白口铸铁应用历史较为悠久，因组织中存在高硬度的耐磨共晶相，所以在抗磨料磨损工况条件下具有独特的优势， 在耐磨钢铁材料中具有不可替代的地位[1-2]。 传统白口铸铁是以共晶碳化物为耐磨相，发展经历了普通白口铸铁、镍硬白口铸铁和高铬白口铸铁3 个阶段， 虽然耐磨性能不断提高，但还是存在韧性偏低、抗冲击能力不足的问题[3-5]。 以共晶硼化物为耐磨相的白口铸铁的研发，目的是获得一类韧性更好的新型白口铸铁，这一思路首先由澳大利亚昆士兰大学的lakeland 教授提出， 并申请了专利[6]；内蒙古科技大学及清华大学进行了系列研究，证明了其可行性。研究表明[7-11]，共晶硼化物比共晶碳化物具有更高的硬度，更适合用于做耐磨相，而且其韧性在高铬白口铸铁的基础上进一步提高。
众所周知，极低的硼含量(不高于6×10-3%)能明显提高钢的淬透性[12-13]。其提高淬透性的机理与常规合金元素，如铬、锰、钼、镍等有所不同，一般认为硼的非平衡偏析特性， 冷却时在奥氏体晶界优先析出，阻止了铁素体的形核，从而提高了奥氏体的稳定性[14]。但是，如果当硼加入量超过6×10-3%时，反而降低钢的淬透性，而且硼对淬透性的影响，随着碳含量的增加而下降，在低碳钢时提高淬透性最有效[15-16]。
以硼化物为耐磨相的白口铸铁， 当硼加入量是常规量的百倍以上时，根据前人研究，硼的加入主要形成共晶硼化物[17-18]，在基体中也有存在，但难以量化。 硼对白口铸铁的淬透性是有利还是有害，需要进一步研究。 尤其对于白口铸铁，由于组织中一般含有超过20%的共晶耐磨相，导热性较差，如果硼对其淬透性有害，则会大大阻碍该类材料的实际应用。本文以Fe-Cr-B 白口铸铁为基础，讨论其淬透性问题，为工程实际应用提供参考。
1 实验材料与方法
采用100 kg 碱性炉衬中频炉熔炼Fe-Cr-B 白口铸铁，出炉温度为1 550 ～1 600 ℃，浇铸温度为(1 430±10)℃，浇注标准基尔试块，基尔试块模型采用熔模方法制造。 除了硼元素的含量外，Fe-Cr-B 白口铸铁其他成分的检测通过SPECTRO LABM10 直读光谱仪确定，硼元素采用化学分析方法测得。 采用ZEISS 场发射扫描电子显微镜(Sigma300)、X 射线衍射仪(XRD, 7000X, Shimadzu, Japan)等观察组织及相分析。
按照GB/T 225-2006 标准进行Fe-Cr-B 白口铸铁的淬透性试验，奥氏体化温度950 ℃。 使用膨胀仪进行材料的CCT 曲线试验。 将材料置入热膨胀仪中，从室温升到奥氏体化温度后(升温过程与热膨胀曲线实验相同)，再以不同冷却速率冷却至室温(0.05、0.1、0.2、0.5、2、5、10、20、50、100、150、200 ℃/s)。 根据热膨胀曲线，结合金相法与硬度法，判断其在各种冷速下分别产生了何种相转化。 然后以温度为纵坐标，时间对数为横坐标进行画图， 获得连续冷却曲线，在图中标记出相转变温度点与相转变区， 结合不同冷速下样品的金相和显微硬度，完成CCT 曲线。
2 实验结果及讨论
2.1 化学成分、铸态组织及硬度
Fe-Cr-B 白口铸铁的化学成分如表1 所示。
表1 Fe-Cr-B白口铸铁的化学成分
Tab.1 Chemical composition of Fe-Cr-B white cast iron(mass fraction/%)
CBCrSiMnNiVFe 0.271.6617.231.071.322.671.23Bal.
