氮含量对U75V高速钢轨钢质的影响.doc

氮含量对U75V高速铁路用钢轨钢质的影响研究李峰1刘岩军1唐建平2（1包钢技术中心，2包钢炼钢厂）摘要本文研究了包钢生产的U75V高速铁路用钢轨钢中钒与氮含量的比值，氮含量与钢轨断裂韧性之间的关系，研究结果表明：随着钢中氮含量的增加，钢轨的断裂韧性呈上升趋势基于以上研究结果，可以适当放宽U75V高速铁路用钢轨钢的氮含量关键词高速钢轨，氮含量，断裂韧性引言其它钢铁公司以前生产的重轨钢因氮含量偏高出现过质量问题，欧洲2002年颁发的高速铁路用钢轨氮含量上限为90ppm[1]，但目前铁道部对此没有规定⑴在2010年年初包头钢铁集团公司（以下简称“包钢”）生产的250km/h的U75V客货混用钢轨钢中氮含量较高，这些钢轨的性能如何对铁路安全十分重要1氮含量对U75V高速铁路用钢轨钢质的影响钒与氮作用的相关理论有关钒氮研究的结果表明[2]，钢中增氮后，改变了钒在钢中的分布，明显促进了V（C,N）的析出，减少了固溶钒含量，可以说氮提高了钒在钢中的利用率增加了钒的沉淀强化效果，从而提高了钢的强度钒氮钢不仅V（C，N）第二相的总量多，颗粒尺寸也明显细化理论研究表明：钢中[V]/[N]的理想配比为3.64，此时就能完全消除氮对钢质的危害[2、3]，为确保钢质，一般要求钒氮比大于4。

包钢生产的250km/h高速铁路用钢轨为U75V钢，要求钢中含有的钒含量下限为0.04%,如果钢中的氮含量为100ppm，则钒氮比为4.0因此适当放宽U75V钢中氮含量从理论上讲是可行的1.1 氮含量对钢轨韧性及落锤的影响一般来说，钢中氮对钢质是有害的，主要是增加钢的脆性，但一般的力学性能指标如：断面收缩率、伸长率与氮含量的对应指标不明显，因此应考虑其它指标断裂是钢材失效最可怕的形式，断裂韧性是描述超高强度钢韧性的重要指标，如：飞机和火箭都用断裂韧性描述钢的韧性⑷铁道部明确对高速铁路用钢轨需要进行断裂韧性的检验⑴因此，用断裂韧性描述高速轨的韧性是十分必要的断裂韧性（用Kic表示）要求每个号做6个样，其加工个数及取样部位按铁道部标准要求⑴铁道部颁发的钢轨标准⑴要求高速轨断裂韧性的最小值为26MPam1/2，平均值要高于29MPam1/2表1是不同氮含量下的钢轨断裂韧性值，1-8号是指不同的熔炼号（此批是2010年年初生产的）表1U75V钢轨不同氮含量下的断裂韧性为了更好地描述钢中氮含量与钢轨的断裂韧性的关系，将氮含量与对应断裂熔炼号1#2#3#4#5#6#7#8#氮含量，ppm515871.873.173.578.58695K1C最小值，Mpam34.8834.0133.3734.7736.0635.0035.2335.11K1C最大值，Mpam38.6838.2838.8939.2238.6738.7039.4139.43K1C平均值，Mpam1/237.1835.8136.5537.6137.4136.8737.1237.43韧性的平均值绘成点并进行回归，R为相关系数，结果如图1所示。

可见，对U75V钢来说，随着钢中氮含量的增加，断裂韧性呈上升趋势钢中的氮含量为78.5ppm,其断裂韧性的平均值为36.87MPam/2，最小值为35MPam1/2，满足标准要求以上8个熔炼号的钢轨进行落锤实验，钢轨打击一次后都未断，符合要求⑴50.03637.36.36.，性韧裂断2/^1ap35.660.0氮含量，ppm90.0100.03837.图1氮含量与钢轨断裂韧性的关系1.3常规性能比较对生产的部分高速铁路用钢轨力学性能进行了统计，其中[N]<50ppm的高速轨有228炉，占51.2%;[N]>50ppm共有217炉，占48.8%由表2可见，虽然钢中氮含量的范围不同，但性能的差别很小无论是抗拉强度还是延伸率，两者几乎相差无几另外，铁道部标准⑴要求U75V!速铁路用钢轨的抗拉强度(Tb>980MPa伸长率S5>9%表2高速铁路用钢轨性能统计项目[N]w50ppm（228炉）[N]>50ppm（217炉）抗拉强度，MPa延伸率，%抗拉强度，MPa延伸率，%平均值1042.410.71038.410.7最小值9809.09809.0最大值109014.0109013.5由图2到图5的对比可见，氮含量w50ppm与[N]>50ppm相比，力学性能相差很小，并没有出现因钢中氮含量升高而导致的钢轨强度大幅度升高、延伸率大幅度下降的现象。

两者的抗拉强度都主要分布在1030MPa~1060Mpa勺区间内，而伸长率主要分布在10%~11%的范围内，都满足高速铁路用钢轨要求的力学性能抗拉强度，MPa图2抗拉强度分布([N]w50ppm)图2抗拉强度分布([N]w50ppm)图3伸长率分布([N]w50ppm)抗拉强度，MPa抗拉强度，MPa伸长率，%图4抗拉强度分布([N]>50ppm)图5伸长率分布([N]>50ppm)2结论1) 断裂韧性常用来描述飞机、火箭等高强度钢的韧性，引入断裂韧性描述氮对钢轨力学性能的影响研究表明：氮含量在50ppm~95ppm之间，随着钢中氮含量的增加，U75V高速铁路用钢轨的断裂韧性呈上升趋势因此钢中氮含量在这一范围内增加对U75V高速轨的韧性是有益的2) 基于以上研究，可以将U75V高速铁路用钢轨的氮含量范围适当放宽参考文献[1] 周清跃•国内外最新钢轨标准汇编•铁道科学研究院，2004龚维幕，杨才福，张永权等•钒氮钢中铁素体等温形核规律的试验研究[J].钢铁，2005,40(10):63-67孙邦明，季怀忠，杨才福等.V-N微合金化钢筋中钒的析出行为•钢铁，2000⑷：20-2宋维锡•金属学•冶金工业出版社，1992作者简介：李峰，男,1971年生，博士，高级工程师，现从事炼钢工艺及新产品开发研究。