分享：汽车车轮用高扩孔率热轧复相钢带的研制

汽车轻量化技术正处于快速发展阶段,钢制车轮是汽车的重要零部件,也向着高强度、薄规格方向发展,采用强度为600 MPa级的高强度钢铁材料制成的车轮较原普通低合金、高强度车轮减重10%以上[1]。浙江市场上汽车车轮用钢年需求量近10万吨,市场容量较大,但普遍强度在500 MPa以下。传统高强度汽车车轮用钢已经开始用于制造汽车轮辐,但汽车轮辋的制造仍存在技术瓶颈,主要体现在对焊部位扩口开裂[2]、轮辋滚压成型开裂、轮辐和轮辋组合焊接热影响部位疲劳强度不足等。制造轮辋对高强度钢的局部成形性和焊接性能要求极高,鉴于此,研究并制造出同时适合轮辋和轮辐生产工艺的高强度级别、延伸凸缘性能的经济型热轧车轮用钢,可以增加国内汽车车轮用钢的品种,提高其质量,以满足汽车轻量减薄的发展趋势。 

先进高强钢（AHSS）兼具高强度和较好的成形性能,广泛应用于车身的结构件和安全件中[3]。复相（CP）钢是热轧先进高强钢的一种,其显微组织主要由铁素体和贝氏体组成,这种混合组织比双相钢的马氏体+铁素体组织具有更小的相间硬度差[4],使复相钢的高扩孔率与延伸凸缘性能提升。WANG等[5]利用钛沉淀硬化和晶粒细化强化研究了贝氏体-铁素体多相钢；代晓莉等[6]研究了Nb、V、Ti元素微合金化的580 MPa级高扩孔钢,并认为贝氏体能够起到防止裂纹扩展的作用；宋振官[1]研制了Cr微合金化汽车轮辐用钢,并验证了其具有良好的成形性。目前,复相钢普遍添加了较多的贵重合金元素,虽然可以获得铁素体+贝氏体组织,但成本较高,同时实际很少有同时适用于轮辋和轮辐生产工艺的热轧车轮用钢。 

笔者结合下游汽车车轮制造工艺的特点,将车轮用钢Cr、Nb微合金化,并优化调整Si元素含量,实现了对汽车车轮用钢基体组织、表面质量的控制,研制并开发了600 MPa级高扩孔率热轧复相钢的工业产品。 

1.   产品设计与工业试制方法

1.1   技术要求

高扩孔率热轧复相钢应具有较高的强度、优异的局部成形性和良好的抗疲劳性和焊接性能,根据用户对钢制车轮钢板的要求,高扩孔率热轧复相钢的参数如表1所示,拉伸试验规定值适用于纵向试样,原始标距L0=80 mm,截面宽度b=20 mm,屈服现象不明显时采用RP0.2（规定塑性延伸率为0.2%时的应力）。 

1.2   成分设计

高扩孔率热轧复相钢试制产品的化学成分如表2所示。该钢采用低碳设计,C元素的强化作用十分明显,可以显著提高钢材的强度,但是C元素含量过高将会显著降低钢材的韧性、冷成形性及焊接性能,同时,防止C元素富集于亚稳奥氏体区域而避免其析出,是获得复相组织的保证,工业试制时将C元素的质量分数控制为0.06%~0.10%。 

设计时需要合理选择Si、Mn元素的含量,Si元素能增大铁素体基体的硬度,缩小铁素体与贝氏体两相之间的硬度差[7],从而提高钢材的扩孔率。然而,Si元素含量过高会导致热轧带钢表面红锈增多,同时影响钢材的疲劳性能,工业试制时将Si元素的质量分数控制为0.15%~0.30%。Mn元素是重要的固溶强化元素和奥氏体稳定化元素,Mn元素含量过低将造成奥氏体稳定性和钢的强度不足,Mn元素含量过高会使钢的塑性和焊接性能降低,因此Mn元素含量不能过高,Mn元素的质量分数优先选择0.80%~1.50%。 

在钢中添加Cr、Nb微合金元素可得到析出强化及固溶强化的良好匹配效果,其中Cr元素会使连续冷却转变（CCT）曲线中珠光体和铁素体的孕育期延长,抑制珠光体和铁素体的形成[8],有利于贝氏体组织的形成,最终有利于强度和扩孔率的升高。由于Cr元素的质量分数小于0.15%时,对CCT曲线影响不显著,故设计时将Cr元素的质量分数控制为0.20%~0.40%。Nb元素是重要的析出强化和细晶强化元素之一,在轧制结束的冷却中及卷取后,Nb元素以细小析出的形式存在。利用Nb元素的析出强化来提高钢的强度和韧性,缩小铁素体和贝氏体基体之间的强度差,有利于扩孔率的提升,工业试制时将Nb元素的质量分数控制为0.025%~0.060%。 

