攀钢SAPH系列滚形车轮用热轧钢板试制

1、攀 钢 技 术 ·1·攀钢SAPH系列滚形车轮用热轧钢板试制吴菊环，李正荣，余腾义，叶晓瑜 （攀钢钢铁研究院）摘 要：介绍了攀钢研制成功的汽车滚形车轮用钢板的技术条件、钢的化学成分、生产工艺和钢板的性能。攀钢的SAPH系列车轮钢成形性能好，机械性能稳定。以脱硫处理为基础，通过硫化物形态的控制，利用微钛在低碳钢中的作用，控制热轧工艺改善综合性能；通过细化晶粒的方法提高了钢板的疲劳寿命，使车轮实体的综合性能满足了使用要求。关键词：热轧钢板；汽车车轮；冷成形性；焊接性能0 引言随着我国国民经济的快速发展，汽车的需求量不断增加。一方面，汽车工业对汽车车轮结构用钢板需求量越来越大，另

2、一方面，对钢板质量和性能提出的要求也越来越高。过去车轮造商大多采用08Al、Q235、SS400钢制造，由于其成形性和焊接性能较差，在复杂的冷变形过程中经常出现严重开裂现象，靠增加厚度保证安全，造成材料浪费，严重影响了车体质量和外形美观，因此需要一种替代的新材料，以解决钢种质量问题1。但滚型车轮用钢板对表面质量和厚度公差的高要求，是制约国内生产厂家的一大难题。攀钢1450热轧机组经改造后，其控制精度大幅提高，具备了滚型车轮钢板的生产条件。攀钢开发SAPH系列汽车滚型车轮用热轧钢板，是针对车轮钢用户在采用市场上的一般汽车结构钢出现的轮辐扩孔翻边开裂，需要增加退火工序，轮辋对焊后扩口时焊缝开裂等问

3、题开发的，是在一般汽车结构用钢板的基础上，通过降低钢中碳、硫含量、采用钙处理使夹杂物变性，利用微量钛在低碳钢中的作用，成分及工艺控制，从根本上改善冷成形性能、表面质量和焊接性能，使试验钢在满足疲劳寿命的基础上，具有良好焊接性能、冷成形性能，尤其是具有高的延伸凸缘性能，较好地解决了强度与塑性的矛盾，满足用户对不同品种和厚规格的需求。产品累计试制10万余吨，其炼成率达98.15%，合格率为99.46%，生产成本低，质量稳定。攀钢SAPH系列热轧钢板替代进口，制作的车轮出口美国，为我国汽车无内胎滚形车轮用钢升级换代及国产化做出了贡献。1 技术要求 因汽车车轮的制造工艺和服役条件，对车轮用钢技术要求非

4、常苛刻。要确保车轮各项指标，除了制造工艺合理外，同时对车轮用钢板的要求也高，包括以下几个方面：具有稳定的力学性能和工艺性能；钢质纯净，良好的延伸凸缘性能；良好的冷冲压成型性能；良好的闪光焊接性能和疲劳性能；良好的表面质量和严格的厚度尺寸公差。轮辐生产的关键工序是三次拉延成形，因此，要求钢板具有良好的拉延成形性能，其对应的成形指标是高延伸率、高扩孔率、高应变硬化指数。而轮辋生产的关键工序是对焊、扩口和扩口后的三次滚压成形及随后的扩张，要求基体金属、焊缝和热影响区有良好的滚压成形性能。这两种零件对材料的工艺性能有不同要求，所以要分别选用和开发轮辐和轮辋用钢。围绕上述要求及难点，攀钢从钢种成分设计、

5、冶炼、脱氧、合金化、炉外精炼、连铸以及热轧工艺制度等方面采取措施，保证系列车轮钢的综合性能。为提高强度和疲劳性能，通过成分及热轧工艺控制，钢板内部组织均匀细小，晶粒度为1012级，显微组织为铁素体+少量细片状珠光体。通过稀土或钙处理改变夹杂物形态，通过微钛处理细化晶粒，改善焊接性能。·2· 2009年第32卷第2期 SAPH系列钢不同厚度钢板力学以及工艺性能要求见表1。其厚度公差为：对于厚度小于5.0 mm的钢板，用户希望公差在±0.10 mm， 协议公差为±0.20 mm。表1 不同厚度钢板力学性能及工艺性能要求牌号Rm/MPaReL / MPaA /

