適于美國市場的半掛汽車車軸用無縫鋼管的研制

張寶玉

（內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司無縫鋼管廠，內蒙古包頭014010）

適于美國市場的半掛汽車車軸用無縫鋼管的研制

張寶玉

（內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司無縫鋼管廠，內蒙古包頭014010）

根據美國市場對半掛汽車車軸用無縫鋼管的特殊要求，有針對性地進行成分設計、生產工藝制定和熱處理制度的研究，對熱軋態和熱處理后的半掛汽車車軸用無縫鋼管性能、硬度進行檢測。指出750℃入爐保溫3 min，隨爐升溫至910℃保溫6 min后進行水淬；接著進行560℃回火，保溫60 min后出爐空冷，是生產滿足美國市場的半掛汽車車軸用無縫鋼管要求的最佳熱處理制度。

美國市場；無縫鋼管；半掛汽車車軸；成分設計；熱處理工藝；研制

車軸是半掛汽車底部重要的承載部件，根據半掛汽車高速、重載的要求，其車軸必須具有高強度、高韌性［1-5］。中國及東南亞地區生產整體式車軸用鋼管的材質主要是20Mn2［6-7］，而美國等國家的材質卻不同。為打開美國半掛汽車車軸用無縫鋼管市場，內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司（簡稱包鋼股份）與廣東富華工程機械制造有限公司聯合開發了符合美國市場要求的半掛汽車車軸用無縫鋼管。

1 美國對車軸用無縫鋼管的要求

1.1 化學成分

半掛汽車車軸用無縫鋼管的化學成分需滿足美國ASTM A 29/A 29M—2005《熱加工碳素鋼和合金鋼棒材的一般要求》標準［8］對1527鋼級的成分要求，具體見表1。

1.2 交貨狀態及性能

美國對半掛汽車車軸用無縫鋼管要求以熱軋態交貨，晶粒度≥5級，屈服強度≥315 MPa，抗拉強度≥490 MPa，伸長率≥21.0%。

1.3 試樣熱處理性能

2005年起，西安交通大學第一附屬醫院（以下簡稱“西安交大一附院”）胸外科開始嘗試推行ERAS，由于涉及到外科、麻醉科、呼吸科、康復科等諸多科室和環節，剛開始，胸外科選擇從幾個點切進去，如呼吸道管理、疼痛管理、血栓預防等，2016年，ERAS延展到了所有環節。

根據協議要求，需對鋼管取樣進行熱處理，熱處理制度：750℃入爐保溫3 min，隨爐升溫至910℃保溫6 min進行水淬；520℃入爐、保溫60 min后出爐空冷。試樣熱處理后的性能要求為：屈服強度≥690 MPa，伸長率≥20.0%，硬度223～277 HB。

2 無縫鋼管的成分設計

根據美國市場對半掛汽車車軸用無縫鋼管化學成分及性能的特殊要求，以及化學元素在鋼中的作用［9］，結合包鋼股份生產經驗，設計出該半掛汽車車軸用無縫鋼管的化學成分，見表2。

表2 半掛汽車車軸用無縫鋼管的化學成分設計（質量分數）%

由于包鋼股份煉鋼生產的工藝特點，其他殘余元素的含量遠遠低于要求，因而不進行特別設計。

3 生產工藝路線

為保證產品質量及成品性能的穩定，通過對生產技術方案進行討論研究，制定了半掛汽車車軸用無縫鋼管的生產工藝路線：80 t頂底復吹轉爐冶煉→LF精煉→喂CaSi絲處理→連鑄圓坯→Ф180 mm MPM連軋管機組軋管→包裝入庫。

3.1 連鑄生產情況

連鑄坯的規格為Ф180 mm，平均拉坯速度為2.45 m/min，平均過熱度為24.7℃（該鋼種的液相線溫度為1 506℃）。連鑄坯的化學成分和硫印檢驗結果見表3～4。

從表3～4可以看出：連鑄坯的化學成分完全滿足設計要求，殘余元素及硫印檢驗結果表明包鋼生產車軸用無縫鋼管的冶煉質量相當理想。

3.2 軋管生產情況

3.2.1 軋管工藝流程

環形爐加熱→穿孔→Ф180 mm MPM連軋管機軋管→定（減）徑→精整檢驗→包裝入庫。

表3 連鑄坯的化學成分

表4 連鑄坯的硫印檢驗結果級

3.2.2 軋制工藝控制

出口半掛汽車車軸用無縫鋼管的規格為Ф127 mm×12 mm。環形爐加熱二段的內外環溫度控制在1 240～1 260℃，均熱二段的內外環溫度控制在1 270～1 290℃，加熱時間不超過4 h。穿孔后的毛管溫度為1 230～1 240℃，經過正常的抗氧化處理，確保連軋管機芯棒的潤滑效果，最終獲得良好的內表面質量。熱成品出定（減）徑機溫度為930～960℃，空冷時控制好冷床速度，避免鋼管彎曲。

3.3 性能檢測

對熱軋狀態無縫鋼管進行拉伸性能及晶粒度檢測，結果見表5。從表5可以看出：半掛汽車車軸用無縫鋼管晶粒度及熱軋狀態的力學性能均滿足標準要求。

4 熱處理性能試驗

經調質處理后的鋼管既要有高的強度極限和屈服極限，又要有足夠的塑性和韌性，即鋼管經調質處理后具有高的綜合力學性能［9］。分析熱軋態鋼管性能的檢測情況可知：屈服強度、抗拉強度及伸長率均較為理想，通過調質熱處理后，能達到熱處理后的性能要求；因此，調質后的硬度將成為影響鋼管性能的制約因素，有針對性地開展熱處理后硬度的研究，成為熱處理的關鍵環節。

