高碳高铬工具钢上的硼化物层：微观结构与力学性能的关系

《Journal of Materials Research and Technology》：Boride Layers on High-Carbon High-Chromium Tool Steels: Microstructure-Mechanical Properties Relationship

高碳高铬工具钢（Sleipner、K190、Sverker 21、Sverker 3）经1323 K硼化处理后，形成双相FeB/Fe2B硼化层，并在瞬态区域发现Cr富集的M23C6碳化物。FeB硬度（>2100 HV）高于Fe2B（1500-1700 HV），但脆性更大；瞬态区域硬度与碳化物含量正相关，M23C6的存在导致整体脆性上升。XRD和TEM分析确认无铬硼化物生成，Cr主要富集于Fe2B中（10.3-11.9 wt.%）。

　　在现代材料科学领域，表面改性技术已成为提升材料性能的重要手段。其中，硼化处理（boronising）作为一种常见的热化学处理工艺，能够显著改善金属材料的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性，从而延长其使用寿命。这项研究聚焦于高碳高合金工具钢的硼化处理过程，深入探讨了硼化层的微观结构特征及其对材料机械性能的影响。通过实验分析，研究人员发现，经过1323 K温度下10小时的硼化处理后，所有四种实验钢的表面形成了由FeB和Fe?B两种相组成的复合层，而在这两种相之间还存在一种称为“过渡区”（transient regions）的特殊区域，其中出现了“额外的碳化物”（extra carbides）。这些额外的碳化物主要由铬元素构成，且其数量是基体中的两倍。研究还指出，FeB和Fe?B两种相在机械性能上表现出显著差异，FeB虽然硬度更高，但其脆性也更强，且断裂韧性相对较低。

### 硼化过程的概述

硼化是一种通过扩散方式将硼元素引入金属表面，从而形成硼化物层的热处理工艺。通常，该过程的温度范围为1023至1323 K，持续时间则在0.5至10小时之间。由于铁在奥氏体中的固溶度极低，硼化处理过程中首先会形成Fe?B相，随后FeB相会在表面生长。这两种相都具有较高的硬度，但同时也表现出脆性，因此它们常被用于需要高耐磨性和耐腐蚀性的应用领域。然而，由于FeB的脆性较高，其断裂韧性较低，这在实际应用中可能会成为材料失效的潜在因素。

在某些情况下，例如碳钢，可以通过精确控制工艺参数或进行后续退火处理，形成单一相的Fe?B层。但对于高合金钢而言，形成单相Fe?B层较为困难，通常会伴随FeB相的存在。FeB的硬度显著高于Fe?B，其硬度值可达2100 HV以上，而Fe?B的硬度则处于1500–1700 HV之间。此外，FeB的脆性也高于Fe?B，但其断裂韧性较低，这使得FeB在实际应用中可能面临更大的断裂风险。因此，理解硼化过程中形成的各种相及其特性，对于优化材料性能具有重要意义。

### 与基体的相互作用

在硼化过程中，材料的表面会发生显著的元素再分布现象。硼、碳和硅等元素在不同相之间的迁移行为对最终的微观结构产生重要影响。其中，碳和硅由于在硼化物中溶解度较低，会从硼化物层中迁移至过渡区，而铬等合金元素则会部分溶解于硼化物层中，形成富铬的碳化物。在高铬钢中，铬的含量通常较高，因此在硼化过程中，其部分会形成不溶于奥氏体的碳化物，这些碳化物在硼化过程中被保留下来，并可能成为额外的碳化物。研究指出，这些额外的碳化物主要由Cr??C?组成，其铬含量通常超过30 wt.%。

此外，硼化物层的形成与基体的化学成分密切相关。例如，K190钢由于含有较高比例的钒元素，形成了大量稳定的MC型碳化物。而Sleipner钢则含有较低的碳和铬含量，因此其硼化物层中的碳化物含量相对较少。Sverker 3和Sverker 21钢则由于含有12%的铬，表现出较为相似的碳化物形成特征。这种元素的再分布现象不仅影响了硼化物的组成，也对材料的机械性能产生了显著影响。

### 微观结构与机械性能的关系

通过高分辨率透射电镜（HRTEM）和扫描电子显微镜（SEM）等微观结构分析手段，研究人员对硼化物层的结构进行了深入研究。结果表明，Fe?B相在靠近表面30 μm处占据主导地位，而FeB则主要分布在表面附近。此外，在过渡区发现了大量额外的碳化物，这些碳化物的存在进一步增加了材料的硬度和脆性，同时降低了其断裂韧性。这一发现对于理解硼化处理后的材料行为具有重要意义，尤其是在高合金钢中，由于碳化物的分布和形态不同，其对整体性能的影响也各不相同。