6、 1800冷弯（弯心直径）L0=50 mm；b0=25 mmL0=200 mm；b0=40 mm 钢 板 厚 度 / mm6.06.0 8.08.014.01.62.02.02.52.53.153.154.04.06.36.35.05.0SAPH310310185 18517533343638402600.5aSAPH370370225 2252153233353637250.5a0.5a0.5aaa aSAPH400400255235 235313234353624SAPH4404403052952752930323334222 成分设计汽车车轮的轮辋、轮辐用钢是一种要求具有较好的冷加工成形

7、性，焊接性和疲劳性的优质低合金高强度钢板，对钢中夹杂物的要求比较严格。车轮的成型工艺要求在设计钢种成分时把碳含量控制在比较低的范围内，尽量降低钢中夹杂物，保证钢板具有良好的冷冲压成型性能和焊接性能。在成分设计基础上，通过对轧制工艺制度的合理控制，采用细化晶粒的办法进一步提高钢板的强度和疲劳性能，最终在保证钢板具有适当强度的同时，具有较高的延伸率。 国内各大钢厂和国外同类产品基本上都是对铝镇静钢进行脱硫，再添加微量的铌、钛等合金元素强化，从而提高钢的强度及疲劳等性能。考虑到成形性和可焊性，将碳含量控制在较低范围，根据强度级别调整锰含量，以脱硫处理为基础，必要时添加稀土或钙等硫化物形态控制元素。目

8、前，车轮用钢还没有国家标准，用户是按宝钢企业标准订货。按日本JIS G 31131990标准及宝钢企业标准Q/BQB2003和用户使用要求相关规定，攀钢SAPH系列钢的化学成分设计要求见表2。表2 化学成分设计要求 %标准牌号CSiMnPSAltTiQ/BQB2003SAPH3100.100.300.500.0350.0350.010Q/BQB2003SAPH3700.210.300.750.0350.0350.010Q/BQB2003SAPH4000.210.301.200.0300.0250.010Q/BQB2003SAPH4400.210.301.500.0300.0250.010攀钢S

9、APH3100.080.050.500.0300.0200.0150.065攀钢SAPH3700.100.050.750.0300.0200.0150.065攀钢SAPH4000.100.051.000.0300.0200.0150.065攀钢SAPH4400.120.061.300.0300.0200.0150.065定量加入3 工艺流程SAPH系列钢试制的生产工艺流程为：铁水预处理转炉冶炼（120 t ）合金化钢包吹氩等炉外精炼LF电加热（钙处理）板坯连铸板坯加热高压水除鳞热连轧控轧、控冷卷取质量检验和性能检验包装标志产品入库。4 试制结果4.1 化学成分控制对试制的试验钢进行了测试，结果

10、见表3。表3数据说明，试验钢的化学成分控制较好，碳含量控制较低，保证了成形性能和焊接性能，主要通过锰来保证强度。4.2 钢中气体及夹杂控制试验钢O、N气体含量见表4，夹杂总量控制情况见表5。从表4、5可见，试验钢气体和夹杂含量较低，表明钢质纯净。攀 钢 技 术 ·3·表3 SAPH系列钢板化学成分平均值 % 牌号CSiMnPSAlSTiAPH3100.0590.0190.300.0140.0110.045PH3700.0760.0230.530.0160.0100.049PH4400.0800.0601.170.0180.0070.0410.015表4 试验钢O、N含量 %

11、炉号ON炉号ON3072970.003 10.006 92060010.001 60.002 73072980.002 40.005 52060030.001 60.004 43072990.001 80.004 43076010.002 70.004 91072920.004 50.006 33076020.001 00.005 83076000.002 90.005 6平均值0.002 40.005 2表5 试验钢夹杂总量控制水平 % 总量SiO2Al2O3CaOMgOFe2O30.004 990.000 320.003 410.000 560.000 10.000 334.3 钢的金相组