上述成分是典型的以硼化物为耐磨相的化学成分，具有低碳、高硼的特点，高硼主要用来形成共晶硼化物，由于碳不溶于硼化物，所以主要影响基体，低碳目的是为了保证基体热处理后形成强韧性较好的板条状马氏体，其铸态组织如图1 所示。 为明确各类元素在铸态集体组织中的分布情况，利用扫描电镜中的EDS 对基体进行检测，结果如图2 所示，XRD 衍射图谱如图3 所示。
图1 Fe-Cr-B 白口铸铁铸态组织形貌
Fig.1 As-cast microstructure of Fe-Cr-B white cast iron
图2 EDS 检测结果
Fig.2 EDS test results
图3 铸态Fe-Cr-B 白口铸铁XRD 分析
Fig.3 XRD pattern of the as-cast Fe-Cr-B white cast iron
由图1 和3 可以看出Fe-Cr-B 白口铸铁铸态组织基本是由条块状共晶硼化物与基体组成。 共晶硼化物形态类似于传统高铬白口铸铁中的共晶碳化物， 利用Image-pro 及Photoshop 软件对铸态下Fe-Cr-B 白口铸铁组织中硬质相的面积分数进行测定，平均值约为22.4%。 由图1 可知，基体的板条状马氏体特征明显， 结合对基体显微硬度的测量(表2)，可以判定基体为马氏体。 在基体中，采用EDS 检测(图2)，发现C、Cr、Si、Mn、Ni、V 等元素峰值明显，说明在基体中存在分布，而B 的峰很低，几乎看不到，但不能说明不存在，由作者以前的工作可知，采用的电子探针检测在基体的峰还是很明显的[19]。
表2 Fe-Cr-B白口铸铁铸态硬度
Tab. 2 As-cast hardness of Fe-Cr-B white cast iron
Macro hardness(HRC)Matrix micro hardness(HV)Boride micro hardness(HV)54.1378.32 164.0
由以上微观组织及硬度检测结果， 在熔模铸造冷却条件下，即非常慢的冷却条件下，基体组织大部分为马氏体组织， 表明Fe-Cr-B 白口铸铁具有非常好的淬透性。
2.2 端淬实验
标准端淬试验是检验钢铁材料淬透性常用的一种检测手段。 本次实验采用2 个样品进行奥氏体化，然后在试验台上进行喷水冷却。 冷却结束后，进行表面加工及硬度检测。 实验将2 个相同参数样品的数据整合在淬透性曲线中， 实验结果如图4 所示。由图可知，2 个相同的样品经过相同工艺参数下的末端淬火之后表现出良好的淬透性， 差距并不大。 实验材料不同截面位置的硬度没有因为到喷水端距离的远近而存在起伏，相比于以往的铸铁材料会因为距离淬火端距离不同，硬度测试结果有明显降低，Fe-Cr-B 白口铸铁的淬透性异常稳定。 这一结果也很好解释了铸态研究中为什么材料在铸锭冷速下也能够得到马氏体基体。
图4 Fe-Cr-B 白口铸铁淬透性曲线
Fig.4 Hardenability curve of Fe-Cr-B white cast iron
2.3 CCT 曲线
根据热膨胀试验仪实验导出的数据， 绘制了CCT 曲线，如图5 所示。 由图5 可以看出，转变过程中只存在马氏体转变，在CCT 曲线中没有标注其他转变区域与曲线，仅标注了Ac1、Ac3 点与奥氏体转变区，以及Ms、Mf 点与马氏体转变区。
图5 Fe-Cr-B 白口铸铁CCT 曲线
Fig.5 CCT diagram of Fe-Cr-B white cast iron
不同冷却速度下， 进行基体硬度的检测如表3所示。 由表3 可以看出，随冷却速度的提高，基体的显微硬度也增大， 这符合低合金合金钢淬火后的性能规律。 选择最低冷速和最高冷速， 观察其基体形态，均为板条状马氏体。
表3 不同冷却速度下的基体硬度
