車輪鋼加工與失效分析

劉宏亮，鄭 中，趙 迪，姜育男，姜茂發(fā)

(1.本鋼集團(tuán)有限公司，遼寧，本溪 117000;2.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819)

公路運輸是現(xiàn)代交通運輸系統(tǒng)的重要組成部分，起著運輸干線作用.第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，公路運輸發(fā)展迅速，歐洲許多國家和美國、日本等國已建成比較發(fā)達(dá)的公路網(wǎng)，汽車工業(yè)又提供了雄厚的物質(zhì)基礎(chǔ)，促使公路運輸在運輸業(yè)中躍至主導(dǎo)地位.發(fā)達(dá)國家公路運輸完成的客貨周轉(zhuǎn)量占各種運輸方式總周轉(zhuǎn)量的90%左右.然而，到2012年底，我國國家級干線公路通車?yán)锍虄H17.3萬公里，其中普通國道10.5萬公里，高速公路6.8萬公里.這顯然無法滿足經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展對運輸能力的需求，交通部近日正式公布了《國家公路網(wǎng)規(guī)劃(2013年 －2030年)》，根據(jù)規(guī)劃到2030年，我國公路網(wǎng)總規(guī)模將達(dá)到40萬公里，增長一倍有余.

車輪是汽車行駛的主要安全部件，也是影響整車性能的重要因素.隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，對車輪承受強(qiáng)度、疲勞應(yīng)力、沖壓載荷以及高溫蠕變等指標(biāo)提出了更高的要求［1，2］.本鋼利用“人參鐵”資源，并依托先進(jìn)的裝備技術(shù)陸續(xù)開發(fā)出BG330CL～BG590CL系列受市場認(rèn)可的車輪鋼，厚度規(guī)格涵蓋2.5～16 mm范圍，BG600CL鋼也已通過測試.然而，車輪在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)因疲勞而導(dǎo)致的早期失效形式.為此，本文針對車輪鋼組織、車輪加工過程、以及使用過程受力情況等進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究車輪失效原因并提出改進(jìn)意見.

1 車輪鋼性能和組織

本鋼BG330CL～BG590CL系列車輪鋼依據(jù)規(guī)格和強(qiáng)度級別的不同，分別對合金成分、軋制工藝和冷卻方式進(jìn)行調(diào)整，綜合運用固溶強(qiáng)化、組織強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化方式進(jìn)行生產(chǎn)和研發(fā).因此，不同級別車輪鋼之間存在較大的組織差異.

1.1 車輪鋼力學(xué)性能

本鋼在生產(chǎn)車輪鋼時均需要對鐵水進(jìn)行預(yù)處理，以控制S含量［3］，轉(zhuǎn)爐冶煉后采用LF(VD)進(jìn)行精煉處理，并在連鑄過程中進(jìn)行變質(zhì)處理［4］;依據(jù)規(guī)格和型號差異采用2 300 mm熱連軋機(jī)組進(jìn)行控軋控冷工藝生產(chǎn).本鋼近期生產(chǎn)的典型車輪鋼規(guī)格和性能如表1所示.

1.2 車輪鋼組織

本鋼生產(chǎn)研發(fā)的車輪鋼分為兩類，其中一類是BG系列，采用低成本設(shè)計方案，主要強(qiáng)化元素為C和Mn，采用微合金元素較少，主要通過冷卻工藝進(jìn)行組織細(xì)化，因此，金相組織以鐵素體+貝氏體+珠光體為主，價格相對較低，制備成車輪以后使用壽命一般大于3個月;而另外研制開發(fā)了SW系列，主要采用Nb和Ti等微合金進(jìn)行設(shè)計，并采用TMCP工藝進(jìn)行生產(chǎn)，獲得金相組織為鐵素體+貝氏體，無珠光體組織，因此成型性和使用性能更好，但價格相對較高.根據(jù)市場信息顯示，BG系列銷量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SW系列，而出現(xiàn)質(zhì)量問題也幾乎全部集中在BG系列上.

