超轻型汽车车轮钢的研制与开发

1、超轻型汽车车轮钢SW400的研制与开发吴 刚（本钢技术中心，本溪 117000）摘 要 轻量化、安全化、高性能化是汽车工业中先进高强钢应用量稳定增加的驱动力。介绍了在普通C、Mn钢基础上，通过两轮工业试生产实验，研究了利用变形诱导铁素体相变（DIFT）理论获得超细晶粒铁素体组织，晶粒尺寸为35m。得出了：超细晶钢SW400在车轮上应用效果良好，据用户反应，本钢研制的超轻型汽车车轮钢SW400钢板的内在质量良好，成分均匀，强度高，韧性好，成形性能优良，焊接性能好，疲劳寿命高，在车轮总成重量减重达21%的条件下，各项性能指标满足制作高档汽车轮辐和轮辋的技术要求，其实物质量居国际先进水平，产品全部用

2、于出口。关键词 轻量化 超细晶粒 车轮钢Research and Development of Ultra-light AutomotiveWheel Steel SW400Wu Gang(Technical Center of Benxi Iron & Steel Co., Ltd., Benxi, 117000)Abstract Lightweight, security and high performance are the driving force for advanced high strength steel in automotive industry. Introd

3、uced at the basic of plain C-Mn steel, after twice industrial tests , the study result shows that ultrafined ferrite can be achiebed by using the theory of deformation induced ferrite transformation, and the grain size is 35m. Obtained ultrafined grain steel SW400 has been developed and used on the

4、wheel. The feedback from user is that advanced high strength steel SW400 produced by Benxi Steel has uniform composition, high strength, high toughness, good formability, good welding performance and high fatigue life. The weight of wheel assemibly is reduced 21% on the condition that all the proper

5、ties satisfy technical specifications of upscale automotive wheel rim and spoke, and the quality reaches the international advanced level. All the products are exported.Key words lightweight, ultrafined grain, wheel steel近年来，世界汽车工业面临着能源、环境和安全三大越来越严峻的问题。减轻汽车自重、降低能耗、噪声、减少废气排放，成为各大汽车生产厂家提高竞争力的关键。因此汽车制造

6、厂需要生产重量更轻的汽车1。在汽车轻量化的潮流中，铝、镁和塑料等材料的使用比率正在逐渐增加。然而，以高强钢材料为代表的钢材，因其所具有的优异特性、经济性、可再循环利用等特点，仍然是汽车用钢的主要材料，据粗略统计，生产一辆汽车的原材料中，钢材所占的比例约为72%88%。根据美国客商和汽车厂的要求，本钢在现有工业生产条件下，通过钢质纯净化、低温轧制、快速冷却、低温卷取工艺，充分实现了晶粒细化，从而提高了钢带的强度和韧性。采用SW400车轮钢，轮辐厚度从13.5mm减为11.5mm（后期进一步减薄到11.0mm），厚度减薄14.8%，吴刚（1968），男，高级工程师，wg04140414，电话：04

7、14-7827241。第八届（2011）中国钢铁年会论文集车轮总成重量从47.5kg减为37.5kg，重量降低21%，实现了车轮的轻量化、降低生产成本、减少资源浪费。1 技术指标的确定1.1 化学成分SW400的化学成分执行BX552011标准的规定，见表1。表1 SW400的化学成分Als 0.210.301.300.0200.0150.015注：根据需要可以添加Nb、V、Ti等微合金元素。1.2 性能要求力学及工艺性能见表2。表2 SW400钢力学性能钢板厚度牌 号/mm 2.5-10.0SW40010.0-14.0注：冲击功为3个试样的平均值。40049020Rel/MPaRm/MPaA

8、% 23d1.0a41下屈服强度抗拉强度伸长率180°冷弯试验 d-弯心直径常温冲击功 AKV横向/J 2 工业试生产实验2.1 实验材料及方法工业试生产实验在本钢150t转炉冶炼，经步进式加热炉加热，经1700mm热连轧轧成成品卷。实验采用两种工艺，工艺1：炼钢采用高碳、低锰、低Nb、Ti的成分设计，钢坯加热温度为1200，终轧温度设定为760，卷取温度设定为500；工艺2：炼钢采取降低碳、提高锰、提高Nb的成分设计，钢坯加热温度为1250，终轧温度设定为800，卷取温度设定为550，实际冶炼的化学成分，见表3。表3 两种工艺实际冶炼的化学成分（质量分数） （%）工艺1 工艺2炉号

