硼元素含量對調質鋼淬透性的影響

來源：津鈉儀器（上海）有限公司 2025年07月30日 08:02

01前言

調質鋼是指經過調質處理后的碳素結構鋼或中低合金結構鋼，采取包括淬火加高溫回火熱處理方式，以獲得回火索氏體，碳含量大多在0.25％～0.5％之間。調質鋼具有良好的綜合機械性能，有較高的強度，良好的塑性和韌性。調質鋼大量應用在各類機械結構中，是結構鋼中使用*廣泛的一類鋼。如柴油機連桿和連桿螺栓及曲軸、汽車半軸、機床主軸等。

津鈉光譜儀

鋼材高溫回火后的空冷

近年來隨著中國工程機械行業的快速發展,工程機械產品如起重機､挖掘機､裝載機等裝備的生產每年都在高速增長,對大型工程機械用鋼的需求也在不斷增加｡而含硼調質鋼以其合金成本低､力學性能優良等特點在工程機械行業中得到了廣泛應用｡

硼在調質鋼中的作用是可通過極微少的有效含量就可以顯著提高鋼的淬透性,其效果是一般合金元素的幾百至上千倍｡鋼中加入微量的硼就可以取代大量的Mn､Cr､Mo等的合金元素,提高鋼的淬透性,具有十分顯著的經濟效應｡

但含硼鋼是很難冶煉且性能波動*大的鋼種,同樣硼含量的含硼鋼,其淬透性可能相差甚遠,從而導致材料性能波動較大｡這主要是因為硼在鋼中的存在形式對鋼材的性能有十分重要的影響。一般來說,硼元素以固溶硼､氮化硼､氧化硼､鐵硼滲碳體､鐵硼酸化合物等多種形式存在。但只有以間隙式或置換式固溶硼存在時,才會提高鋼材的淬透性,而以其他形式存在均對鋼的淬透性無益｡本文以鉻錳鉬系含硼調質鋼為載體研究了硼含量對含硼鋼淬透性的影響｡

02實驗材料和方法

實驗采用的含硼鋼以中低碳含量為基礎的化學成分,添加合金元素Mn､Cr､Mo和B等以滿足性能要求。實驗用鋼均采用50kg真空感應爐冶煉,為保證鋼中硼元素的有效含量,冶煉過程中Al､Ti､B合金嚴格按照先加鋁充分脫氧后再加鈦固氮,*后加硼的順序添加｡實驗鋼的主要冶煉成分見表1, 1~5號樣品的區別主要在于硼含量不同,同時4號試樣加入了Nb､V兩種合金元素｡

利用光電直讀光譜(OES)､電感耦合等離子體發射光譜(ICP-AES),電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)測定樣品中總硼含量及酸溶硼（Bsol）含量｡

將鋼錠鍛造成50mm圓棒材,圓棒在880℃進行毛坯正火,后加工成標準端淬試樣,加熱860℃按GB/T225標準進行末端淬火實驗,然后測量軸向硬度;利用金相顯微鏡沿縱向觀察端淬試樣距末端不同位置的組織變化情況｡

制備鑲嵌樣品,使用4%(體積分數)硝酸酒精溶液對樣品表面進行腐蝕,對樣品表面進行噴碳處理,采用10%(體積分數)硝酸酒精溶液對試樣進行萃取復型,利用JEOL JEM2100透射電子顯微鏡(TEM)對典型試樣的微觀組織進行觀察｡

03實驗結果及討論

3.1酸溶硼與有效硼
表2為1~5號試樣通過光電直讀光譜､電感耦合等離子體發射光譜,電感耦合等離子體質譜測定的硼含量表｡
意大利GNR

鋼中的總硼是由酸溶硼和酸不溶硼組成,酸不溶硼由氧化硼及氮化硼組成,其余硼的存在形式均為酸溶硼｡檢測結果表明,使用ICP-MS測定的酸溶硼含量精度較高,且酸溶硼含量占總硼含量的50%~60%｡

