汽車用高強(qiáng)車輪鋼LQ590熱軋鋼板的研制開發(fā)

孫成錢，時(shí)曉光，董毅，王俊雄，劉仁東，景鶴，邢津銘，王洪海，韓楚菲

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司制造管理部，遼寧 鞍山，114021；3.鞍鋼股份有限公司熱軋帶鋼廠，遼寧 鞍山，114021）

隨著汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，作為汽車重要組成部分之一的車輪，同樣需要滿足汽車輕量化發(fā)展要求。汽車質(zhì)量每減輕10%，則油耗可下降8%～10%。同時(shí)，輕量化還能帶來汽車操控穩(wěn)定性和沖撞安全性的提升。對(duì)于鋼制車輪來說，要達(dá)到輕量化的目的，最主要的途徑有兩個(gè)，一是優(yōu)化車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；二是使用高強(qiáng)度或超高強(qiáng)度的鋼材。由于車輪制作對(duì)鋼板的綜合性能以及表面質(zhì)量和厚度公差要求極高，使得國內(nèi)只有少數(shù)廠家才能生產(chǎn)車輪鋼，而日本等一些發(fā)達(dá)國家早已實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)車輪鋼生產(chǎn)。鞍鋼生產(chǎn)的車輪鋼牌號(hào)主要有A460LF，LQ540，為了追趕日本等一些發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的高強(qiáng)車輪鋼，鞍鋼進(jìn)行了高強(qiáng)車輪鋼LQ590的研制開發(fā)。本文主要介紹通過對(duì)普碳鋼進(jìn)行成分微調(diào)加入適量的Nb和Ti、進(jìn)行控軋控冷工藝控制以及利用時(shí)效處理進(jìn)行鞍鋼高強(qiáng)車輪鋼LQ590實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)生產(chǎn)開發(fā)。

1 實(shí)驗(yàn)室冶煉與軋制試驗(yàn)

1.1 冶煉與軋制

實(shí)驗(yàn)室采用200 kg真空爐，按照表1中設(shè)計(jì)的冶煉成分進(jìn)行冶煉，最后合爐抽真空，澆注時(shí)要保證注流平穩(wěn)不斷流，爐內(nèi)多余鋼水要倒凈，自然冷卻形成試驗(yàn)鋼錠。

表1 LQ590試驗(yàn)鋼冶煉成分設(shè)計(jì)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Smelting Compositions in LQ590 Test Steel（Mass Fraction） %

將冶煉的試驗(yàn)鋼錠切分為兩塊，分別編號(hào)1和2，放進(jìn)箱式電爐中加熱到1 220℃，出爐后在四輥試驗(yàn)軋機(jī)上進(jìn)行控制軋制，設(shè)計(jì)開軋溫度為1 100℃，終軋溫度為880℃，卷取溫度為620℃（模擬），利用便攜式紅外測(cè)溫儀檢測(cè)溫度。LQ590軋制工藝見表2，將鋼錠軋制板厚為11 mm。

表2 LQ590軋制工藝Table 2 Rolling Process for LQ590 Steel ℃

1.2 鋼板性能與組織檢驗(yàn)分析

1.2.1 力學(xué)性能

每塊鋼板上分別取橫向試樣各2塊，在Z1200拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，LQ590實(shí)驗(yàn)室性能檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可以看出抗拉強(qiáng)度低于590 MPa，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表3 LQ590實(shí)驗(yàn)室性能檢驗(yàn)結(jié)果Table3 Test Results of Properties of LQ590 Steel at Laboratory

1.2.2 金相組織

實(shí)驗(yàn)室LQ590金相組織如圖1所示。從金相圖片中可以看出，其組織主要由大量的貝氏體及少量的鐵素體和珠光體組成，晶粒非常細(xì)小，晶粒度12級(jí)。

圖1 實(shí)驗(yàn)室LQ590金相組織Fig.1 Metallographic Structures of LQ590 Steel at Laboratory

