汽車車輪鋼圈用熱軋鋼及其生產(chǎn)工藝

董存 孫小明

摘要：國(guó)內(nèi)的載重汽車、中型客車的車輪一般都會(huì)采用低強(qiáng)度級(jí)別鋼板。這種鋼板生產(chǎn)的車輪具有厚度大、質(zhì)量高的特點(diǎn)。提高運(yùn)載效率、節(jié)約能源就要減輕車輛自重，因此使用更高強(qiáng)度級(jí)別的鋼板制作車輪的實(shí)用性更強(qiáng)。但鋼板的沖壓成形與強(qiáng)度成反比。作為汽車車輪鋼首要性能，優(yōu)良的成形性是必不可少的。在現(xiàn)有工業(yè)條件下，降低汽車車輪鋼成本、提高其性能是當(dāng)前的主要課題。本文從描述車輪的制造入手，并進(jìn)一步詳細(xì)闡述一種新型的汽車車輪鋼圈用熱軋鋼的生產(chǎn)工藝，以期望對(duì)同行業(yè)生產(chǎn)工藝提升有所幫助。

關(guān)鍵詞：車輪;鋼圈用;熱軋鋼;生產(chǎn)工藝

中圖分類號(hào)：U463.341+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0042-02

0? 引言

高強(qiáng)度化鋼材是汽車制造業(yè)選料的發(fā)展趨勢(shì)。為達(dá)到減輕車輛自重、節(jié)約能源，提升運(yùn)載效率的目的，對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)、多選取高強(qiáng)度材料都是可采取的措施。

車輪選取高強(qiáng)度鋼制造可以取得更為顯著的效果。有研究表明如果將高強(qiáng)度材料應(yīng)用在汽車車輪之類的旋轉(zhuǎn)件，那么它的減重、節(jié)能效果明顯高于非旋轉(zhuǎn)件，前者是后者的1.2-1.3倍。況且車輪作為單個(gè)部件，非常易于進(jìn)行試驗(yàn)與評(píng)價(jià)。所以，在汽車車輪中選擇高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用試驗(yàn)十分普遍。

高強(qiáng)度鋼種類繁多，其中熱軋鋼的應(yīng)用最為實(shí)用，減重效果顯著，因此，越來(lái)越多的企業(yè)選擇使用熱軋高強(qiáng)度鋼應(yīng)用于車輪的制造上。[1]

1? 汽車車輪的制造

1.1 汽車車輪用鋼的選材特點(diǎn)

作為汽車行駛的最基本的、最重要的部件，車輪的地位十分突出。其生產(chǎn)工序很多，要求也很嚴(yán)格，屬于技術(shù)難度最強(qiáng)的部位之一。

車輪的制造包括輪輞成形、輪輻成形、組裝加工、噴漆等，經(jīng)檢驗(yàn)合格才能得到車輪產(chǎn)品。制造車輪的鋼材不能選擇普通鋼材，要精挑細(xì)選。其不但要有優(yōu)良的可塑性、柔韌性、高強(qiáng)度等，還要具有焊接性、沖壓成形性、耐腐蝕性、抗疲勞破壞性等一系列特點(diǎn)。

鋼材強(qiáng)度提高，其可塑性會(huì)降低，成形性變差，疲勞缺口敏感性增加，也會(huì)進(jìn)一步影響焊接工序。因此高強(qiáng)度鋼應(yīng)用于車輪制造所帶來(lái)的挑戰(zhàn)更大。

1.2 汽車車輪用鋼的選材原理

經(jīng)過(guò)沖壓成形，可得到輪輻。因此，輪輻用鋼的特點(diǎn)是良好的拉伸成形性、深沖性、剪切邊拉伸性等。

閃光焊接后再次滾壓成形，可得到輪輞。因此，輪輞永剛的特點(diǎn)是具有良好的成形性。

評(píng)價(jià)閃光焊接性能最優(yōu)選擇是進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)。良好的側(cè)彎延伸率是輪輞用鋼應(yīng)該具備的特點(diǎn)。隨著抗拉強(qiáng)度的增加，側(cè)彎延伸率會(huì)下降。鋼中硫的含量與側(cè)彎延伸率呈反比關(guān)系，因此，為保持較高的側(cè)彎延伸率，可降低車輪鋼中硫的含量。