Tab.3 Microhardness of the matrix at different cooling rates
Cooling rate/(℃·s-1)0.050.10.525102050100 Matrix hardness(HV)403.4432.8463.9537.6593.8603.8615.9626.4635.0
图6 不同冷速样品的金相组织：(a)0.05 ℃/s；(b)100 ℃/s
Fig.6 Microstructure of samples at different cooling rates:(a)0.05 ℃/s;(b)100 ℃/s
2.4 讨论
综合铸态基体金相、硬度及端淬实验和CCT 曲线， 可以判断Fe-Cr-B 白口铸铁具有优良的淬透性能。不论从熔模铸造冷速到能够测量的极低的冷速，如0.05 ℃/s(相当于壁厚≥100 mm 铸型中冷却速度)，还是高冷速条件下，如100 ℃/s(相当于油冷)基体都能获得马氏体， 这对于该类材料的应用具有极大的意义。 这是由于Fe-Cr-B 白口铸铁组织中含有超过20%的共晶硼化物，该硼化物将极大地降低材料的导热性能，在材料奥氏体化后进行冷却时，会因材料的导热性能较差而产生较大热应力，加上材料的相变应力，则极易产生淬火裂纹。 如果材料具有良好的淬透性，空冷即能使基体产生马氏体相变，使得产生淬火裂纹的趋势大大降低。 在本文所研究的Fe-Cr-B 白口铸铁中， 虽然硼含量超过了一般硼钢中的近280 倍，但材料仍保持了优良的淬透性。
以上系列研究结果表明，Fe-Cr-B 白口铸铁具有优良的淬透性，这里所说的淬透性主要是指基体发生马氏体相变的能力。 在设计材料成分时，材料淬透性的提高归功于只存在于基体中的Si、Ni 合金元素；而添加的Cr、Mn、V 等在基体中也有分布，也对Fe-Cr-B 白口铸铁的淬透性有着积极影响， 而硼的存在如何影响材料的淬透性是该材料的核心问题。 从铸态组织分析可以看出，硼元素主要形成了共晶硼化物， 但在基体存在的数量是多少则不得而知， 从EDS 的分析只能知道在基体中是存在的，数量难以测量。 硼作为一种合金元素，可以显著提高钢的淬透性，但条件是低碳钢、低含量(不超过6×10-3%)。 从Fe-Cr-B 白口铸铁成分来看，满足低碳钢条件，硼含量未知。 从材料具有的良好淬透性来判断，基体中硼含量应该不高，具体含量需要后续采用更先进的检测手段进行分析。
采用分子动力学手段对B 在基体中的含量进行了估算，计算所用软件为Thermo-Calc，数据库为TCFE3。 计算900、1 000 和1 100 ℃条件下，硼在基体中的平衡含量如表4 所示。
表4 不同温度下，硼在基体中的平衡含量
Tab.4 Balanced B content in the matrix at different temperatures
900 ℃1 000 ℃1 100 ℃1×10-5%6×10-5%3×10-4%
上述分析可知， 基体中的B 含量在1×10-4%量级，结合图2，说明B 在基体中是存在的，但其含量很低。 在低含量条件下，Fe-Cr-B 白口铸铁中基体的硼有利于材料的淬透性， 所以Fe-Cr-B 白口铸铁具有优异的淬透性，可以满足空冷淬火。
3 结论
(1)Fe-Cr-B 在熔模铸造条件下， 基体即可转变为马氏体，显示了较好的淬透性。
(2)端淬实验及CCT 曲线的测定结果表明，Fe-Cr-B白口铸铁具有优良的淬透性，即使在极低冷速条件下，基体也可以转变成马氏体，可以直接空冷淬火。
(3)实验和分子动力学的计算表面，基体中存在的硼含量不高，有利于材料的淬透性。
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