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前言
01
调质钢是指经过调质处理的碳素结构钢或中低合金结构钢。采用淬火、高温回火的热处理方法获得回火索氏体。碳含量多在0.25%～0.5%之间。之间。调质钢具有良好的综合力学性能、强度高、塑性和韧性好。调质钢广泛用于各种机械结构，是应用最广泛的一类结构钢。如柴油机连杆及连杆螺栓和曲轴、汽车半轴、机床主轴等。
钢材高温回火后空冷，图片来源网络
近年来，随着我国工程机械行业的快速发展，起重机、挖掘机、装载机等设备等工程机械产品的产量每年都在快速增长，大型工程机械对钢材的需求量也不断增加。而含硼改性钢优质钢因其合金成本低、力学性能优良而在工程机械行业得到广泛应用。
硼在调质钢中的作用在于，它能以很小的有效含量显着提高钢的淬透性。其效果是一般合金元素的数百至数千倍。在钢中添加微量的硼，可以代替大量的Mn、Cr、Mo等合金元素，可以提高钢的淬透性，具有非常显着的经济效果。
但含硼钢是冶炼难度大、性能波动最大的钢种。相同硼含量的含硼钢的淬透性可能相差很大，导致材料性能波动较大。这主要是由于钢中缺乏硼造成的。其存在形式对钢的性能有非常重要的影响。一般来说，硼以固溶体硼、氮化硼、氧化硼、铁硼渗碳体、铁硼酸化合物等多种形式存在。但只有间隙或置换固溶硼的存在才会提高钢的淬透性，而以其他形式存在的硼则不利于钢的淬透性。本文采用铬锰钼含硼调质钢为载体。研究了硼含量对含硼钢淬透性的影响。
实验材料与方法
02
实验所用含硼钢化学成分以中低碳含量为主，添加合金元素Mn、Cr、Mo、B以满足性能要求。实验所用钢材全部在50kg真空感应炉中冶炼。为了保证钢中硼的有效含量，在冶炼过程中严格按照先加铝充分脱氧，再加钛固氮，最后加硼的顺序添加Al、Ti、B合金。 。实验钢的主要冶炼成分如表1所示。1号至5号样品的差异主要是由于硼含量不同。同时，4号样品添加了Nb和V两种合金元素。
使用直接光谱法 (OES)、电感耦合等离子体发射光谱法 (ICP-AES) 和电感耦合等离子体质谱法 (ICP-MS) 测定样品中的总硼含量和酸溶硼 (Bsol) 含量。
将钢锭锻造成50mm的圆钢。圆钢经过880℃正火处理，然后加工成标准的端部淬火试样。按GB/T225标准加热至860℃进行端面淬火实验，然后测量轴向硬度；利用金相法用显微镜沿纵向观察端部淬火试样距端部不同位置的组织变化。
准备镶嵌样品，用4%（体积分数）硝酸酒精溶液蚀刻样品表面，对样品表面进行喷碳处理，用10%（体积分数）硝酸酒精溶液提取样品，使用JEOL透射电子 使用显微镜 (TEM) 观察典型样品的微观结构。
实验结果与讨论
03
3.1 酸溶硼和有效硼
表2示出了通过光电直读光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法和电感耦合等离子体质谱法测定的1号至5号样品的硼含量。
钢中的总硼由酸溶硼和酸不溶硼组成。酸不溶性硼由氧化硼和氮化硼组成。剩余的硼以酸溶硼的形式存在。测试结果表明，采用ICP-MS测量的酸溶硼含量准确度较高，酸溶硼含量占总硼含量的50%~60%。
一般来说，硼主要存在于钢中的固溶硼(Bs)、氮化硼(BN)、氧化硼(B2O3)、铁硼渗碳体[Fe3(CB)]和铁硼酸化合物[Fe23(CB)]中。 6]还有其他5种形式。其中氧化硼、氮化硼、铁硼渗碳体和铁硼酸化合物对钢的淬透性不利，统称为无效硼。硼原子融入奥氏体中并以固溶硼的形式存在，以提高淬透性。这部分能提高淬透性的硼称为有效硼。为了稳定钢的淬透性，应控制有效硼含量。
测量结果中的酸溶硼不仅包括对淬透性有效的固溶硼，还包括以硼相和含硼沉淀相等其他形式存在的硼。酸溶硼并不完全等同于有效硼，但被排除在外。除去氧化硼和氮化硼后，用酸溶硼来评价钢的淬透性比总硼含量更准确。
3.2 酸溶硼与淬透性
端部淬火试样的淬透性硬度曲线如图1所示。1号至5号端部淬火试样的硬度从J1.5的56HRC下降到57HRC，下降到J50的50HRC到52HRC（后面的数字）。 J表示距末端的距离，mm）。整体硬度下降不超过7HRC，淬透性良好。
从图1可以看出，1号～5号试样的淬透性曲线由三部分组成。第一部分是下降区。淬透性曲线从试样端部向内一定距离单调递减。不同硼含量的样品在淬透性方面差异不大。第二部分是过渡区，距终点有一定距离。 ，部分试样从J11开始硬度值出现急剧下降，曲线出现拐点，且该区域不同硼含量的试样淬透性表现出明显差异；第3部分为稳定区，J40后整体硬度较低，不同硼含量样品的硬度值呈现明显的不规则波动。
从图1可以看出，1号至5号试样淬透性曲线的差异在于第2部分的过渡区，由于酸溶硼含量不同，淬透性曲线变化明显。对比1～5号试样的淬透性曲线，随着有效硼含量的增加，淬透性曲线明显上移，钢的淬透性曲线随硼含量的变化而变化。当Bsol质量分数为0.0003%时（即试样1号），淬透性曲线过早出现拐点，使得1号试样在J11处的硬度值开始下降，淬透性下降。
3.3 显微组织和淬透性