12、织及夹杂物热轧后取样进行金相组织检验， SAPH系列钢板金相组织为铁素体珠光体，铁素体晶粒度10.512.0级，珠光体含量8%12%。铁素体晶粒尺寸较细小，珠光体片细化，该组织强韧性好，达到了通过细晶强化提高钢的强塑性的目的。SAPH系列钢典型金相组织见图1。文献2报道，稀土加入钢中能起到控制夹杂物形态，同时有脱氧、脱硫的作用。试验钢非金属夹杂物形态见图2，夹杂物评级见表6。50m50m50m（a）SAPH310 （b）SAPH370 （c）SAPH44050m(b)100m(d) 20m(c) 20m(a)图1试验钢代表性金相组织(a)A类夹杂；(b)B类夹杂；(c)稀土处理夹杂形态；(d)

13、钙处理夹杂形态图2 SAPH系列试验钢夹杂物形态·4· 2009年第32卷第2期 表6 非金属夹杂物评级结果 级牌 号ABCDSAPH3100.51.00.5SAPH3700.51.00.5SAPH4400.50.50.5检验结果表明，稀土改变了钢中夹杂物形态，生成的夹杂物呈球状或纺锤状稀土硫氧化物，长条状硫化锰夹杂得到了有效控制。4.4 力学性能控制试验钢力学性能控制情况的统计结果见表7。表7数据说明，通过化学成分及轧制工艺调整，试验钢板性能稳定，强塑性好，有利于汽车车轮复杂的成形要求。表7 SAPH系列试验钢力学性能范围 牌号ReL / MPaRm / MPaA50 /

14、 %A200 / %样本数180°冷弯（d=0.5a）SAPH31025036534544036522938600合格2953904333SAPH37029038538547035492735600合格3314224030SAPH44035043544051536462631600合格3954824127注：分子为波动值，分母为平均值。焊接试验分别在柳州和桂林的两个用户生产线上进行，分别采用电阻对焊和闪光对焊工艺。对焊后经扩口、三次滚压成型、扩张定径、漏气检查等工序。 车轮公司生产线上取样进行金相检验，焊缝及其附近的组织见图4和表8。焊缝区硬度为试样1/3厚度处的维氏硬度，焊缝中心线

15、附近硬度分布情况见图5。由图5可见：焊缝区硬度高于母材，说明焊后钢板未出现软化，轮辋在扩径变形加工时不会在焊接处产生缩颈开裂。钢板焊接后未产生淬硬组织，表明试验钢焊接性能满足车轮结构用钢焊接后复杂的成型工艺要求。4.5 轮辋钢焊接性能试验为考察轮辋钢SAPH310、SAPH370焊接性能，进行了焊接性能试验，轮辋焊接接头见图3。(a)SAPH310焊缝组织50m(b) SAPH310热影响区100m(c) SAPH310母材组织50m100m50m (d) SAPH370热影响区 50m (d) SAPH370母材组织 (d) SAPH370焊缝组织图3轮辋焊接接头图4 焊缝、热影响区及母材组

16、织攀 钢 技 术 ·5·表8 轮辋焊缝及其附近的组织牌号金 相 组 织晶 粒 度/ 级焊 缝热影响区母 材焊缝热影响区母材SAPH310F针、块状+ P少量F + PF细+ P少量71110.5SAPH370F针状+P+CemF极细小+ P细F细+ P813.011.0(b)SAPH37025015020005010016 12 8 0 至焊缝的距离 /mm 4 4 8 1612 硬度HV5(a)SAPH31018516517520519504128416至焊缝中心的距离 / mm81216硬度HV10图5 焊缝区垂直焊缝方向的硬度分布4.6 冲击试验为掌握稀土对试验钢冲击