试制产品时应严格控制硫元素及其硫化物含量,降低以MnS为代表的带状硫化物等非金属夹杂物对钢材延伸凸缘性能的不良影响,并控制S元素的质量分数不大于0.007%。 

1.3   工艺设计

1.3.1   工艺路线

高扩孔率热轧复相钢的生产工艺路线为：铁水预处理→转炉冶炼→吹氩→LF（钢包精炼炉）精炼→连铸→加热→轧制→层流冷却→卷取→喷印标记→检验→入库。在LF精炼脱硫结束后增加钙处理工艺,将钢水中的夹杂物改性,改善残留的硫化物等非金属夹杂物形态,减少对钢材延伸凸缘性等性能的影响。 

1.3.2   热轧工艺

高扩孔率热轧复相钢热轧工艺过程如图1所示,采用热装热送模式将板坯装入加热炉,将出钢温度控制为1 200~1 240 ℃,避免发生Si元素含量较高而使成品表面产生氧化铁皮缺陷的问题。设计6道次粗轧工艺,精轧阶段采用7机架连轧,精轧开轧温度为980~1 060 ℃,终轧温度为840~920 ℃,同时保证6道次除鳞,各道次除鳞的高压除鳞水压力不低于18 MPa。 

图  1  高扩孔率热轧复相钢热轧工艺过程

研究表明,温度是最重要的调节钢铁材料组织的参数之一,所以轧后冷却策略是工业试制的重点。在试制钢板轧制结束后采用两段水冷模式,实施稳定、易行的冷却工艺方案：结合Cr、Nb元素微合金化特点,第一段水冷采用密集冷却或快冷,冷却速率大于30 ℃/s,目标温度为660~720 ℃,温度波动控制为±15 ℃,以控制铁素体的尺寸与生成量,对试制产品的屈服强度、断后伸长率有显著影响。随后将试样空冷2~4 s,第二段水冷平均冷却速率大于20 ℃/s,实现卷取温度为460~520 ℃,温度过高或过低将影响贝氏体的生成量[9],从而影响钢材的扩孔性能和抗拉强度。 

1.4   研究方法

试制钢板取样位置如图2所示,在4.8 mm厚度热轧态钢板尾部,沿板宽方向在中间部位、宽度1/4处、边部切取尺寸（长度×宽度）为20 mm×20 mm的金相试样,将试样机械研磨和抛光后,用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀,根据GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》、GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》,在光学显微镜下观察试样的显微组织。 

图  2  试制钢板取样位置示意

沿热轧态钢板纵向切取原始标距为80 mm的拉伸试样,根据GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验第1部分：室温试验方法》,利用600 kN电液伺服万能试验机测试钢板的强度和断后伸长率。扩孔试样尺寸（长度×宽度）为100 mm×100 mm,根据GB/T 24524—2021《金属材料 薄板和薄带 扩孔试验方法》,利用扩孔试验机,在温度为23 ℃,相对湿度为60%的环境下,测定热轧态钢板的扩孔率,取3个试样扩孔试验的平均值,扩孔率λ为 

式中：df为出现破断时的孔径；d0为初始孔径。 

2.   试制钢板的组织与性能

2.1   显微组织

热轧态试制钢板的显微组织形貌如图3所示。由图3可知：试制产品的显微组织主要由铁素体+贝氏体组成,其中主要为粒状贝氏体,并伴随有少量的马氏体和残余奥氏体。粒状贝氏体中,在铁素体基体内分布着很多由马氏体、残余奥氏体组成的小岛,起到了第二相强化作用[10],进一步提升了钢板的强度。 

图  3  热轧态试制钢板的显微组织形貌

从晶粒尺寸上分析,试样b和c的晶粒度均为12级,晶粒尺寸较小,因采取Cr、Nb元素微合金化,随着Cr元素含量的增加,贝氏体转变速率减小,晶粒度等级则逐渐提高[11],而固溶状态Nb的应变诱导析出延迟了热变形过程中静态和动态再结晶,提高了非再结晶温度,细化了铁素体晶粒。其中,试样c出现了等轴状的铁素体,综合性能将更好。而试样a的晶粒度为14级,相比试样b和试样c,试样a的晶粒度更大,晶粒更细,这主要是因为钢板边部的冷却速率更快,晶核生成的临界半径越小,原子的扩散速率受到温度的影响,并随之减小,晶粒不易长大,获得更细小的晶粒。 

