硼铁(ferroboron)

以硼和铁为主要组成的铁合金，还含有铝、硅、碳、锰、铜等杂质。是钢铁冶炼、铸铁、非晶态合金与磁性材料的硼添加剂。硼铁含硼9％～25％，按碳与硼的含量分类。还有镍硼(B>14％)、钴硼(B>12％)、铬硼(B>12％)、铝硼(B2。5％～3．5％)及多种复合硼合金，用于高温合金、磁性合金、喷涂材料及铝合金的生产。

英国戴维(H．Davy)用电解法首次制得硼。穆瓦桑(H．Moissan)于1893年在电弧炉中制得了高碳硼铁。20世纪20年代出现了许多制造硼铁的专利。70年代非晶态合金和永磁体材料的发展，使硼铁的需要量增加。50年代末，中国北京钢铁研究总院用铝热法研制硼铁成功。其后吉林、锦州、辽阳等铁合金厂相继批量生产，1966年以后，主要由辽阳铁合金厂生产。1973年辽阳铁合金厂用电炉法生产硼铁。1989年又用电炉法研制低铝硼铁。

性质及用途            硼的原子量为10．81。电子结构为1s¹2s²2p¹。结晶形硼的密度为2.31g／cm³(20℃)，而无定形硼的密度为2.30g／cm³。(20℃)。熔点2079℃，沸点3660℃。硼铁二元系平衡相图见图1。硼铁系中，在硼含量约为3.8％处，有一共晶点，其共晶温度为1149℃。铁和硼生成两种，在高温时也极稳定的中间化合物，Fe。B和FeB。其中FeB有高温和低温两种晶型。工业生产的硼铁(10％～20％B)的熔化温度范围为1400～1550℃，密度为5.8～6.5g／cm³。

微量的硼(0.001％)可以使钢的淬透性成倍增加。不锈钢添加约0.003％B，可以改善其加工性。硼具有吸收中子的性质，可以阻碍或停止铀——石墨核反应的连锁反应。所以含硼较高(>1％B)的钢用于原子能工业。硼在铸铁中能影响石墨化，因而增加白口的深度。硼添加量超过0.01％时，有明显的稳定碳化物的作用，因而提高铸铁的耐磨强度。铸铁轧辊含硼0.02％～0.1％，可以提高表面硬度和改善白口凝固。可锻铸铁中添加硼达0.001％～0.005％时有利于形成球墨。同时还能增加石墨的颗粒和改善其分布状况。这一作用有利于退火处理。

喷涂(焊)用的铁基、钴基、镍基金属粉末、含硼0.5％～4.0％。含硼非晶态铁硅硼合金，如：Fe92Si583，可以代替取向硅钢制造铁损低、体积小的节能变压器等器件。Nd2Fel4B、Ndl5Fe7788等钕铁硼永磁体，具有高剩磁、高矫顽力及高磁能积的优点，是制造永磁机件的理想材料。

生产工艺                  B₂O₃是比较难还原的氧化物。用碳、硅、铝还原．B₂O₃的反应△F_o-T图见图2。从图中看出，当有铁参与时，对碳还原反应有利。碳还原生成

B₄C的反应，同生成B的很接近，可以得到含碳较低的硼铁。硅和铝还原B₂O₃是可能的，但反应热量均不能使反应自动进行，需要添加发热剂，补充热量。产出硼铁含硅与铝均较高。为了得到低铝硼铁，常用镁代替部分铝。硼铁生产主要有金属热法和电碳热法两种。

金属热法           将硼酸加热至800℃脱水，得到含>95％B₂O₃的硼酐作硼原料。可以得到杂质少、含硼高的硼铁。用镁代替部分铝作还原剂，不仅能提高单位炉料的反应热量，而且也能提高硼的还原率，降低合金中的铝含量。

