含Cr合金化鋼組織及性能分析

王韶華 沈翃 國棟 馮捷 王曉麗

摘 要：為了研究超高硬度及強度的高速重軌鋼，在U75V鋼成分基礎上進行了調整和優(yōu)化，向其中添加一定量的Cr合金元素，并與原鋼種進行了力學性能對比分析，以便得到成本與性能配合最佳的含Cr合金化重軌鋼，使其力學性能優(yōu)于現(xiàn)有的U75V重軌鋼的性能指標，并且在內、外部質量方面能夠滿足高速鐵路重軌鋼的使用要求。同時利用Thermocalc熱力學軟件分析了Cr元素的加入對試驗鋼夾雜析出物的影響，利用金相顯微鏡和掃描電鏡對試驗鋼微觀組織、晶粒度進行觀察分析，探究Cr合金元素對試驗鋼組織性能影響因素。結果表明：當合金化元素Cr的含量為045%時，重軌試驗鋼的強度、硬度性能達到最大值;珠光體片層間距最小，晶粒度等級提高，晶粒變得細小。研究結果對于開發(fā)超高強度和硬度級別重軌鋼的應用具有一定的參考價值。

關鍵詞：黑色金屬及其合金;Cr合金化;強度及硬度;力學性能;組織性能;晶粒度

中圖分類號：TF764 ??文獻標志碼：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，世界各國對鋼軌性能的研究主要集中在高強度、高耐磨性上，但以C，Si，Mn，Cr，Nb為合金成分的鋼軌研究還鮮有報道。本文從鋼鐵材料角度開發(fā)研究了由新型材料制成的重軌鋼，即在U75V重軌鋼中加入適量的Cr合金元素，以降低新型重軌鋼的成本，提高其強度和硬度，使其力學性能和相關服役性能均好于現(xiàn)有的U75V重軌鋼的性能指標，并且在內、外部質量方面能夠滿足鐵路鋼軌的使用要求，研究新型重軌鋼有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 含Cr合金化高速重軌鋼化學成分優(yōu)化

對于鐵路重載運輸線路上使用的重軌鋼，特別是超高強度和硬度級別的高速重軌鋼的組織性能的要求越來越高[1-2]。為力求開發(fā)出高力學性能、低成本的含Cr合金元素高速重軌鋼，本文在U75V重軌鋼基礎上對新產品的成分要求進行了相應的調整和優(yōu)化[3-6]，分別設計了4種不同Cr含量（質量分數(shù)，下同）的試驗鋼，以求得到成本與性能配合最佳的含Cr合金化重軌鋼。表1為試驗高速重軌鋼設計化學成分。

2 含Cr合金化高速重軌鋼力學性能分析

以某廠生產的U75V鋼作為熔煉母料，在此基礎上適當配加硅鐵、錳鐵、鈮鐵、電極石墨、工業(yè)純鐵和稀土等，利用25 kg中頻感應爐冶煉→鑄錠→軋制（小型軋機上進行）。實際測得的力學性能見表2。

表2為4種試驗鋼抗拉強度和屈服強度的試驗結果。由表2中數(shù)據(jù)分析得出：隨著Cr含量增高，試驗鋼的抗拉強度、屈服強度和硬度均有不同程度的提高，而鋼的延伸率及沖擊性能變化不大。當Cr含量小于0.45%時，隨Cr含量的增加，試驗鋼的抗拉強度由980 MPa提高到1 148 MPa，試驗鋼的屈服強度由643 MPa提高到693 MPa;試驗鋼的硬度由HB 308提高到HB 333。

當Cr含量增加超過0.45%后，試驗鋼的抗拉強度、屈服強度均又有所下降。這說明，試驗鋼中一定含量的Cr會改善鋼的強度、硬度性能。這是由于鉻和鐵形成連續(xù)的固溶體，與碳形成多種碳化物[7-10]。

由表2中數(shù)據(jù)還可以得出：在試驗鋼中加入Cr不能明顯提高沖擊功。這一結果表明，Cr對重軌鋼沖擊性能的影響與對拉伸性能的影響具有類似的規(guī)律性。隨著含Cr量的增加，重軌試驗鋼的強度、硬度性能呈現(xiàn)增加的趨勢。但是當Cr含量增加至超過0.45%后，重軌試驗鋼的強度呈現(xiàn)減小的趨勢。

利用合金熱力學軟件[11-15]，通過計算得出圖1曲線。由圖1可知：Cr含量對AlN相的析出溫度與最大析出摩爾分數(shù)影響最大，Cr含量越高，AlN相的析出溫度與最大析出摩爾分數(shù)越低，但是當Cr含量增加至超過0.45%后，Cr含量增加后AlN相的析出溫度與最大析出摩爾分數(shù)反而上升。AlN相是鋼中產生的夾雜相，析出摩爾分數(shù)越大，對鋼的強度、硬度影響越不好。

