卡車驅(qū)動橋殼用輕質(zhì)高強(qiáng)度鋼的研發(fā)

李曉林 肖寶亮 繆成亮 杜 倩 富曉航 惠亞軍

(1. 首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院, 北京 100043; 2. 綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100043;3. 首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司制造部，河北 曹妃甸 063200)

商用中、重型卡車驅(qū)動橋是僅次于發(fā)動機(jī)和控制室的核心部件[1]。驅(qū)動橋殼是驅(qū)動橋系統(tǒng)的主體，關(guān)系到整車的承載能力、使用壽命和安全性能等，所以對其機(jī)械強(qiáng)度、剛度和疲勞強(qiáng)度的要求均較高[2]。由于《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》的強(qiáng)制推行和國家對超載超限的嚴(yán)格治理，中、重型商用車輕量化是大勢所趨。據(jù)估算，如果車輛減重100 kg，每百km耗油量將減少0.5 L，二氧化碳排放量也減少12 g[3]。另一方面，驅(qū)動橋?qū)儆诨上沦|(zhì)量，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，減少1 kg簧下質(zhì)量的效果等同于減重15 kg的簧上質(zhì)量[4]。

驅(qū)動橋殼的生產(chǎn)工藝有多種，包括鑄造、沖壓- 焊接和機(jī)械擴(kuò)脹成形等[5]。采用傳統(tǒng)的鑄造工藝生產(chǎn)驅(qū)動橋殼，成本高、工藝復(fù)雜、橋殼笨重，不利于節(jié)能環(huán)保，已被沖壓橋殼和機(jī)械式脹形橋殼取代[6]。國內(nèi)13 t級驅(qū)動橋殼的沖壓工藝主要是熱沖壓，所用材料為Q345B或Q460C鋼板，厚度14～16 mm[7- 8]。機(jī)械式脹形橋殼主要采用Q345B或20Mn2鋼無縫鋼管制成，厚度14～16 mm[9]。我國橋殼輕量化水平與國外的差距較大，如德國的MAN車橋橋殼材料為屈服強(qiáng)度500 MPa、抗拉強(qiáng)度600 MPa的高強(qiáng)鋼，采用熱沖壓工藝生產(chǎn)13 t級驅(qū)動橋殼，厚度為11～12 mm[10]。隨著主機(jī)廠對橋殼輕量化和使用壽命要求的不斷提高，開發(fā)更高強(qiáng)度橋殼用鋼已成為鋼鐵企業(yè)研究的熱點(diǎn)。首鋼研發(fā)了一系列可采用熱沖壓、冷沖壓及機(jī)械擴(kuò)脹工藝成形的輕質(zhì)高強(qiáng)度橋殼用鋼。700 MPa及以下強(qiáng)度級別的橋殼用鋼已可批量生產(chǎn)。

1產(chǎn)品簡介

根據(jù)用戶的加工工藝和設(shè)備，首鋼研發(fā)了750 MPa及以下強(qiáng)度級別的橋殼用鋼，主要有熱成形、冷成形和機(jī)械擴(kuò)脹成形橋殼用鋼，產(chǎn)品簡介見表1。

表1 首鋼輕質(zhì)橋殼用鋼簡介

2 產(chǎn)品開發(fā)

2.1 熱成形橋殼用鋼

13 t及以上噸位的重卡驅(qū)動橋殼要求具備良好的剛度和靜強(qiáng)度[11]，為了避免橋殼沖壓時(shí)開裂，只能采用14～20 mm厚鋼板進(jìn)行熱沖壓成形。成形工藝為：將鋼板感應(yīng)加熱至800～900 ℃保溫后沖壓成形，空冷。目前，熱成形橋殼用高強(qiáng)度鋼板主要為Q460C鋼，要求橋殼熱沖壓后仍達(dá)到Q460C鋼的力學(xué)性能水平。由于各個(gè)鋼廠生產(chǎn)的Q460C鋼成分和工藝差別較大[12]，熱成形后橋殼存在性能波動大和強(qiáng)度偏低等問題，影響車橋的使用壽命。

