VoI．53No．10
OcI．2004
铸适
FOUNDRY
r“—“_一—“。—“1L照划
新型铁基耐磨材料FCB合金
郭长庆1，高守忠2
(1．内蒙古科技大学科学技术研究中心，内蒙古包头014010；2．包钢建安集团机械修造厂．内蒙古包头014010)
摘要：介绍了以高硬度的M2B硼化物为耐磨骨架的新型铁基耐磨材料FcB合金。FcB合金含有O．1％～1．0％B，
0．3％～O．55％C、5％～15％cr和一定量的其它合金元素。该合金可铸造成型和机械加工，其组织形貌与传统的白口
铸铁相似，但是在网状的共晶硼化物M2B周围包裹着一薄层韧性的铁素体，正是这一薄层铁素体可能是使FCB合金
具有优良的耐热冲击性能的真正原因。目前，FCB合金在国外已成功的应用于一些热作模具如轧辊、玻璃瓶模具、铸
铝和铸镁模具以及耐磨备件如泥浆泵叶轮等。FCB合金的主要缺点是韧性不足。
关键词：耐磨材料；FcB合金；成分；组织；性能
中图分类号：TG251．2文献标识码：A文章编号：1001—4977(2004)10—0761—04
NeWFe-baSeWear．reSiStantMateriaIFCBA¨OyS
GUOChang-qin91，GAOSou—zonr
(1．Scientific&TechnoIogicaICentre，TheInnerMongoIIaUniVersityofScIence&TechnoIogy，
Baotou014010，InnerMongolia，China；2．TheRepalringPIant0fConstruction&Erection
CompanyofBaotouIronSteeIGroupCo．Ltd，Baotou014010，InnerMongoI．a，China)
AbStract：Thispaperpresentsanewtype0fFe—basewear·resistantmaterials·FCBa|Ioys．TheaIIoys
cOntain0．1％～1．0％B，0。3％～0．55％C，5％～15％CrandcertainamountsOfotheralIoyingeIe．
ments．F(、f3a¨0ysarecastabIeandmachIneable．TheirmicrostructuresarequitesimiIartothatofthe
fradjtiOnalwhjtecastirOns，buttherejsanarrOwJayerofferrjtejnmafrj_)csurrOundjngtheeu￡ectjcM2B
bOrides，whichisprobabIythereasonwhytheaI|oyshavearemarkabIeresistancetOthermalshock．
TheaIloyshavebeensuccessfuIIyappIiedtOprOducedies，suchasmiIIroller，glassmOufd，casting
mOuIdforaIuminumandmagnesiumcOmponents，and0therwear-resIstantcOnlponents，suchassIurry
impe|Ier．However，aIackoftoughnessisamajordrawbackfortheaIIoys．
KeywOrdS：wea卜resistantmateriaIs；FCBaIIoys；compos…ons；microstructures；properties
铁基耐磨材料可分为两大类。一类是组织中含有
大量的、粗大的、高硬度的硬质相(≥5％体积分
数)；另一类是组织中没有或只含有少量的硬质相。
由于硬质相的耐磨性高于基体，所以硬质相自然成为
耐磨材料的耐磨骨架。传统的自口铸铁是这类耐磨材
料的典型代表。在白口铸铁中，组织中含有约10％
体积分数的M3C型或M7C型碳化物。因为M3C或
M，C型碳化物具有高硬度，因而白口铸铁具有高耐
磨性。在铁基耐磨材料中，目前发现的可以作为耐磨
骨架的硬质相主要有碳化物和硼化物两大类。目前，
人们对以碳化物作为耐磨骨架的铁基耐磨材料研究的
较多，而对于以具有更高硬度的硼化物作为耐磨骨架
的铁基耐磨材料却研究的很少。究其原因是以往的
研究结果表明，在钢铁材料中如果含硼量较高(≥
O．01％)将会在晶界处形成脆性的硼化物，使得材料
的韧性显著地降低。
1990年澳大利亚昆士大学(TheUniversityof
Queen文and)材料系的Lakeland研究员提出了用高硬
