微合金高强度汽车桥壳用钢板研制开发

2020-03-10罗兴壮

四川冶金 2020年6期

罗兴壮

(广西柳州钢铁集团有限公司，广西柳州 545002)

随着我国对节能环保要求的日益严格及国家能源发展战略的需要，汽车轻量化逐渐成为缓解能源压力、改善环境以及降低雾霾的重要手段[1]。汽车桥壳作为汽车重要结构件，其减重对于汽车轻量化具有重要意义。研究表明[2-3],钢板厚度减小0.05 mm、0.10 mm和0.15 mm时，车身分别减重6%、12%和18%，而车辆每减轻其总质量的10%时，燃油消耗量可降低6%～8%。可见增加钢板强度是减小板厚、减轻车重的主要途径。随着中、重型卡车车桥制造技术的发展和汽车节能减重需要，后驱动桥已大量使用10～16 mm厚度热轧钢板制作冲焊桥壳，替代制作工艺复杂、生产效率低、重量大、成本高的铸造桥壳[4-6]。本文结合柳钢2800 mm中厚板生产线工艺特点及高强度汽车桥壳钢的技术要求，通过合理成分和工艺设计，成功研制开发Nb-V-Ti复合微合金化高强度汽车冲压桥壳用钢。

1 成分设计

1.1 技术要求

中、重型卡车后驱动桥壳为汽车底盘最重要的承载部件，桥壳冲压成型需要承受巨大的弯曲和膨胀塑性变形，冲压成型后须经过焊接组合成桥，因此要求钢板具有较高的强度和刚度、良好的冲压成型及焊接性能。其力学和工艺性能要求见表1，同时为了保证焊接性能，碳当量CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.46。钢板晶粒度应为6级或更细，且晶粒度不均匀性应在3个连续不同级别数内；带状组织通常不大于2级，允许带状组织大于2级但不大于3级。

表1 汽车桥壳用钢板力学及工艺性能要求

1.2 成分设计

鉴于高强度冲压汽车桥壳钢力学及工艺性能要求，采用Nb-V-Ti复合微合金化成分设计。以C-Si-Mn固溶强化元素成分为基础，严格控制P、S、N元素含量，适当添加Nb、V、Ti复合微合金化元素，在钢坯加热过程中起到抑制原始奥氏体晶粒长大，轧制过程中抑制再结晶及再结晶晶粒长大，低温时起到沉淀强化的作用[7]。Nb在控制轧制时产生显著晶粒细化和中等沉淀强化效果；Ti具有强烈的沉淀强化，而晶粒细化效果不明显；V具有中等沉淀强化和细晶强化作用。因此，根据汽车桥壳用钢板对强度和塑韧性的要求，选择适量的Nb-V-Ti复合微合金化，可在保证钢板强度的前提下，维持良好的塑韧性和焊接性能。

表2 汽车桥壳用钢板化学成分(质量分数，%)

2 制造工艺

2.1 工艺流程

铁水预处理→转炉冶炼→炉后吹氩→LF精炼→RH精炼→板坯连铸→堆冷→板坯加热→除鳞→粗轧→精轧→矫直→钢板检查→标记入库。

2.2 冶炼控制

汽车桥壳钢用于冲焊中、重型卡车后驱桥壳，作为汽车底盘最重要的承载部件，因此对钢水的纯净度要求较高，必须严格控制钢中P、S含量，控制入炉铁水W(S)≤0.005%，转炉吹炼过程采用全程底吹氩模式，吹炼后期加大底吹氩气流量，加强熔池搅拌，出钢前进行竖炉搅拌，降低出钢氧含量，采用双挡渣出钢，出钢过程底吹吹氩，出钢时间≥200 s，控制下渣量；LF精炼造还原渣，白渣保持时间≥10 min，提高脱硫效果；RH精炼进行钙处理，球化夹杂物，提高钢水可浇性。真空总循环时间15～20 min，钙处理后软吹氩时间≥8 min，钢水镇静时间≥18 min，促进钢中夹杂物充分上浮去除，提高钢水纯净度及均匀钢水温度；连铸中间包钢水过热度≤25 ℃，全程氩封保护浇注，减少钢水二次氧化，使用抗表面纵裂保护渣，正常拉速控制在1.00～1.40 m/min[8]。

2.3 轧制工艺

钢中加入Nb、V、Ti复合微合金元素，主要是利用微合金元素在钢坯加热高温下固溶于原始奥氏体中，抑制奥氏体再结晶及再结晶晶粒长大，低温变形时析出发生沉淀强化和细晶强化，提高钢材强度。根据微合金作用特点，轧制时制定合理的加热、轧制工艺，充分发挥Nb、V、Ti元素沉淀强化和细晶强化作用。

2.3.1 加热制度

为使Nb、V、Ti等微量合金元素充分固溶，同时防止奥氏体晶粒过分长大，均热目标温度1240 ℃，加热时间≥230 min，均热时间>37 min。

2.3.2 控制轧制

轧制分粗轧和精轧两个阶段，根据文献[9]得出的再结晶终止温度Tnr=887+464C+6445Nb-644Nb1/2+732V-230V1/2+890Ti+363Al-357Si

(1)

将汽车桥壳钢冶炼化学成分代入式(1)，得出再结晶终止温度约为1053 ℃。为确保粗轧完全在奥氏体再结晶区轧制，粗轧温度控制在1080～1170 ℃。根据经验公式Ar3=910-230C-21Mn-15Ni+32Mo+45Si+13W+104V，可得奥氏体向铁素体转变温度约为872 ℃，因此，精轧变形道次温度控制在870～1000 ℃之间，尽量避开部分再结晶区轧制，获得均匀的等轴晶粒。同时由于Nb含量较高，为了防止混晶，精轧第一道次、第二道次压下率分别要求≥15%、≥12%，增大道次变形量，使轧制变形渗透到钢板芯部，使厚度方向各点均达到再结晶临界变形量，细化奥氏体晶粒[9]。典型规格精轧道次压下率如表3所示。

表3 典型规格精轧道次压下情况

3 试制结果与分析

3.1 力学性能

钢板力学性能检验结果见表4，性能完全满足技术指标要求。同一块钢板头部屈服强度和抗拉强度比中部高，相反，断后伸长率中部比头部高。钢板屈服强度和抗拉强度余量较大，断后伸长率最低21.5%，余量较小，可适当提高终轧温度，增加晶粒尺寸，降低屈服、抗拉强度，从而提高断后伸长率，提高钢板塑韧性。

表4 汽车桥壳钢钢板力学性能

3.2 冲击韧性及宽冷弯性能

汽车冲焊桥壳作为汽车底盘最重要的承载部件，冲压成型需要承受巨大的弯曲和膨胀塑性变形，以及后续服役工况复杂，需要良好的冲击韧性及冷弯性能。试制钢板低温冲击韧性和1a宽冷弯结果见图1、图2。从20 ℃至-60 ℃，V型冲击功逐渐降低，-60 ℃冲击值大于200 J，低温冲击韧性较好，低温脆性转变温度低。对试制钢板进行1a宽冷弯试验，所有试样表面完好，均未出现裂纹，试样塑性较好。