硼酸(99％H₃BO₃)在烧油(或天然气)的反射炉(或回转窑)内加热至800～1000℃脱水，得到硼酐(B₂O₃)。破碎成粒度<3mm。铝镁合金(Mg>48％，Al>48％)是在中频感应炉内，先将铝锭熔化并加温至800℃左右，逐渐加入镁锭，不断搅拌使均匀混合。然后将合金液浇注成条块状。冷却后破碎成粒度<5mm，其他原料有：铁矿(Fe>65.0％，Si<2.5％，P<0.02％，S<0.05％，粒度<3mm)；铁鳞(Fe>65％，si<1.0％，P<0.015％，s<0.15％。粒度<5mm)；铝粉(Al>99.0％，Si<0.5％，P<0.01％，粒度0.1～1。mm>60％)；硝酸钠(NaNO₃>98．5％，粒度<1mm)。炉料按计算称量，混合均匀后装入熔炼炉。熔炼炉由炉底、炉筒和炉罩三部分组成。炉底放在可移动的小车上。其上铺一层镁砂和镁砖。炉筒是用钢板焊制的无底圆筒，内衬镁砖。筒底下部有出渣口。冶炼前用木棒、黄泥或耐火泥堵好。炉料装好后，用硝酸钠和铝镁合金粉混合物做点火剂。用上部点火法冶炼。冶炼反应迅速激烈，时间为2～3min。反应完毕后，立即打开渣口，放渣。两小时后将炉筒吊走。加快合金冷却。硼铁锭冷却后，破碎、精整、包装。硼铁的化学成分为：B20％～24％，Al1.2％～2％，Si1.5％～2％，C<0.1％，P<0.1％，S<0.02％。炉渣的主要成分为：MgO10％～15％，A1₂O₃60％～65％，B₂O₃ 8％～10％，CaO3％～5％，SiO₂0.5％～1.0％，Fe₂O₃0.2％～0.3％。生产lt硼铁(B22％)消耗硼酸1850～2100kg，硝酸钠230～300kg，铝锭900～1100kg，镁锭240～380kg，铁鳞600～750kg，铁矿300～350kg。硼回收率为65％～72％。

电碳热法           冶炼是在小于2000kVA的电炉中进行。采用镁质或碳质炉衬。使用原料有硼酐、硼精矿、钢屑、木炭等。将混合好的一炉所需炉料缓慢加入炉内。炉料全熔后，升温至1700℃以上，保持一段时间，打开出铁口，使渣铁流入锭模。冷却后，将渣铁分离。硼铁的化学成分为：B17％～21％，Al<0.1％，Si2％～3％，C<0.35％，P<0.2％，S<0.01％，Mn<1％。生产lt硼铁(B18％)消耗硼酸1780～1850kg，铁屑950～1050kg，碳质材料1000～1150kg。电耗6500～7500kw•h。硼回收率68％～78％。

铬硼、镍硼、钴硼生产             一般采用金属热法或电铝热法生产。原料为硼酐、铝粒、铝镁合金粒和石灰或萤石等。铬硼用三氧化铬、镍硼用氧化镍。钴硼用氧化钴。冶炼操作同金属热法。合金含硼15％左右。硼的冶炼回收率为70％～76％。铬、镍、钴的回收率各大于90％。

铬硼、镍硼、钴硼的化学成分(％)如下：

                        B                  A1               Fe                  Si                       C                       S                     P                   余量

铬硼              ≥12.0        ≤2.0        ≤3.0                ≤2.0                 ≤1.0            ≤0.15            ≤0.05                 Cr

镍硼              ≥14.0        ≤2.0        ≤3.0                ≤2.0                 ≤1.0            ≤0.05            ≤0.05                  Ni

钴硼                ≥12.0        ≤2.0        ≤3.0                ≤2.0                 ≤1.0            ≤0.05            ≤0.05                   Co

铝硼、铝钛硼生产             它们是铝合金用的硼化剂。用以细化铝的晶粒，改善铝材的物理性能和电气性能，提高导电率。熔炼方法是将硼盐加入熔融的铝液中，或加入高硼钛合金融兑而成。硼回收率为80％～85％。铝回收率为92％～95％。铝硼的成分为B2.5％～3.5％，Fe≤0.5％，Si≤0.2％，Zn≤0.1％，余量为铝。铝钛硼的成分为B0.9％～1．4％，Ti5.0％～6.5％，余为Al。