1.2.3 總結(jié)分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，與標(biāo)準(zhǔn)相比試驗(yàn)鋼LQ590屈服強(qiáng)度偏高，抗拉強(qiáng)度和延伸率偏低，結(jié)合軋制工藝和組織分析認(rèn)為：

（1）由于終軋溫度過低，鐵素體在形成過程中被不斷變形，使得鐵素體晶粒較小而且其內(nèi)部含有大量畸變，強(qiáng)度偏高，所以使其屈服強(qiáng)度偏高，延伸率偏低；

（2）由于冷卻過程中冷速過慢，貝氏體是在高溫狀態(tài)下形成的，導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度偏低。

2 工業(yè)試制的冶煉與軋制試驗(yàn)

2.1 冶煉與軋制

高強(qiáng)車輪鋼LQ590工業(yè)試制化學(xué)成分以實(shí)驗(yàn)室冶煉成分為基礎(chǔ)并進(jìn)行微調(diào)，高強(qiáng)車輪鋼LQ590實(shí)際冶煉成分見表4。連鑄坯厚度為170 mm，并在鞍鋼熱軋帶鋼廠2150機(jī)組進(jìn)行軋制試制。

表4 LQ590實(shí)際冶煉成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 4 Actual Smelting Composition in LQ590 Steel（Mass Fraction） %

連鑄坯裝爐2塊進(jìn)行軋制。設(shè)計(jì)加熱目標(biāo)溫度1 220℃，保溫218 min，高強(qiáng)車輪鋼LQ590實(shí)際軋制工藝參數(shù)見表5。

表5 LQ590實(shí)際軋制工藝Table 5 Actual Rolling Process for LQ590 ℃

2.2 軋后取樣分析

熱軋后立即在頭尾分別截取試樣，編號(hào)1、2、3、4。 其中，1為 010 試樣頭部、2為 010 試樣尾部，在橫向方向各取兩個(gè)拉力試樣，橫向編號(hào)11、12、21、22， 3為 020 試樣頭部、4為 020 試樣尾部，在橫向方向各取兩個(gè)拉力試樣，編號(hào)為：13、14、23、24。 高強(qiáng)車輪鋼 LQ590 工業(yè)生產(chǎn)性能見表6，高強(qiáng)車輪鋼LQ590鋼第一次取樣金相組織見圖2。由圖2可見，工業(yè)生產(chǎn)的LQ590組織均為鐵素體及珠光體組織。

表6 LQ590工業(yè)生產(chǎn)性能Table 6 Industrial Production Performance of LQ590 Steel

圖2 LQ590第一次取樣金相組織Fig.2 Metallographic Structures of Sample Taken from LQ590 Steel for 1st Time

2.3 緩冷后取樣分析

試樣截取自軋后放置2周的鋼卷，010號(hào)鋼卷取樣編號(hào)5，020號(hào)鋼卷取樣編號(hào)6。每卷橫向取兩個(gè) 拉 力 試 樣 ， 橫 向 編 號(hào) ：511、512、611、612，LQ590試樣軋后2周性能見表7。

表7 LQ590試樣軋后2周性能Table 7 Properties of Sample Taken from LQ590 Steel during Two Weeks after Rolling

高強(qiáng)車輪鋼LQ590鋼第二次取樣金相組織見圖3。由圖3可見，工業(yè)生產(chǎn)的LQ590組織均為鐵素體及珠光體組織。

圖3 LQ590第二次取樣金相組織Fig.3 Metallographic Structures of Sample Taken from LQ590 Steel for the Second Time

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

軋后立即取樣鋼板性能檢驗(yàn)結(jié)果表明，屈服強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，均大于450 MPa；但抗拉強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)稍低，最高為590 MPa，為標(biāo)準(zhǔn)的邊緣值；延伸率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，均大于21%。鋼卷放置2周后進(jìn)行二次取樣，性能檢驗(yàn)結(jié)果表明，橫向屈服強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，均大于500 MPa；延伸率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，均大于標(biāo)準(zhǔn)要求的21%，達(dá)到24%以上；抗拉強(qiáng)度均比第一次檢驗(yàn)高出20～30 MPa，最高達(dá)到615 MPa。通過以上的分析，認(rèn)為強(qiáng)度提高是由于時(shí)效產(chǎn)生的。

