含Cr合金化钢组织及性能分析

王韶华 沈翃 国栋 冯捷 王晓丽

摘 要：为了研究超高硬度及强度的高速重轨钢，在U75V钢成分基础上进行了调整和优化，向其中添加一定量的Cr合金元素，并与原钢种进行了力学性能对比分析，以便得到成本与性能配合最佳的含Cr合金化重轨钢，使其力学性能优于现有的U75V重轨钢的性能指标，并且在内、外部质量方面能够满足高速铁路重轨钢的使用要求。同时利用Thermocalc热力学软件分析了Cr元素的加入对试验钢夹杂析出物的影响，利用金相显微镜和扫描电镜对试验钢微观组织、晶粒度进行观察分析，探究Cr合金元素对试验钢组织性能影响因素。结果表明：当合金化元素Cr的含量为045%时，重轨试验钢的强度、硬度性能达到最大值;珠光体片层间距最小，晶粒度等级提高，晶粒变得细小。研究结果对于开发超高强度和硬度级别重轨钢的应用具有一定的参考价值。

关键词：黑色金属及其合金;Cr合金化;强度及硬度;力学性能;组织性能;晶粒度

中图分类号：TF764   文献标志码：A

Microstructure and performance of Cr alloy steel

WANG Shaohua1， SHEN Hong2，  GUO Dong3，  FENG Jie3， WANG Xiaoli4

（1.The First Steel Mill， HBIS Group Handan Iron & Steel Company， Handan，  Hebei 056015， China;2.Faculty of Information Engineering and Automation，  Hebei College of Industry and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050091， China;3.School of Materials Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China;4. Department of Academic Affairs， Baotou Iron & Steel Vocational Technical College， Baotou， Inner Mongolia 014010， China）

Abstract：In order to study high-speed heavy rail steel with ultra-high hardness and strength， Cr elements is added to U75V steel. The chemical composition of test steel is optimized， and its mechanical properties are analyzed for obtaining the best Cr alloying steel with optimum cost and performance， and that its mechanical properties are superior to the performance of existing U75V steel.It can meet the operating requirements of high speed heavy rail both in outside and inside qualities. Thermodynamic software Thermocalc is used to analyze the influence of Cr element addition on the exhalation of test steel. The microstructure and grain size of test steel are observed and analyzed by metallographic microscope and SEM. Influence of Cr on test steel structure and properties is investigated. When the content of Cr is 0.45%， the strength and hardness of test steel reach the maximum value， the pearlitic laminates have the smallest spacing， the grain grade is improved， and the grain size becomes small. Therefore， this study could provide reference for the application of heavy rail steel.

Keywords：black metal and its alloys;

Cr alloying steel;strength and hardness; mechanical performance;microstructure and performance; grain size

目前，世界各國对钢轨性能的研究主要集中在高强度、高耐磨性上，但以C，Si，Mn，Cr，Nb为合金成分的钢轨研究还鲜有报道。本文从钢铁材料角度开发研究了由新型材料制成的重轨钢，即在U75V重轨钢中加入适量的Cr合金元素，以降低新型重轨钢的成本，提高其强度和硬度，使其力学性能和相关服役性能均好于现有的U75V重轨钢的性能指标，并且在内、外部质量方面能够满足铁路钢轨的使用要求，研究新型重轨钢有非常重要的现实意义。

1 含Cr合金化高速重轨钢化学成分优化

对于铁路重载运输线路上使用的重轨钢，特别是超高强度和硬度级别的高速重轨钢的组织性能的要求越来越高[1-2]。为力求开发出高力学性能、低成本的含Cr合金元素高速重轨钢，本文在U75V重轨钢基础上对新产品的成分要求进行了相应的调整和优化[3-6]，分别设计了4种不同Cr含量（质量分数，下同）的试验钢，以求得到成本与性能配合最佳的含Cr合金化重轨钢。表1为试验高速重轨钢设计化学成分。

2 含Cr合金化高速重轨钢力学性能分析

以某厂生产的U75V钢作为熔炼母料，在此基础上适当配加硅铁、锰铁、铌铁、电极石墨、工业纯铁和稀土等，利用25 kg中频感应炉冶炼→铸锭→轧制（小型轧机上进行）。实际测得的力学性能见表2。

表2为4种试验钢抗拉强度和屈服强度的试验结果。由表2中数据分析得出：随着Cr含量增高，试验钢的抗拉强度、屈服强度和硬度均有不同程度的提高，而钢的延伸率及冲击性能变化不大。当Cr含量小于0.45%时，随Cr含量的增加，试验钢的抗拉强度由980 MPa提高到1 148 MPa，试验钢的屈服强度由643 MPa提高到693 MPa;试验钢的硬度由HB 308提高到HB 333。

当Cr含量增加超过0.45%后，试验钢的抗拉强度、屈服强度均又有所下降。这说明，试验钢中一定含量的Cr会改善钢的强度、硬度性能。这是由于铬和铁形成连续的固溶体，与碳形成多种碳化物[7-10]。

