540 MPa 級商用車輪輻專用鋼的研制與開發(fā)

郭 強(qiáng)， 柳風(fēng)林， 許用會， 張志強(qiáng)

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司， 河北 邯鄲 056015）

近年來，汽車工業(yè)的迅速發(fā)展帶來了油耗、安全和環(huán)保三大問題，車輛輕量化成為汽車行業(yè)發(fā)展的主旋律，采用高強(qiáng)度鋼鐵材料可以大幅度降低整車重量，有效減少碳排放，節(jié)約能源，并提高運(yùn)載效率。汽車結(jié)構(gòu)車輪旋轉(zhuǎn)件減重的節(jié)能效果相當(dāng)于非旋轉(zhuǎn)件的1.2～1.3 倍，高強(qiáng)度鋼用于車輪的制造會產(chǎn)生更為明顯的節(jié)能效果[1]。為了滿足汽車制造業(yè)對540 MPa級高強(qiáng)度車輪鋼的需求，通過對錳鈮鈦微合金化作用機(jī)理進(jìn)行研究，對商用車車輪產(chǎn)品的加工方式和用途進(jìn)行精準(zhǔn)識別，成功開發(fā)了高強(qiáng)度商用車輪輻專用鋼HZ540LF。試生產(chǎn)和用戶使用結(jié)果表明，540 MPa 級高強(qiáng)商用車輪輻用鋼成分設(shè)計和工藝制度合理，產(chǎn)品性能完全能夠滿足用戶使用要求。

1 輪輻用鋼HZ540LF 微合金元素強(qiáng)化機(jī)制

1.1 錳的強(qiáng)化機(jī)制

Mn 元素在提高鋼強(qiáng)度的同時，還可以提高鋼的韌性，降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。可有效降低碳對鋼的韌性、塑性和焊接性產(chǎn)生的負(fù)面影響，另外Mn 元素可擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，降低過冷奧氏體相的轉(zhuǎn)變溫度，有利于相變組織的細(xì)化，同時可改變相變后的微觀組織，Mn 含量的提高也為替代高價合金Nb 創(chuàng)造條件。因商用車輪輻其復(fù)雜的制造過程和使用環(huán)境，要求較低含碳量的同時還需保持高的強(qiáng)韌性，因此需要綜合考慮各成分元素的效果。

1.2 鈮的強(qiáng)化機(jī)制

Nb 是鋼中常用的微合金元素，主要起細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化作用。固溶在鋼中的Nb 和含Nb 的碳氮化物（NbC、Nb（C，N））對奧氏體的再結(jié)晶行為均有強(qiáng)烈的抑制作用。通過采用熱機(jī)械軋制、晶粒細(xì)化和鐵素體相變后的沉淀強(qiáng)化進(jìn)一步優(yōu)化強(qiáng)韌性匹配，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于低合金高強(qiáng)度用鋼的生產(chǎn)，其主要強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度）級別范圍集中在350～700 MPa 之間[2]。

1.3 鈦的強(qiáng)化機(jī)制

在鋼中加入Ti，可以細(xì)化鑄態(tài)組織，使鋼坯加熱和軋制過程中的奧氏體晶粒得以細(xì)化，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。鑄坯加熱過程中必須要保證微合金碳氮化物的固溶，然后在后續(xù)軋制、卷取和冷卻過程中重新析出，起到細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用。Ti 對鋼力學(xué)性能的影響取決于它的存在形態(tài)和Ti/C 含量比以及熱加工工藝。Ti 與N 的結(jié)合能力極強(qiáng)，是很強(qiáng)的固N(yùn) 元素，微量的Ti 就可以起到固N(yùn) 作用，對提高鋼的焊接性能極為有利。

2 輪輻用鋼HZ540LF 成分設(shè)計和熱軋工藝參數(shù)制定

鋼制汽車車輪輪輻采用旋壓技術(shù)成型，車輪總裝采用埋弧堆焊工藝。因此，輪輻復(fù)雜的加工成型過程對所用鋼材的質(zhì)量要求很高，要求材料異向性能穩(wěn)定、波動小，且潔凈度要高，鋼卷表面不得有氧化鐵皮，以免在用戶加工后使其表面產(chǎn)生麻點、麻坑缺陷，影響車輪成品的外觀質(zhì)量。因此，輪輻用鋼的開發(fā)需要綜合考慮煉鋼成分和熱軋工藝的優(yōu)化匹配，以滿足產(chǎn)品對表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量要求。

2.1 成分設(shè)計思路

鋼制車輪輪輻在車輛行駛過程中起到連接車軸和輪輞輪胎的作用，是汽車發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)動力轉(zhuǎn)換成直線動力的重要部件。但在車輛行駛過程中，遇到環(huán)境惡劣的情況，車輪輪輻會受到劇烈的拉、壓、彎、扭交變載荷，因此要求其具有較好的強(qiáng)韌性匹配。鋼種成分設(shè)計應(yīng)全面考慮合金元素的添加對鋼種強(qiáng)度、韌性、塑性和焊接性能的影響，而不能以犧牲韌、塑性和焊接性能為代價，單純追求過高的抗拉強(qiáng)度。商用車車輪輪輻用鋼540LF 成分設(shè)計采用低C-Mn 鋼中添加Nb、Ti 微合金的方式。在再結(jié)晶過程中，Nb 的析出物拖拽晶界移動，對晶界和位錯起著有效的釘扎作用，可有效細(xì)化晶粒；微量的Ti 起到固溶鋼水中游離N元素的作用，有利于提高車輪的焊接和疲勞性能。在車輪鋼中，Si 的加入是不利的，易產(chǎn)生紅色氧化鐵皮且難以去除，并降低產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。因此，該研究在兼具輪輻優(yōu)良成形性和疲勞強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡量降低w（Si），初步設(shè)計w（Si）≤0.10%。高強(qiáng)商用車輪輻用鋼540LF 成分設(shè)計如表1 所示。

