超輕型汽車車輪鋼的研制與開發(fā)

1、超輕型汽車車輪鋼SW400的研制與開發(fā)吳 剛（本鋼技術(shù)中心，本溪 117000）摘 要 輕量化、安全化、高性能化是汽車工業(yè)中先進(jìn)高強(qiáng)鋼應(yīng)用量穩(wěn)定增加的驅(qū)動力。介紹了在普通C、Mn鋼基礎(chǔ)上，通過兩輪工業(yè)試生產(chǎn)實驗，研究了利用變形誘導(dǎo)鐵素體相變（DIFT）理論獲得超細(xì)晶粒鐵素體組織，晶粒尺寸為35m。得出了：超細(xì)晶鋼SW400在車輪上應(yīng)用效果良好，據(jù)用戶反應(yīng)，本鋼研制的超輕型汽車車輪鋼SW400鋼板的內(nèi)在質(zhì)量良好，成分均勻，強(qiáng)度高，韌性好，成形性能優(yōu)良，焊接性能好，疲勞壽命高，在車輪總成重量減重達(dá)21%的條件下，各項性能指標(biāo)滿足制作高檔汽車輪輻和輪輞的技術(shù)要求，其實物質(zhì)量居國際先進(jìn)水平，產(chǎn)品全部用

2、于出口。關(guān)鍵詞 輕量化 超細(xì)晶粒 車輪鋼Research and Development of Ultra-light AutomotiveWheel Steel SW400Wu Gang(Technical Center of Benxi Iron & Steel Co., Ltd., Benxi, 117000)Abstract Lightweight, security and high performance are the driving force for advanced high strength steel in automotive industry. Introd

3、uced at the basic of plain C-Mn steel, after twice industrial tests , the study result shows that ultrafined ferrite can be achiebed by using the theory of deformation induced ferrite transformation, and the grain size is 35m. Obtained ultrafined grain steel SW400 has been developed and used on the

4、wheel. The feedback from user is that advanced high strength steel SW400 produced by Benxi Steel has uniform composition, high strength, high toughness, good formability, good welding performance and high fatigue life. The weight of wheel assemibly is reduced 21% on the condition that all the proper

5、ties satisfy technical specifications of upscale automotive wheel rim and spoke, and the quality reaches the international advanced level. All the products are exported.Key words lightweight, ultrafined grain, wheel steel近年來，世界汽車工業(yè)面臨著能源、環(huán)境和安全三大越來越嚴(yán)峻的問題。減輕汽車自重、降低能耗、噪聲、減少廢氣排放，成為各大汽車生產(chǎn)廠家提高競爭力的關(guān)鍵。因此汽車制造

6、廠需要生產(chǎn)重量更輕的汽車1。在汽車輕量化的潮流中，鋁、鎂和塑料等材料的使用比率正在逐漸增加。然而，以高強(qiáng)鋼材料為代表的鋼材，因其所具有的優(yōu)異特性、經(jīng)濟(jì)性、可再循環(huán)利用等特點，仍然是汽車用鋼的主要材料，據(jù)粗略統(tǒng)計，生產(chǎn)一輛汽車的原材料中，鋼材所占的比例約為72%88%。根據(jù)美國客商和汽車廠的要求，本鋼在現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)條件下，通過鋼質(zhì)純凈化、低溫軋制、快速冷卻、低溫卷取工藝，充分實現(xiàn)了晶粒細(xì)化，從而提高了鋼帶的強(qiáng)度和韌性。采用SW400車輪鋼，輪輻厚度從13.5mm減為11.5mm（后期進(jìn)一步減薄到11.0mm），厚度減薄14.8%，吳剛（1968），男，高級工程師，wg04140414，電話：04