表5 熱軋態無縫鋼管的拉伸性能及晶粒度檢測結果

4.1 調質熱處理后的硬度

根據協議要求的熱處理工藝，首先采用520℃回火+空冷工藝處理，對處理后的鋼管進行性能檢測，結果顯示其布氏硬度值明顯偏高。由于淬火鋼回火后的硬度主要取決于回火溫度，而與回火時間的關系較?。?0］；為此采取提升回火溫度的措施，以降低布氏硬度，即將回火溫度調整至540℃和560℃。半掛汽車車軸用無縫鋼管經不同回火溫度熱處理后的硬度檢測結果見表6。由表6可以看出：采用560℃回火工藝生產的半掛汽車車軸用無縫鋼管，完全能夠滿足美國標準對其硬度的要求。

表6 半掛汽車車軸用無縫鋼管經不同回火溫度熱處理后的硬度檢測結果

4.2 熱處理后的性能

對經過560℃回火熱處理后的半掛汽車車軸用無縫鋼管進行性能及組織檢測，結果見表7。

從表7可以看出：經過560℃回火熱處理后的半掛汽車車軸用無縫鋼管，無論是拉伸性能，還是布氏硬度值，均能達到美國標準要求。其組織狀態良好，全部為回火索氏體，其金相組織如圖1所示。

表7560 ℃回火熱處理后的半掛汽車車軸用無縫鋼管性能及組織檢測結果

圖1560 ℃回火熱處理后的車軸用無縫鋼管金相組織

5 應用效果

在運輸途中，半掛汽車車軸將不可避免地受到沖擊載荷，甚至低溫沖擊載荷的作用；為此，對生產的半掛汽車車軸用無縫鋼管進行了-60℃沖擊載荷試驗，結果非常穩定。

包鋼股份生產的半掛汽車車軸用無縫鋼管經廣東富華工程機械制造有限公司加工為半掛汽車車軸，其化學成分及生產工藝經美國相關部門檢驗合格，已取得美國PPAP（Production part approval process汽車產品零件批準程序）的產品認可，表明使用生產的1527鋼級無縫鋼管加工的半掛汽車車軸已具備向美國批量供貨的能力。

6 結論

（1）設計的半掛汽車車軸用無縫鋼管化學成分符合美國ASTM A 29/A 29M—2005標準對1527鋼級的要求。

（2）根據設計的工藝路線及技術方案生產的半掛汽車車軸用無縫鋼管，其性能完全滿足熱軋態交貨要求。

（3）通過熱處理試驗表明：生產的半掛汽車車軸用無縫鋼管熱處理后的硬度、屈服強度及伸長率完全能夠滿足美國市場對半掛汽車車軸的要求。

（4）通過對鋼管熱處理后的性能研究，最終確定750℃入爐保溫3 min，隨爐升溫至910℃保溫6 min后進行水淬；560℃回火、保溫60 min后出爐空冷是生產適于美國市場的半掛汽車車軸用無縫鋼管的最佳熱處理制度。

［1］張迎春.汽車半軸套管開裂原因分析［J］.熱加工工藝，2009，38（12）：153-154.

［2］徐連奎，馬海生.汽車軸頭用Φ198 mm×22 mm 30Mn2熱軋厚壁鋼管的開發［J］.鋼管，1996，25（3）：32-37.

［3］丁兆磊.掛車車軸疲勞強度分析及優化設計［D］.淄博：山東理工大學，2013.

［4］趙勁林，李國強，韓剛.半掛汽車及配套件技術發展趨勢［J］.黑龍江交通科技，2002（6）：53.

［6］張義偉，孫建，程廣萍，等.20Mn2車軸鋼連續冷卻轉變規律的研究［J］.熱加工工藝，2013，42（22）：86-88.

［7］黃重國，董紅磊，袁清華，等.XCQ16和20Mn2車軸用鋼疲勞失效的微觀機理［J］.北京科技大學學報，2009，31（8）：988-994.

［8］American Society for Testing and Material.ASTM A 29/A 29M—2005 Standard specification for steel bars，carbon and alloy，hot-wrought general requirements［S］.2005.

［9］楊宗毅.軋鋼技術辭典［M］.石家莊：河北科學技術出版社，1991.

［10］劉宗昌.材料組織結構轉變原理［M］.北京：冶金工業出版社，2006.

R&D of Seamless Steel Tube for Semi-trailer Axle Service Suitable for US Market

ZHANG Baoyu
（Seamless Steel Tube Plant，Inner Mongolia Baogang Ganglian Corp.，Ltd.，Baotou 014010，China）

Following the special requirements for the seamless steel tube for semi-trailer axle purpose by the US market，the chemical composition，the manufacturing process and the heat treatment schedule are accordingly designed and determined，while testing and inspections are conducted to the as-hot rolled and as-heat treated seamless steel tubes for semi-trailer axle service for their properties and hardness.It is concluded that the following heat treatment schedule should be deemed as the best one to satisfy the requirements by the US market for the seamless steel tube for semi-trailer axle purpose.First the tube is held in the furnace at 750℃for 3 minutes，then held for 6 minutes along with the temperature going up to 910℃，and water quenched.Afterwards，the tube is immediately tempered at 560℃，then held for 60 minutes，and finally，after leaving the furnace，air cooled.

US marke；seamless steel tube；semi-trailer axle；chemical composition design；heat treatment schedule；R&D

TG335

B

1001-2311（2014）06-0030-04

2013-07-19；修定日期：2014-10-31）

張寶玉（1968－），男，高級工程師，長期從事無縫鋼管的質量檢驗工作。