17、韧性的影响，对SAPH440轮辐用钢进行未加稀土和加稀土对比试验。 稀土对SAPH440试验钢的夏氏冲击功影响见图6。由图6可看出，加入稀土后的SAPH440钢板横向冲击功明显高于未加稀土横向冲击功。稀土对横向冲击功影响较纵向大。加稀土后，横向冲击功得到明显改善，特别是脆性转变温度明显降低，脆性转变温度在80以下低温韧性得到明显提高。通过稀土对夹杂物变性处理，使试验钢具有高韧性和低脆性转变温度。(b)纵向Ak / J(a)横向 图6 SAPH440钢添加稀土对冲击韧性的影响4.7 试验钢延伸凸缘性延伸凸缘性能是评价车轮钢的重要特征之一，通常进行扩孔试验。用SAPH370和SAPH440牌号的试

18、验钢各取10个样进行扩孔试验，扩孔率达到186%，见表9。结果表明，攀钢生产的车轮钢具有优良的延伸凸缘性能，有利于车轮轮辐中心孔的翻边成形。稀土或钙处理能部分或全部消除长条状硫化锰，改变夹杂物形态，减小钢板各向异性，改善延伸凸缘性能。比较了不同稀土含量试验钢的延伸凸缘性能，结果见表10。对相同成分及工艺条件下，钙处理效果进行了对比，结果见表11。·6· 2009年第32卷第2期 表9 攀钢轮辐用试验钢扩孔率 牌号试 样 扩 孔 率 / %1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#平均值SAPH370212218194204200166160171185154186SAPH4

19、40153211145151196166159180196178174 表10 不同稀土含量的试验钢延伸凸缘性能炉 号化 学 成 分 / %扩孔率平均值 /%CSiMnPSAlSRe1344830.0900.0200.7500.0190.0090.0400.0051501270530.0900.0400.9600.0110.0090.0780.022175 表11 钙处理对试验钢性能的影响类别化 学 成 分 /%ReL/MPaRm/MPaA50/%CSiMnTiPSAls钙处理0.0900.0401.1100.0140.0160.0100.04037047541未处理0.0900.0301.0

20、700.0140.0140.0100.04036547034从表10、11可看出，稀土含量高的钢卷延伸凸缘性能较好，钙处理试验钢在保持高强度的同时，延伸率较高，综合性能较好，说明通过稀土或钙对夹杂物进行变性处理，对提高钢板延伸凸缘性能及强塑性匹配有很好的效果。4.8 冷弯性能在b35 mm，d2a、0.5a、0等不同弯曲条件下，大量取样检验180°冷弯，均未出现开裂现象，表明试验钢具有良好的冷成型性能。5 应用试制期间，攀钢生产SAPH系列车轮结构用钢合格板材和卷材10万余吨，经过桂林、柳州、十堰、随洲、长沙、成都、重庆、昆明等地的多家车轮厂使用，广泛应用于国内外多种车型，SAPH系

21、列钢制作多种车型的车轮见图7, 8，制作的主要零件型号及名称见表12。图7 国内汽车车轮图8 出口美国车轮攀 钢 技 术 ·7·表12 滚型车轮轮辋主要零件部分统计零件型号零件名称毛坯规格 /mm×mm×mm3101W3-01624×9.0GR 9.0×368×1775310160E-01622.5×11.75 7.0×365×16623101W4-01624×9.0GR 8.0×380×1775LZW633012×4.5B 3.0×928×165LZW635014×5.5JJ 3.0×1076×197用户使用后反映，攀钢SAPH系列热轧钢板性能稳定，特别是在轮辐制作过程中，不需要增加退火工序，扩孔翻边合格率100%。气密性试验及疲劳寿命试验合格率均为100%。使用表明，钢板具有良好的焊接性能和冷成型性能，并且钢带板型较好，表面质量优良。试验钢满足滚形车轮制造工艺的要求。SAPH系列钢种的成功开发，不仅解决了传统结构钢在冷冲压成型过程中由于延伸不足导致的开裂问题，而且还丰富了攀钢汽车结构用钢品种，使其向系列化、高强化方向发展，为我国汽车结构用钢升级换代起到了