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高铁车轮钢中TiN夹杂物析出的热力学分析
1引言
高速铁路在发达国家发展十分迅速，并且取得了极佳的经济和社会效益。然而高速列车车轮中的杂质一直是威胁列车车轮寿命与安全行驶的一个重要因素，其中具有尖利棱角的方块形夹杂TiN不易变形，经轧制和热处理后也不消失，对车轮钢的疲劳性能和韧性都有很大的危害。因此，在生产过程中，必须严格控制钢液中Ti和N的含量，消除TiN夹杂的析出条件。
2.TiN析出的热力学分析
2.1.车轮钢液相线和固相线温度的确定
车轮钢的化学成分见表1.车轮钢的液相线和固相线温度分别用式(1)和式(2)[1]进行计算：
Tl=1535-{65[C]+30[P]+25[S]+20[Ti]+8[Si]+7[Cu]+5[Mn]
+25[Ni]+27[Al]+15[Cr]+90[N]+80[O]}(1)
Ts=1538-{175[C]+30[Mn]+20[Si]+280[P]+575[S]
+65[Cr]+475[Ni]+75[Al]+40[Ti]+160[O]}(2)
将表1中车轮钢的各元素成分代入式(1)、式(2)得：Tl=1486℃=1759K，Ts=1379℃=1652K。
表1车轮刚的成分元素

表21873K时钢水中元素的相互作用系数

2.2Ti和N的活度
考虑到钢水中各元素的相互作用，Ti和N的活度系数fTi和fN及活度aTi和aN可按式(3)和式(4)[2-3]计算：

式中，fi为元素i的亨利活度系数，eij(T)为温度为T的钢液中元素j对i的相互作用系数，[i]为钢液中Ti或N的质量分数，[j]为钢液中溶质元素j的质量分数。将车轮钢中各元素的质量分数(表1)和1873K时钢水中元素的相互作用系数[4-5](表2)代入式(3)计算得到下式：

在本文讨论的车轮钢成分条件下，可得到1873K时钢液中Ti、N的活度如下：

2.3车轮钢中TiN夹杂析出分析
从文献[6]可查到：

根据式(9)-(11)可导出
[Ti]+[N]=TiN(s)，△G=-314250+115.02T(12)
实际车轮钢中TiN的生成反应吉布斯自由能的变化为G=G+RTlnJ，其中，J=aTiN/(aTiaN)。
因TiN熔点高，可当作纯物质考虑，aTiN=1，则有
△G=-31403967+11499T-RTln(w(Ti)w(N))(13)
将表1中Ti和N的质量分数代入式(13)得到
△G=-314039.67+202.11T(14)
对式(14)，当△G≤0时，有T≤1554K低于固相线)。这表明在车轮钢成分条件下，TiN生成反应只能在固相区进行。
当式(13)达到平衡时，△G=0，由此可得到
ln(w(Ti)w(N))=(-314039.67+114.99T)/RT3􀀁84-37790/T(15)
将液相线温度(Tl=1759K)和固相线温度(Ts=1652K)代入式(15)中，得到TiN在液相线和固相线析出的等温方程：
w(Ti)·w(N)=0.00048(1759K)(16)
w(Ti)·w(N)=0.00012(1652K)(17)
对式(16)和式(17)作图(图1)。图中，1759K以上是液相区，1652-1759是固液两相区，1652K以下是固相区。在液相区和固相区，因钢中Ti、N含量很低且较均匀，所以不会生成TiN夹杂；固液两相区，随着温度的降低，N和Ti在钢中的溶解度逐渐降低，在结晶前沿会有N和Ti的富集[7]，当N和Ti含量高于某温度下平衡溶度积w(Ti)×w(N)的下限值时，TiN夹杂的生成就成为可能[8]。

图1车轮钢中氮化钛夹杂物析出区间图
3结论
（1）通过计算得到了高速车轮钢的固相线温度为1652K和液相线温度为1759K以及车轮钢中氮和钛的活度与活度系数分别为aN=0.0041，aTi=0.0067，fN=1.1687，fTi=0.8364。
(2)热力学分析表明，高速车轮钢中TiN的生成反应只能在固相中进行；但是，在本车轮钢Ti、N含量下，固相中也没有TiN生成的热力学条件，只有在钢液凝固前沿，Ti、N的富集，使TiN夹杂物的生成反应得以进行。因此，减少甚至消除TiN夹杂物析出，必须在控制钢中Ti、N含量的同时，使钢液快速凝固，缩短钢液从液相线温度降到固相线温度的时间，减少凝固前沿Ti、N的富集。

参考文献
[1]TurkdoganET.CausesandeffectsofnitrideandcarbonitrideprecipitationinHSLAsteelsinrelationtocontinuouscasting//KennedyW.SteelmakingConferenceProceedings.NewYork：AIME，1987：399
[2]Wagn