（环境科学专业论文）含硼半钢冶炼硼钢及性能研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e t a l l u r g yp h y s i c a lc h e m i s t r y i i l lll i l l i ii l l li iiii y 1717 0 3 6 s t u d y o nt h eb o r o n c o n t a i n i n gs e m i - - s t e e lu s e d f o rs m e l t i n gt h eb o r o ns t e e la n di t sp r o p e r t i e s b yh o uz u o j u n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o ry a n gz h o n g d o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 9 r 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 。 学位论文作者签名：彬 日期：如d 7 ：f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 如伊 7 、7 、f | 一 东北大学硕士学位论文 摘要 含硼半钢冶炼硼钢及性能研究 摘要 含硼生铁是采用高炉火法分离技术对我国辽东地区硼铁矿提取硼时 所产生的一种产品。为了能进一步充分利用资源，提升资源价值，本文在 前人基础上展开了对含硼生铁直接冶炼硼钢的实验研究。该工艺方法合 理利用了含硼生铁中的硼元素和其它元素，对环境影响小，体现了当代 人类所追求的资源生态化的社会经济发展模式和发展观，这是本研究的 新颖之处。 含硼生铁中的硼一般在0 2 0 5 范围，但硫及硅含量很高( s 。0 1 ；s i2 o 2 5 ) ，是一般炼钢生铁的几倍，而锰、磷的含量并不 高( m n 0 12 ；p o 0 6 5 ) 。根据这一特点，提出了含硼生铁预脱硫、 脱硅处理得到含硼半钢，然后以此含硼半钢为原料冶炼硼钢的新工艺。 对含硼生铁采用喷粉( 活性氧化钙或电石粉) 脱硫和浸入式喷枪吹氧脱 硅预处理得到了含硼半钢，其主要成分为( 质量分数，) ：c3 2 - 3 4 、 s i0 2 o 5 、b0 0 2 0 1 、m n - 0 0 9 、p - 0 0 6 、s 9 0 ，w ( s i 0 2 ) 6 ，w ( s ) o 0 5 ，具有较高的活性，活性度为3 4 8 m l ( 水 活性，4 nh c l ) ；经流态化钝化处理，提高了与铁水润湿性能，因为流动 性较高，所以易喷吹。表2 2 和图2 2 为由b t 9 30 0 h 型激光式粒度分布 仪测得的粒度及分布结果。 表2 2 石灰粉粒度测试结果 t a b l e2 2t e s t i n gr e s u l to fg r a n u l a r i t yo fl i m ep o w d e r 冰 日鄙 加 求 岫 娶 嘲； 图2 2 钝化石灰粉粒度分布 f i g 2 2g r a n u l a r i t yd i s t r i b u t i o no fp a s s i v a t i o nl i m ep o w d e r ( 2 ) 电石脱硫剂：是经过流态化钝化处理的粉剂，电石粉剂w ( c a c 2 ) - 1 0 - 雪叫冷吟帅一邑 o o o o o o 刚刚则 川剐 川 大于8 0 ，其理化性能如表2 3 所示；由b t 9 3 0 0 h 型激光式粒度分布仪 测得的粒度及分布结果如表2 4 和图2 3 所示。 表2 3 钝化电石粉的理化性能 t a b l e2 3p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t yo fp a s s i v a t i o nl i m ep o w d e r 项目 指标 发气量( l k g ) ，2 0 、1 0 1 3 k p a 2 8 0 乙炔中磷化氢( v v ) s 乙炔中硫化氢( v v ) s 0 0 8 o 1o 0 1 1 0l o 01 0 0 0 粒径：范围( “n ) 图2 3 钝化电石粉粒度分布 2 0 0 1 8 o 1 6 o 1 4 0 圈 日 屹0 吲 加。