度的硼化物作为铁基耐磨材料的耐磨骨架的新设想。
他认为硼在铁中的溶解度极低，只有0．0004％～
0．008％(I】。所以。加入铁中的硼大部分形成了硼化
物，只有微量的硼固溶于基体中。与硼不同，碳在铁
中的固溶度要比硼高的多。在铁素体中碳的溶解度达
0．0218％，而在奥氏体中碳的溶解度可达2．11％。
因此，可以通过控制硼含量来控制硼化物硬质相的体
积分数和通过控制碳含量实现控制基体碳含量，进而
控制基体的性能。基于这样的分析，I．akeland于
1900年至1993年在实验室探索了实现这一设想的可
能性。在此其间，他做了大量的实验，最后优化出了
FCB合金的化学成分，并进行了相应的性能检测【2】。
实验发现FCB合金不但具有高耐磨性，而且硬度可
在很大的范围内变化(HRC22～62)。也许最令人感
兴趣的是FCB合金具有良好的耐热冲击性能【2J。
1995年，I。akeland公布了实验结果并开始与澳大利
亚其它大学和研究机构的研究人员共同探索F(：B合
金在工业领域的应用。令人鼓舞的是FCB合金先后
在玻璃瓶模具、轧辊和泥浆泵叶轮上取得了成功，并
获得了令人满意的结果【3j。目前FCB合金正在被用
收稿日勰l2004m3．3l收到初穰．2∞4√皓渤收弼惨订稿。作者简介：郭长庆(1962一)．男．内蒙古包头市人．教授，主要从事金属材料方面的研究。电话：04弦5951648。Bmn：g∞ch蛳醉r掘@126．姗
万方数据
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来制造铸铝和铸镁模具【引。本文就FCB合金的成分、
组织、性能特点和FCB合金目前的实际应用状况进
行了简要的介绍，目的是使这种新型耐磨材料能够在
我国获得应用，使之服务于国家的经济建设。
1FCB合金的成分特点
FCB合金的化学成分见表1。由表l可知。FCB
合金的含碳量在中碳钢的范围内，严格的讲应将
FcB合金称之为FCB钢。但由于FCB合金的组织与
白口铸铁非常相似，所以，称之为FCB合金更为合
适。
FCB合金因为具有钢的特性，所以与其它铁基
合金一样可以采用传统炼钢方法进行冶炼，即可以在
电弧炉中冶炼，也可以在中频感应电炉中熔炼。另
外，由于硼能够显著降低铁的熔点，改善钢液的流动
性f5J，所以FCB合金具有良好的铸造性能，可以采
用目前的各种铸造方法成形。
表lFCB合金的化学成分
TabIe1Thechemi姐IcOmp髑itiO惦ofFCBaIlO”
2FCB合金的组织特点
2．1FCB合金的铸态组织
图1示出了FCB合金的铸态组织。由图1可知，
FCB合金的组织由树枝状基体和在基体间分布的连
续、粗大的共晶体组成。研究发现树枝状基体为马氏
体，含有很少量的残余奥氏体(≤1％体积分数)【引。
在基体的中心部位有时可以发现1～2粒比较粗大的
呈球状的碳硼复合物(bor小carbide)和不规则形状的
硼化物硬质颗粒【引，如图1b所示。粗大的、呈片状
的共晶硬质相主要为M2B硼化物，具有正交晶系晶
体结构，其中M代表溶入硼化物中的合金元素如
Fe、Cr、Mo、Ni、v和Nb等。除了粗大的M2B硼
化物外，在晶界处还存在一种少量的、细小的富钼共
晶硼化物，如图1b箭头所指。共晶硼化物在三维空
间中构成了一个连续的、比较完整的网络，如图2所
示。所以，FCB合金的耐磨性优良，韧塑性较差。
¨)
图lH、B合金的铸态组织形貌
Fig．1，rhe晡呲呶u咖础泓喃b如时ol峥cas【Fe-cr-B曩l蛔s
2．2合金元素对FcB合金组织的影响
合金元素对FCB合金组织形貌有着非常重要的
影响。增加碳含量，特别是增加硼含量，共晶硼化物
体积分数将会显著增加。例如，将FCB合金的碳含
量由0．35％增加至o．55％时，FcB合金的共晶硼化
物的体积分数将增加约3％，如果继续增加碳含量，
相应的共晶硼化物中将会出现M2(CB)碳硼复合
物；而将FCB合金的硼含量由0．6％提高至0．896
时，FCB合金的共晶硼化物的体积分数将增加约
6％HJ。共品硼化物的增加主要表现在共晶硼化物变
得更加粗大和在空间分布的连续性进一步加强。
图2FCB合金的共晶硼化物的空I司形貌
Fig．2Thespat湖morphologyofeutecticM2BborideSinFCBauoys
2．3回火处理对FcB合金组织的影响
回火对FcB合金的组织影响规律总的来说与高
铬铸铁相似。当回火温度高于450℃时，在FCB合金
的基体上开始析出细小、弥散的M3(cB)、M7