9、 10133 37561Ti 0.15 0.130.16 0.160.37 0.950.014 0.0090.017 0.0060.03 0.030.0075 0.0150.004两种工艺采用的轧制温度和轧制工艺参数见表4、表5。表4 两种工艺的温度控制工艺1 工艺2R1开轧温度/出R3温度 /进F1温度 /出F7温度 /卷取温度 /880530565535超轻型汽车车轮钢SW400的研制与开发表5 两种工艺精轧工艺参数机架序号 入口厚度 /mm 出口厚度 /mm 轧制力 /kN 轧制速度 /m·s-1工艺1 工艺2 工艺1 工艺2 工艺1 工艺2 工艺1 工艺26.6492 624

10、4 2.2 实验结果与组织分析2.2.1 拉伸实验分析表6和表7可见：工艺1板卷屈服强度在390460MPa，抗拉强度在460533MPa，从屈服强度上来看，部分达到400MPa级，伸长率为18%26%，塑性较差。工艺2板卷屈服强度430480MP，抗拉强度在530580MPa，伸长率为25%31%，塑性较好。2.2.2 金相组织检验和透射电镜分析工艺1钢板的金相组织和透射电镜分析见图3、图4，分析图3可见：金相组织为：铁素体+珠光体组织，晶粒直径为38m，有轻微的带状组织，由于终轧温度较低，在精轧后几道次已进入两相区轧制，因此钢板表面铁素体有明显的变形特征，亚晶强化将会起一定作用，这是造成塑

11、性不高的原因之一。表6 工艺1的力学性能检验结果炉号规格部位 头37561 11.0×1200mm中 尾 头37561 4.5×1200mm中 尾方向 横 纵 横 纵 横 纵 横 纵 横 纵 横 纵冲击功Akv /J149 148 158 174 178 166 150 166 176 160470 465 455 450565 570 560 55026 27 25 28160 166 172 164 表7 工艺2的力学性能检验结果炉号规格位置 头101336.0×1200mm方向 纵 横 纵 横 纵 横 纵 横 纵 横 纵 横Rel /MPaRm /MPaA/

12、%Akv /J（室温）52 23.3 57.7 20.66 20.33 21 54.33 23 22 21 24 24.33中尾头10133 8.0×1200mm中尾第八届（2011）中国钢铁年会论文集图1 工艺1钢板的金相组织（F+P）a纵向longitudinal; b横向transversal图2 工艺1钢板的不同部位透射电镜形貌（SEM照片）a，b头部；c，d尾部分析图2可见，工艺1钢板的铁素体呈等轴状，头部有轻微的带状组织，晶粒内部位错密度较小，图2(c)铁素体内部有极少量的析出物，由于析出量很少，且非常细小，所以难以定性。珠光体片间距很小，且有离异珠光体存在（见图2b）。

13、工艺2钢板的金相组织见图3，分析图3可见，两种厚度钢板的组织均为铁素体+珠光体+少量贝氏体，铁素体均呈等轴状，晶粒直径为46µm，晶粒组织较细，有轻微带状组织产生，珠光体体积含量分别为14.89%、16.53%。图3a的硫化物夹杂为0.5级，其它类夹杂物为0级，图3b卷板的硫化物夹杂为1.0级，Al2O3类夹杂为0.5级，其他类夹杂物为0级，说明经过LF精炼处理后，钢质较纯净，钢中的夹杂物含量较少，对提高疲劳性能有利。超轻型汽车车轮钢SW400的研制与开发图3 工艺2钢板的金相组织(F+P+B)a11.0mm×1200mm；b4.5mm×1200mm综合比较了两种

