高強(qiáng)度大梁鋼的研制與輕量化應(yīng)用

趙江濤 劉永前 梁 文 劉 斌 楊海林 張 揚(yáng)

(1.武漢鋼鐵有限公司技術(shù)中心 湖北 武漢：430080；2.武鋼漢鋼鐵有限公司熱軋廠 湖北 武漢：430081)

高強(qiáng)度大梁鋼的研制與輕量化應(yīng)用

趙江濤1劉永前1梁 文1劉 斌1楊海林2張 揚(yáng)2

(1.武漢鋼鐵有限公司技術(shù)中心 湖北 武漢：430080；2.武鋼漢鋼鐵有限公司熱軋廠 湖北 武漢：430081)

以低碳-錳鋼為基礎(chǔ)復(fù)合添加鈮鈦微合金化元素，成功開發(fā)出700MPa級(jí)貝氏體組織的高強(qiáng)度大梁鋼。試驗(yàn)鋼鋼質(zhì)純凈、晶粒細(xì)小、力學(xué)性能均勻，低溫沖擊性能和疲勞性能優(yōu)良，成功應(yīng)用于重型商用車大梁制造。

大梁鋼；高強(qiáng)度；輕量化；汽車用鋼

汽車用鋼的發(fā)展方向是高強(qiáng)化和輕量化。重型商用車車架采用大梁鋼制作，車架總成分為縱梁、襯梁、橫梁、加強(qiáng)板等，車架重量超過(guò)1噸，采用700MPa級(jí)高強(qiáng)大梁鋼制作后，減重效果明顯，可達(dá)30%。各鋼廠和車企均在開展700MPa級(jí)大梁鋼的開發(fā)和應(yīng)用研究[1-3]。以低碳錳鋼為基礎(chǔ)，復(fù)合添加鈮元素和鈦元素，進(jìn)行細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化，結(jié)合控制軋制和控制冷卻工藝，開發(fā)出700MPa級(jí)高強(qiáng)度熱軋汽車大梁鋼，具有良好的成型性能、低溫韌性和疲勞性能，成功應(yīng)用于東風(fēng)商用天龍重型商用車制造。

1 力學(xué)性能要求及成分設(shè)計(jì)

根據(jù)東風(fēng)商用的車型設(shè)計(jì)要求，參照德標(biāo)SEW092標(biāo)準(zhǔn)，制定試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能，如表1所示。

表1 力學(xué)性能要求

注：拉伸試驗(yàn)和冷彎試驗(yàn)規(guī)定值適用于橫向試樣。

試驗(yàn)鋼用于加工商用車大梁。大梁有折彎、沖壓、滾壓、焊接、涂裝等多種制造工藝，制成的大梁在行駛過(guò)程中需要承受較重的載荷，受各種沖擊、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜應(yīng)力作用，工作條件苛刻。試驗(yàn)鋼的成分設(shè)計(jì)需考慮大梁的制造工藝、服役特性。

C元素控制在0.1%以下保證其成形性能，嚴(yán)格控制P、S雜質(zhì)元素含量保證其沖擊性能和疲勞性能。添加總量小于0.22%的鈮和鈦微合金化元素，在軋制過(guò)程中，與碳、氮元素結(jié)合析出，有效細(xì)化晶粒，并對(duì)晶界與位錯(cuò)起釘扎作用[4]。

試驗(yàn)鋼的成分設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 成分設(shè)計(jì)要求(wt%)

2 工業(yè)試制

試驗(yàn)鋼采用武鋼二煉鋼廠頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉，經(jīng)重脫硫工藝后，在1650～1750℃出鋼，爐后進(jìn)行合金化處理，添加錳鈮等合金元素。在真空站微調(diào)成分并添加鈦合金。在1500～1600℃澆鋼，經(jīng)板坯連鑄機(jī)鑄成斷面尺寸230mm×1450mm規(guī)格的板坯，下送熱軋廠。