表1 高強(qiáng)商用車輪輻用鋼540LF 化學(xué)成分 %

2.2 煉鋼工藝

為了保證材料性能的均勻性，應(yīng)防止偏析或夾雜引起的旋壓開裂，以提高車輪疲勞壽命。在冶煉過程中，采取窄成分控制及全流程保護(hù)澆注措施，通過采用LF-RH 雙精煉工藝盡可能降低夾雜物含量，并控制P、S、N 有害元素及Als 的含量，降低焊接開裂率；連鑄澆注過程采用動態(tài)輕壓下技術(shù)，以減輕中心偏析，避免鑄坯內(nèi)部缺陷。為此設(shè)計煉鋼工藝路徑為：轉(zhuǎn)爐冶煉—LF 爐精煉—RH 真空處理—板坯連鑄。

2.3 熱軋工藝設(shè)計思路

2.3.1 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的測定

在高強(qiáng)度商用車輪輻用鋼熱軋工藝制定過程中，應(yīng)綜合考慮合金元素、加熱溫度、保溫時間、終軋溫度和卷取溫度對最終產(chǎn)品性能的影響。通過控制微合金元素含量、加熱溫度和保溫時間來抑制原奧氏體晶粒的過分粗化，細(xì)化最終組織，這是提高鋼強(qiáng)韌性的必要前提[3]。為此，對HZ540LF 進(jìn)行連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的測定。

取HZ540LF 鑄坯加工成Φ6 mm×10 mm 熱模擬試樣，進(jìn)行動態(tài)CCT 曲線測定。將試樣以20 ℃/s 的速率加熱到1 220 ℃，保溫5 min 后，以5 ℃/s 的速率降到1 050 ℃；以20%變形量將試樣壓縮后，以5 ℃/s速率降到920 ℃以下；再以30%變形量將試樣壓縮后，以5 ℃/s 速率降到850 ℃。以20%變形量將試樣壓縮后，分別以0.2 ℃/s、0.5 ℃/s、1 ℃/s、2 ℃/s、5 ℃/s、10 ℃/s、15 ℃/s、20 ℃/s、25 ℃/s、30 ℃/s、40 ℃/s、50 ℃/s的冷速將試樣冷卻至室溫。

根據(jù)試樣在冷卻過程中的溫度- 橫應(yīng)變膨脹曲線，結(jié)合金相組織分析結(jié)果，確定不同冷速下各相變起始溫度和終點溫度，在時間- 溫度坐標(biāo)中做出鋼在壓縮變形后的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，即動態(tài)CCT 曲線，如圖2 所示。采用Gleeble-3500 熱模擬試驗機(jī)，測得真空狀態(tài)下試驗鋼的相變點為tAc1=706 ℃、tAc3=930 ℃、tMs=440 ℃。

圖1 HZ540LF 動態(tài)CCT 曲線

2.3.2 熱軋工藝參數(shù)制定

通過對高強(qiáng)度輪幅用鋼使用特性進(jìn)行分析，結(jié)合HZ540LF 的動態(tài)CCT 曲線各個溫度轉(zhuǎn)變點及模擬結(jié)果，采用奧氏體再結(jié)晶區(qū)和未在結(jié)晶區(qū)兩階段控制軋制，保證板坯出爐溫度≥1 150 ℃，粗軋最后3 道次壓下率＞20%，奧氏體進(jìn)行完全再結(jié)晶，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。采用“3+5”全道次除磷，保證除磷水壓力≥19 MPa（190 bar），以達(dá)到減薄氧化鐵皮厚度、提高表面質(zhì)量的目的。為了保證板形及減少軋機(jī)負(fù)荷，終軋溫度不宜過低，控制在800 ℃以上。軋后快速冷卻工藝能夠更好地利用第二相析出以提高強(qiáng)度，通過試驗摸索，將卷取溫度控制在500～600 ℃之間，不僅能夠使鋼板強(qiáng)度達(dá)到預(yù)期水平，同時能夠使鋼板有很好的塑性指標(biāo)。

3 用戶使用效果

自開發(fā)商用車車輪輪輻用鋼HZ540LF 以來，共計生產(chǎn)10 余萬噸產(chǎn)品，其各項力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，用戶旋壓成型和沖孔效果良好，焊接性能良好，疲勞壽命＞150 萬次。

4 結(jié)論

1）低C-Mn 鋼中添加Nb、Ti 微合金是生產(chǎn)高強(qiáng)度商用車輪輻用鋼的有效途徑。

2）采用低Si 成分設(shè)計和合理的軋制溫度是保證車輪產(chǎn)品的高表面質(zhì)量的重要手段。

3）商用車輪輻用鋼HZ540LF 成分設(shè)計和工藝制度制定合理，產(chǎn)品質(zhì)量滿足用戶的使用要求，客戶反映效果良好。