(CB)和M23(CB)碳硼复合物。随着回火温度的升
高，这些二次析出物量也增加。继续升高回火温度，
碳硼复合物开始聚集长大。并且碳硼复合物中№
(CB)和M23(CB)的量有所增加，而M3(CB)的量
有所下降；在450℃以上回火时，延长回火时间对二次
析出物影响与升高回火温度有着相似的影响效果【4J。
然而，回火对FCB合金组织的影响有着与高铬
铸铁和通常的淬火钢不同的方面。在450～650℃之
间回火时。如果延长回火时间，会在共晶硼化物的附
万方数据
铸造郭长庆等：新型铁基耐磨材料FcB合金
近区域产生一个狭窄的白亮色的铁素体无析出物区，
如图3b所示【4J。当无析出物的铁素体区面积达到一
定的程度后，继续延长回火时间对无析出物铁素体区
的面积没有影响。在FCB合金中产生这种现象被认
为是固溶硼在回火期间由晶内向晶界发生了平衡偏
聚，结果将晶界处的碳向晶内排挤。形成了一个在共
晶硼化物附近狭窄的铁素体无析出物区【4J。
(b)550℃，30h
图3回火对FGcB合金组织的影响
Fig．3TheeffectoftemperingonmicrostructureofFCBalloys
2．4奥氏体化温度对FcB合金组织的影响
奥氏体化温度低于1150℃时对FCB合金的组织
的影响不明显。当奥氏体化温度高于1150℃，并且
长时间保温(≥6h)时，M2B共晶硼化物网络开始
断裂，向着近似球状的大颗粒转变。这些大颗粒的
M2B硼化物最后均匀的分布在基体上，如图4所示，
图4奥氏体化温度对FCB合金组织的影响
(1200℃／6h后空冷，550℃／4h回火)
Fig．4TheeffectofaustenjtizingtemperatureonmicroStructure
ofFCB“oys(aust朗itizingat1200℃for6hours，“bwed
byooolInghairandthent哪peringat550℃for4hours)
这样的组织实际上与球墨铸铁组织非常相似。显然，
高温处理有利于改善FCB合金的韧性。然而，由于
FCB合金中含有大量低溶点的硼，合金的溶点也较
低，故在高温加热时工件变形强烈。所以，实现高温
球化M2B共晶硼化物来提高合金的韧性具有很：k的
难度，通过像高铬铸铁那样的变质处理方式来改变共
晶硼化物的形态应是今后的研究方向。
2．5冷却速度对FcB合金组织的影响
冷却速度对FCB合金的基体组织的影响与传统
的铁基合金不同。奥氏体化后，随着冷却速度的降
低，在M2B共晶硼化物附近的白亮色铁素体区的面
积增大，同时基体中心部位析出的细小的碳硼复合物
的密度增加，如图5所示。在FCB合金中产生这种
现象被认为是降低冷却速度有利于固溶硼在冷却过程
中向晶界非平衡偏聚的发展，加剧了硼由晶界向晶内
排挤碳，致使基体中心部位的碳浓度升高。结果：二次
碳硼复合物的析出量增大【4J。所以，控制奥氏体化
后的冷却速度是控制FCB合金组织的有效手段。
(a)水冷
(b)炉冷
图51050℃奥氏体化后不同的冷却速度对FCB合金基体组织的影响
Fig．5Theeffectofoo。UngrateonmicrostructureofFCBallaysIlfter
ausentitizingat1050℃for1．5h。urs
3FCB合金的性能特点
由于共晶硼化物呈连续、网状分布，所以FCB
合金的韧性较差，与高铬铸铁非常相似，如表2所
示。然而，FCB合金的性能却有与高铬铸铁完全不
同的方面。高温回火能将高硬度的FCB合金的硬度
降至HRC22，这为机械加工FCB合金零部件提供了
可能；另外，FcB合金具有很强的耐热冲击性能。
表3给出了将FCB合金试样与常见的一些铁基材料
分别加热至650℃和950℃保温15min后淬入室温的
万方数据
·764·Oct．2004FOUNDRYVoI，53No．10
水中测得的开始产生裂纹和裂纹产生后裂纹的扩展长
度与热循环次数的结果。可见，FCB合金具有优良
的抗开裂性和抗裂纹扩展性能。FCB合金的这一特
性被认为是组织中韧、塑性优异的无析出物铁素体区
包裹住了脆性的共晶硼化物，从而吸收了在淬火过程
中产生的各种应力，并且抑制了裂纹从脆性的共晶硼
化物处产生和扩展的结果【41。
表2FCB合金的力学性能
TabIe2ThemechanicaIpropeni幅ofFCBaIIoys
钆／MPa口。／MP89(％)d(％)。k／(J．cm。2)KIc／(MParnl72)HRC
450～850350～555t～2O．5～1．58～1525～3522～62