在彎曲試驗(yàn)中，檢驗(yàn)焊接接頭彎曲成形性，發(fā)現(xiàn)車輪鋼中Si、Mn的含量會(huì)影響到焊接線上是否出現(xiàn)頂頭裂紋。當(dāng)Si（硅）、Mn（錳）含量比處于某范圍時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生頂頭裂紋。

有研究表明，氧化物熔點(diǎn)低于鋼則對(duì)減少裂紋有利。在母材中，夾雜物會(huì)導(dǎo)致形成鉤形裂紋，這也與硫含量有關(guān)。當(dāng)硫的含量降低到0.005%之下，鉤形裂紋大大減少。

2? 汽車車輪鋼圈用熱軋鋼的性能要求

2.1 汽車車輪鋼圈用鋼必備條件

車輪制造工藝過(guò)程復(fù)雜，車輪在車輛使用過(guò)程中起重要作用，因此車輪鋼圈用鋼的技術(shù)要求極為嚴(yán)苛。良好的韌性、良好的強(qiáng)度要互相匹配。除此之外，良好的冷成形性、延伸凸緣性、焊接性，較高的抗疲勞強(qiáng)度都是車輪鋼圈用鋼所應(yīng)具備的條件。而且，性能優(yōu)良之外，汽車制造商們關(guān)注的另一個(gè)點(diǎn)是降低生產(chǎn)成本，以便于獲取更多的利潤(rùn)。[2]

2.2 試驗(yàn)用鋼中所添加元素的作用

試驗(yàn)用鋼的基本成分是Q235。在試驗(yàn)過(guò)程中，為保障鋼的韌性、塑性較高，沖壓性能、焊接性能良好，會(huì)在一定比例內(nèi)降低碳的含量。由于碳的降低會(huì)對(duì)強(qiáng)度造成減弱影響，所以又提高了鋼中錳元素的含量，同時(shí)又將Nb（鈮）、Ti（鈦）微合金元素添加其中。試驗(yàn)鋼利用細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等來(lái)完成鋼板力學(xué)性能的提高。

Mn（錳）的作用：該元素可抑制奧氏體再結(jié)晶。因此該元素含量的提升可以將未再結(jié)晶控制軋制細(xì)化晶粒。該元素還有另外作用，那就是固溶強(qiáng)化以及可改善韌性、塑性。

欽的作用：作為一種微合金元素，將其加入低碳合金鋼中，作用是固定氮、脫氧、強(qiáng)化析出、細(xì)化晶粒等。鋼的力學(xué)性能的提升得益于碳化欽顆粒的析出、鐵素體晶粒的細(xì)化。而且，如此一來(lái)，鋼的強(qiáng)度變高，塑性、韌性變得更好，焊接性能變好，也易于加工成形。

Nb（鈮）的作用：當(dāng)鋼中該元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.015%時(shí)，可以起到抑制奧氏體靜態(tài)再結(jié)晶、細(xì)化奧氏體晶粒的作用。因?yàn)樗哂泄倘芡献ё饔谩Ｋ栽谠囼?yàn)過(guò)程中，有一定比例的Nb（鈮）、Ti（鈦）添加到鋼中。

Si（硅）和S（硫）的作用：這二者會(huì)降低鋼的可塑性、降低其沖擊韌性，還會(huì)對(duì)鋼的焊接性、成形性、抗疲勞性產(chǎn)生負(fù)向影響，因此，這二者盡量減少放入量。