毒 8 0 帅 6 0 邑 d 0 2 o o o f i g 2 3r a n u l a r i t yd i s t r i b u t i o no fp a s s i v a t i o nc a c 2p o w d e r 表2 4 钝化电石粉粒度测试结果 t a b l e2 4t e s t i n gr e s u l to fg r a n u l a r i t yo fp a s s i v a t i o nc a c 2p o w d e r _ _ - i _ i - i - i l l _ _ i - _ l - - l - - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ i _ i l _ l _ _ _ - _ - _ - _ - _ i l i - _ _ - _ i l _ _ - l l - l i _ - l l _ i i _ l l _ 样品名称：电石粉样品来源：工作样品介质名称：乙二醇 中位径( 5 0 ) ：1 2 9 8 1 s i n 体积平均径d 4 ，3 】1 6 7 8 1 a r a 面积平均径d 【3 捌：5 6 7 9 m 遮光率：4 5 3 1 比表面积：3 9 1 7 3 m 2 k g 样品折射率实部：1 8 3 8 样品折射率虚部：1 1 1 介质折射率：1 4 3 2 o 0 o o o 0 0 0 0 o o 加 m o 一爨一恻钿求陋窭聪 东北大学硕士学位论文第2 章含硼半钢的获得 其他实验原料还有a l 粉、工业纯氩气、工业纯氮气等。 2 2 3 含硼生铁预脱硫实验装置 采用喷吹脱硫方法，实验装置示意图如图2 4 所示，主要由2 0 k w 中 频感应炉和喷粉系统两部分组成。感应炉容量为1o k g ，内壁用镁砂捣打 内衬；测温采用钨铼偶w r e 3 w r e 2 5 ，以a i 5 0 1t 型智能化数字显示仪 显示温度；喷粉系统为双氩气瓶供气，喷粉罐为透明有机玻璃制圆锥形， 容积为o o olm 3 ；喷枪为三高石墨加工的特殊装置，如图2 5 所示，管外 径为0 2 0 m m ，内径为12 m m ，枪部外径为0 4 0 m m ，内径为0 2 0 m m ，孔 径为0 8 m m 。实验证明，该脱硫装置效率高，喷粉稳定。 图2 4 脱硫试验装置示意图 f i g 2 4i l l u s t r a t i o no fd e s u l p h u r i z i n gs e t - u p 图2 5 石墨喷枪示意图 f i g 2 5t h es c h e m a t i cd i a g r a mf o rg r a p h i t es p r a yg u n 1 2 东北大学硕士学位论文 第2 章舍硼半钢的获得 2 2 4 实验过程 将含硼生铁试料8 k g 加入感应炉内，通电加热到l 35 0 l4 0 0 ，温 度基本波动在4 - 15 范围，通过调整输出功率维持实验温度1o m i n ，使铁 水通过电磁搅拌达到成分均匀；加入a l 粉时，预先用薄铁皮包住投入到 铁水中。然后向铁水内部插入石墨喷枪，开始喷吹脱硫粉剂，喷枪口距 熔池底部约4 6 c m ，总喷粉时间约为l2 2 0 m i n ；脱硫处理结束后，将铁 水倒入铁模中，留作进一步脱硅和冶炼硼钢用。分析铁水成分，用石英 管吸取试样，然后将铁试样粉碎、磨成细粉；采用燃烧法远红外碳硫分 析仪( 美国l e c o ，c s 2 4 4 ) 分析c 和s ，用分光光度法分析s i ，而b 、 p 、m n 、a 1 的分析则采用电感耦合等离子发射光谱法( i c p 法) 。 2 2 5 含硼生铁预脱硫实验效果 2 2 5 1 石灰粉脱硫 图2 6 为用活性石灰脱硫的典型实验结果，实验条件为预先向含硼铁 水添加0 1 a i ，铁水温度为135 0 14 0 0 ，活性石灰用量为13 k g t h m 。 由图可见，脱硫后，硫含量可从约0 1 降低至o 0 1 以下，实验结果说 明，铁水中添加a l 能促进活性石灰粉的脱硫 2 1 , 2 2 】，在此条件下，用活性 石灰粉脱硫能满足脱硫目标的要求。 t i m e ，瑚a _ w ( s ) = o 9 6 w ( s ) = o 0 6 4 图2 6 含硼铁水添加a l 后石灰脱硫过程中硫的变化 f i g 2 6v a r i a t i o no fs u l p h u rc o n t e n td u r i n gd e s u l f u r i z i n gp e r i o dw i t hl i m ef o l l o w i n g a 1a d d i t i o ni n t oh o tm e t a lc o n t a i n i n gb - 13 - 东北大学硕士学位论文 第2 章含硼半钢的获得 2 2 5 2 电石粉脱硫 图2 7 为用电石粉脱硫的典型实验结果，实验条件铁水温度为 l35 0 - 14 0 0 ，初始硫含量分别约为0 1 和o 0 6 ，活性电石用量分别为 8 k g t h m 、6 k g t h m 。由图可见，采用电石粉脱硫效果很好，即使对于初 始硫含量很高的含硼生铁，最终硫含量也能脱到o 01 以下。 - w ( s ) = o 1o w ( s ) = o 0 6 图2 7 电石脱硫时含硼铁水中硫的变化 f i g 2 7v a r i a t i o no fs u l p h u rc o n t e n ti nh o tm e t a lc o n t a i n i n gbd u r i n g d e s u l f u r i z i n gp e r i o dw i t hc a l c i u mc a r b i d e 表2 5 为不同脱硫剂在不同条件下的脱硫实验结果，最终硫含量均能 满足要求，其它元素c 、s i 、b 、m n 、p 的含量几乎不变。 值得指出的是：用n 2 作为含硼铁水脱硫载气时，热力学分析，【b 】 将与n 2 或【n 】反应生成b n 40 1 ，但由表2 6 的三组实验数据可见，脱硫前 后含硼铁水中【b 】含量变化并不很大，也就是说采用n 2 作为含硼铁水脱硫 的载气，并不会造成b 的大量损失。这有利于实际应用，因为n 2 相对较 便宜，降低脱硫成本。 1 4 东北大学硕士学位论文 第2 章含硼半钢的获得 表2 5 含硼生铁预脱硫的结果 t a b l e2 5t h er e s u l t so fs u l f u rr e m o v a lf o rb o r o nc o n t a i n i n gp i gi r o n 表2 6 用n 2 作为脱硫载气时对含硼铁水中b 的影响( 质量分数) ， t a b l e2 6t h ei n f l u e n c eo nb o r o ni nt h eb o r o nc o n t a i n i n gm o l t e ni r o nw h e nn i t r o g e n i su s e da sc a r r i e rg a sf o rd e s u l f u r a t i o n ( m a s sf r a c t i o n ) ， 经脱硫处理后，含硼生铁成分大致为( 质量分数，) ：c3 5 - 3 8 ， s i2 0 2 5 ，bo 2 0 5 ，m no 0 8 0 1 2 ，p 0 0 6 5 ，s o 0 1 ，可以利用上 述原料进一步预脱硅获得含硼半钢。其实在做实验的时候，其结果并不 如人所愿。其中有几次的实验结果并不理想，其缘由是实验过程中，实 验装置、人为操作和意外事故等因素影响。我们对其进行重新补做，其 结果达到了脱硫目标的要求。 - 1 5 东北大学硕士学位论文 第2 章舍硼半钢的获得 2 3 脱硫含硼生铁预脱硅处理获得含硼半钢 2 3 1 含硼生铁脱硫后再脱硅的目的 铁水预脱硅是指进入炼钢炉前的降硅处理，它是分步精炼工艺发展的 结果。提供炼钢的铁水预先进行脱硅处理，可以大大减少炼钢时的石灰 消耗量、渣量和铁损以及发挥转炉炼钢的产能，它能改善炼钢的技术经 济指标，降低炼钢费用，也可作为预脱磷、脱硫的前处理，可降低脱磷 处理剂的消耗，进一步生产纯净钢等各种优质钢【25 1 。由于含硼生铁中硅 含量是一般铁水的3 4 倍，产生的渣量将会很大。所以，不经过预脱硅 处理直接进入转炉冶炼硼钢是不经济的，而且也很难控制硼含量在硼钢 范围内。因此，有必要对含硼生铁进行预脱硅处理。现代钢铁冶金生产 发展出两类预脱硅工艺：一类是作为铁水同时脱磷、脱硫的前工序，以 提高脱磷、脱硫的效率；处理后的铁水进入转炉，只需完成脱碳和提高 温度，渣量减少到10 0 k g t 以下，只起保护渣的作用，主要用于生产高纯 钢种【z 5 】；另一类是作为降低转炉渣量的措施，减少石灰消耗量、渣量和 铁水损失。 脱硫后的含硼生铁再脱硅的目的如2 1 节所述，主要是为减少因硅含 量高而带来的很大的转炉渣量，保证冶炼硼钢成分的稳定性，降低冶炼 成本；通过预脱硅处理，也可以使铁水中的硼富集到脱硅渣中，能合理 充分地利用含硼生铁中的硼。 2 3 2 脱硅方法的选择 目前，国内外铁水脱硅主要采用固体氧化剂脱硅法和浸入式喷枪吹 氧脱硅法，固体氧化剂脱硅，提供氧源的物质主要是铁的氧化物f e 2 0 3 、 f e 3 0 4 【23 1 ，浸入式喷枪吹氧脱硅，氧源为工业纯氧气。 固体氧化剂脱硅主要有表面添加机械搅拌和喷粉两种方式，喷粉法 熔池搅拌激烈，脱硅效率高，氧的利用率也较高，两种脱硅方式均能满足 脱硅要求。影响脱硅的主要因素是脱硅剂中的固体氧含量，对于一般铁 水的脱硅，因为硅含量一般不超过0 6 ，所以脱硅剂用量在 3 0 4 0 k g t h m 2 5 】：而对于含硼生铁，由于硅含量高出一般铁水3 4 倍，所 以当终点硅含量降低至o 3 0 4 时，脱硅剂( 固体氧含量2 2 6 ) 用量 不低于18 0 k g t h m ，而终点硅含量降至更低时，脱硅剂用量将更大。这在 1 6 - 东北大学硕士学位论文第2 章含硼半钢的获得 实际应用中可能会带来很多问题。 因此，本文采用浸入式喷枪吹氧脱硅方法对脱硫含硼生铁进行脱硅 处理。这种脱硅处理是将氧气喷枪插入到铁水内部吹氧。