作者：张毅
对高B铁基合金的研究发现，以硼化物替代碳化物作强化相，可以降低C的加入量，得到C含量较低、强韧性好的基体；B在Fe中的溶解度极低，而C几乎不溶于硼化物，同时硼化物的高温回火稳定性极，好，没有聚集长大的趋势。
本课题组采用向奥氏体钢中添加B从而在基体内形成硬质硼化物强化相，而不采用加入Mo和V等碳化物形成元素的常规设计思路，开发出了一种新型高硼奥氏体钢，其中硼化物数量和基体性能可以通过调整B、C的含量来分别控制。结果表明，高硼奥氏体钢在850 0C时拉伸屈服强度达190.3 MPa，压缩屈服强度达167.9 MPa。采用自约束法300次室温至800℃循环热疲劳试验后的Uddeholm热疲劳评级为2～3级，大大优于H13钢的7～8级。本课题通过测试新型高硼奥氏体钢8500C时氧化增重速度，分析了B对新型模具材料抗氧化性能的影响。
1 试验方法
为了对比研究B对新型高硼奥氏体钢抗氧化性能的影响，以3CrlOMn7N16SiCu钢作为奥氏体基体钢（简称BO），还制备了含B的3CrlOMn7Ni6SiCuBO.7钢（简称B7）。原料采用电解锰、硼铁、硅铁、微碳铬铁、金属Ni板、Cu棒、C颗粒、纯Fe等。采用感应电炉熔炼，熔炼结束并调整成分后采用树脂砂铸型浇注Y型试块(220 mm×25 mm)。采用线切割方法从Y型试块上的75 mm位置截取试样，以排除尺寸和冷却因素对材料组织和性能的影响。由于高硼奥氏体钢是使用硼化物作为强化相而不采用第二相碳化物析出强化，因而热处理工艺较为简单。对截取的试块进行930℃×3h扩散退火，950～11500C锻造（六面锻打）处理（锻造比为3），锻件尺寸为270 mm×72 mm×22 mm，锻后直接取样制备各项性能测试所需试样。钢中C含量采用纳克CS-2800碳硫分析仪测得，Si含量由化学分析的方法测得，其余B、Cr、Mn、Ni、Cu等元素含量采用Vista-MPX电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)仪测得。成分检测结果见表1，其中BO钢是奥氏体基体钢，与添加B元素的B7钢进行对比测试，同时选用经电渣重熔处理的市售ESR-H13热作模具钢作为对比进行相同的抗氧化性能测试。ESR-H13钢的热处理工艺为：5500C×2 min／mm+800℃×15 min／mm预热，最终加热温度为1 0800C，按1 min／mm保温后油淬，6000C×2h二次回火，调整硬度( HRC)至47。
抗氧化性能试验的试样尺寸为12 mm×15mm，试样表面精车，氧化温度为8500C。选用氧化增重法，按照GB/T 13303-1991进行测试。测试中将试样按轴向水平放置，使试样与坩埚接触面积最小，有利于试样表面完全暴露在环境中，以使试样形状、摆放位置等因素对测试结果的干扰降至最低。试样经丙酮超声清洗后放入经高温焙烧衡重的坩埚中，保温9、20 h后用精度为0. 000 1 g的FA2004型电子天平称量试样与坩埚的增重，并计算对应9、20 h时钢氧化增重速度K，g／(m2．h)，具体计算公式为：
式中，m0、m1分别为试验前后试样和坩埚的质量，g；S0为试样原表面积，m2；t为时间，h。
采用JSM-6460扫描电镜(SEM)对奥氏体钢的显微组织和抗氧化测试后的氧化皮表面形貌进行分析；采用D/max-IIIA X射线衍射仪(XRD)对抗氧化测试后的奥氏体钢进行分析，采用CuKα1辐射，管电压为40kV，管电流为100 mA，200～900耦合连续扫描方式，扫描速度为40/min，步进为0.020。
2 试验结果与分析
2.1显微组织
图1为锻造后试验钢的SEM图。可以发现，BO钢的显微组织为单一奥氏体组织且基体组织致密。在添加B之后，B7钢中出现了大量的硼化物，均匀分布于基体内，形态较为圆整，具备网状分布的特征，但并不完全连续；基体组织致密，硼化物主要沿晶界分布，见图1b。
2.2 高温抗氧化性能