2.2   力学性能

热轧态试制钢板的力学性能测试结果如表3所示。由表3可知：试制产品的力学性能均达到设计要求,其中断后伸长率为24%~30%,有较大的富余量,扩孔率达到80%以上。 

沿板宽方向不同位置的试制钢扩孔率检测结果如表4所示。由表4可知：热轧态钢板中间部位和宽度1/4处的扩孔性能较为稳定,试样c和b的扩孔率分别达到91.8%和88.8%,但边部扩孔率较低,试样a的扩孔率平均值仅为81.8%,这个现象与该钢的显微组织对应,工业试制过程中,产品边部温度降低速率较快,这虽然有利于铁素体晶粒的细化,但在促进铁素体相变的同时,也使得贝氏体的体积分数降低,同时微合金碳氮化物的析出量增大,对产品的扩孔能力产生影响。 

2.3   讨论

工业试制过程中,虽然试制产品的力学性能均达到设计要求,但热轧钢带表面产生氧化铁皮,且部分区域比较多,酸洗后产品表面容易出现条状色差缺陷[12],在影响成品表面质量的同时,客户会提出质量异议。对不同Si元素含量的高扩孔率热轧复相钢试制产品氧化铁皮情况进行分析,结果如表5所示。不同Si元素含量试样的表面氧化铁皮分布如图4所示。由图4可知：1号试样表面情况较好,2号试样边部出现氧化铁皮,3号试样和4号试样表面均有氧化铁皮,特别是4号试样上表面的氧化铁皮比较多。 

图  4  不同Si元素含量试样的表面氧化铁皮分布

采用扫描电子显微镜（SEM）对不同Si元素含量试制产品的氧化铁皮截面形貌进行分析,结果如图5所示。由图5可知：1号试样和2号试样氧化铁皮厚度约为6~8 μm,3号试样和4号试样氧化铁皮厚度约为9~13 μm；氧化铁皮与基体界面不规则,呈凹凸状,这是因为随着Si元素含量的增加,生成FeSiO4[13],产生钉扎效应,氧化铁皮变厚且不能完全除鳞,在随后的轧制过程中,氧化铁皮变形破碎,进一步发生氧化反应生成Fe2O3。 

图  5  不同Si元素含量试样的氧化铁皮截面SEM形貌

不同Si元素含量试制产品的力学性能也不同,如图6所示。由图6可知：Si元素含量越大,产品屈服强度和抗拉强度越大,其中Si元素含量最小的1号试样的屈服强度和抗拉强度分别为520 MPa和610 MPa,Si元素含量最大的4号试样的屈服强度和抗拉强度分别增大了21 MPa和9 MPa,这是由于Si元素增大了碳在奥氏体中的活度和铁素体的形核率,起到有效的细晶强化作用,能提升铁素体的基体强度,显著提高屈服强度。 

图  6  不同硅元素含量试制产品的力学性能

不同Si元素含量试制产品的扩孔率如图7所示。由图7可知：试制产品的扩孔率随着Si元素含量的增大而增大,Si元素可以缩小铁素体与贝氏体两相之间的硬度差,使两相在塑性变形阶段表现出一定的相容性,改善钢的塑性和韧性,有利于扩孔率的增大。为了使试制产品具有较好的表面质量和良好的力学性能,将Si元素的质量分数控制在0.20%左右较为合适。 

图  7  不同Si元素含量试制产品的扩孔率

3.   产品应用

国内某车轮厂将4.8 mm厚度的热轧态钢板进行多道次成形加工,轮辋滚压成形较好。将成形后的轮辐与轮辋焊接合成,并选取两件产品进行弯曲疲劳寿命检测,疲劳试验的承载力为1 700 N·m,第一件的疲劳寿命为67万次,第二件的疲劳寿命为61万次,优于传统高强度汽车车轮用钢的疲劳寿命（不足40万次）,满足高端车轮用户的使用要求。 

4.   结论

（1）高扩孔率热轧复相钢是在钢含碳量较低的情况下,添加了Cr、Nb微合金元素,有利于贝氏体的形成,使钢板的高扩孔率与延伸凸缘性能得到提升。根据产线实际情况,采用密集冷却（冷却速率大于30 ℃/s）的轧后冷却策略和中温（490 ℃左右）卷取工艺,能较好地保障成品显微组织中铁素体与贝氏体的比例,实现产品的屈服强度为520 MPa以上,抗拉强度为610 MPa以上,其断后伸长率超过了24%,扩孔率达到83%以上,沿板宽方向的扩孔率波动在10%以内,同时需注意边部轧后冷却策略的控制。 

（2）增加Si元素含量能明显改善扩孔性能,但需注意热轧钢带表面氧化铁皮的厚度和红锈的控制,将Si元素质量分数控制在0.20%左右较为合适。 

（3）工业性生产及下游车轮用户的试用实践表明,高扩孔率热轧复相钢的成形性能优异,未发生扩口开裂、成形开裂,焊缝质量良好,车轮弯曲疲劳寿命达到60万次以上,具有较高的推广应用价值。 

文章来源——材料与测试网