3 含Cr合金化高速重軌鋼組織分析

試樣經(jīng)處理、打磨拋光后用質量分數(shù)為4%的硝酸酒精腐蝕，然后用光學顯微鏡觀察試樣組織。重軌鋼屬于珠光體型鋼[16-18]，試驗鋼試樣在高倍掃描電鏡觀察下的顯微組織是極其細小的片狀珠光體組織，每個試樣上選取5個不同的區(qū)域，對所拍攝的組織照片進行處理，對每個區(qū)域進行測量，畫出電子標尺，如圖2、圖3所示，得到珠光體平均片層間距值，分析其對組織性能的影響。

圖2依次是0-Cr，1-Cr，2-Cr和3-Cr試驗鋼組織片層間距的顯微照片。通過比較圖2和圖3可知，隨著試驗鋼Cr含量的變化，重軌鋼珠光體片層間距發(fā)生明顯變化。隨著Cr含量的增高，試驗鋼的珠光體片層間距不斷縮小。當Cr含量增加至045%后，試驗鋼的珠光體片層間距由0.46 μm降低至0.33 μm，片層間距顯著細化，其原因是Cr對奧氏體冷卻轉變影響強;但當Cr含量超過045%后，隨著Cr含量的增高，試驗鋼的珠光體片層間距由033 μm升高至0.42 μm，其原因為Cr對奧氏體冷卻轉變影響變弱造成的。

Cr和Fe能形成連續(xù)的固溶體，與碳形成多種碳化物。鉻能取代一部分鐵而形成復合合金滲碳體（Fe， Cr）3C。鉻的復雜碳化物（Cr， Fe）7C3，（Cr， Fe）23C6對鋼的性能有明顯的影響，尤其是鋼的耐磨性。為了提高重軌鋼強度，多采用加入合金元素Cr來強化的方法。當Cr含量在一定范圍內，隨著Cr含量的增加，重軌鋼強度提高，塑性基本不變。Cr使CCT曲線向右移動[19-21]，在相同冷速下能獲得片間距更加細小的珠光體組織，從而提高強度。因此，含Cr合金化再加上熱處理是提高鋼軌性能的較佳方法之一。

4 含Cr合金化高速重軌鋼晶粒度分析

將含Cr試驗鋼試樣磨樣制備，利用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察其微觀組織，如圖4所示，表3是含Cr試驗鋼的晶粒度等級。

由圖4知，0-Cr鋼晶粒度等級為6級～6.5級，相應珠光體組織片層間距值為0.46 μm;1-Cr鋼晶粒度等級為6.5級～7級，相應珠光體組織片層間距值為0.44 μm;2-Cr鋼晶粒度等級為7級～7.5級，相應珠光體組織片層間距值為0.33 μm;3-Cr鋼晶粒度等級為6.5級～7級，相應珠光體組織片層間距值為0.42 μm。

經(jīng)對比可知：隨Cr含量增加，珠光體片層間距逐漸變小，晶粒度等級逐漸提高，晶粒變得細小。但是當Cr含量增加至超過0.45%后，珠光體片層間距變大，晶粒度等級降低，晶粒變得粗大。

對不同Cr含量重軌鋼珠光體片層間距與晶粒度分析，可知隨著Cr含量逐漸增加，珠光體片層間距逐漸變小，其晶粒明顯變細，這表明Cr含量越多，其組織材料的強度和硬度都得到了提高，重軌鋼的韌塑性、耐磨性和抗接觸疲勞能力都較好。但是當Cr含量增加至超過0.45%后，珠光體片層間距變大，晶粒度等級降低，晶粒變得粗大，其組織材料的強度和硬度都隨之降低，這是由于當Cr含量增加至超過045%后，AlN相的最大析出摩爾量上升造成的影響。

5 結 語

1）以原始U75V鋼成分為研究對象，添加一定量的Cr合金元素，設計優(yōu)化出最佳Cr合金元素的含量為0.45%。

2）利用Thermocalc熱力學軟件分析了Cr元素的加入對試驗鋼夾雜析出物的影響，結果為隨著含Cr量的增加，重軌試驗鋼的強度、硬度性能呈現(xiàn)增加的趨勢，但當Cr含量超過0.45%后，隨著Cr含量的增加重軌試驗鋼的強度又呈現(xiàn)減小的趨勢。

3）利用金相顯微鏡和掃描電鏡對試驗鋼微觀組織、晶粒度進行觀察分析，結果為隨著含Cr量的增加，重軌試驗鋼的珠光體片層間距逐漸變小，晶粒度等級提高，晶粒變得細小，強度和硬度都得到了提高;但當Cr含量超過0.45%后，試驗鋼的珠光體片層間距又有所增加，晶粒度等級降低至6.5級～7級，強度、硬度也隨之下降。

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