一般來說,硼在鋼中主要以固溶硼(Bs)､氮化硼(BN)､氧化硼(B2O3)､鐵硼滲碳體[Fe3(CB)]和鐵硼酸化合物[Fe23(CB)6]等5種形式存在。其中，氧化硼､氮化硼､鐵硼滲碳體和鐵硼酸化合物均對鋼的淬透性無益,統稱為無效硼｡硼原子融入奧氏體,以固溶硼的形式存在才能提高淬透性,這部分能提高淬透性的硼稱為有效硼｡為了穩定鋼的淬透性能,應控制有效硼含量。

測定結果中的酸溶硼中不僅包括對淬透性有效的固溶硼,還包括硼相､含硼析出相等以其他形式存在的硼｡酸溶硼并不等效于有效硼,但是排除了氧化硼和氮化硼后,使用酸溶硼對鋼材進行淬透性評價比總硼含量更為準確｡

3.2酸溶硼與淬透性
端淬試樣的淬透性硬度曲線圖見圖1。1~5號端淬試樣的硬度從J1.5的56HRC~57HRC,降至J50為50HRC~52HRC（J后數字代表距末端距離,mm）。整體硬度下降幅度不超過7HRC,淬透性表現良好｡
油料光譜儀

從圖1可知,1~5號試樣淬透性曲線均由3部分組成。第1部分為下降區,由試樣末端開始向內至一定距離淬透性曲線單調下降,不同硼含量的樣品表現出的淬透性區別較小;第2部分為過渡區,距末端一定距離,J11開始某些樣品的硬度值出現大幅下降,曲線出現拐點,且該區域不同硼含量的樣品表現出淬透性的明顯不同;第3部分為穩定區,J40以后,整體硬度較低,且不同硼含量樣品的硬度值表現出明顯的無規律波動｡
由圖1可以看出,1~5號試樣的淬透性曲線差別在于第2部分的過渡區。因酸溶硼含量的不同,淬透性曲線發生明顯的變化｡對比1~5號試樣的淬透性曲線,隨著有效硼含量的上升,淬透性曲線明顯上移,鋼的淬透性隨著硼含量的增加而增強,當Bsol質量分數為0.0003%時(即1號試樣),淬透性曲線過早地出現了拐點,使1號樣在J11時的硬度值就開始下降,淬透性降低｡

3.3顯微組織與淬透性
鋼的淬透性可以通過淬透性曲線來反應,同時也可以通過金相顯微鏡來觀察其組織變化｡

( a ) ( c ) ( e )為1號樣距末端11､ 40､ 50 mm處的顯微組織;
( b ) ( d ) ( f )為5號樣距末端11､ 40､ 50 mm處的顯微組織｡
圖2.實驗鋼端淬試樣的顯微組織
圖2為1號､5號端淬樣品的金相組織｡圖2(a)､(b)分別為1號和5號樣品距末端11mm處的金相組織。1號樣品有少量貝氏體(B)出現(如圖2(a)標記處),5號樣品組織為馬氏體(M),結合圖1的淬透性曲線,1號樣品在J11附近出現硬度的明顯下降。由此可見,金相組織的變化與淬透性曲線拐點出現位置基本吻合｡圖2(c)､(d)為1號樣品和5號樣品在距末端40mm處的金相組織,1號樣品和5號樣品組織同樣為馬氏體加貝氏體且均出現了少量的鐵素體(F),結合圖1金相組織變化與淬透性曲線過渡區與穩定區的第2個拐點位置基本吻合｡圖2(e)､(f)分別為1號樣品和5號樣品在距末端50mm處的金相組織,可見2個樣品組織均為馬氏體+貝氏體+鐵素體,結合圖1的第3區域無規律的硬度波動,主要為測試點的位置不同引起的波動｡