Al（鋁）的作用：作為一種鋼中的脫氧元素，它非常有效。其作用為細(xì)化晶粒、凈化鋼液。

由于冷彎成形技術(shù)要求，在冶煉方案中，于爐外精煉過(guò)程中進(jìn)行額外的對(duì)C（碳）、 Als（酸溶鋁）的含量控制。喂Si（硅）-Ca（鈣）線處理的措施應(yīng)用于在精煉的過(guò)程中，最終可以降低成品成形性能中非金屬夾雜物的不良影響。

3? 汽車車輪鋼圈用熱軋鋼的工業(yè)生產(chǎn)

3.1 冶煉和連鑄

試驗(yàn)用鋼采用120T轉(zhuǎn)爐煉制。高爐鐵水需要經(jīng)過(guò)預(yù)處理，以達(dá)到S（硫）含量小于0.015%。之后，通過(guò)轉(zhuǎn)爐的自動(dòng)控制系統(tǒng)、擋渣出鋼系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的煉制。

脫氧處理使用鋁錳鐵方式進(jìn)行，合金化使用中碳錳鐵方式。再投入Ti（鈦）-Fe（鐵）合金，按每噸1千克投放，投入Fe（鐵）-Nb（鈮）合金，按每爐50千克投放。

使用LF鋼包精煉爐進(jìn)行下一步的脫碳、脫氣、脫氧、去雜質(zhì)等工作，并且要達(dá)到調(diào)整鋼水的溫度、成分的目的，且累計(jì)吹氬時(shí)間要超過(guò)6分鐘。

從連鑄大包到中間包，保護(hù)澆注使用長(zhǎng)水口和氬氣密封方式。從中間包到結(jié)晶器，保護(hù)澆注使用浸入式水口和保護(hù)渣方式。

在中間包，使用的是液面自動(dòng)控制程序，其溫度可控區(qū)間為1530～1540攝氏度，連鑄拉速要小于每分鐘15米。

3.2 軋制

晶粒細(xì)化是為大眾所熟知的一種可改善鋼的性能的工藝。它既可以將鋼的韌性改善，又能提升鋼的強(qiáng)度。那么提高汽車車輪鋼圈用熱軋鋼的韌性，最有效措施即為利用組織細(xì)化方法。不過(guò)，也有研究表明，過(guò)分的細(xì)化晶粒反而會(huì)起到壞作用。那就是它會(huì)將鋼的屈服強(qiáng)度提高，但是抗拉強(qiáng)度卻提升不到同等比例，最終結(jié)果是鋼的屈強(qiáng)比太高，反而使得鋼材的成形性不如之前。

車輪鋼圈用熱軋鋼的另一個(gè)重要性能指標(biāo)是耐疲勞性能。鋼的成分高潔凈情況下，提高鋼板的抗拉強(qiáng)度可提升改善疲勞性能。

對(duì)上述因素加以綜合考量，最終選取的試軋方式為使用適度的晶粒細(xì)化、固溶強(qiáng)化互相結(jié)合的工藝進(jìn)行高性能、低成本的汽車車輪鋼圈用熱軋鋼的開(kāi)發(fā)研究。

工業(yè)試軋主要參數(shù)是：1220攝氏度為板坯加熱溫度;980～1100攝氏度為粗軋開(kāi)軋溫度;（850±15）攝氏度為終軋溫度，（620±15）攝氏度為卷曲溫度。4毫米、6毫米*1200毫米為成品板卷尺寸。

無(wú)論是在加熱過(guò)程，還是在軋制過(guò)程，都要重視在線檢查工作，加強(qiáng)檢查力度，將鋼板的尺寸公差、表面質(zhì)量牢牢控制住，以全力保證汽車車輪的氣密性，保證不發(fā)生漏氣事件，全力保障車輪在行駛過(guò)程中平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，不發(fā)生旋轉(zhuǎn)失衡或旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。

想要得到最佳的綜合性能，要將熱軋態(tài)鐵素體晶粒最大程度細(xì)化，并通過(guò)適宜的終軋和卷取溫度，適當(dāng)采用前段冷卻等相應(yīng)的技術(shù)舉措，最終獲得較為優(yōu)良的NbC（碳化鈮）、TiC（碳化鈦）析出效果。