在所有实验钢中，FeB的硬度显著高于Fe?B，这与FeB中更强的硼-硼共价键有关。然而，FeB的脆性也更高，这使得其在受到外力作用时更容易发生断裂。相比之下，Fe?B虽然硬度较低，但其断裂韧性较高，因此在某些应用中更具优势。过渡区的硬度介于FeB和Fe?B之间，其值受到额外碳化物含量的影响。例如，K190钢的过渡区硬度最高，而Sleipner钢的硬度最低，这可能与其碳化物含量较低有关。

### 碳化物的形成与影响

额外碳化物的形成与硼化过程中碳的扩散行为密切相关。在硼化过程中，碳原子会随着硼的扩散前沿迁移到基体中，尤其是在过渡区。由于碳在基体中的溶解度较低，其在表面附近的富集可能导致额外碳化物的形成。这些碳化物主要由铬组成，且其数量是基体中的两倍。此外，研究还发现，这些额外碳化物的化学组成与基体中的铬含量相关，铬含量越高，额外碳化物中的铬比例也越高。

此外，研究指出，额外碳化物的存在不仅增加了材料的硬度和脆性，还降低了其断裂韧性。因此，在设计和应用硼化处理后的材料时，需要综合考虑这些因素。例如，在高铬钢中，由于铬含量较高，额外碳化物的形成更为显著，这可能导致材料在使用过程中更容易发生断裂。因此，如何优化硼化工艺以减少额外碳化物的形成，或者通过其他方式改善其分布，是未来研究的一个重要方向。

### 断裂韧性与脆性分析

断裂韧性是衡量材料在承受外力作用时抵抗断裂能力的重要指标。研究发现，FeB的断裂韧性远低于Fe?B，这与FeB的脆性较高有关。对于Fe?B而言，其断裂韧性处于3.87–4.49 MPa·m1/2之间，而FeB的断裂韧性则在1.98–2.45 MPa·m1/2之间。这种差异使得Fe?B在某些应用场景中更具优势，尤其是在需要高韧性的情况下。

脆性参数（B）被用来评估材料在变形和断裂过程中的表现。脆性参数越高，材料越容易发生断裂。研究发现，FeB的脆性普遍高于Fe?B，而过渡区的脆性则受到额外碳化物含量的影响。例如，在K190钢中，由于其含有较多的额外碳化物，脆性参数显著增加。这一现象表明，额外碳化物的形成不仅影响了材料的硬度，还对其脆性和断裂韧性产生了负面影响。

### 硼化处理的挑战与未来研究方向

尽管硼化处理在提升材料表面性能方面具有显著优势，但其过程也面临一些挑战。例如，高合金钢的硼化层通常由FeB和Fe?B两种相组成，而难以形成单一相的Fe?B层。此外，由于FeB和Fe?B的化学组成不同，其对机械性能的影响也存在差异。例如，FeB的硬度虽然更高，但其断裂韧性较低，这可能限制其在某些高应力环境下的应用。

此外，X射线衍射（XRD）在检测铬硼化物（CrB）方面存在一定的局限性，主要是由于FeB和CrB的衍射峰在许多情况下会发生重叠。因此，研究者通常采用高分辨率透射电镜（HRTEM）等更先进的分析手段来准确识别这些相。在本研究中，HRTEM分析结果表明，Sverker 3钢的过渡区中并未检测到铬硼化物，这可能与其铬含量较低有关。此外，铬含量的增加可能对Fe?B的硬度产生一定影响，但对断裂韧性的影响较小。

### 结论

综上所述，本研究对四种高碳高铬工具钢的硼化处理进行了系统分析，揭示了硼化物层的微观结构特征及其对材料机械性能的影响。结果表明，所有四种钢的硼化物层均由FeB和Fe?B两种相组成，而过渡区中则形成了额外的碳化物，这些碳化物主要由铬组成，且其数量是基体中的两倍。FeB的硬度和脆性均高于Fe?B，但其断裂韧性较低。而Fe?B虽然硬度较低，但其断裂韧性较高，因此在某些应用场景中更具优势。此外，额外碳化物的存在对材料的硬度和脆性产生积极影响，但同时降低了其断裂韧性。因此，在设计和应用硼化处理后的材料时，需要综合考虑这些因素，以实现最佳的性能平衡。