540 MPa 级商用车轮辐专用钢的研制与开发

2022-08-03柳风林许用会张志强

山西冶金 2022年3期

郭强，柳风林，许用会，张志强

（河钢集团邯钢公司，河北邯郸 056015）

近年来，汽车工业的迅速发展带来了油耗、安全和环保三大问题，车辆轻量化成为汽车行业发展的主旋律，采用高强度钢铁材料可以大幅度降低整车重量，有效减少碳排放，节约能源，并提高运载效率。汽车结构车轮旋转件减重的节能效果相当于非旋转件的1.2～1.3 倍，高强度钢用于车轮的制造会产生更为明显的节能效果[1]。为了满足汽车制造业对540 MPa级高强度车轮钢的需求，通过对锰铌钛微合金化作用机理进行研究，对商用车车轮产品的加工方式和用途进行精准识别，成功开发了高强度商用车轮辐专用钢HZ540LF。试生产和用户使用结果表明，540 MPa 级高强商用车轮辐用钢成分设计和工艺制度合理，产品性能完全能够满足用户使用要求。

1 轮辐用钢HZ540LF 微合金元素强化机制

1.1 锰的强化机制

Mn 元素在提高钢强度的同时，还可以提高钢的韧性，降低钢的韧脆转变温度。可有效降低碳对钢的韧性、塑性和焊接性产生的负面影响，另外Mn 元素可扩大奥氏体相区，降低过冷奥氏体相的转变温度，有利于相变组织的细化，同时可改变相变后的微观组织，Mn 含量的提高也为替代高价合金Nb 创造条件。因商用车轮辐其复杂的制造过程和使用环境，要求较低含碳量的同时还需保持高的强韧性，因此需要综合考虑各成分元素的效果。

1.2 铌的强化机制

Nb 是钢中常用的微合金元素，主要起细化晶粒和析出强化作用。固溶在钢中的Nb 和含Nb 的碳氮化物（NbC、Nb（C，N））对奥氏体的再结晶行为均有强烈的抑制作用。通过采用热机械轧制、晶粒细化和铁素体相变后的沉淀强化进一步优化强韧性匹配，该技术广泛应用于低合金高强度用钢的生产，其主要强度（屈服强度）级别范围集中在350～700 MPa 之间[2]。

1.3 钛的强化机制

在钢中加入Ti，可以细化铸态组织，使钢坯加热和轧制过程中的奥氏体晶粒得以细化，提高钢的强度和韧性。铸坯加热过程中必须要保证微合金碳氮化物的固溶，然后在后续轧制、卷取和冷却过程中重新析出，起到细晶强化和沉淀强化作用。Ti 对钢力学性能的影响取决于它的存在形态和Ti/C 含量比以及热加工工艺。Ti 与N 的结合能力极强，是很强的固N 元素，微量的Ti 就可以起到固N 作用，对提高钢的焊接性能极为有利。

2 轮辐用钢HZ540LF 成分设计和热轧工艺参数制定

钢制汽车车轮轮辐采用旋压技术成型，车轮总装采用埋弧堆焊工艺。因此，轮辐复杂的加工成型过程对所用钢材的质量要求很高，要求材料异向性能稳定、波动小，且洁净度要高，钢卷表面不得有氧化铁皮，以免在用户加工后使其表面产生麻点、麻坑缺陷，影响车轮成品的外观质量。因此，轮辐用钢的开发需要综合考虑炼钢成分和热轧工艺的优化匹配，以满足产品对表面质量和内部质量要求。