為了滿足熱成形橋殼的高強(qiáng)度要求，首鋼先后開發(fā)了熱成形后屈服強(qiáng)度為420～550 MPa的橋殼用鋼，并成功應(yīng)用于商用車后驅(qū)動橋殼。在成分設(shè)計(jì)方面，考慮到用戶加熱工藝對材料性能的影響，采用中碳- 低錳- 微合金元素(Ti、Nb、V)的設(shè)計(jì)理念，通過固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化確保材料熱成形后的性能，不同強(qiáng)度級別熱成形橋殼用鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表2和表3。

表2 不同強(qiáng)度級別熱成形橋殼用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表3 不同強(qiáng)度級別熱成形橋殼用鋼的力學(xué)性能

首鋼開發(fā)的SQ500RQK鋼，采用C- Mn- Ti- Nb成分體系，采用低溫終軋+高溫卷取工藝，獲得了細(xì)小的鐵素體和(Ti，Nb)C析出相。12 mm厚熱軋鋼板經(jīng)感應(yīng)加熱至800 ℃后空冷，屈服強(qiáng)度為553 MPa，抗拉強(qiáng)度623 MPa，斷后伸長率32%。圖1為SQ500RQK鋼板加熱前后的掃描電鏡照片，鋼板感應(yīng)加熱后鐵素體發(fā)生粗化，但不明顯。由于感應(yīng)加熱速率快(>60 ℃/s)，保溫時(shí)間短(≤3 min)，鐵素體晶粒不能充分回復(fù)或再結(jié)晶。圖2為SQ500RQK鋼板感應(yīng)加熱后的透射電鏡照片。由圖2可知，感應(yīng)加熱后仍有數(shù)量較多、尺寸小于10 nm的析出相，可確保材料的強(qiáng)度仍符合要求[13]。

圖1 SQ500RQK鋼板加熱(a)前、(b)后的顯微組織

圖2 SQ500RQK鋼板800 ℃加熱后的透射電鏡照片

2.2 冷成形橋殼用鋼

為了滿足車橋企業(yè)節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率的需求，實(shí)現(xiàn)車橋輕量化，首鋼開發(fā)了一系列冷成形橋殼用鋼。重卡驅(qū)動橋殼用鋼板的厚度≥12 mm，為了避免橋殼在沖壓過程中開裂和回彈，一般采用熱沖壓成形。首鋼冷成形橋殼用鋼采用低C- Mn- Nb/V成分體系，嚴(yán)格控制P、S、N等元素的含量，具有良好的強(qiáng)度和塑性，屈強(qiáng)比低，組織為鐵素體和少量珠光體。不同強(qiáng)度級別冷成形橋殼用鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表4和表5。

表4 不同強(qiáng)度級別冷成形橋殼用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表5 不同強(qiáng)度級別冷成形橋殼用鋼的力學(xué)性能

首鋼開發(fā)的SQ550LQK鋼板厚度為6～14 mm，采用C- Mn- Nb- Cr- V成分體系，采用控軋控冷工藝生產(chǎn)的12 mm厚橋殼用鋼板，屈服強(qiáng)度587 MPa，抗拉強(qiáng)度673 MPa，斷后伸長率23%，帶狀組織≤1.5級，組織為鐵素體和少量珠光體，見圖3。對12 mm厚鋼板進(jìn)行了冷彎試驗(yàn)(彎心直徑(d)為1倍板厚(a))和對折試驗(yàn)(0倍板厚)，鋼板折彎處均沒有肉眼可見的裂紋，成形性能良好，見圖4。

圖3 SQ550LQK鋼板的微觀組織(a)和帶狀組織(b)