表3FcB合金和一些常见的铁基材料抗热冲击性能比较
Table3ThecomparisOnOfthermaIshOck0fFCBa¨oyswith
nonnaIF奄．basematerials
注：①淬火介质为15℃流动的水；②试样为西20mm(8mm的圆碟，
在圆碟上用金刚石锯片切开一个O．5mm(1．5mm(8mm的狭缝．裂
纹起源于狭缝的顶端。
4FCB合金的应用
鉴于FCB合金的性能特点，FCB合金主要用来
制造热作模具和部分在低冲击应力条件下工作的耐磨
备件。FCB合金应用于高冲击应力条件下工作的耐
磨备件还未见报道。目前世界上只有澳大利亚和瑞典
两个国家掌握FCB合金的生产技术。瑞典AKERS
公司于1996年从澳大利亚购买了FCB合金的部分使
用权，用于开发轧辊。实验结果表明：FCB合金轧
辊的使用寿命是原球墨铸铁轧辊(具体材质不详)的
8倍【8J。在澳大利亚，已成功地开发出FCB合金玻
璃瓶模具、泥浆泵叶轮等产品。FcB合金制造的玻
璃瓶模具的使用寿命超过了从美国和德国进口的高合
金钢模具。FCB合金玻璃瓶模具现已获得澳大利亚
专利。FCB合金泥浆泵叶轮的使用寿命为
Cr27M02Cu叶轮的1．5～2倍(31。目前，FCB合金正
在澳大利亚用于制造铸铝、铸镁模具，并取得了令人
满意的结果[引。
5结论
(1)FCB合金是一种主要以M2B硼化物为耐磨
骨架的新型铁基耐磨材料，其化学成分为含0．35％
～0．55％C，0．1％～1．0％B，5％～15％Cr和一定数
量的其它合金元素。
(2)FCB合金的铸态组织主要由树枝状马氏体
基体和在树枝状基体间分布的粗大地、连续地网状
M2B共晶体组成；改变C、B含量，特别是B含量将
显著改变共晶硼化物的形貌和体积百分数。
(3)改变回火温度、回火时间、奥氏体化温度和
奥氏体化后的冷却速度将对FCB合金的组织形貌有
明显的改变。
(4)FCB合金的力学性能与高铬铸铁相当。但
其硬度变化范围大，并且具有很强的抗热冲击性能。
(5)FCB合金可铸造成形和进行机械加工。
(6)FcB合金在澳大利亚和瑞典已成功应用于生
产玻璃瓶模具、泥浆泵叶轮、轧辊和铸铝、铸镁模具。
参考文献：
[1]BusbyPE，WargaME，wellsC．[J】．JoumaIofMet—
alsTran∞ctionS，AIME，1953：p．1463～1468
(2]LakelandKD，GrahamE，HeronA．MechanicalProper．
tiesandMicrostructuresofASeriesofFCBAUoys(D]．
Brisbane(Australia)：TheUniverSityofQueensland，
1992．1～13
[3]ChrisodoulouP，GrahamE，G“ffithsJR．Devdopmerlt
ofImn-Bomn越bysaSHighlPemnnance，CostrEffecti、；．e
T(dingMate^als[M]．Brisbane：CSIR0Division()f
ManufacturingTechnology，1995．1～140
[4]GU0Chan鹊ing．ImprovingtheDuctilityandT0ughness
ofFcBCastImns[D]．TheuniversityofQueensland，
2002PhDthesis．．
(5]zENzH，LINGHT．ThequantitativecontroIofhard—
phaseinboroncastironcylindersleeve(J]．Fbundry
Techn0109y，1996，2：13～19
[6)Koots00kosA，GatesJD，EatonRA．Developmentofa
whitecaStironoffracturetoughness40Mpa·m1／2[J]．
CastMetals，1995，7(4)：239～245
【7]SercombeT．Cobraprogressreport[D)．Brisbane：The
UniversityofQueensland，1988．1～13
(8]BruceH，HertzmanS，LehtinenB．eat1．Casestudyof
differentcobraroUs，metallographicstudyofimpactsam—
pl鹤p喇ectstatusreport一2[D]．Stockh01m：SwedishIn·
stituteforMetalsResearch．1999．1～11