2.1 成分设计思路

钢制车轮轮辐在车辆行驶过程中起到连接车轴和轮辋轮胎的作用，是汽车发动机旋转动力转换成直线动力的重要部件。但在车辆行驶过程中，遇到环境恶劣的情况，车轮轮辐会受到剧烈的拉、压、弯、扭交变载荷，因此要求其具有较好的强韧性匹配。钢种成分设计应全面考虑合金元素的添加对钢种强度、韧性、塑性和焊接性能的影响，而不能以牺牲韧、塑性和焊接性能为代价，单纯追求过高的抗拉强度。商用车车轮轮辐用钢540LF 成分设计采用低C-Mn 钢中添加Nb、Ti 微合金的方式。在再结晶过程中，Nb 的析出物拖拽晶界移动，对晶界和位错起着有效的钉扎作用，可有效细化晶粒；微量的Ti 起到固溶钢水中游离N元素的作用，有利于提高车轮的焊接和疲劳性能。在车轮钢中，Si 的加入是不利的，易产生红色氧化铁皮且难以去除，并降低产品的外观质量。因此，该研究在兼具轮辐优良成形性和疲劳强度的基础上，尽量降低w（Si），初步设计w（Si）≤0.10%。高强商用车轮辐用钢540LF 成分设计如表1 所示。

表1 高强商用车轮辐用钢540LF 化学成分 %

2.2 炼钢工艺

为了保证材料性能的均匀性，应防止偏析或夹杂引起的旋压开裂，以提高车轮疲劳寿命。在冶炼过程中，采取窄成分控制及全流程保护浇注措施，通过采用LF-RH 双精炼工艺尽可能降低夹杂物含量，并控制P、S、N 有害元素及Als 的含量，降低焊接开裂率；连铸浇注过程采用动态轻压下技术，以减轻中心偏析，避免铸坯内部缺陷。为此设计炼钢工艺路径为：转炉冶炼—LF 炉精炼—RH 真空处理—板坯连铸。

2.3 热轧工艺设计思路

2.3.1 连续冷却转变曲线的测定

在高强度商用车轮辐用钢热轧工艺制定过程中，应综合考虑合金元素、加热温度、保温时间、终轧温度和卷取温度对最终产品性能的影响。通过控制微合金元素含量、加热温度和保温时间来抑制原奥氏体晶粒的过分粗化，细化最终组织，这是提高钢强韧性的必要前提[3]。为此，对HZ540LF 进行连续冷却转变曲线的测定。

取HZ540LF 铸坯加工成Φ6 mm×10 mm 热模拟试样，进行动态CCT 曲线测定。将试样以20 ℃/s 的速率加热到1 220 ℃，保温5 min 后，以5 ℃/s 的速率降到1 050 ℃；以20%变形量将试样压缩后，以5 ℃/s速率降到920 ℃以下；再以30%变形量将试样压缩后，以5 ℃/s 速率降到850 ℃。以20%变形量将试样压缩后，分别以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的冷速将试样冷却至室温。

根据试样在冷却过程中的温度- 横应变膨胀曲线，结合金相组织分析结果，确定不同冷速下各相变起始温度和终点温度，在时间- 温度坐标中做出钢在压缩变形后的连续冷却转变曲线，即动态CCT 曲线，如图2 所示。采用Gleeble-3500 热模拟试验机，测得真空状态下试验钢的相变点为tAc1=706 ℃、tAc3=930 ℃、tMs=440 ℃。

图1 HZ540LF 动态CCT 曲线

2.3.2 热轧工艺参数制定

通过对高强度轮幅用钢使用特性进行分析，结合HZ540LF 的动态CCT 曲线各个温度转变点及模拟结果，采用奥氏体再结晶区和未在结晶区两阶段控制轧制，保证板坯出炉温度≥1 150 ℃，粗轧最后3 道次压下率＞20%，奥氏体进行完全再结晶，达到细化晶粒的目的。采用“3+5”全道次除磷，保证除磷水压力≥19 MPa（190 bar），以达到减薄氧化铁皮厚度、提高表面质量的目的。为了保证板形及减少轧机负荷，终轧温度不宜过低，控制在800 ℃以上。轧后快速冷却工艺能够更好地利用第二相析出以提高强度，通过试验摸索，将卷取温度控制在500～600 ℃之间，不仅能够使钢板强度达到预期水平，同时能够使钢板有很好的塑性指标。