图2为钢在8500C时的抗高温氧化测试结果。从图2a看出，不含B的BO钢的氧化增重速度为5.5g／(m2．h)，抗高温氧化性能符合4级“弱抗氧化性”标准。B7钢高温氧化增重速度为0.56 g／(m2．h)，符合2级“抗氧化性”标准。BO钢经20 h氧化增重速度比9h大幅升高，但仍然符合4级“弱抗氧化性”标准，B7钢20 h抗氧化速度仍然符合GB/T 13303-1991中2级“抗氧化性”标准。由测试结果可知，B的添加极大降低了材料的氧化增重速度，使奥氏体耐热钢的抗氧化性由4级“弱抗氧化性”提高至2级“抗氧化性”。
ESR-H13钢在850℃保温9h的氧化增重速度为25.3 g／(m2．h)，20 h的氧化增重速度为22.7g／(m2．h)，达到5级“不抗氧化性”级别。因此，BO、B7钢的抗高温氧化性能显著优于ESR-H13钢。图3为经850℃×20 h抗氧化测试后试样形貌。ESR- H13钢经高温抗氧化测试后其表面氧化严重，氧化皮厚且整片、大量剥落，没有表现出有效的抗氧化性能。BO的试样表面可以见到氧化现象，坩埚内可见剥落的氧化产物，但数量远远少于ESR- H13钢，表现出了一定的抗氧化性能。B7试样表面完整性良好，仅见到轻微的氧化状态，坩埚内未见有剥落的氧化产物，表现出了较好的抗氧化性能。
图4为经850℃×20 h高温氧化测试后试样表面SEM图。从图4可见，BO试样表面氧化物层组织疏松多孔，易于氧化行为深入进行。B7试样表面氧化物层组织平整致密，阻止氧化行为。同时可以看出，在B7钢致密氧化层表面还分布有少量的孔洞，在20 h氧化试验中，由于孔洞的存在，氧化行为仍可缓慢进行，但孔洞数量很少，且尺寸很小，约为100 nm，因此B7钢经20 h氧化增重值低于9h的，氧化行为得到有效的阻止。
图5为奥氏体钢BO、B7在850 0C×20 h抗高温氧化测试后的XRD分析结果。由XRD谱可见，BO钢的氧化产物主要包含M3 04(M为Fe、Mn、Cr)、Fe2 03，结合图4a可知BO钢的氧化产物组织疏松多孔，不利于阻止氧化行为的深入。B7钢的氧化产物包含M3 04 (M为Fe、Mn、Cr)、Fe2 03以及Fe3 BO5、MnB03、CrB03。ROWLEY P N等研究了高温水蒸气对含硼高铬钢高温氧化性能的影响。研究表明，高铬钢表面通过离子注入的方式添加B后，在高温氧化环境中会促进微晶薄膜（CrxB1-x）203的迅速形成，致密的(CrxB1-x)203薄膜有利于阻止氧化行为的深入，因此B的添加及含量的提高可有效提高奥氏体耐热钢的抗高温氧化性能。B在氧化行为中形成的氧化物Fe3 BO5在材料基体与氧化物膜交界面分布，在M3 04(M为Fe、Mn、Cr)氧化物层中能够减少Fe2 03层的破碎、剥落，抑制氧化物膜组织的多孔倾向。因此广泛分布的硼酸盐有刮于形成致密的氧化物薄膜，可以抑制氧化行为的深入发展。由图5对比可见，B7钢谱的衍射峰强度低于BO钢．含有Cr的CrB03在氧化行为中比其他类型硼金属氧化物形成的氧化膜更致密，也更利于阻止氧化行为的深入进行。
3 结 论
(1)不含B的奥氏体耐热钢在850℃保温9、20 h的抗氧化评级均为GB/T 13303-1991中的4级“弱抗氧化性”，抗高温氧化性能优于ESR-H13的5级“不抗氧化性”。
(2)奥氏体钢添加B后，钢在氧化过程中形成了含有硼酸盐的致密氧化物薄膜，致密的氧化物薄膜提高了其抗氧化性能，在850℃保温9、20 h抗氧化评级均达到GB/T 13303-1991中的2级“抗氧化性”。
4摘 要
采用氧化增重法研究了高硼奥氏体钢在850。C下的高温抗氧化性能，采用SEM和XRD研究了其氧化产物的组织形貌与相组成，分析了B对材料高温抗氧化性能的影响。结果表明，添加B后，B在奥氏钢高温氧化测试中形成了致密的硼酸盐氧化膜，提高了钢的抗高温氧化性能。在850℃保温20 h后的氧化增重速度由不含B的4级“弱抗氧化性”提高到2级“抗氧化性”，且奥氏体钢高温抗氧化性能优于ESR- H13钢的5级“不抗氧化性”。