圖4 彎曲試驗(yàn)后的12 mm厚SQ550LQK鋼試樣

2.3 機(jī)械擴(kuò)脹成形橋殼用鋼

機(jī)械擴(kuò)脹成形工藝很早問世，但直到20世紀(jì)90年代，隨著汽車沖壓工藝的發(fā)展，才開始被用于汽車制造業(yè)。徐州工程機(jī)械廠引進(jìn)了法國索瑪公司的脹形工藝技術(shù)[14],是國內(nèi)最早采用機(jī)械擴(kuò)脹成形工藝生產(chǎn)驅(qū)動橋殼的企業(yè)。目前，國內(nèi)機(jī)械擴(kuò)脹成形工藝主要為機(jī)械熱擴(kuò)脹成形，加熱溫度≥850 ℃，材料為Q345B或20Mn2鋼無縫鋼管[9]，壁厚為14～16 mm。為了降低機(jī)械擴(kuò)脹成形橋殼的生產(chǎn)成本，首鋼研發(fā)了一系列低屈強(qiáng)比的機(jī)械冷擴(kuò)脹成形橋殼用鋼，可替代無縫鋼管，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表6和表7。

表6 不同強(qiáng)度級別機(jī)械擴(kuò)脹成形橋殼用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表7 不同強(qiáng)度級別機(jī)械擴(kuò)脹橋殼用鋼調(diào)質(zhì)處理后的力學(xué)性能

以SQK750ZX鋼為例，采用C- Mn- Cr- Nb- Ti成分體系，采用合理的控軋控冷工藝生產(chǎn)的鋼卷典型厚度為12 mm，屈服強(qiáng)度423 MPa，抗拉強(qiáng)度610 MPa，斷后伸長率39%，屈強(qiáng)比0.69，性能優(yōu)良。橋殼采用高頻電阻焊工藝制管后冷擴(kuò)脹成形。熱軋態(tài)鋼卷組織為鐵素體和珠光體，調(diào)質(zhì)處理(850 ℃淬火、600 ℃回火)后，屈服強(qiáng)度689 MPa，抗拉強(qiáng)度773 MPa，斷后伸長率26%，組織為回火馬氏體，如圖5所示。熱軋態(tài)SQK750ZX鋼卷經(jīng)高頻電阻焊制管后，對焊縫進(jìn)行感應(yīng)加熱正火處理[15]，焊縫硬度與母材硬度相當(dāng)，見圖6。

圖6 采用熱軋SQK750ZX鋼板和高頻電阻焊工藝制作的焊管焊縫區(qū)的硬度分布

圖5 熱軋態(tài)(a)和調(diào)質(zhì)態(tài)(b)SQK750ZX鋼板的顯微組織

3 結(jié)論

(1)根據(jù)卡車驅(qū)動橋殼的生產(chǎn)工藝，首鋼開發(fā)了適用于熱沖壓成形、冷沖壓成形和機(jī)械擴(kuò)脹成形的高強(qiáng)度橋殼用鋼，已能批量生產(chǎn)抗拉強(qiáng)度700 MPa及以下級別的橋殼用鋼。

(2)熱成形橋殼用12 mm厚SQ500RQK鋼板，感應(yīng)加熱至800 ℃后空冷，屈服強(qiáng)度為553 MPa，抗拉強(qiáng)度623 MPa，斷后伸長率32%，可以替代14 mm厚的Q345B或Q460C鋼板，實(shí)現(xiàn)橋殼的輕量化。

(3)機(jī)械擴(kuò)脹成形橋殼用12 mm厚SQK750ZX鋼板，熱軋態(tài)的綜合性能優(yōu)良，采用高頻電阻焊工藝制作的焊管，可用于機(jī)械冷擴(kuò)脹成形橋殼，調(diào)質(zhì)處理后屈服強(qiáng)度689 MPa，抗拉強(qiáng)度773 MPa，斷后伸長率26%，可替代14 mm無縫管，省略橋殼擴(kuò)脹成形的加熱工序，節(jié)能降耗，使橋殼輕量化。