總體來說，本次試制鋼種成分合理，可以滿足590 MPa高強(qiáng)車輪鋼的性能指標(biāo)要求，只要在實(shí)際生產(chǎn)中控制好工藝參數(shù)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求就可以得到理想的鋼板。

3 帶合同工業(yè)試制

根據(jù)某零部件公司對(duì)高強(qiáng)車輪鋼的試制需求，提供了11 mm厚度的高強(qiáng)車輪鋼LQ590試驗(yàn)料進(jìn)行車輪沖壓應(yīng)用性試驗(yàn)。

3.1 冶煉與軋制

在鞍鋼煉鋼廠冶煉1爐，高強(qiáng)車輪鋼LQ590工業(yè)冶煉成分見表8，從表中可以看出，其成分完全符合設(shè)計(jì)要求。

表8 LQ590工業(yè)冶煉成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 8 Industrial Smelting Compositions in LQ590 Steel（Mass Fraction） %

在熱軋帶鋼廠2150機(jī)組進(jìn)行熱軋?jiān)囍疲曹堉?塊，高強(qiáng)車輪鋼LQ590實(shí)際軋制工藝見表9，從表9中可以看出軋制工藝控制穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表9 LQ590實(shí)際軋制工藝Table 9 Actual Rolling Process for LQ590 Steel ℃

3.2 力學(xué)性能

對(duì)每卷橫向取的兩個(gè)拉力試樣進(jìn)行拉伸性能檢驗(yàn)，其力學(xué)性能結(jié)果見表10。從表10中可以看出，4卷LQ590的橫向屈服強(qiáng)度均在530 MPa以上，橫向抗拉強(qiáng)度均在600 MPa以上，橫向斷后延伸率均在21%以上，性能穩(wěn)定，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

表10 LQ590力學(xué)性能Table 10 Mechanical Properties of LQ590 Steel

3.3 金相組織

在拉伸試樣對(duì)應(yīng)的鋼板位置取金相試樣進(jìn)行組織分析，其編號(hào)與拉伸試樣一致。高強(qiáng)車輪鋼LQ590鋼第二次取樣的金相組織如圖4所示，由圖4可以看出，工業(yè)生產(chǎn)的LQ590鋼組織均為鐵素體、珠光體及少量的貝氏體，且晶粒細(xì)小，晶粒度為12級(jí)。

圖4 LQ590金相組織Fig.4 Metallographic Structures of LQ590 Steel

3.4 冷成形沖壓車輪試制

試制的高強(qiáng)車輪鋼LQ590在某汽車車輪廠進(jìn)行實(shí)際冷成形沖壓試驗(yàn)，結(jié)果良好，車輪表面無開裂，達(dá)到用戶要求，年生產(chǎn)量4萬余t，高強(qiáng)車輪鋼LQ590沖壓車輪見圖5。

圖5 高強(qiáng)車輪鋼LQ590沖壓車輪Fig.5 Stamping Wheels Made from High Strength Wheel Steel LQ590

4 結(jié)論

（1）通過實(shí)驗(yàn)室開發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)，在C-Mn鋼的基礎(chǔ)上添加Nb、Ti等微量的合金化元素，在軋制時(shí)采用控軋控冷工藝，成功開發(fā)出了590 MPa級(jí)高強(qiáng)車輪鋼。

（2）工業(yè)生產(chǎn)的590 MPa級(jí)高強(qiáng)車輪鋼屈服強(qiáng)度大于450 MPa，抗拉強(qiáng)度大于590 MPa，橫向斷后延伸率大于21%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）工業(yè)生產(chǎn)的590 MPa級(jí)高強(qiáng)車輪鋼冷成形沖壓結(jié)果良好，車輪表面無開裂，達(dá)到用戶要求，現(xiàn)已經(jīng)成功應(yīng)用于某汽車廠卡車車輪，年生產(chǎn)量4萬余t。