7、14-7827241。第八屆（2011）中國鋼鐵年會論文集車輪總成重量從47.5kg減為37.5kg，重量降低21%，實現(xiàn)了車輪的輕量化、降低生產(chǎn)成本、減少資源浪費。1 技術(shù)指標(biāo)的確定1.1 化學(xué)成分SW400的化學(xué)成分執(zhí)行BX552011標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，見表1。表1 SW400的化學(xué)成分Als 0.210.301.300.0200.0150.015注：根據(jù)需要可以添加Nb、V、Ti等微合金元素。1.2 性能要求力學(xué)及工藝性能見表2。表2 SW400鋼力學(xué)性能鋼板厚度牌 號/mm 2.5-10.0SW40010.0-14.0注：沖擊功為3個試樣的平均值。40049020Rel/MPaRm/MPaA

8、% 23d1.0a41下屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度伸長率180°冷彎試驗 d-彎心直徑常溫沖擊功 AKV橫向/J 2 工業(yè)試生產(chǎn)實驗2.1 實驗材料及方法工業(yè)試生產(chǎn)實驗在本鋼150t轉(zhuǎn)爐冶煉，經(jīng)步進(jìn)式加熱爐加熱，經(jīng)1700mm熱連軋軋成成品卷。實驗采用兩種工藝，工藝1：煉鋼采用高碳、低錳、低Nb、Ti的成分設(shè)計，鋼坯加熱溫度為1200，終軋溫度設(shè)定為760，卷取溫度設(shè)定為500；工藝2：煉鋼采取降低碳、提高錳、提高Nb的成分設(shè)計，鋼坯加熱溫度為1250，終軋溫度設(shè)定為800，卷取溫度設(shè)定為550，實際冶煉的化學(xué)成分，見表3。表3 兩種工藝實際冶煉的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）工藝1 工藝2爐號

9、 10133 37561Ti 0.15 0.130.16 0.160.37 0.950.014 0.0090.017 0.0060.03 0.030.0075 0.0150.004兩種工藝采用的軋制溫度和軋制工藝參數(shù)見表4、表5。表4 兩種工藝的溫度控制工藝1 工藝2R1開軋溫度/出R3溫度 /進(jìn)F1溫度 /出F7溫度 /卷取溫度 /880530565535超輕型汽車車輪鋼SW400的研制與開發(fā)表5 兩種工藝精軋工藝參數(shù)機(jī)架序號 入口厚度 /mm 出口厚度 /mm 軋制力 /kN 軋制速度 /m·s-1工藝1 工藝2 工藝1 工藝2 工藝1 工藝2 工藝1 工藝26.6492 624

10、4 2.2 實驗結(jié)果與組織分析2.2.1 拉伸實驗分析表6和表7可見：工藝1板卷屈服強(qiáng)度在390460MPa，抗拉強(qiáng)度在460533MPa，從屈服強(qiáng)度上來看，部分達(dá)到400MPa級，伸長率為18%26%，塑性較差。工藝2板卷屈服強(qiáng)度430480MP，抗拉強(qiáng)度在530580MPa，伸長率為25%31%，塑性較好。2.2.2 金相組織檢驗和透射電鏡分析工藝1鋼板的金相組織和透射電鏡分析見圖3、圖4，分析圖3可見：金相組織為：鐵素體+珠光體組織，晶粒直徑為38m，有輕微的帶狀組織，由于終軋溫度較低，在精軋后幾道次已進(jìn)入兩相區(qū)軋制，因此鋼板表面鐵素體有明顯的變形特征，亞晶強(qiáng)化將會起一定作用，這是造成塑

11、性不高的原因之一。表6 工藝1的力學(xué)性能檢驗結(jié)果爐號規(guī)格部位 頭37561 11.0×1200mm中 尾 頭37561 4.5×1200mm中 尾方向 橫 縱 橫 縱 橫 縱 橫 縱 橫 縱 橫 縱沖擊功Akv /J149 148 158 174 178 166 150 166 176 160470 465 455 450565 570 560 55026 27 25 28160 166 172 164 表7 工藝2的力學(xué)性能檢驗結(jié)果爐號規(guī)格位置 頭101336.0×1200mm方向 縱 橫 縱 橫 縱 橫 縱 橫 縱 橫 縱 橫Rel /MPaRm /MPaA/