据介绍，由于 浸入式吹氧脱硅过程中碳仅有少量氧化，所以很少产生泡沫渣【1 1 ，24 1 ，而 且还具有选择性氧化的特点，常作为分离有价元素的工艺方法 2 6 , 2 7 】。 2 3 3 脱硅实验装置 实验采用了2 0 k w 中频感应炉，容量为10 k g 。中频感应炉实验装置 如图2 8 所示，测温和控温采用钨铼偶w r e 3 w r e 2 5 和a i 5 0lt 型智能 化温度数显仪，控温精度4 - 15 。吹氧采用内径1 5 m m 和0 2 m m 的双孔 刚玉管。 2 3 4 脱硅实验过程 将8 k g 脱硫处理后的含硼生铁放入图2 8 所示的镁砂衬感应炉内，通 电加热到130 0 135 0 ，放入由c a o 、f e 2 0 3 和萤石组成的熔剂后，将内 径为0 2 m m 的双孔刚玉管插入距熔池底部约4 c m 处吹氧，其强度为 0 8 1 5 l m i n k g h m ，脱硅处理时间为10 18 m i n 。脱硅结束后，将铁水倒 入铁模中，留作冶炼硼钢用。成分分析，用石英管吸取试样，预先将试 样粉碎，然后磨成细粉；采用燃烧法远红外碳硫分析仪( 美国l e c o ， c s 2 4 4 ) 分析c 和s ，s i 的分析采用分光光度法，b 、p 、m n 、a 1 的分析 采用电感耦合等离子发射光谱法( i c p 法) 。 图2 8 中频感应炉吹氧脱硅实验装置 f i g 2 8i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yi n d u c t i o nf u r n a c ee x p e r i m e n ts e t - u pf o rd e s i l i c a t i o n w i t ho x y g e nb l o w i n g - 1 7 - 东北大学硕士学位论文 第2 章含硼半钢的获得 2 3 5 脱硫含硼生铁预脱硅实验结果 图2 9 为脱硫含硼生铁脱硅的典型处理结果，实验条件为：脱硫含硼 铁水温度130 0 135 0 ，熔剂为由c a o 、萤石和f e 2 0 3 组成的混合物，加 入量分别为 21g k g h m 、6 9 k g h m 和1o g k g h m ，吹氧强度为 o 8 l m i n k g h m ，总脱硅时间为1 8 m i n 。 装 ( j 3 专 、 u ￥ 图2 9 脱硫后的含硼铁水吹氧脱硅过程中成分的变化 f i g 2 9v a r i a t i o no fc o m p o s i t i o ni nd e s u l p h u r i z e dh o tm e t a lc o n t a i n i n gb d u r i n gd e s i l i c a t i o np e r i o dw i t ho x y g e nb l o w i n g 可见，主要是铁水中s i 、b 发生氧化，且s i 和b 氧化规律相近，而 m n 、p 及s 的的变化不大，c 略有降低，氧化不足12 。由于采用了c a o 、 c a f 2 和f e 2 0 3 混合熔剂，所以脱硅渣的流动性较好，脱硅效率高。在 12 18 m i n 时s i 降到0 2 0 1 ，残留b 含量为0 0 4 2 0 0 31 ；在处理 9 m i n 时s i 含量为0 4 ，b 含量为0 0 8 6 。 表2 7 为9 组脱硫后的含硼生铁经脱硅处理后得到的含硼半钢成分， 其成分大约为( 质量分数，) ：c3 2 - 3 4 、s i0 2 - 0 5 、b0 0 2 0 0 6 、 m no 0 7 - 0 0 9 、p0 0 6 0 0 6 5 、s 0 0l ，是冶炼硼钢的原料，可直接送入 转炉冶炼硼钢。而脱硅渣中的硼被富集至大于l3 ，可以设想用于冶炼 f e s i b 合金或提取其中的有价元素硼。 - 1 8 - 摹一一t(山￥hh_6一_)t 表2 7 脱硫含硼生铁脱硅处理实验结果( 含硼半钢成分) ( 质量分数) t a b l e2 7t h er e s u l t so fd e s i l i c a t i o nt r e a t m e n tf o rd e s u l f u r i z i n g l yb o r o nc o n t a i n i n g p i gi r o n ( b o r o nc o n t a i n i n gs e m i s t e e l ) ( m a s s ) 3 2 6 3 3 8 3 3 2 3 4 2 3 2 5 3 2 3 3 5 3 18 o 17 o 4 2 o 2 3 o 4 6 0 2 2 0 12 o 3 8 0 2 6 o 0 1 6 0 0 6 2 o 0 3 8 o 1 0 2 0 0 3 2 o 0 1 4 0 0 4 1 0 0 2 8 0 0 7 8 o 0 8 o 0 8 2 0 0 8 