4? 汽車車輪鋼圈用熱軋鋼的最終試驗(yàn)結(jié)果

4.1 熱軋鋼的金相組織

對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行取樣，分析其中的夾雜以及金相組織。檢驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)鋼中有硫化物夾雜，且較為嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)夾雜物評(píng)級(jí)，其結(jié)果表明經(jīng)過(guò)了LF精煉處理，其鋼質(zhì)變得純凈，鋼內(nèi)含夾雜物變少，如圖1所示。這些都有利于提升鋼板的疲勞性能、提高其延伸凸緣性。

4.2 熱軋鋼的焊接性能

汽車車輪鋼的良好焊接性能是保證汽車安全行駛的重要因素，而本試驗(yàn)開(kāi)發(fā)的細(xì)晶粒車輪鋼在焊接時(shí)又極易使熱影響區(qū)組織粗化，因而研究該鋼的焊接性能具有十分重要的意義。

汽車車輪鋼圈用熱軋鋼必須具備良好的焊接性能，因?yàn)樗杀Ｕ掀嚨陌踩旭?，是最為重要的因素。進(jìn)行閃光對(duì)焊試驗(yàn)后，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度并沒(méi)有改變，只是伸長(zhǎng)率變得比之前下降一些，且位置處于母材處斷裂，熱影響區(qū)斷裂現(xiàn)象并不存在。且焊縫的橫截面硬度分布呈良好態(tài)勢(shì)，熱影響區(qū)域并沒(méi)有出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。這些都表明了試驗(yàn)鋼具有良好的焊接性能，熱影響區(qū)的強(qiáng)度能得到保障。

4.3 熱軋鋼的常規(guī)性能

在4毫米、6毫米厚的鋼板上，分別取樣。從垂直于軋制方向、平行于軋制方向分別取樣進(jìn)行有關(guān)力學(xué)的性能檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所得出的鋼不論是從橫向，還是從縱向，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度都相差無(wú)幾，伸長(zhǎng)率是縱向比橫向略高，這些都說(shuō)明試驗(yàn)鋼縱橫方向的性能相差不大。試驗(yàn)鋼板的抗拉強(qiáng)度在490MPa以上，屈服強(qiáng)度在400MPa以上，這些都比常用的汽車車輪鋼要高，強(qiáng)度大概可提升80 MPa。而且，試驗(yàn)鋼的冷完性能很好，延伸性能突出。因此，可得出結(jié)果，試驗(yàn)鋼的綜合力學(xué)性能優(yōu)良，試驗(yàn)成功。

5? 結(jié)束語(yǔ)

時(shí)代一直在不斷發(fā)展，人民生活水平在不斷提高，對(duì)汽車的要求也越來(lái)越高。作為汽車的主要部件，車輪的生產(chǎn)與安全變得尤為重要。汽車技術(shù)的發(fā)展對(duì)于車輪鋼圈用熱軋鋼性能要求也逐步提高。為降低車輪自重，提高運(yùn)載效率，在不增加成本的情況下，高強(qiáng)度、低成本的鋼材越來(lái)越受到青睞。在將來(lái)的市場(chǎng)上，具有良好塑性、低溫韌性與焊接性能的鋼材必將大放異彩。[3]

參考文獻(xiàn)：

[1]祖榮祥.熱軋高強(qiáng)度鋼的研究及在汽車車輪上的應(yīng)用[J]. 汽車工藝與材料，1994（12）：23-27.

[2]吳菊環(huán).高強(qiáng)度汽車車輪用P490CL熱軋鋼板研制[A].中國(guó)金屬學(xué)會(huì).第七屆（2009）中國(guó)鋼鐵年會(huì)大會(huì)論文集（中）[C].中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，2009：7.

[3]侯續(xù)廷.基于熱軋1700產(chǎn)線的高強(qiáng)度車輪鋼420CL的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)[J].黑龍江科技信息，2015（22）：24.