重载汽车用轮辐板带BG420CL生产技术研究

摘要

随着重载汽车向着大吨位方向发展，车轮需承受更高的疲劳应力、冲击载荷以及高温蠕变。重载汽车车轮传统上采用SS400、Q235B等钢种和中厚板制造车轮，因抵抗交变应力能力差，台架弯曲疲劳寿命低，达不到使用寿命就发生破碎，迫切地需要进行材料的升级换代。采用汽车车轮专用钢是延长汽车车轮使用寿命的最有效措施。1995年以来，本溪钢铁（集团）有限公司进行了大规模的技术改造，技术装备达到了当今国内一流水平，为开发汽车车轮用板带BG420CL提供了良好的条件。为使本钢成为国内车轮专用钢的主要供货企业，本钢非常重视开展车轮专用钢的研究。本文的研究工作就是依托本钢这一项目开展的，创新点和主要研究内容如下：
　　 (1)根据不同元素对产品组织性能的影响规律和本钢具体的生产条件，提出在C-Mn基础上，添加Nb的微合金化的技术路线，对BG420CL钢种进行创新的化学成分设计。采用铌微合金化的生产工艺，在炼钢厂用150吨BOF转炉冶炼四炉不同铌含量的试验钢，连轧采用同一轧制制度。通过对汽车轮辐用钢的铌微合金化试验和生产实践，对铌微合金化工艺进行分析；研究铌对汽车车轮用钢板综合性能的影响，并在此基础上提出铌的最佳加入量。试验表明，采用铌铁合金配铌，脱氧合金化在出钢五分之一时开始，出钢至五分之四时全部结束，不足部分在LF钢包精炼过程中加入，对钢液进行合金微调的铌微合金化工艺是合理的；在一定的工艺条件下，随着铌含量从0.005％到0.02％的增加，钢板的强度和塑性升高。但是当钢中铌含量达到0.02％时，钢板在冲压成型过程中，发生胀模现象，造成操作困难。在满足用户需要的前提下，综合考虑成本和车轮台架弯曲疲劳寿命两方面的因素，将钢中的最佳铌含量确定在0.005％～0.015％之间。大生产结果表明，设计的成分满足产品性能和设备顺行的要求。
　　 (2)首次采用加入微合金元素铌，结晶器喂稀土丝工艺生产BG420CL车轮钢具有创新性。通过稀土添加试验研究稀土添加工艺及其对汽车车轮用钢板力学性能和夹杂物形态的影响。试验共进行一个浇次6炉，稀土按RE/S=0、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0比例加入。通过化学分析、金相观察和理论分析，研究稀土在BG420CL车轮钢中的分布，以及它对钢中夹杂物的作用、对车轮台架弯曲疲劳寿命的影响，并在此基础上提出BG420CL车轮钢的最佳稀土加入量。结果表明，采用浇铸时结晶器喂稀土丝工艺是合理的，稀土丝插入位置是恰当的。稀土沿钢板的分布较为均匀，回收率≥85％。钢中添加稀土，提高了钢材的组织与性能的均匀性，可以有效改变夹杂物的形状和尺寸，起到变性处理效果。按RE/S=2.0加入量控制时，夹杂物的球化率最高，球化效果最好；夹杂物的热膨胀系数、弹性模量和钢基体接近，车轮台架弯曲疲劳寿命提高效果最佳。采用结晶器喂稀土丝工艺，对氧化物和硫化物夹杂进行变性及球化处理，提高了钢材的综合性能，尤其是显著提高钢的冲击韧性。
　　 (3)通过试验研究了轧制工艺参数，如加热温度、终轧温度、冷却制度、卷取温度等对BG420CL钢力学性能和使用性能的影响规律。研究表明，降低板坯的加热温度是细化奥氏体晶粒最有效的方法之一。将车轮用钢的加热温度确定为1230～1250℃，防止晶粒过分长大。在加热时严格控制炉内的气氛（弱氧化性气氛），采用高温快速加热，避免板坯及热轧卷板表面裂纹的出现；粗轧各单道次压下率大于该温度区域的临界变形程度，避免晶粒粗大，产生魏氏组织；为保证精轧机组有足够的变形量，中间坯厚度为38-40mm，采用本钢热轧厂中间坯厚度上限值；粗轧开轧温度为1150℃。