8 o 0 7 6 0 0 7 2 o 0 8 0 0 8 4 o 0 6 2 o 0 6 0 0 6 5 0 0 6 5 o 0 6 0 0 6 4 0 0 6 2 0 0 6 93 3 00 4 00 0 3 0 0 8 20 0 6 5 o 0 0 8 o 0 1 o 0 0 8 0 0 0 7 0 0 0 9 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 7 - 1 9 - 1 2 3 4 5 6 7 8 东北大学硕士学位论文 第3 章实验方法 第3 章实验方法 3 1 冶炼实验方法 3 1 1 冶炼硼钢的原料 冶炼硼钢的金属试料为脱硫、脱硅预处理后的含硼半钢，其主要成 分如第二章表2 7 所示，大约为( 质量分数，) ：c3 2 3 4 、s i0 2 - 0 5 、 b0 0 2 。0 0 6 、m n0 0 7 0 0 9 、p0 0 6 0 0 6 5 、s o 0 0 3 ) 时，随着硼含量的增加，由于硼相在晶界的析出量增大，冲击韧性将会 大幅度降低【4 3 】；当采取高温较长时间奥氏体化处理，使硼相充分溶解再 淬火处理，可以使超标的硼钢冲击韧性得到一定程度的恢复【43 1 。由表4 7 可知，采用先9 0 0 正火3o m i n 再淬火的热处理工艺( 1 样热处理制度) ， 冲击韧性得到一定程度提高。 目前，在国标中一般还采用摆锤式夏比缺口冲击试验标准。为了与 国标进行比较，也进行了摆锤冲击试验，平均冲击功测试结果如图4 5 所示。可见，尽管因冲击测试方法不同测试数据有一定差别( 落锤氏冲 击试验机一般冲击功测量值较大，摆锤氏冲击试验机冲击功测量值较 小) 。但它们对硼钢试样所反映出的趋势特征是一致的。有文献报道【4 6 。， 通过修正技术，两种冲击试验总冲击能量相差在5 j 范围。 硼钢试样冲击功测试结果( j ) 落锤式冲击功一摆锤式冲击功l * l l l l l 1 1 撑1 - 2 02 1 撂2 - 2 撑3 - 3 # 3 - 4 0 图4 5 硼钢试样冲击功测试结果，j f i g 4 5t e s tr e s u l t so fa b s o r b e d i n - f r a c t u r ee n e r g yo fb o r o ns t e e ls p e c i m e n s ，j 4 1 0 东北大学硕士学位论文第4 章实验结果与讨论 4 2 3 硬度 硬度是指材料抵抗外物压入其表面的能力。它表示材料的坚硬程度， 也反映材料抵抗塑性变形的能力，表现在固体有抵抗弹性变形、塑性变 形或破裂的能力，或者有抗拒其中两种或三种情况同时发生的能力。硼 钢试样硬度测试结果如图4 6 所示。同拉伸强度测试结果相对应，硼含量 高的硼钢试样测得的硬度值也大，这可能是由于硼化物在晶界析出，起 到了晶界强化作用，所以抵抗变形能力增强，但降低了塑性和冲击韧性 ( 见延伸率和断面收缩率及冲击韧性) 。 一硬度 鼍0 u 4 0 1 3 9 8 4 0 0 冀文气搦 圈 2 4 4 3 5 0 3 1 2 翳 豳 蘑2 1 5 飘 翳翳 蘸 墼 豳。警 3 0 0 圈 豳 圈 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 豹 5 0 ；瀚鍪 u 1 一l #l 一2 #2 一l #2 2 # 3 - 3 #3 - 4 # 图4 6 硼钢试样的硬度测试结果( h b s 5 7 5 0 ) f i g 4 6h a r d n e s st e s tr e s u l t so fb o r o ns t e e ls p e c i m e n s ( h b s 5 7 5 0 ) 4 2 4 硼钢试样的综合力学性能比较 根据拉伸、冲击试验及硬度测量结果，表4 8 列出了硼钢试样的综合 力学性能测试值；为了对比，同时还列出了g b t 30 7 7 19 9 9 中相近成分 的有关硼钢及2 0 m n 2 钢的力学性能指标，如表4 9 所示，其化学成分见 表4 10 。 由表4 8 可见，硼含量接近于标准的1 稃系列和3 群系列的硼钢试样 性能更好，尤其是经正火热处理的1 1 撑试样，在保证足够的抗拉强度的 同时冲击韧性也较好；3 3 群试样没有经过正火处理，抗拉强度高，韧性也 较好，当正火处理后，提高了韧性，但强度下降；而2 撑系列的硼钢试 样，由于硼含量较高，虽然抗拉强度大能满足要求，但材料的塑、韧性 4 2 东北大学硕士学位论文 第4 章实验结果与讨论 严重损害，低于所列的硼钢标准。对比可知，1 f i 系列硼钢试验材料的综 合机械力学性能指标优于2 0 m n 2 、15 m n v b ，而接近于4 0 m n b 、4 5 m n b 结构合金硼钢；3 群系列硼钢试样综合机械力学性能显著优于l5 m n v b ， 也达到了2 0 m n v b 的标准要求。