板坯加熱制度設(shè)計(jì)除要考慮設(shè)備能力，還應(yīng)保證鈮鈦合金元素的析出效果最大化。連鑄板坯經(jīng)武鋼二熱軋步進(jìn)式加熱爐加熱，其出爐溫度設(shè)定為1200～1300℃，板坯溫度均勻，在爐時(shí)間不小于160分鐘。終軋溫度設(shè)定為800～900℃，卷取溫度設(shè)定為550～650℃。

3 試制結(jié)果

3.1 力學(xué)性能均勻性分析

取鋼板頭、中、尾部試樣，按GB/T228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)，在WE-60萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上，測(cè)試不同部位、不同方向的拉伸性能波動(dòng)，如表3所示。從表3中可知，試驗(yàn)鋼頭、中、尾部的橫向力學(xué)性能值均滿足目標(biāo)設(shè)計(jì)的要求。各部位及方向間的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率的波動(dòng)值分別是47.5MPa、45MPa和4.5%。測(cè)試結(jié)果表明試驗(yàn)鋼的拉伸性能穩(wěn)定、波動(dòng)范圍小。

表3 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

3.2 微觀組織及析出物分析

組織均勻性和夾雜物控制是滿足試驗(yàn)鋼的沖壓要求和使用壽命的關(guān)鍵因素。

取試驗(yàn)鋼中部試樣，按GB/T 13298-15標(biāo)準(zhǔn)制金相樣，在Neophotz 金相顯微鏡上觀察夾雜物和微觀組織。試驗(yàn)鋼經(jīng)過(guò)真空處理，鋼質(zhì)純凈，硫含量控制在很低的水平。按GB/T 10561-05標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定夾雜物級(jí)別是DDup，1級(jí)，球狀復(fù)相夾雜，如圖1～圖2所示。試樣經(jīng)3%的硝酸酒精腐蝕后，在500倍下觀察顯微組織為貝氏體，如圖3所示，微合金化元素形成的析出物阻礙了晶粒長(zhǎng)大，有效地細(xì)化晶粒。

圖1 夾雜物

圖2 夾雜物放大

圖3 貝氏體

將試樣制成透射電鏡試驗(yàn)樣品，在JEM2100F透射電鏡上對(duì)析出物的形貌、數(shù)量和分布進(jìn)行觀察，如圖4所示。析出物為球形，均勻分布，尺寸范圍30～180nm。能譜儀分析結(jié)果如圖5所示，析出類型是鈮和鈦的復(fù)合析出相。

圖4 試驗(yàn)鋼析出相

圖5 試驗(yàn)鋼析出相能譜圖

3.3 低溫沖擊性能分析

商用車在服役過(guò)程中大梁受到各種沖擊力作用，在低溫地區(qū)服役時(shí)，需評(píng)估負(fù)載運(yùn)行過(guò)程中的沖擊斷裂風(fēng)險(xiǎn)。低溫韌性沖擊試驗(yàn)用來(lái)評(píng)價(jià)高強(qiáng)度大梁鋼在低溫地區(qū)的服役能力。

試驗(yàn)鋼加工成7.5mm×10mm×55mm的V型缺口沖擊試樣，在標(biāo)稱能量450J擺錘試驗(yàn)機(jī)上，按GB/T 229標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系列溫度沖擊試驗(yàn)?？v向和橫向沖擊功如圖6所示。不同部位的韌性波動(dòng)不大，但縱、橫向有差別。用1/2沖擊平臺(tái)確定脆性轉(zhuǎn)變溫度ITT在-60℃以下，作為汽車大梁用鋼，已滿足了低溫服役條件。

圖6 試驗(yàn)鋼不同部位的低溫沖擊功

3.4 疲勞性能分析

車架疲勞壽命是商用車的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)，與車架結(jié)構(gòu)、鋼板疲勞性能相關(guān)。

按GB/T 3075標(biāo)準(zhǔn)，采用拉-拉測(cè)試方法測(cè)量試驗(yàn)鋼的疲勞性能，如圖7所示。試樣厚度為8mm，應(yīng)力比為0.15，頻率為160Hz。測(cè)得條件疲勞強(qiáng)度是219.8MPa。疲勞曲線的擬合公式為L(zhǎng)ogN=13.51-0.03×S，擬合相關(guān)度系數(shù)r=0.951。