12、%Akv /J（室溫）52 23.3 57.7 20.66 20.33 21 54.33 23 22 21 24 24.33中尾頭10133 8.0×1200mm中尾第八屆（2011）中國鋼鐵年會論文集圖1 工藝1鋼板的金相組織（F+P）a縱向longitudinal; b橫向transversal圖2 工藝1鋼板的不同部位透射電鏡形貌（SEM照片）a，b頭部；c，d尾部分析圖2可見，工藝1鋼板的鐵素體呈等軸狀，頭部有輕微的帶狀組織，晶粒內(nèi)部位錯密度較小，圖2(c)鐵素體內(nèi)部有極少量的析出物，由于析出量很少，且非常細(xì)小，所以難以定性。珠光體片間距很小，且有離異珠光體存在（見圖2b）。

13、工藝2鋼板的金相組織見圖3，分析圖3可見，兩種厚度鋼板的組織均為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，鐵素體均呈等軸狀，晶粒直徑為46µm，晶粒組織較細(xì)，有輕微帶狀組織產(chǎn)生，珠光體體積含量分別為14.89%、16.53%。圖3a的硫化物夾雜為0.5級，其它類夾雜物為0級，圖3b卷板的硫化物夾雜為1.0級，Al2O3類夾雜為0.5級，其他類夾雜物為0級，說明經(jīng)過LF精煉處理后，鋼質(zhì)較純凈，鋼中的夾雜物含量較少，對提高疲勞性能有利。超輕型汽車車輪鋼SW400的研制與開發(fā)圖3 工藝2鋼板的金相組織(F+P+B)a11.0mm×1200mm；b4.5mm×1200mm綜合比較了兩種

14、不同工藝的化學(xué)成分、軋制工藝、拉伸試驗、冷彎試驗等結(jié)果，認(rèn)為采用工藝2生產(chǎn)SW400的化學(xué)成分、軋制工藝是可行的，并在實際生產(chǎn)中獲得認(rèn)證。3 存在的問題及解決的方法3.1 鋼板沿厚度方向晶粒尺寸均勻性問題對于細(xì)晶鋼而言，沿厚度方向晶粒大小不均是困擾科技工作者的難題之一。在實際生產(chǎn)過程中，首先我們嚴(yán)格地執(zhí)行了按爐送鋼制度，減少加熱爐的空氣過剩系數(shù)，從1.051.10調(diào)整為0.951.0，強(qiáng)化下加熱，盡量減小上下表面溫差，確保燒均、燒透；其次，在軋制SW400時，出F7后立即水冷，提高鋼板的冷卻速率，確保了晶粒尺寸均勻，經(jīng)用戶反饋，使用良好。3.2 鋼板表面質(zhì)量控制SW400試產(chǎn)初期，用戶在旋壓成

15、形過程中，在鋼板的上表面出現(xiàn)翹皮缺陷，影響了用戶的正常使用和車輪的服役壽命。為此，我們首先重新調(diào)整連鑄的各項工藝參數(shù)，選用了合適的保護(hù)渣，適當(dāng)?shù)販p小二冷強(qiáng)度（中冷變?yōu)槿趵洌苊饬藨?yīng)力集中和塑性低谷區(qū)的出現(xiàn)；其次，連鑄坯采用下線清理，冷坯送入加入爐進(jìn)行軋制的工藝，并且，在層流冷卻的末端安裝了表面質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，從根本上杜絕了上述現(xiàn)象的發(fā)生。生產(chǎn)實踐表明：經(jīng)過清理后的連鑄坯軋成板卷，沒有出現(xiàn)翹皮缺陷，SW400的表面質(zhì)量良好。4 創(chuàng)新點變形誘導(dǎo)鐵素體相變理論應(yīng)用到SW400的生產(chǎn)中，使軋后獲得了細(xì)化的顯微組織，其強(qiáng)度和延韌性大幅度提高，各項性能滿足制造汽車車輪的要求。變形誘導(dǎo)鐵素體相變中晶核生長和