基于微量硼能提高钢的淬透性这一事实， 在用含硼生铁冶炼的钢水中加锰铁合金化，即能经济的获得性能超越 2 0 m n 2 结构合金钢的材料；通过冶炼后期控制好增碳及其它合金成分， 也完全能达到其它硼钢的标准。 表4 8 硼钢试样的综合力学性能测试结果 t a b l e4 8t e s tr e s u l t so fg e n e r a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fb o r o ns t e e ls p e c i m e n s 表4 9g b t 3 0 7 7 19 9 9 中有关硼钢及2 0 m n 2 钢的力学性能指标 t a b l e4 9m e c h a n i c a lp r o p e r t yi n d e xo fs o m er e l a t i v eb o r o na n d2 0 m n 2i n g b t 3 0 7 7 19 9 9 对于硼含量超标较大的2 撑系列硼钢试样材料，根据文献【4 5 1 介绍， 采取大于9 0 0 高温及较长时间( 7 0 m i n ) i e 火处理( 油冷或空冷) ，可能会减 轻或消除已析出的硼化物，使冲击韧性能得到一定程度的恢复，从而达 4 3 东北大学硕士学位论文第4 章实验结果与讨论 到要求。 表4 10g b t 3 0 7 7 19 9 9 中有关硼钢的成分( 质量分数) ， t a b l e4 1 0c o m p o s i t i o no fs o m er e l a t i v eb o r o ns t e e li ng b t 3 0 7 7 19 9 9 ( m a s s f r a c t i o n ) 淤 cs im nm 。v b 2 0 m n 2 0 1 7 - 0 2 40 1 7 0 3 71 4 0 1 8 0 15 m n v b0 12 0 180 17 o 3 71 2 0 - 1 6 00 0 7 - 0 120 0 0 0 5 - 0 0 0 3 5 2 0 m n v b 0 1 7 - 0 2 30 1 7 0 3 71 2 0 - 1 6 00 0 7 - 0 1 20 0 0 0 5 0 0 0 3 5 2 0 m n m o b0 16 0 2 20 17 - 0 3 70 9 0 1 2 00 2 0 - 0 3 00 0 0 0 5 0 0 0 3 5 4 0 m n b 0 3 7 - 0 4 40 1 7 - 0 3 71 1 0 1 4 00 0 0 0 5 - 0 0 0 3 5 4 5 m n b0 4 2 - 0 4 90 1 7 0 3 71 1 0 1 4 0 0 0 0 0 5 - 0 0 0 3 5 另外，由表4 8 测得的有关数据也可见，拉伸强度大，硬度也大，即 抵抗变形的能力较强，但延伸率和断面收缩率以及冲击吸收功变小，即 塑、韧性降低，存在着对应的关系。 4 3 试样断口的显微结构分析 图4 7 中( a ，a ) 、( b ，b ) 、( c ，c ) 及( d , d ) 、( e ，e ) 、( c f t ) 分别为硼钢试样 1 1 # 、1 2 、2 1 样、2 2 群、3 3 样及3 4 拉伸断口的s e m 形貌照片。 由图4 7 可见，1 1 群( a ，a ) 硼钢试样拉伸断口的微观特征是韧窝形貌， 断口由凹进或凸出的微坑组成，有的微坑中可发现有第二相粒子存在， 这是典型的延性断裂】。由于受到正应力的作用，所以韧窝的形状呈等 轴形。微坑的深浅主要取决于材料的塑性好坏，塑性好的，形成的微坑 深；1 2 拌( b ，b ) 硼钢试样拉伸断口的微观特征也是延性断裂的韧窝形貌， 但与1 1 撑比较，微坑较浅，所以，塑性不如1 1 撑。这与表4 8 的有关测 试结果相吻合；3 撑系列硼钢试样韧窝更深，所以塑性更好，也与表4 8 的测试结果吻合。 与1 撑系列硼钢试样材料拉伸断口比较，2 1 撑( c ，c ) 及2 2 撑( d ，d ) 微坑 少且浅，分布不均，有些部位已观察不到微坑，出现了沿晶断裂和解理 断裂面。所以塑性较差，拉伸时塑性变形量小，直至被拉断，属脆性断 裂。这也与表4 8 测试的结果相吻合。 