硼在调质钢中的作用是可通过极微少的有效含量就可以显著提高钢的淬透性,其效果是一般合金元素的几百至上千倍｡钢中加入微量的硼就可以取代大量的Mn､Cr､Mo等的合金元素,提高钢的淬透性,具有十分显著的经济效应｡

但含硼钢是很难冶炼且性能波动*大的钢种,同样硼含量的含硼钢,其淬透性可能相差甚远,从而导致材料性能波动较大｡这主要是因为硼在钢中的存在形式对钢材的性能有十分重要的影响。一般来说,硼元素以固溶硼､氮化硼､氧化硼､铁硼渗碳体､铁硼酸化合物等多种形式存在。但只有以间隙式或置换式固溶硼存在时,才会提高钢材的淬透性,而以其他形式存在均对钢的淬透性无益｡本文以铬锰钼系含硼调质钢为载体研究了硼含量对含硼钢淬透性的影响｡

02实验材料和方法

实验采用的含硼钢以中低碳含量为基础的化学成分,添加合金元素Mn､Cr､Mo和B等以满足性能要求。实验用钢均采用50kg真空感应炉冶炼,为保证钢中硼元素的有效含量,冶炼过程中Al､Ti､B合金严格按照先加铝充分脱氧后再加钛固氮,*后加硼的顺序添加｡实验钢的主要冶炼成分见表1, 1~5号样品的区别主要在于硼含量不同,同时4号试样加入了Nb､V两种合金元素｡

利用光电直读光谱(OES)､电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES),电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定样品中总硼含量及酸溶硼（Bsol）含量｡

制备镶嵌样品,使用4%(体积分数)硝酸酒精溶液对样品表面进行腐蚀,对样品表面进行喷碳处理,采用10%(体积分数)硝酸酒精溶液对试样进行萃取复型,利用JEOL JEM2100透射电子显微镜(TEM)对典型试样的微观组织进行观察｡

03实验结果及讨论

3.1酸溶硼与有效硼
表2为1~5号试样通过光电直读光谱､电感耦合等离子体发射光谱,电感耦合等离子体质谱测定的硼含量表｡

钢中的总硼是由酸溶硼和酸不溶硼组成,酸不溶硼由氧化硼及氮化硼组成,其余硼的存在形式均为酸溶硼｡检测结果表明,使用ICP-MS测定的酸溶硼含量精度较高,且酸溶硼含量占总硼含量的50%~60%｡

3.2酸溶硼与淬透性
端淬试样的淬透性硬度曲线图见图1。1~5号端淬试样的硬度从J1.5的56HRC~57HRC,降至J50为50HRC~52HRC（J后数字代表距末端距离,mm）。整体硬度下降幅度不超过7HRC,淬透性表现良好｡

从图1可知,1~5号试样淬透性曲线均由3部分组成。第1部分为下降区,由试样末端开始向内至一定距离淬透性曲线单调下降,不同硼含量的样品表现出的淬透性区别较小;第2部分为过渡区,距末端一定距离,J11开始某些样品的硬度值出现大幅下降,曲线出现拐点,且该区域不同硼含量的样品表现出淬透性的明显不同;第3部分为稳定区,J40以后,整体硬度较低,且不同硼含量样品的硬度值表现出明显的无规律波动｡
由图1可以看出,1~5号试样的淬透性曲线差别在于第2部分的过渡区。因酸溶硼含量的不同,淬透性曲线发生明显的变化｡对比1~5号试样的淬透性曲线,随着有效硼含量的上升,淬透性曲线明显上移,钢的淬透性随着硼含量的增加而增强,当Bsol质量分数为0.0003%时(即1号试样),淬透性曲线过早地出现了拐点,使1号样在J11时的硬度值就开始下降,淬透性降低｡

3.3显微组织与淬透性
钢的淬透性可以通过淬透性曲线来反应,同时也可以通过金相显微镜来观察其组织变化｡

( a ) ( c ) ( e )为1号样距末端11､ 40､ 50 mm处的显微组织;
( b ) ( d ) ( f )为5号样距末端11､ 40､ 50 mm处的显微组织｡
图2.实验钢端淬试样的显微组织
图2为1号､5号端淬样品的金相组织｡图2(a)､(b)分别为1号和5号样品距末端11mm处的金相组织。1号样品有少量贝氏体(B)出现(如图2(a)标记处),5号样品组织为马氏体(M),结合图1的淬透性曲线,1号样品在J11附近出现硬度的明显下降。由此可见,金相组织的变化与淬透性曲线拐点出现位置基本吻合｡图2(c)､(d)为1号样品和5号样品在距末端40mm处的金相组织,1号样品和5号样品组织同样为马氏体加贝氏体且均出现了少量的铁素体(F),结合图1金相组织变化与淬透性曲线过渡区与稳定区的第2个拐点位置基本吻合｡图2(e)､(f)分别为1号样品和5号样品在距末端50mm处的金相组织,可见2个样品组织均为马氏体+贝氏体+铁素体,结合图1的第3区域无规律的硬度波动,主要为测试点的位置不同引起的波动｡