硼提高淬透性的作用機制一般是硼原子在奧氏體中偏聚在晶界上,降低了晶界能量,抑制了先共析鐵素體及珠光體的形核,延長了奧氏體分解的孕育期,使臨界冷卻速度減少,從而增大了淬透性｡而在圖2過渡區J11､J40中,可以明顯地看到Bsol含量更高的5號試樣中貝氏體和鐵素體較少。而在1號試樣中,在J11處便有貝氏體的出現,這主要是因為奧氏體轉變成鐵素體､珠光體和貝氏體的gh速度取決于核心生成速度和核心長大速度。加入硼元素后,會顯著降低核心的生成速度,從而會提高淬透性｡而在穩定區中,J40以后的試樣都已經出現了貝氏體和鐵素體,而硼元素對核心長大速度影響較小。在這個區域內,硼元素起的淬透性效果有限｡因此,實驗結果進一步驗證了硼元素對實驗鋼所表現的淬透性效果僅在一定的區間內(J11~J40)作用明顯｡

04分析與討論

從圖1的1號~5號的端淬曲線特點可知,Bsol主要影響淬透性曲線的過渡區。因此,從圖3可以發現,酸溶硼與試樣淬火端不同位置的硬度關系在過渡區(J11~J30)與穩定區(J45~J50)表現出的規律不同｡
直讀光譜儀

在過渡區,硬度值隨著Bsol含量的升高而升高,而在穩定區,硬度值并不隨酸溶硼變化而變化,呈現出無規律的波動狀態｡因此,硼元素在錳鉻鉬系含硼調質鋼中所表現的淬透性效果,在末端淬火試樣上,在過渡區間內的作用更加明顯,對實驗鋼,這一區間從J11開始,到J40結束｡到了J45以后,硼提高淬透性的作用減弱｡因此,使用材料時,應根據材料尺寸等淬透性深度的要求,來控制硼元素的含量｡

在過渡區中,從圖3內J11､J30的曲線上看到,隨著Bsol含量的升高淬火試樣的硬度升高,且曲線均在第3個點即Bsol質量分數為0.0012%時,硬度均達到*高。當Bsol質量分數繼續增加到0.002%時,其硬度值并未出現進一步的提高,表示其淬透性并未進一步提升,因此,當Bsol質量分數為0.0012%時,其在過渡區中起到的淬透性效果*佳｡有研究表明,在亞共析鋼中,有效硼質量分數為0.0010%時,硼的淬透性作用*大,且各種碳含量情況下,*大淬透性作用的有效硼含量是相同的｡而本研究發現,當Bsol質量分數為0.0012%時,淬透性達到*好。這與資料顯示的有效硼*佳成分區間十分接近。因此,對不添加其他合金元素的錳鉻鉬系含硼調質鋼來說,用Bsol含量來判斷鋼的淬透性是有效的｡

同時,過渡區J11､J30在曲線上第4個點的硬度都出現了突然下降,即Bsol質量分數為0.0013%的4號試樣｡而4號試樣添加了Nb､V兩種合金元素,易與硼元素形成含硼的析出相。4號樣品測定的Bsol質量分數為0.0013%中,不僅包括有效硼,還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樣品,從而4號試樣在過渡區的硬度會發生顯著下降,出現淬透性降低的現象｡因此,鋼中添加了合金元素如V､Nb等,會降低酸溶硼中有效硼的占比,進而會影響以酸溶硼含量來判斷淬透性的準確性｡

05結論

(1)在末端淬火試樣上,硼元素所表現的淬透性效果僅在一定的區間內作用明顯,對錳鉻鉬系含硼調質鋼來說,硼主要影響淬透性曲線的過渡區,在過渡區中,淬透性隨硼含量增加而先增加后降低,當硼含量在0.0020%,酸溶硼質量分數在0.0012%附近,其淬透性效果*佳｡

(2)對不添加其他合金元素的錳鉻鉬系含硼調質鋼來說,用酸溶硼含量來判斷鋼的淬透性是有效的,且在冶煉過程中鋁､鈦､硼合金嚴格按照先加鋁充分脫氧后再加鈦固氮,*后加硼的順序,*終得到的酸溶硼含量占總硼含量的比值為50%~60%｡

(3)如含硼調質鋼中添加了合金元素如V､Nb等,則易形成含硼析出相,因此會降低酸溶硼中有效硼含量的占比。對這類型鋼來說,使用酸溶硼含量來判斷淬透性會產生較大的誤差｡

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