由表2中数据还可以得出：在试验钢中加入Cr不能明显提高冲击功。这一结果表明，Cr对重轨钢冲击性能的影响与对拉伸性能的影响具有类似的规律性。随着含Cr量的增加，重轨试验钢的强度、硬度性能呈现增加的趋势。但是当Cr含量增加至超过0.45%后，重轨试验钢的强度呈现减小的趋势。

利用合金热力学软件[11-15]，通过计算得出图1曲线。由图1可知：Cr含量对AlN相的析出温度与最大析出摩尔分数影响最大，Cr含量越高，AlN相的析出温度与最大析出摩尔分数越低，但是当Cr含量增加至超过0.45%后，Cr含量增加后AlN相的析出温度与最大析出摩尔分数反而上升。AlN相是钢中产生的夹杂相，析出摩尔分数越大，对钢的强度、硬度影响越不好。

3 含Cr合金化高速重轨钢组织分析

试样经处理、打磨抛光后用质量分数为4%的硝酸酒精腐蚀，然后用光学显微镜观察试样组织。重轨钢属于珠光体型钢[16-18]，试验钢试样在高倍扫描电镜观察下的显微组织是极其细小的片状珠光體组织，每个试样上选取5个不同的区域，对所拍摄的组织照片进行处理，对每个区域进行测量，画出电子标尺，如图2、图3所示，得到珠光体平均片层间距值，分析其对组织性能的影响。

图2依次是0-Cr，1-Cr，2-Cr和3-Cr试验钢组织片层间距的显微照片。通过比较图2和图3可知，随着试验钢Cr含量的变化，重轨钢珠光体片层间距发生明显变化。随着Cr含量的增高，试验钢的珠光体片层间距不断缩小。当Cr含量增加至045%后，试验钢的珠光体片层间距由0.46 μm降低至0.33 μm，片层间距显著细化，其原因是Cr对奥氏体冷却转变影响强;但当Cr含量超过045%后，随着Cr含量的增高，试验钢的珠光体片层间距由033 μm升高至0.42 μm，其原因为Cr对奥氏体冷却转变影响变弱造成的。

Cr和Fe能形成连续的固溶体，与碳形成多种碳化物。铬能取代一部分铁而形成复合合金渗碳体（Fe， Cr）3C。铬的复杂碳化物（Cr， Fe）7C3，（Cr， Fe）23C6对钢的性能有明显的影响，尤其是钢的耐磨性。为了提高重轨钢强度，多采用加入合金元素Cr来强化的方法。当Cr含量在一定范围内，随着Cr含量的增加，重轨钢强度提高，塑性基本不变。Cr使CCT曲线向右移动[19-21]，在相同冷速下能获得片间距更加细小的珠光体组织，从而提高强度。因此，含Cr合金化再加上热处理是提高钢轨性能的较佳方法之一。

4 含Cr合金化高速重轨钢晶粒度分析

将含Cr试验钢试样磨样制备，利用金相显微镜和扫描电镜观察其微观组织，如图4所示，表3是含Cr试验钢的晶粒度等级。

由图4知，0-Cr钢晶粒度等级为6级～6.5级，相应珠光体组织片层间距值为0.46 μm;1-Cr钢晶粒度等级为6.5级～7级，相应珠光体组织片层间距值为0.44 μm;2-Cr钢晶粒度等级为7级～7.5级，相应珠光体组织片层间距值为0.33 μm;3-Cr钢晶粒度等级为6.5级～7级，相应珠光体组织片层间距值为0.42 μm。

经对比可知：随Cr含量增加，珠光体片层间距逐渐变小，晶粒度等级逐渐提高，晶粒变得细小。但是当Cr含量增加至超过0.45%后，珠光体片层间距变大，晶粒度等级降低，晶粒变得粗大。

对不同Cr含量重轨钢珠光体片层间距与晶粒度分析，可知随着Cr含量逐渐增加，珠光体片层间距逐渐变小，其晶粒明显变细，这表明Cr含量越多，其组织材料的强度和硬度都得到了提高，重轨钢的韧塑性、耐磨性和抗接触疲劳能力都较好。但是当Cr含量增加至超过0.45%后，珠光体片层间距变大，晶粒度等级降低，晶粒变得粗大，其组织材料的强度和硬度都随之降低，这是由于当Cr含量增加至超过045%后，AlN相的最大析出摩尔量上升造成的影响。

5 结 语

1）以原始U75V钢成分为研究对象，添加一定量的Cr合金元素，设计优化出最佳Cr合金元素的含量为0.45%。

2）利用Thermocalc热力学软件分析了Cr元素的加入对试验钢夹杂析出物的影响，结果为随着含Cr量的增加，重轨试验钢的强度、硬度性能呈现增加的趋势，但当Cr含量超过0.45%后，随着Cr含量的增加重轨试验钢的强度又呈现减小的趋势。

3）利用金相显微镜和扫描电镜对试验钢微观组织、晶粒度进行观察分析，结果为随着含Cr量的增加，重轨试验钢的珠光体片层间距逐渐变小，晶粒度等级提高，晶粒变得细小，强度和硬度都得到了提高;但当Cr含量超过0.45%后，试验钢的珠光体片层间距又有所增加，晶粒度等级降低至6.5级～7级，强度、硬度也随之下降。

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