不同級別和規(guī)格的車輪鋼組織均存在較大差異.如圖1所示，為了保證良好的塑性，BG380CL和BG590CL兩種車輪鋼生產(chǎn)均采用復(fù)相組織，通過合理控制冷卻工藝獲得鐵素體和貝氏體為主的組織，局部有少量珠光體.BG380CL鐵素體體積分?jǐn)?shù)為 83%，平均晶粒尺寸為 22.6 μm，而BG590CL鐵素體含量為76%，平均晶粒尺寸為17.2 μm.BG590CL貝氏體含量較多，且晶粒尺寸細(xì)小，可同時保證良好塑性和較高的強(qiáng)度［5］.

2 車輪加工工藝分析

目前，車輪輪輻主要有兩種生產(chǎn)工藝:一種是沖壓成型，另一種為旋壓成型.旋壓加工正在逐步取代沖壓成為高級別車輪輪輻生產(chǎn)的主要工藝.

2.1 沖壓工藝分析

沖壓工藝是借助專用沖壓設(shè)備的動力，使車輪鋼在模具里直接受到應(yīng)力進(jìn)行變形，經(jīng)數(shù)次沖壓獲得輪輻形狀、尺寸和性能的生產(chǎn)技術(shù).采用沖壓工藝生產(chǎn)輪輻效率較高，但沖壓引起的材料應(yīng)力、以及應(yīng)力梯度相對較大，僅適用于薄規(guī)格車輪的生產(chǎn).

本研究采用有限元分析軟件DEFORM對輪輻沖壓成型工藝應(yīng)力分布進(jìn)行分析，采用AUTO CAD制圖后，導(dǎo)入DEFORM軟件分析沖壓過程應(yīng)力分布，結(jié)果如圖2所示.結(jié)果表明，沖壓工藝制備車輪輪輻將導(dǎo)致螺栓分布圓平面與通風(fēng)孔過渡帶位置應(yīng)力集中明顯，殘留較大的應(yīng)力梯度.

2.2 旋壓工藝分析

目前，高端車輪尤其是規(guī)格比較厚的輪輻加工主要采用旋壓工藝技術(shù).通過不同型面旋輪施加壓力，讓車輪鋼變形成輪輻形狀，加工的車輪強(qiáng)度高、質(zhì)量好、且節(jié)省材料，屬于特種成形方法.如旋壓過程可將14 mm車輪鋼制備成模具形狀，并最終旋壓至12 mm厚，旋壓過程中輪輻肋板位置受到較大應(yīng)變，存在明顯的加工硬化效應(yīng)，因此，通風(fēng)孔肋板厚度減少2 mm并不會降低最終承載能力.

圖1 典型車輪鋼組織Fig.1 Micorstructure for the typical wheel steel

圖2 沖壓工藝與應(yīng)力分布Fig.2 Stamping process and stress of spoke

但是，這種加工方式在螺栓固定面同樣沒有施加應(yīng)力，因此，在螺栓分布圓與通風(fēng)孔過渡帶之間依然存在應(yīng)力梯度，如圖3所示.但因旋壓技術(shù)采用均勻變形工藝，與沖壓相比殘余應(yīng)力相對較少，螺栓分布圓與通風(fēng)孔肋板之間的應(yīng)力梯度也相對減少.

無論采用何種加工方式，最終螺栓分布圓與通風(fēng)孔之間的應(yīng)力梯度均取決于加工工藝參數(shù)、原始鋼板強(qiáng)度、以及組織應(yīng)變能力等.

3 車輪受力與失效分析

3.1 輪輻受力分析

本研究采用 AUTO CAD制圖，并導(dǎo)入DEFORM軟件對輪輻靜態(tài)承載情況進(jìn)行分析，不同載荷條件下的計算結(jié)果如圖4所示.

