共晶硼化物细化，使其在热处理过程中更容易断网。
2.3 Fe-B合金硬度和冲击韧性
C0与C1合金硬度及冲击韧性列于表2中。表2表明，铈元素的添加可以提高合金的硬度，而晶粒细化是硬度提高的根本原因。与此同时，含铈元素合金的冲击韧性高于普通合金，原因在于，在C0合金中网状硼化物粗大（图3a），裂纹容易在粗大硼化物周围萌生和扩展，冲击韧性值较低。相对而言，C1合金中硼化物细小、分散（图3b），基体的连续性较好抑制了裂纹的扩展，冲击韧性值较高[6]。
3 结 语
本研究结果表明，Fe-B合金中添加铈元素可细化奥氏体和共晶硼化物组织，细化的硼化物更容易在热处理的过程中断网，进而使合金的硬度和冲击韧性提高。
参考文献：
[1] H.G. Fu， and K.H. Hu， High boron cast iron base anti-wear alloy
and its heat treatment method， Chinese patent， CN1624180-A，2004.
[2] H.G. Fu， and Z.Q. Jiang， A study of abrasion resistant cast Fe B C
alloy， Acta Metall. Sinica， 2006， 42， p545–548
[3] H.G. Fu， A study of high boron cast steel hammer， Foundry，2006，
55，p292 295
[4] Chinese National Standard， GB/T 6394 2002. Metal methods for
estimating the average grain size， Manual of Chinese National
Standard， Beijing， Bureau of Quality Supervision， Inspection and
Quarantine， 2002.
[5] D.W. Yi， J.D. Xing and S.Q. Ma， Three-body abrasive wear behavior
of low carbon Fe–B cast alloy and its microstructures under
different casting process， Tribol. Lett.， 2011， 42， p67-77
[6] H. Qiu， H. Mori， M. Enoki and T. Kishi， Fracture mechanism and
toughness of the welding heat-affected zone in structural steel under
static and dynamic loading， Metall. Mater. Trans. A， 2000， 31，
p2785 2791.