(编辑：李世成，lsc@foundryworld．coHl)
万方数据
新型铁基耐磨材料FCB合金
作者：郭长庆，高守忠
作者单位：郭长庆(内蒙古科技大学科学技术研究中心,内蒙古,包头,014010)，高守忠(包钢建安集团
机械修造厂,内蒙古,包头,014010)
刊名：铸造
英文刊名：FOUNDRY
年，卷(期)：2004,53(10)
被引用次数：18次
参考文献(8条)
1.BruceH;HertzmanS;LehtinenBCasestudyofdifferentcobrarolls,metallographicstudyofimpact
samplesprojectstatusreport-21999
2.SercombeTCobraprogressreport1988
3.KootsookosA;GatesJD;EatonRADevelopmentofawhitecastironoffracturetoughness40Mpa·
m1/21995(04)
4.ZENZH;LINGHTThequantitativecontrolofhardphaseinboroncastironcylindersleeve1996
5.GUOChangqingImprovingtheDuctilityandToughnessofFCBCastIrons2002
6.ChrisodoulouP;GrahamE;GriffithsJRDevelopmentofIron-BoronAlloysasHigh-Performance,Cost-
EffectiveToolingMaterials1995
7.LakelandKD;GrahamE;HeronAMechanicalPropertiesandMicrostructuresofASeriesofFCBAlloys
1992
8.BusbyPE;WargaME;WellsC查看详情1953
引证文献(18条)
1.张建军.高义民.邢建东.马胜强.刘力锻造加热处理对高硼铸造铁基合金组织与性能的影响[期刊论文]-西安交通
大学学报2010(8)
2.何正员.刘美红.赵国荣.蒋业华.周荣.黎振华热处理对Fe-0.44C-2.95B合金组织和性能的影响[期刊论文]-材料
热处理学报2010(12)
3.郭长庆.王彩东.程军.高明星铈变质处理Fe-Cr-B合金组织和机械性能研究[期刊论文]-稀土2009(4)
4.董占武.魏世忠.张国赏.徐流杰高碳硼钢凝固组织研究[期刊论文]-铸造技术2009(5)
5.何正员.刘美红.赵国荣.蒋业华.周荣.黎振华硼对Fe-0.77C-B合金性能的影响[期刊论文]-铸造技术2009(3)
6.李飞.黎振华.赵国荣.蒋业华.周荣.刘美红硼对Fe-0.77C-B合金凝固组织先共晶相的影响[期刊论文]-铸造
2009(2)
7.王彩东.郭长庆.程军.高明星1#稀土变质处理Fe-Cr-B合金组织中硼化物M2B组织形态的分析[期刊论文]-兵器材
料科学与工程2009(1)
8.焦华.王庆相Fe4N增强铁基复合材料的制备与组织研究[期刊论文]-热加工工艺2008(22)
9.王彩东.梁维军.郭长庆.程军.高明星稀土(铈)变质处理Fe-Cr-B合金组织研究[期刊论文]-内蒙古科技大学学报
2008(3)
10.王彩东.郭长庆.程军.高明星1#稀土变质处理Fe-Cr-B合金组织研究[期刊论文]-铸造技术2008(8)
11.赵国荣.黎振华.蒋业华.周荣.周荣锋.刘美红铸造Fe-C-B合金组织与性能研究[期刊论文]-铸造2008(5)
12.刘赛业.陈跃.龙锐.魏世忠.张国赏Fe-B-C耐磨合金的研究进展及展望[期刊论文]-铸造技术2007(11)
13.冯锡兰.蒋志强.符寒光热处理对Fe-B-C合金组织和力学性能影响[期刊论文]-航空材料学报2007(5)
14.刘仲礼.李言祥.陈祥硼白口铸铁的研究进展[期刊论文]-材料导报2007(9)
15.刘仲礼.李言祥.陈祥.胡开华高硼铁基合金在不同铸型中凝固的组织与力学性能[期刊论文]-金属学报2007(5)
16.符寒光含硼铸钢的研究和应用[期刊论文]-铸造技术2006(1)
17.匡加才.符寒光.叶昌.刘冶球.陈亚平改善Fe-B-C合金韧性的研究[期刊论文]-四川大学学报（工程科学版）
2006(4)
18.符寒光高硼低碳铁基合金凝固组织研究[期刊论文]-材料热处理学报2006(2)
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