硼元素对钢性能的影响及其的测定方法

硼元素对钢性能的影响及其的测定方法

前言：硼作为一种合金元素在钢中应用的时间并不长最早把硼作为合金元素的工业化应用是在1934年，目的是为了增加钢的淬透性。人民研究发现微量的硼就可以极大的提高钢的淬透性，而其他贵重元素如铬、镍、锰等要达到同样的效果则其含量必须是硼的含量的几十倍甚至上百倍。硼作为提高淬透性合金元素，在钢中的含量较低，一般低于30X10-6（质量分数）。当硼的质量分数超过0.01%时，组织中出现硬脆的硼化物，此时的钢的韧性较低。因为硼是地壳中含量相对丰富的一种元素，将其作为合金元素来应用，可以大量节省贵重元素，对工业生产和国防建设都有积极的意义。

摘要：硼铁基合金，淬透性，硼耐热钢，溶解度，硼钢淬透性，热稳定性

1.硼铁基合金是一种新型的耐磨材料。

目前对含碳化物耐磨相的耐磨材料的研究较多，但是对含硼化物耐磨相的耐磨材料的研究相对较少。对此种材料的基础研究，也是期望能够在耐磨性能不下降的情况下，减少贵重元素的假如，降低材料成本。此种材料的设计思路是将钢中硼的质量分钟控制在0.5%~3.8%之间，由于硼在铁中的溶解度极低（硼在α-Fe中的溶解度小于0.0004%，在γ-Fe中的溶解度也只有0.02%）所以加入的硼大多行程硼化物，硼化物具有非常高的硬度（如硼与铁生成的Fe2B硬度为HV1400~1500）和热稳定性，因此是良好的耐磨相。同事通过调节碳含量来控制集体的组织和性能，从而获得一种综合性能良好的耐磨材料。

以微量硼作为合金元素、借助其提高淬透性的作用而改善钢的性能和节省合金元素的一种合金结构钢。故此，一般说它不包括利用硼的其他一些性能的含硼耐热钢、不锈钢、原子能用钢等。

简史大约在1921年第一次发现硼在钢中的淬透性效果；到1935年左右在实际生产中验证了硼的这种作用，并找到加硼的正确方法；1937年硼钢正式进入工业生产和实际应用阶段。2硼钢的生产和研究至今已经有60余年的历史，大致可分为三个阶段。

2.1 1937年至50年代末为蓬勃发展的早期。由于二次世界大战的爆发，资源供应紧张，使硼钢生产迅速增加。二次世界大战结束后有关硼钢的研究工作蓬勃地展开，到50年代初达到高潮。

2.2 60年代初至70年代初为相对静止的中期。由于硼钢淬透性波动大，难以掌握，影响钢材的性能和应用，动摇了人们对硼钢的信心，所以硼钢的生产、应用和研究的发展速度都大大降低了。

2.3 70年代之后为再度繁荣的近期。一方面由于世界性的资源紧缺：各类钢(特别是不锈钢、耐热钢、工具钢等)广泛应用的合金元素镍、钼供应一直十分紧张，铬资源也存在潜在危机；另一方面是由于科学技术的发展，先进设备、仪器的应用，为硼钢存在问题的解决提供了有利的条件。本身具备的优势，加上客观条件的辅助，所以硼钢得以走出低谷，重新进入一个活跃的发展阶段。

3.合金元素的作用

3.1 硼的作用硼是硼钢中最重要的合金元素。

它的最主要的作用是提高钢的淬透性，因而可以增大钢材的可淬透尺寸，或者提高淬火后钢材截面内组织和性能的均匀性。关于硼提高淬透性的机理已经提出多种说法，其中比较一致的认识是：由于硼推迟了铁素体的生核过643perIg硼程(但并不影响奥氏体或铁素体基体的热力学性能，也就是说硼可以降低铁素体的生核速率，但并不影响其长大速率以及珠光体和马氏体的形成速度)而提高钢的淬透性。各种机理的差别在于硼通过什么方式推迟铁素体的生核速率，这其中有：硼原子的偏聚降低奥氏体晶界能、硼降低铁在奥氏体晶界的自扩散能力、硼原子偏聚减少生核位置、M23(B，C)6硼碳化物的作用等等学说。对硼提高淬透性的机理各国学者已经进行了大量的研究，即使在目前仍在不断地进行着。