圖7 試驗(yàn)鋼疲勞曲線

4 輕量化應(yīng)用

在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，奔施、沃爾沃等重卡車架普遍采用厚度8～9mm，抗拉強(qiáng)度700MPa級(jí)的單層大梁結(jié)構(gòu)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及相關(guān)法規(guī)的出臺(tái)，國(guó)內(nèi)東風(fēng)、一汽解放、江淮汽車等眾多商用車企業(yè)采用700MPa級(jí)高強(qiáng)鋼替代低級(jí)別牌號(hào)，用于大梁制造[5]。

大梁的輕量化設(shè)計(jì)方案需綜合考慮鋼板強(qiáng)度提升、大梁與其它結(jié)構(gòu)件的連接、大梁斷面尺寸等以滿足車架的剛度要求。采用高強(qiáng)大梁鋼的輕量化方案及減重效果如表4所示。采用輕量化設(shè)計(jì)后，雙梁改為單梁或減薄厚度，低強(qiáng)度級(jí)別大梁鋼的用量減少。

表4 試驗(yàn)鋼輕量化設(shè)計(jì)及減重效果

5 結(jié)論

(1)以低C-Mn鋼為基礎(chǔ)復(fù)合添加鈮鈦微合金化元素，開發(fā)出抗拉強(qiáng)度700MPa級(jí)的高強(qiáng)度大梁鋼。屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率的平均值分別為：695MPa、762MPa、17%，滿足用戶的交貨指標(biāo)要求。

(2)試驗(yàn)鋼采用控制軋制和控制冷卻工藝，夾雜物為1級(jí)球狀復(fù)相夾雜，鋼質(zhì)純凈。組織為細(xì)小的貝氏體組織，析出物為均勻細(xì)小的鈮鈦復(fù)合析出物。鋼質(zhì)純凈度及組織均勻性使沖擊韌性和疲勞性能得到有效的保障。

在東風(fēng)商用車、江淮汽車的輕量化應(yīng)用，表明試驗(yàn)鋼達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并能滿足用戶的使用需求。

[1] 蔡寧,鞠新華,邢陽(yáng),賈惠萍,郝京麗,史學(xué)星.鈦微合金化700MPa級(jí)汽車大梁鋼的研究[J].首鋼科技，2014(2)：30-35.

[2] 王琪,陳超,杜建良,張俊粉,張春雷.C700L高強(qiáng)度汽車大梁鋼的開發(fā)[J].河北冶金,2014,(8):36-38.

[3] 巫保振,萬(wàn)國(guó)喜,周茂奇,安亮亮,尚繼芳.700MPa級(jí)汽車大梁鋼軋鋼工藝探討[J].河南冶金,2015,(2):14-16,49.

[4] N. Maruyama, G.D.W.Smith. Effect of Nitrogen and Carbon on the Early Stage of Austenite Recrystallisation in Iron-Niobium Alloys[J]. Materials Science and Engineering, 2002,A327:34-39.

[5] 樊立華.高強(qiáng)度汽車大梁鋼在商用車輕量化方面的應(yīng)用[J].商用汽車,2010，(12):99.

ResearchandApplicationonAutoHeighStrengthBeamSteel

Zhao Jiangtao1Liu Yongqian1Liang Wen1Liu Bin1Yang Hailin2Zhang Yang2

(1.R&D Center of Wuhan Iron &Steel Co., Ltd., Wuhan 430080, Hubei; 2.Hot-rolling Plant of Wuhan Iron &Steel Co., Ltd., Wuhan 430081, Hubei)

High strength beam steel with a microstructure of bainite is developed by adding Nb-Ti micro-alloyed element to C-Mn base steel. The steel has little inclusion via vacuum process and small grain size which result in uniform strength, good ballistic and fatigue performance. This kind of steel has been successful applied in manufacturing beams used in heavy-duty commercial vehicles.

beam steel; high strength; light weight; auto steel

TG142.7

A

1671-3524(2017)03-0001-04

2017-05-24

2017-06-13

趙江濤(1978～)，男，碩士，高級(jí)工程師.E-mail:zhaojiangtao@wisco.com.cn

(責(zé)任編輯：李文英)