淬火冷却方式对高硼中碳合金组织和高温磨损性能的影响

　　作为一种高性能低成本的耐磨材料，高硼铁基合金在替代镍硬白口铸铁和高铬铸铁等方面具有较大的工程意义[1-2]，目前在破碎机锤头、球磨机衬板、磨球和高速钢轧辊的应用均有研究并取得了良好的效果和经济效益[3-6]. 因此对其热处理的研究也较深入，Fe-Cr-B系铁基合金在Ar1温度以上通过循环热处理，二次相有较明显的变化[7-8]，高硼铸钢在900～1100℃淬火可以得到板条马氏体，随淬火温度提高机械性能和磨损性能也相应提高[9-10]，通过变形及热处理结合的手段可使硼碳化合物网断开甚至可将其球化，硬度也明显提高[11]，然而普通热处理很难改变高硼铁基合金中二次硼化物和硼碳化合物的分布[12]. 高硼铁基合金的高温磨损过程也较为复杂，其基体和硼碳化合物硬质相在硬度和抗氧化性能上相差很大，导致局部氧化膜的生成和硬质相断裂形成大尺寸的磨粒，因此大磨粒则会使摩擦接触表面状态恶化，加剧切削作用及剥层磨损，材料的磨损方式发生了改变，耐磨性与硬度之间的关系变得复杂化而不再是原有的线性关系[13-14]. 由于淬火冷却方式与高硼铁基合金组织转变的关系还有待研究，且目前对高硼铁基合金室温磨损性能的研究较为常见，而高温磨损的研究较少，因此本文通过研究高硼中碳合金空冷、油冷和水冷的淬火组织、硬度和高温摩擦磨损性能来探讨其淬火冷却方式与组织转变和高温磨损性能的关系

　　1 实验部分

　　表1为试验高硼中碳合金的化学成分，采用100kg中频感应炉熔炼，待废钢、生铁熔化后除去金属液上部的熔渣并加入铬铁、钨铁、钼铁和钒铁，当温度达到1500℃，加入铝丝脱氧后加入经300℃烘烤约1h的硼铁. 出炉温度1500～1550℃，浇注温度1430～1480℃，在砂型中浇注成基尔试块. 试样的热处理为1000℃ 保温30min 后分别采用空冷、油冷和水冷3种方式冷却淬火，500℃回火保温2h. X射线衍射分析的开始角为5.0°，结束角90°.用Leica图像分析仪观察组织，维氏硬度在400倍显微下测试，载荷为2N，通过ImageJ软件分别计算7 张500倍的金相照片并求平均值来得到硼碳化合物的体积分数.

　　磨损试验在MMU-5G屏显式材料端面高温摩擦磨损试验机上进行，摩擦磨损试样尺寸Φ4mm×15mm.盘试样为Cr12MoV模具钢，经1020℃油淬和500℃保温3h，硬度为HRC49，表面粗糙度Ra为1.6μm. 磨损时间30min，载荷300N(即接触应力7.96MPa)，滑动速度0.12m/s，磨擦半径r为11.5mm，磨损温度500℃. 试样磨损前后均用酒精在超声波清洗机清洗，在精度为0.1mg的光电天平上测定磨损的质量，磨损性能直接用每种试样3次磨损失重的平均值Δm来衡量. 磨损形貌在S-3400N型扫描电子显微镜上结合能谱观察. 计算试样磨损后可观察到的氧化剥落和微观切削、犁沟面积占摩擦总面积的百分比时，先分别取试样连续视野中5 张500倍的BSE形貌照片，用Photoshop中的套索、魔术棒等工具将氧化剥落区(或犁沟、切削区)全部选出，再用橡皮擦工具将其余的区域全部擦除，然后将图片处理为黑白两部分并用ImageJ软件计算各面积的百分比.