基于CSP產(chǎn)線車輪輪輞鋼的開發(fā)

張志強，柳風林，李 斌，黃志鎮(zhèn)，賈改風，呂德文

(河鋼集團邯鋼公司，河北 邯鄲 056015)

輪輞作為鋼制車輪的重要部件，其成形工藝非常復雜，包括下料、圈圓、閃光對焊、刮渣、端切、擴口、三道滾型、擴漲、打孔等工序。這就要求輪輞鋼必須具備良好的強韌性、高塑性、焊接性、焊后成形性以及抗疲勞性，另外隨著車輪生產(chǎn)企業(yè)日益增長的高端需求，表面質(zhì)量也越來越受到關注[1-3]。

輪輞鋼由于其嚴苛的加工工藝，通常在常規(guī)熱軋產(chǎn)線生產(chǎn)。CSP產(chǎn)線相比于常規(guī)熱軋在運行成本、溫度均勻性、板形以及尺寸精度控制方面有其獨特的優(yōu)勢，但也因其工藝和裝備特點，低碳鋼產(chǎn)品晶粒較細，屈強比高、冷成形性能不如常規(guī)熱軋產(chǎn)品[4]。本文從成分設計、工藝制定、結(jié)果分析以及用戶應用等方面介紹河鋼邯鋼基于CSP產(chǎn)線開發(fā)HZ380CL輪輞鋼的成功經(jīng)驗，具有一定的可借鑒意義。

1 成分設計

輪輞在加工過程中需要焊接，且在擴口、滾型及擴張工序需要較高的塑性，因此采用低C成分設計，結(jié)合CSP產(chǎn)線特殊要求，避開包晶區(qū)，C含量控制在0.07%以下。Mn具有一定的固溶強化作用，同時還可以抑制奧氏體再結(jié)晶，提高錳含量以滿足所需強度，但Mn含量高會增大成品偏析的風險。為了彌補由于低C、低Mn造成的強度損失,鋼中適當添加Nb，利用其固溶拖曳作用進一步提升強度。Si含量過高會影響鋼帶表面質(zhì)量，以至于給用戶涂鍍帶來麻煩。P和S明顯降低鋼的塑性和沖擊韌性、惡化鋼的成形性、焊接性和抗疲勞性能,因此應盡量降低二者的含量。鋼中Al和N容易形成AlN，沉淀在奧氏體中，引起晶粒硬化，尤其是在奧氏體晶界的沉淀引起晶界脆化,影響鑄坯的高溫塑性，為避免因鑄坯裂紋造成鋼帶存在邊裂缺陷，在滿足標準要求下，盡可能降低其含量，并且可以通過加 Ti，Ti與N結(jié)合優(yōu)先形成TiN,減輕 AlN 的有害作用。HZ380CL輪輞鋼的具體成分如表1所示。

表1 HZ380CL的化學成分Table 1 Chemical composition of HZ380CL

2 工業(yè)試制

2.1 工藝路線

HZ380CL輪輞鋼的生產(chǎn)工藝路線為：鐵水預處理—轉(zhuǎn)爐冶煉—LF精煉—CSP連鑄—加熱-粗軋-均熱-精軋-層流冷卻-卷取-噴號-檢驗-入庫。

2.2 生產(chǎn)工藝

在確定了合金成分的基礎上，合理的加熱、軋制與冷卻工藝是實現(xiàn)高表面質(zhì)量、低屈強比輪輞鋼的主要措施。有資料顯示[5]，氧化鐵皮厚度隨著溫度升高逐漸增加，在1000 ℃以上增加更為迅速，為減少爐生氧化鐵皮厚度，結(jié)合該鋼種實際特點，出爐溫度設定為1130 ℃；為提高除磷效率，除磷水壓力≥250 bar；在精軋階段采用“高溫快軋”的軋制工藝，適當提高終軋溫度，達到提升精軋速度的目的，盡可能縮短帶鋼在高溫區(qū)的氧化時間，實現(xiàn)對氧化鐵皮厚度的減薄控制[6]。另外，終軋溫度的提升，未再結(jié)晶區(qū)甚至兩相區(qū)軋制的機架越少，累計變形量越小，晶粒細化程度越低，可以有效降低屈服強度和屈強比[4]，終軋溫度設定為880 ℃；層冷冷卻從第二組開始開啟，適當增加帶鋼的空冷時間，促進鐵素體晶粒粗大等軸均勻，同時由于C有充分時間在鐵素體晶界聚集，進入冷卻區(qū)域后，可以有效促進珠光體析出及彌散分布，保證較高的抗拉強度，屈強比獲得一定程度的降低；根據(jù)河鋼邯鋼CSP產(chǎn)線特點，結(jié)合本鋼種特性，卷取溫度設定為610 ℃。HZ380CL的具體工藝參數(shù)如表2所示。

表2 HZ380CL工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of HZ380CL

3 結(jié)果分析

3.1 力學性能

HZ380CL力學性能見表3所示，并與常規(guī)熱軋產(chǎn)線同級別產(chǎn)品進行了對比。

由表3可以看出，兩條產(chǎn)線延伸率相當，橫縱向性能差異不大，均在10 Mpa左右，兩條產(chǎn)線屈強比均小于0.80，CSP產(chǎn)線的產(chǎn)品與常規(guī)產(chǎn)線相比高出0.04，但低于該產(chǎn)線同類低碳產(chǎn)品。