通过1700mm热连轧机组进行不同终轧温度（分别为830、850、870、890℃）和卷取温度(分别为620、640、660、680℃)的轧制试验，研究不同终轧温度及卷取温度下BG420CL热轧钢板所达到的具体性能指标，探索BG420CL热轧钢板化学成分与热轧工艺参数的最佳匹配，获得终轧温度、卷取温度与性能之间的关系。结果表明，在化学成分相同的前提下，随着终轧温度、卷取温度的下降，Rel、Rm上升，A下降。对于13.5mm厚的钢板，在870±15℃终轧，即能保证所需的强度，又能够获得良好的塑性。卷取温度对机械性能的影响比终轧温度更显著，660℃卷取时，可以充分发挥轧后冷却的作用。采用3段式控制冷却工艺，第1段为板带终轧后，采用微调段第2、3、4冷却段的喷水冷却方式使板带冷却到一定温度。第2段采用空冷方式，第3段采用精调段第21冷却段喷水冷却方式。在层流冷却时，为保证热轧板带纵向性能均匀性，板带头部20米处投入热头功能，板带尾部30米处投入热尾功能。以上研究结果为本钢1700轧机生产BG420CL制订具体的工艺制度和参数提供了依据。
　　 (4)由于试验室试验和工业生产条件的差异，合理的成分和工艺参数制定必须建立在对材料成分、工艺参数影响性能的规律的深入理解和准确把握的基础上，而不能照搬试验室试验结果。本论文对三次工业性生产试制进行分析总结，在此基础上制定了合理的成分和工艺路线，采用铁水预脱硫处理→转炉冶炼→脱氧合金化→炉外精炼处理(LF钢包炉精炼)→连铸（结晶器喂稀土丝）→加热→1700mm热连轧→控制冷却→卷取→取样→机能检验→包装缴库→发货的工艺路线在本钢1700热轧生产线上成功生产出性能合格的BG420CL板带，并实现BG420CL的大批量工业生产。钢板的屈服强度为335～380MPa，抗拉强度为430～485MPa，伸长率为26％～31％。屈强比0.75～0.79。其组织为细铁素体加少量的珠光体。每卷板带的纵向强度差最大为37MPa，最小仅为13MPa，纵向性能均匀性。同时，对BG420CL在工业生产中容易出现的问题进行了分析，并制定了解决问题的措施。经过对比分析表明：汽车车轮用BG420CL热轧板带的整体性能控制水平与德国、宝钢相当。本钢生产的BG420CL板带经龙口兴民车轮有限公司、正兴车轮集团有限公司、厦门日尚有限公司和褚城车轮厂等用户制成多种型号的型钢车轮，进行用户应用试验。应用试验结果表明：钢板的尺寸精度，表面质量，汽车车轮台架弯曲疲劳寿命合格，各种使用性能均达到预期目标，完全能够满足用户的使用要求。在BG420CL的基础上，通过调整成分和工艺，成功开发出BG380CL板带，用于制造无内胎车轮。钢板成型性能、焊接性能、疲劳性能等指标均达到了有关标准要求。
　　 (5)采用理论分析、金相观察和性能测试，研究含Nb微合金控轧控冷钢的焊后组织、性能、冷裂纹敏感性，讨论微合金元素对焊接性能的影响。焊接钢板取材于试验钢卷尾部，焊缝轴线垂直于板材纵向，模拟车轮厂焊接工艺参数，采用直流氩弧手工焊接，对试验钢焊后组织进行金相及电镜观察，并对焊后性能进行测定和分析。通过焊接裂纹敏感性评价可见，热轧钢板的碳当量和冷裂纹敏感系数很低，其热影响区淬硬倾向小，约束度小；微合金元素Nb的加入细化晶粒，有效阻止焊接热影响区晶粒长大，是改善重载汽车轮辐用钢焊接性能的有效途径；试验钢板焊接后，屈服强度和抗拉强度没有下降，冷弯检验全部合格，焊缝、熔合区和热影响区的冲击韧性没有发生明显变化，断口形貌显示为韧性断裂；焊接后的硬度测定表明：试验钢板的焊接热影响区没有出现软化现象，冷裂倾向小。以上分析结果表明：开发的重载汽车轮辐用钢焊接性能良好，性能达到了预定指标。