分析發(fā)現(xiàn)，不同載荷條件下輪輻受力存在明顯差異.當(dāng)輪輻承重較小時，輪輻應(yīng)力均勻分布于螺栓孔周圍，及通風(fēng)孔肋板之間，如圖4(a)所示.因此，應(yīng)力梯度主要在通風(fēng)孔之間肋板位置，正因如此，采用薄規(guī)格車輪鋼開發(fā)新輪輻時，某些廠商會在通風(fēng)孔肋板之間增加“拱形”形變硬化處理，在減重20%情況下，強(qiáng)度卻提高12%，有效減少通風(fēng)孔炸裂概率.本分析結(jié)果與其他學(xué)者研究結(jié)果一致，即輪輻應(yīng)力集中位置主要分布在通風(fēng)孔之間，以及螺栓孔位置［6，7］.

然而，當(dāng)承重較大時輪輻受力增加至屈服強(qiáng)度極限，輪輻受力集中位置則發(fā)生變化，在螺栓分布圓外側(cè)與通風(fēng)孔過渡帶位置應(yīng)力集中明顯，而通風(fēng)孔之間應(yīng)力反而減小，如圖4(b)所示.分析認(rèn)為，因車輪存在偏距，靜止條件下輪輻上部分螺栓孔受向內(nèi)的切應(yīng)力作用，而中下部螺栓孔受向外切應(yīng)力作用，當(dāng)輪輻受力超過屈服極限時，將在螺栓分布圓外側(cè)發(fā)生塑性變形，如圖5(b)所示.而在車輪實際服役過程中，該部位承受交變載荷作用將迅速萌生疲勞裂紋，直至擴(kuò)展失效.

圖3 旋壓工藝與應(yīng)力分布Fig.3 Spinning process and stress of spoke

圖4 輪輻受力Fig.4 Stress on spokes

3.2 輪輻失效形式

本研究對投放市場的BG380CL鋼失效情況進(jìn)行分析統(tǒng)計，對比發(fā)現(xiàn)輪輻失效形式可分為兩種類型:一種是在螺栓孔位置萌生裂紋并擴(kuò)展連接，直至最終斷裂，如圖6(a)所示;另一種與螺栓孔無關(guān)，而是在肋板與螺栓孔分布圓平面之間過渡位置發(fā)生斷裂，如圖6(b)所示.

3.3 輪輻失效分析

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，車輪實際失效形式與本研究結(jié)果相吻合，即一種是由于車輪疲勞性能較低引起的失效，疲勞裂紋在螺栓孔部位萌生擴(kuò)展;另一種是由于輪輻屈服強(qiáng)度較低(超載)，在螺栓分布圓外側(cè)萌生裂紋并擴(kuò)展引起的失效.分析認(rèn)為實際服役情況下車輪失效主要與以下4方面因素有關(guān).

3.3.1 加工和裝配精度的影響

疲勞失效是一個裂紋萌生以及擴(kuò)展的過程，如何抑制裂紋萌生是提高車輪疲勞性能的最主要途徑.前文分析發(fā)現(xiàn)，正常承載條件下，螺栓孔應(yīng)力集中明顯，是萌生疲勞裂紋的敏感位置.而根據(jù)第一種車輪失效形式分析判斷，疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展均與螺栓孔有密切關(guān)系，螺栓孔加工精度以及裝配工藝對該失效形式影響比較明顯.其他學(xué)者研究也同樣表明，螺栓孔發(fā)生磨損破損等情況將嚴(yán)重縮短裂紋萌生時間而導(dǎo)致輪輻提前失效.