3.2硼提高淬透性的作用具有许多不同于其他合金元素的特点。

主要有：(1)提高淬透性的能力极强。0.0010％～0.0030％硼的作用可分别相当于0.6％锰、0.7％铬、0.5％钼和1.5％镍，因此其提高淬透性的能力为上述合金元素的几百倍乃至上千倍，故此只需极少量硼即可节约大量的贵重合金元素。

(2)具有最佳含量而且此含量极小。一般合金元素提高淬透性的效果随其在钢中含量增加而增长，但硼却有一个最佳含量(范围)，过多或过少均对提高淬透性不利，而且此量很小，约为0.0010％，一般控制在0.0005％～0.0030％。

(3)硼的淬透性效果与钢的成分有关。普遍认为钢中的碳和合金元素含量提高，硼提高淬透性的作用则下降。所以低碳、低合金钢中硼的淬透性效果最显著。硼淬透性系数fB与钢中碳含量关系的经验公式之一为fB=1+1.5(0.9-C)。

(4)硼的淬透性作用与奥氏体化条件有关。早期的研究表明两者间存在特殊关系，即在某一特定奥氏体化温度下硼的淬透性效果最佳；温度再升高，尽管奥氏体晶粒长大，硼的淬透性效果反而下降。但是近来亦有一些研究发现，以钛固定氮的硼钢在一定的奥氏体化温度范围内淬透性几乎没有变化。这些现象都与一般合金元素的淬透性效果与奥氏体化温度的关系不同。

（5）其他合金元素的作用除硼外，硼钢中还经常加入一些其他合金化元素，如硅、锰、铬、钼、铌、钒等，目的是进一步改善钢的淬透性及其他一些性能，如强度、韧性、回火脆性、疲劳性能、耐蚀性等。钼可大大加强硼的淬透性作用，二者具有复合作用，特别是当钼、硼含量配比合适时可使钢在相当宽的冷速范围内经空冷得到贝氏体组织。钼一硼系贝氏体钢就是根据这一现象设计出来的。钢中的铌处于固溶状态下与硼具有一定的复合作用，对奥氏体转变产生强烈的抑制作用。铌一硼的这种作用在控制轧制、直接淬火的钢中已经被利用。

4 生产工艺硼钢的生产工艺具有一系列特点，必须对冶炼、加工及热处理工艺给予注意，才能保证使硼钢获得理想的组织和性能。

4.1 冶炼由于硼的化学性质极为活泼，很容易与钢中的氧、氮结合，使硼失去作用，而且钢中的硼含量又极少，所以在硼钢的冶炼中如何保证稳定地获得适量的酸溶硼而且均匀地分布在钢中是非常重要的。

硼钢可以用电炉、转炉冶炼。为了保护硼，在加硼前应先行加入与氧、氮结合力比硼更强的铝、钛、锆等，即先加铝脱氧，再加钛等定氮，最后向炉中或钢包中加入硼，这就是所谓的经典法。也可将含有硼和铝、钛、锆、锰、硅等多种保护元素的复合硼铁合金一次加入。常用的一种复合合金的成分(质量分数)是：20钛、13铝、4锆、8锰、5硅、0.5硼，余为Fe。

但是用钛定氮保护硼形成的TiN也很容易使钢的韧性、疲劳性能甚至机加工性能变坏。而且TiN很稳定，一旦形成就几乎不再变化，难以进一步起到平衡、稳定酸溶硼含量的作用，所以日本的土生隆一、法国Urgine厂都研究了只用铝不用钛的保硼冶炼方法，实际应用效果很好。