东北大学硕士学位论文 第4 章实验结果与讨论 4 5 东北大学硕士学位论文 第4 章实验结果与讨论 图4 7 硼钢试样拉伸断口s e m 形貌( 标尺：左l0 p m ，右5 “m ) f i g 4 7s e mm i c r o g r a p h so ft e n s i l ef r a c t u r eo fb o r o ns t e e ls p e c i m e n s 1 1 撑( a ，a ) ：b0 0 0 3 3 ，9 0 0 c ，3 0 m i n 正火- - , 8 8 0 c ，3 0 m i n 油淬_ 2 0 0 ，1 2 0 m i n 回火： 1 - 2 # ( b ，b ) ：bo 0 0 3 3 ，不经正火，8 8 0 ，3 0 m i n 油淬- - ，2 0 0 c ，1 2 0 r a i n 回火； 2 1 撑( c ，c ) ：b0 0 0 5 1 ，9 0 0 c ，3 0 m i n 正火_ 8 8 0 ，3 0 m i n 油淬- 2 0 0 ，1 2 0 m i n 回火： 2 - 2 # ( d ，d ) ：b0 0 0 51 ，不经正火，8 8 0 c ，3 0 m i n 油淬- , 2 0 0 c ，1 2 0 m i n 回火； 3 - 3 # ( e ，e ) ：b0 0 0 2 3 ，9 0 0 c ，6 0 r a i n ，正火叶8 6 0 ，6 0 m i n ，油淬_ 2 0 0 ，1 2 0 m i n ，回火： 3 - 4 撑( e f ) ：bo 0 0 2 3 ，不经正火- 8 6 0 ，6 0 r a i n ，油淬- , 2 0 0 c ，1 2 0 m i n ，回火； 图4 8 中 ( a ，a ) 、( b ，b ) 、( c ，c ) 、( d ，d ) 、( e ，e ) 、( f ，f ) 分别为硼 钢试样1 1 挣、1 2 撑、2 1 撑、2 2 撑、3 3 撑、3 4 撑冲击断口的s e m 形貌照片。 4 6 东北大学硕士学位论文第4 章实验结果与讨论 图4 8 硼钢试样冲击断口s e m 形貌( 标尺：左l0 p m ，右5 m ) f i g 4 8s e mm i c r o g r a p h so fi m p a c tf r a c t u r eo fb o r o ns t e e ls p e c i m e n s 1 1 撑( a ) ：b0 0 0 3 3 ，9 0 0 c ，3 0 m i n 正火- 8 8 0 ，3 0 m i n 油淬- - - ，2 0 0 c ，1 2 0 r a i n 回火； 1 - 2 # ( b ，b ) ：b0 0 0 3 3 ，不经正火，8 8 0 ( 2 ，3 0 r a i n 油淬- - - 2 0 0 c ，1 2 0 r a i n 回火： 2 1 撑( c ，c ) ：b0 0 0 5 1 ，9 0 0 c ，3 0 m i n 正火一+ 8 8 0 ，3 0 r a i n 油淬- 2 0 0 c ，1 2 0 r a i n 回火： 2 - 2 # ( d ，d ) ：bo 0 0 5 1 ，不经正火，8 8 0 c ，3 0 r a i n 油淬- - o , 2 0 0 c ，1 2 0 m i n 回火。 3 - 3 # ( e ，e ) ：b0 0 0 2 3 ，9 0 0 c ，6 0 r a i n ，正火- 8 6 0 ，6 0 r a i n ，油淬- - - 2 0 0 c ，1 2 0 r a i n ，回火； 3 - 4 # ( f , f ) ：b0 0 0 2 3 ，不经正火_ 8 6 0 ，6 0 m i n ，油淬_ 2 0 0 ，1 2 0 m i n ，回火； 4 7 东北大学硕士学位论文第4 章实验结果与讨论 可见，在冲击载荷的作用下，1 1 样断口的s e m 形貌( a ，a ) 也是韧窝 特征，表现为延性断裂，但与静载荷作用下的拉伸断口( 图4 7 ，a ，a ) 相比 微坑较浅；1 2 撑冲击断口形貌( b ，b ) 也是一定韧窝特征，但较1 1 撑冲击断 1 ：3 的微坑浅；而2 1 撑( c ，c ) 和2 2 ( d ，d ) 冲击断1 ：3 的形貌则表现为脆性断 裂特征，大部分为沿晶断裂形貌1 4 7 ，个别部位有解理断裂形貌的“河流 状花样，如图4 8 中( d ，d t ) ，表现出较大的脆性。 一般，材料受到冲击产生裂纹时，裂纹的扩展总是沿着消耗能量最 小，即原子结合力最弱的区域扩展。由于2 撑系列硼钢试样硼含量较高， 在晶界上析出硼化物( 参见4 4 节) ，因而降低了晶界结合强度，从而大大 降低了裂纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂。发生脆性断裂时，断裂 前宏观塑性变形很小，断裂过程中材料吸收的能量很少，冲击能主要被 用于形成新的断面；而延性断裂不但发生显著的塑性变形，而且断裂过 程中材料吸收了较多的能量，表现出冲击吸收功值大。表4 8 测试得到的 数据结果与图4 8 冲击断口的形貌同样也能很好的吻合。 4 4 硼钢试样金相显微组织分析 图4 9 为硼钢试样的s e m 金相显微组织照片。图中标号i 、i i 、 依次为1 1 撑、1 2 撑、2 1 挣、2 2 撑硼钢试样。 由图可见，它们均为淬火的板条状马氏体组织，1 1 群( i ) 的马氏体组 织比较均匀，其次是1 2 捍( i i ) ；仔细观察可发现，2 1 撑( ) 和2 2 # ( i v ) 硼 钢试样，在晶界处存在有细长条片状或稍带尖角的多边形小块状物，几 乎形成了网络，尤其是2 2 撑( ) 较多；1 2 群( i i ) 也有少量存在，但多为细 长条状，而1 1 撑( i ) 量极微，没有发现形成网络，对其进行定点e d s 能 谱分析，结果如表4 11 所示。 