16、晶粒粗化過程因變形時間短而受到抑制。在實際的變形誘導(dǎo)鐵素體相變軋制中，應(yīng)變速率會更高。我們知道，晶核的生長及晶粒的粗化過程依賴于時間，如式（1）和式（2）所示：s=a .t0.5 (晶核的生長) （1）dtn don = k0t (晶粒的粗化) （2）式（1）中，S為晶核的厚度；a為拋物線速度常數(shù)；t為時間。式（2）中，d0為初始晶粒尺寸；dt為 t時刻晶粒尺寸；n、ko 為常數(shù)。上述兩個過程因轉(zhuǎn)變時間短而受到很大的抑制，這也是變形誘導(dǎo)鐵素體相變能夠獲得超細(xì)晶的重要原因。而變形奧氏體的連續(xù)冷卻相變需要較長的時間，控制冷卻在一定程度上可以縮短相變時間，加上提高相變過冷度的因素，對于細(xì)化晶粒是有效

17、的。但冷速不能很高，否則會得到貝氏體或馬氏體組織?？傊?，變形奧氏體的連續(xù)冷卻相變是在一個相對較長的時間范圍內(nèi)進(jìn)行的，晶核的生長及晶粒的粗化都比較充分，因而很難獲得超細(xì)晶。第八屆（2011）中國鋼鐵年會論文集本鋼研制的SW400車輪鋼生產(chǎn)工藝是在傳統(tǒng)TMCP生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合形變誘導(dǎo)鐵素體相變細(xì)化晶粒的新理論制定的， SW400車輪鋼在保證連鑄坯原始奧氏體晶粒細(xì)化的同時，在粗軋區(qū)高溫再結(jié)晶快速軋制，保證中間坯在充分反復(fù)再結(jié)晶的過程中細(xì)化晶粒，精軋區(qū)充分保證精軋終軋溫度在相變點以上3050，在未再結(jié)晶區(qū)累積一定的形變量，終軋溫度比常規(guī)的控制軋制低50100，以保證大量變形誘導(dǎo)相變，以細(xì)化晶粒，特

18、別是精軋的最后兩架軋機(jī)變形量影響更為明顯，帶鋼軋后采取快速冷卻低溫卷取工藝，把超細(xì)晶粒固定下來。本鋼SW400車輪鋼根據(jù)上述原理，結(jié)合1700mm機(jī)組軋機(jī)能力，通過兩輪實驗，在鋼板厚度從13.5mm減為11.5mm（進(jìn)一步減為11.0mm）、車輪總成減重達(dá)到21%的情況下，已經(jīng)實現(xiàn)了生產(chǎn)鐵素體晶粒尺寸在46m的SW400鋼板的能力。本鋼1700熱軋機(jī)組生產(chǎn)的SW400典型金相組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體組織，由此表明經(jīng)過優(yōu)化后的工藝不僅起到了細(xì)晶強(qiáng)化的作用還有一定程度相變強(qiáng)化的作用。5 結(jié)論結(jié)論如下：（1）工藝1采用高C、低Mn、低鈮、鈦的化學(xué)成分設(shè)計，在軋制工藝上采取低終軋溫度、低卷取溫度來保證強(qiáng)度，這樣得到的組織不理想，塑性和冷彎性能均受到影響；工藝2采用C在0.10%0.15%，錳在0.90%1.10%之間，配合合理的控軋控冷工藝，獲得了穩(wěn)定良好的綜合力學(xué)性能，添加微合金元素Nb細(xì)化