表3 CSP產(chǎn)線及常規(guī)產(chǎn)線HZ380CL力學性能Table 3 Mechanical Properties of CSP production line and conventional production line HZ380CL

3.2 微觀組織

常規(guī)熱軋產(chǎn)線生產(chǎn)的HZ380CL組織類型為鐵素體+珠光體，晶粒比較均勻，珠光體彌散地分布在鐵素體之間。CSP產(chǎn)線產(chǎn)品組織與常規(guī)產(chǎn)線相比，組織類型一致，但是珠光體較少，這與該鋼種C含量低有關。同時組織中存在一定程度的混晶現(xiàn)象，因為Nb具有抑制再結(jié)晶的作用，減弱了鑄造枝晶通過再結(jié)晶過程向等軸晶轉(zhuǎn)化及完成組織的均勻化過程，導致產(chǎn)品出現(xiàn)混晶，但是有文獻指出Nb含量≤0.03%，混晶現(xiàn)象可以避免[7]，因此本鋼種的Nb含量不足以造成混晶，引起混晶的因素有很多，諸如文獻[8]中提出的缺少了 γ-α和α-γ的兩次相變過程，軋前的原始組織仍為粗大的樹枝晶；文獻[9]提出由于連鑄坯溫降波動大，進入加熱爐之前發(fā)生了部分奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，此時鑄坯中存在粗細不均的一次奧氏體和二次奧氏體共存，形成最原始的混晶組織；文獻[10]提出因CSP 的工藝特點，往往因變形溫度和變形程度的關系，在整個軋制過程中常常會發(fā)生再結(jié)晶、未再結(jié)晶軋制和部分再結(jié)晶軋制，引起組織混晶。兩條產(chǎn)線金相組織如圖1和圖2所示。

圖1 CSP產(chǎn)線金相組織Fig.1 Metallographic structure of CSP line

圖2 常規(guī)熱軋產(chǎn)線金相組織Fig.2 Metallographic structure of conventional hot rolling line

3.3 氧化鐵皮厚度

圖3和圖4為兩條產(chǎn)線HZ380CL氧化鐵皮厚度微觀形貌，等間距選取3點測量氧化鐵皮厚度，從表4中不難看出，兩條產(chǎn)線氧化鐵皮厚度均較薄，小于10 μm。相比之間，CSP產(chǎn)線生產(chǎn)的HZ380CL表面氧化鐵皮均值厚1.8 μm，且厚度均勻性相對較差，河鋼邯鋼CSP產(chǎn)線投產(chǎn)已有20多年，是國內(nèi)引進最早CSP產(chǎn)線之一，加熱、除磷軋制以及冷卻等設備和能力均較差，再加上CSP產(chǎn)線本身條件的局限性，相比與常規(guī)熱軋線在表面質(zhì)量控制方面稍顯遜色。

圖3 CSP產(chǎn)線氧化鐵皮厚度Fig.3 Thickness of oxide scale of CSP line

圖4 常規(guī)熱軋產(chǎn)線氧化鐵皮厚度Fig.4 Thickness of oxide scale of conventional hot rolling line

表4 兩條產(chǎn)線HZ380CL氧化鐵皮厚度測量結(jié)果Table 4 Thickness measurement results of HZ380CL scale of two production lines

4 用戶應用

鋼卷經(jīng)用戶開平后，表面質(zhì)量良好，無氧化鐵皮脫落及麻坑缺陷，如圖5所示。批量焊接、擴口、滾型及擴張后，焊接和成形性能優(yōu)異，焊接開裂率在2.6‰以內(nèi)，與常規(guī)產(chǎn)線產(chǎn)品相當。通過與輪輻合成焊接經(jīng)電泳噴漆后，車輪表面光潔無凹坑，完全滿足了歐美市場對表面質(zhì)量的要求，圖6為車輪輪輞表面質(zhì)量實物照片。

圖5 開平后鋼卷表面Fig.5 Surface of steel coil after flattening

圖6 車輪輪輞表面質(zhì)量Fig.6 Wheel rim surface quality

5 結(jié)論

(1)基于CSP產(chǎn)線成功開發(fā)了車輪輪輞鋼，力學性能、顯微組織及氧化鐵皮厚度比常規(guī)熱軋產(chǎn)線實物水平略顯遜色，但經(jīng)用戶試用后，焊接和成形性能優(yōu)異，焊接開裂率和表面質(zhì)量完全滿足了用戶使用要求；

(2)采用低溫出爐和精軋段“高溫快軋”工藝，減少帶鋼在高溫區(qū)的氧化時間，實現(xiàn)對氧化鐵皮厚度的減薄控制，為用戶提供了一種“環(huán)保型”產(chǎn)品。

(3)通過提升終軋溫度，增加帶鋼軋后空冷時間，減少未再結(jié)晶區(qū)軋制幾率，降低累計變形量，促進鐵素體晶粒粗大等軸均勻，有效降低了輪輞鋼HZ380CL的屈強比。