4 8 东北大学硕士学位论文第4 章实验结果与讨论 图4 9 硼钢试样的金相显微组织( 标尺：1o p m ) f i g 4 9m e t a l l o g r a p h i c a lm i c r o s t r u c t u r eo fb o r o ns t e e ls p e c i m e n s i ( 1 - 1 撑) ：b0 0 0 3 3 ，9 0 0 c ，3 0 r a i n 正火一8 8 0 ，3 0 m i n 油淬_ 2 0 0 c ，1 2 0 m i n 回火； i i ( 1 - 2 # ) ：b0 0 0 3 3 ，不经正火，8 8 0 c ，3 0 m i n 油淬- - - - , 2 0 0 c ，1 2 0 r a i n 回火； i i i ( 2 一l 撑) ：b0 0 0 5 1 ，9 0 0 c ，3 0 r a i n 正火一8 8 0 ，3 0 r a i n 油淬- 2 0 0 ，1 2 0 r a i n 回火； i v ( 2 - 2 撑) ：b0 0 0 5 1 ，不经正火，8 8 0 c ，3 0 r a i n 油淬- - ，2 0 0 c ，1 2 0 r a i n 回火 表4 1 l 硼钢试样中细长条状或角块状物e d s 分析结果 t a b l e4 11e d sa n a l y s i sr e s u l to fl o n gs t r i p l i k eo ra n g u l a rb l o c k y l i k es t r u c t u r e i nb o r o ns t e e ls p e c i m e n s e l e m e n ti n t e n s i t vw e i g h t a t k v a l h ezaf b0 4 l o5 5 0 l2 0 0 0 00 0 0 5 9 60 9 7 5 5 05 9 4 2 5 01 0 0 0 0 0 c0 9 l6 5 11 ll6 7 4 00 0 0 8 8 30 9 0 7 7 3 4 0 0 6 5l1 0 0 0 0 0 s io 3 0 80 4 8 40 6 8 00 0 0 2 0 2o 9 3 0 7 81 6 2 5 5 3o 9 9 5 7 0 m n 0 2 8 8 1 7 8 81 2 7 70 0l2 5 81 0 5l8l1 0 0l l01 0 0 0 0 0 f e9 9 1 78 7 11 66 1 。3 0 3o 5 2 9 0 41 0 3 2 9 3o 9 9 8 3 61 0 0 0 0 0 t o t a l1 0 0 0 0 01 0 0 0 0 00 5 5 8 4 3 e l e m e n t i n t e n s i t yw e i g h t a t k v a l u ezaf bo 0 5 54 0l51 4 2 3 40 0 0 2 0 90 9 7 8 0 75 9 5 4 2 91 0 0 0 0 0 c0 7 0 57 7 3 92 4 6 8 9o 0 0 6 7 20 9 1 0 2 63 8 3 4 8 7 1 0 0 0 0 0 s io 2 2 90 7 4 51 0 1 6o 0 0 1 5 00 9 3 4 3 31 6 1 7 7 l0 9 9 5 7 4 m n0 1 2 31 8 4 51 2 8 7o 0 0 5 2 81 0 5 7 1 01 0 0 0 9 51 0 0 0 0 0 f e 4 6 7 48 5 6 5 65 8 7 7 40 2 5 0 4 9 1 0 3 8 2 5 0 9 9 8 2 5 1 0 0 0 0 0 t 0 t a ll0 0 0 0 0l0 0 0 0 0o 2 6 6 0 8 4 9 东北大学硕士学位论文第4 章实验结果与讨论 e l e m e n ti n t e n s i t y w e i g h t a t k v a l u ezaf b0 0 6 2 4 3 6 5 1 6 7 6 8 o 0 0 2 3 2 0 9 7 4 3 96 1 5 5 6 9 1 0 0 0 0 0 co 3 8 64 18 01 4 4 5 30 0 0 3 7 00 9 0 6 4 63 9 8 4 0 71 0 0 0 0 0 s io 3 3 0 1 0 2 4 1 5 1 4 0 0 0 2 1 60 9 2 7 9 31 6 3 5 8 00 9 9 5 7 3 m n0 13 21 8 8 91 4 2 8o 0 0 5 7 61 0 4 6 5 71 0 0 1 6 31 0 0 0 0 0 f e 5 1