硼提高淬透性的作用机制一般是硼原子在奥氏体中偏聚在晶界上,降低了晶界能量,抑制了先共析铁素体及珠光体的形核,延长了奥氏体分解的孕育期,使临界冷却速度减少,从而增大了淬透性｡而在图2过渡区J11､J40中,可以明显地看到Bsol含量更高的5号试样中贝氏体和铁素体较少。而在1号试样中,在J11处便有贝氏体的出现,这主要是因为奥氏体转变成铁素体､珠光体和贝氏体的gh速度取决于核心生成速度和核心长大速度。加入硼元素后,会显著降低核心的生成速度,从而会提高淬透性｡而在稳定区中,J40以后的试样都已经出现了贝氏体和铁素体,而硼元素对核心长大速度影响较小。在这个区域内,硼元素起的淬透性效果有限｡因此,实验结果进一步验证了硼元素对实验钢所表现的淬透性效果仅在一定的区间内(J11~J40)作用明显｡

04分析与讨论

从图1的1号~5号的端淬曲线特点可知,Bsol主要影响淬透性曲线的过渡区。因此,从图3可以发现,酸溶硼与试样淬火端不同位置的硬度关系在过渡区(J11~J30)与稳定区(J45~J50)表现出的规律完全不同｡

在过渡区,硬度值随着Bsol含量的升高而升高,而在稳定区,硬度值并不随酸溶硼变化而变化,呈现出无规律的波动状态｡因此,硼元素在锰铬钼系含硼调质钢中所表现的淬透性效果,在末端淬火试样上,在过渡区间内的作用更加明显,对实验钢,这一区间从J11开始,到J40结束｡到了J45以后,硼提高淬透性的作用减弱｡因此,使用材料时,应根据材料尺寸等淬透性深度的要求,来控制硼元素的含量｡

在过渡区中,从图3内J11､J30的曲线上看到,随着Bsol含量的升高淬火试样的硬度升高,且曲线均在第3个点即Bsol质量分数为0.0012%时,硬度均达到*高。当Bsol质量分数继续增加到0.002%时,其硬度值并未出现进一步的提高,表示其淬透性并未进一步提升,因此,当Bsol质量分数为0.0012%时,其在过渡区中起到的淬透性效果*佳｡有研究表明,在亚共析钢中,有效硼质量分数为0.0010%时,硼的淬透性作用*大,且各种碳含量情况下,*大淬透性作用的有效硼含量是相同的｡而本研究发现,当Bsol质量分数为0.0012%时,淬透性达到*好。这与资料显示的有效硼*佳成分区间十分接近。因此,对不添加其他合金元素的锰铬钼系含硼调质钢来说,用Bsol含量来判断钢的淬透性是有效的｡

同时,过渡区J11､J30在曲线上第4个点的硬度都出现了突然下降,即Bsol质量分数为0.0013%的4号试样｡而4号试样添加了Nb､V两种合金元素,易与硼元素形成含硼的析出相。4号样品测定的Bsol质量分数为0.0013%中,不仅包括有效硼,还包含很多含硼析出相,其酸溶硼中的有效硼含量要少于其他样品,从而4号试样在过渡区的硬度会发生显著下降,出现淬透性降低的现象｡因此,钢中添加了合金元素如V､Nb等,会降低酸溶硼中有效硼的占比,进而会影响以酸溶硼含量来判断淬透性的准确性｡

05结  论

(1)在末端淬火试样上,硼元素所表现的淬透性效果仅在一定的区间内作用明显,对锰铬钼系含硼调质钢来说,硼主要影响淬透性曲线的过渡区,在过渡区中,淬透性随硼含量增加而先增加后降低,当硼含量在0.0020%,酸溶硼质量分数在0.0012%附近,其淬透性效果*佳｡

(2)对不添加其他合金元素的锰铬钼系含硼调质钢来说,用酸溶硼含量来判断钢的淬透性是有效的,且在冶炼过程中铝､钛､硼合金严格按照先加铝充分脱氧后再加钛固氮,*后加硼的顺序,*终得到的酸溶硼含量占总硼含量的比值为50%~60%｡

(3)如含硼调质钢中添加了合金元素如V､Nb等,则易形成含硼析出相,因此会降低酸溶硼中有效硼含量的占比。对这类型钢来说,使用酸溶硼含量来判断淬透性会产生较大的误差｡