圖5 輪輻形狀Fig.5 Spoke shape

圖6 輪輻疲勞斷裂形貌Fig.6 Spoke fatigue fracture

3.3.2 加工工藝對輪輻使用壽命的影響

分析發(fā)現(xiàn)，無論沖壓還是旋壓工藝，在制備輪輻過程中均產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力，并在某些部位存在一定的應(yīng)力梯度，這種應(yīng)力梯度的存在是輪輻使用過程中的潛在威脅，極易成為疲勞裂紋萌生位置和擴(kuò)展通道.如圖2所示，加工的輪輻在螺栓分布圓附近存在較大應(yīng)力梯度，這與第二種疲勞失效輪輻斷裂位置一致.因此，應(yīng)力梯度與加工工藝以及母材組織密切相關(guān)，不同組織具有差異較大的應(yīng)力－應(yīng)變特性，即采用相同工藝加工不同組織將產(chǎn)生不同的殘余應(yīng)力和應(yīng)力梯度.所以，加工工藝應(yīng)該與車輪鋼組織相匹配，才能有效控制殘余應(yīng)力的分布，獲得具有優(yōu)異性能的輪輻.當(dāng)車輪鋼組織和性能發(fā)生變化時，如圖1所示，沖壓或旋壓工藝也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整.

3.3.3 車輛承載的影響［8］

分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輪鋼屈服強(qiáng)度較低(超載)時，在正應(yīng)力和切應(yīng)力共同作用下螺栓分布圓外側(cè)將發(fā)生低周疲勞，導(dǎo)致輪輻“炸裂”.所以，應(yīng)嚴(yán)禁低材高用現(xiàn)象.

3.3.4 車輪鋼組織的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，本鋼在生產(chǎn)車輪鋼時，因生產(chǎn)控制問題，BG590CL組織中珠光體存在明顯帶狀，如圖1(b)所示，這對車輪疲勞性能非常不利，企業(yè)應(yīng)該在這方面多加研究，避免出現(xiàn)珠光體帶狀形貌.在生產(chǎn)高級別車輪鋼時，盡量減少珠光體的產(chǎn)生，并且嚴(yán)格控制珠光體形貌，以減少其對疲勞性能的影響.

此外，控制鑄坯偏析，限制夾雜物含量、尺寸、分布特性以及改善微觀組織分布等也均對提高車輪使用壽命有利.

4 結(jié)論

(1)不同級別車輪鋼組織存在較大區(qū)別，本鋼BG380CL至BG600CL系列車輪鋼綜合采用不同的合金體系進(jìn)行固溶強(qiáng)化、組織強(qiáng)化、析出強(qiáng)化以及細(xì)晶強(qiáng)化進(jìn)行研制生產(chǎn).不同級別和規(guī)格車輪鋼因組織差異而具有不同的應(yīng)變強(qiáng)化規(guī)律.

(2)輪輻采用沖壓工藝和旋壓工藝生產(chǎn)在螺栓孔分布圓和通風(fēng)孔過渡帶之間均存在一定的應(yīng)力梯度，但與沖壓工藝相比，旋壓工藝引起的應(yīng)力梯度相對較小，這種應(yīng)力梯度取決于沖壓(旋壓)工藝參數(shù)、原始鋼板強(qiáng)度以及組織應(yīng)變能力等.

(3)正常使用情況下，輪輻疲勞裂紋萌生位置應(yīng)在螺栓孔周圍以及通風(fēng)孔之間.因車輪存在偏距，螺栓孔同時承載正壓力和切應(yīng)力，成為疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的敏感位置.但在超載情況下，輪輻應(yīng)力集中于螺栓分布圓外側(cè)，在切應(yīng)力作用下易發(fā)生低周疲勞，并引起輪輻“炸裂”現(xiàn)象.

(4)為了提高輪輻使用壽命應(yīng)從以下幾方面加以改進(jìn):制定與車輪鋼組織相適應(yīng)的輪輻加工工藝，提高加工和裝配精度，嚴(yán)禁低材高用現(xiàn)象，控制鑄坯偏析，限制夾雜物含量、尺寸以及分布特性，改善微觀組織分布，避免帶狀組織的出現(xiàn)等.

致謝:感謝本鋼高強(qiáng)鋼項目部以及本鋼技術(shù)中心蘇蹤濤、海超和左海霞師傅對本論文提出的修改建議，感謝東北大學(xué)李小武教授提出的車輪鋼生產(chǎn)改進(jìn)意見.

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