14、不同工艺的化学成分、轧制工艺、拉伸试验、冷弯试验等结果，认为采用工艺2生产SW400的化学成分、轧制工艺是可行的，并在实际生产中获得认证。3 存在的问题及解决的方法3.1 钢板沿厚度方向晶粒尺寸均匀性问题对于细晶钢而言，沿厚度方向晶粒大小不均是困扰科技工作者的难题之一。在实际生产过程中，首先我们严格地执行了按炉送钢制度，减少加热炉的空气过剩系数，从1.051.10调整为0.951.0，强化下加热，尽量减小上下表面温差，确保烧均、烧透；其次，在轧制SW400时，出F7后立即水冷，提高钢板的冷却速率，确保了晶粒尺寸均匀，经用户反馈，使用良好。3.2 钢板表面质量控制SW400试产初期，用户在旋压成

15、形过程中，在钢板的上表面出现翘皮缺陷，影响了用户的正常使用和车轮的服役寿命。为此，我们首先重新调整连铸的各项工艺参数，选用了合适的保护渣，适当地减小二冷强度（中冷变为弱冷），避免了应力集中和塑性低谷区的出现；其次，连铸坯采用下线清理，冷坯送入加入炉进行轧制的工艺，并且，在层流冷却的末端安装了表面质量监控系统，从根本上杜绝了上述现象的发生。生产实践表明：经过清理后的连铸坯轧成板卷，没有出现翘皮缺陷，SW400的表面质量良好。4 创新点变形诱导铁素体相变理论应用到SW400的生产中，使轧后获得了细化的显微组织，其强度和延韧性大幅度提高，各项性能满足制造汽车车轮的要求。变形诱导铁素体相变中晶核生长和

16、晶粒粗化过程因变形时间短而受到抑制。在实际的变形诱导铁素体相变轧制中，应变速率会更高。我们知道，晶核的生长及晶粒的粗化过程依赖于时间，如式（1）和式（2）所示：s=a .t0.5 (晶核的生长) （1）dtn don = k0t (晶粒的粗化) （2）式（1）中，S为晶核的厚度；a为抛物线速度常数；t为时间。式（2）中，d0为初始晶粒尺寸；dt为 t时刻晶粒尺寸；n、ko 为常数。上述两个过程因转变时间短而受到很大的抑制，这也是变形诱导铁素体相变能够获得超细晶的重要原因。而变形奥氏体的连续冷却相变需要较长的时间，控制冷却在一定程度上可以缩短相变时间，加上提高相变过冷度的因素，对于细化晶粒是有效

17、的。但冷速不能很高，否则会得到贝氏体或马氏体组织。总之，变形奥氏体的连续冷却相变是在一个相对较长的时间范围内进行的，晶核的生长及晶粒的粗化都比较充分，因而很难获得超细晶。第八届（2011）中国钢铁年会论文集本钢研制的SW400车轮钢生产工艺是在传统TMCP生产工艺基础上，结合形变诱导铁素体相变细化晶粒的新理论制定的， SW400车轮钢在保证连铸坯原始奥氏体晶粒细化的同时，在粗轧区高温再结晶快速轧制，保证中间坯在充分反复再结晶的过程中细化晶粒，精轧区充分保证精轧终轧温度在相变点以上3050，在未再结晶区累积一定的形变量，终轧温度比常规的控制轧制低50100，以保证大量变形诱导相变，以细化晶粒，特

18、别是精轧的最后两架轧机变形量影响更为明显，带钢轧后采取快速冷却低温卷取工艺，把超细晶粒固定下来。本钢SW400车轮钢根据上述原理，结合1700mm机组轧机能力，通过两轮实验，在钢板厚度从13.5mm减为11.5mm（进一步减为11.0mm）、车轮总成减重达到21%的情况下，已经实现了生产铁素体晶粒尺寸在46m的SW400钢板的能力。本钢1700热轧机组生产的SW400典型金相组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体组织，由此表明经过优化后的工艺不仅起到了细晶强化的作用还有一定程度相变强化的作用。5 结论结论如下：（1）工艺1采用高C、低Mn、低铌、钛的化学成分设计，在轧制工艺上采取低终轧温度、低卷取温度来保证强度，这样得到的组织不理想，塑性和冷弯性能均受到影响；工艺2采用C在0.10%0.15%，锰在0.90%1.10%之间，配合合理的控轧控冷工艺，获得了稳定良好的综合力学性能，添加微合金元素Nb细化