钢的淬透性可以通过淬透性曲线来反映，也可以通过金相显微镜观察其组织变化。
(a)、(c)、(e)为1号样品距端部11、40、50mm处的显微组织；
(b)、(d)、(f)为5号样品距端部11、40、50mm处的显微组织。
图 2 实验钢端部淬火试样的显微组织
图2为1号和5号最终淬火样品的金相组织。图2(a)和(b)分别为1号和5号样品距端部11mm处的金相组织。 1号样品中出现少量贝氏体（B）（图2（a）中标记），5号样品的组织为马氏体（M）。结合图1淬透性曲线，1号试样在J11附近硬度有明显下降。可以看出，金相组织的变化与淬透性曲线拐点的位置基本一致。图2(c)和(d)为1号样品和5号样品距端部40mm处的金相组织。 1号样品5号样品的组织也是马氏体加贝氏体，并出现少量铁素体（F）。结合图1中金相组织和淬透性曲线的变化可知，线过渡区和稳定区第二个拐点的位置基本一致。图2(e)和(f)为1号样品和5号样品距端部50mm处的金相组织。可以看出，两个样品的组织均为马氏体+贝氏体+铁素体，结合图1第三区域的不规则硬度波动，主要是测试点位置不同引起的波动。
硼提高淬透性的机理一般是硼原子在奥氏体中晶界偏析，降低晶界能，抑制先共析铁素体和珠光体的形核，延长奥氏体分解的孕育期，降低临界冷却速度，从而提高淬透性。在图2中的过渡区J11和J40中，可以清楚地看出，Bsol含量较高的5号试样中的贝氏体和铁体较少。在1号样品中，贝氏体出现在J11处。这主要是因为奥氏体转变为铁素体、珠光体和贝氏体的gh速度取决于核心形成速度和核心生长。速度。添加硼元素后，会显着降低核心形成速度，从而提高淬透性。在稳定区，J40以后的样品中已出现贝氏体和铁素体，硼元素会影响铁心的长大。速度受影响较小。在该区域，硼元素的淬透性作用有限。因此，实验结果进一步验证硼元素仅在一定范围内（J11~J40）对实验钢的淬透性有显着影响。
分析与讨论
04
从图1中No.1～No.5端部硬化曲线的特征可以看出，Bsol主要影响淬透性曲线的过渡区。因此，从图3可以发现，试样淬火端不同位置的酸溶硼与硬度的关系在过渡区（J11~J30）和稳定区（J45~ J50）。
在过渡区，硬度值随着Bsol含量的增加而增大，而在稳定区，硬度值不随酸溶硼的变化而变化，呈现不规则的波动状态。因此，锰-铬-钼系中硼元素在含硼调质钢中表现出的淬透性作用，在端部淬火试样上，硼的作用在过渡区间更为明显。对于实验钢，该区间从 J11 开始，到 J40 结束。达到J45后，硼提高淬透性的作用减弱。因此，在使用材料时钢材元素检测，应根据材料的尺寸来确定淬透性。根据性深浅的要求，控制硼元素的含量。
在过渡区，从图3中J11和J30的曲线可以看出钢材元素检测，淬火样品的硬度随着Bsol含量的增加而增加，且曲线均在第三点，即当Bsol质量分数是0.0012%。硬度达到最高水平。当Bsol质量分数继续增加至0.002%时，其硬度值不再进一步增加，表明其淬透性并未进一步提高。因此，当Bsol质量分数为0.0012%时，其在过渡区的淬透性效果最佳。研究表明，在亚共析钢中，当有效硼质量分数为0.0010%时，硼对淬透性影响最大，且在不同碳含量下，对淬透性影响最大的有效硼含量相同。研究发现，当Bsol质量分数为0.0012%时，淬透性达到最佳。这非常接近数据中显示的有效硼的最佳成分范围。因此，对于不添加其他合金元素的锰铬钼含硼调质钢，用Bsol含量来判断钢的淬透性是有效的。
与此同时，过渡区J11和J30的硬度在曲线上的第四点处即Bsol质量分数为0.0013%的4号样品处突然下降。而4号样品添加了Nb、V两种合金元素，与硼元素易形成含硼沉淀相。 4号样品测得的Bsol质量分数为0.0013%，不仅含有有效硼，而且含有大量的含硼沉淀相。酸溶硼中有效硼含量低于其他样品，因此4号样品处于过渡区。硬 淬透性会显着下降，淬透性下降。因此，钢中添加V、Nb等合金元素，会降低酸溶硼中有效硼的比例，从而影响根据酸溶硼含量的判断。淬透性精度。
综上所述
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(1)在端部淬火试样上，硼元素的淬透性作用仅在一定范围内才明显。对于锰铬钼含硼调质钢，硼主要影响淬透性曲线的转变。区，在过渡区，随着硼含量的增加，淬透性先增加后降低。当硼含量为0.0020%、酸溶硼质量分数在0.0012%左右时，淬透性效果最好。
(2)对于不添加其他合金元素的锰铬钼含硼调质钢，用酸溶硼含量来判断钢的淬透性是有效的，铝、钛、硼合金为冶炼过程中严格要求。按照先加铝充分脱氧，再加钛固氮，最后加硼的顺序，最终酸溶硼含量占总硼含量的比例为50%～60%。
(3)含硼调质钢中若添加V、Nb等合金元素，则易形成含硼析出相，从而降低酸溶硼中有效硼含量的比例。对于这类钢，用酸溶硼含量来判断淬透性会产生较大的误差。
文献来源：黄锐，硼对铬锰钼含硼调质钢淬透性的影响（修改）
GNRS3仪器特点：
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