超轻型汽车车轮钢的研制与开发

方向
Rel /MPa
Rm /MPa
纵
392
490
横
441
513
纵
406
493
横
455
533
纵
418
508
横
411
511
纵
410
501
横
448
518
纵
448
518
横
448
515
纵
396
481
横
395
466.7
冲击功Akv /J
1
2
3
175
178
149
154
178
166
160
148
150
166
158
166
炉号规格
37561 11.0×1200mm
37561 4.5×1200mm
部位
方向
横 头
纵 横 中 纵 横 尾 纵 横 头 纵 横 中 纵 横 尾 纵
炉号规格
10133 6.0×1200mm
10133 8.0×1200mm
位置 头 中 尾 头 中 尾
表 6 工艺 1 的力学性能检验结果
Rel/MPa
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 3～5μm。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， 产品全部用于出口。 关键词 轻量化 超细晶粒 车轮钢
表 3 两种工艺实际冶炼的化学成分（质量分数）
炉号
C
Si
Mn
P
S
Als
工艺1
10133
0.15
0.16
0.37
0.014
0.017
0.03
工艺2
37561
0.13
0.16
0.95
0.009
0.006
0.03
两种工艺采用的轧制温度和轧制工艺参数见表 4、表 5。
Nb 0.0075 0.015
（%）
Ti 0.004
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@sohu.com，电话：0414-7827241。
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 BX55—2011 标准的规定，见表 1。
表 1 SW400 的化学成分
C
Si
Mn
172
174
176
164
178
160
A/% 24.7 21.7 24 18.3 24 22.66 26.7 21 21 20.7 26.7 25.7
Akv /J（室温） 52 23.3 57.7
20.66 20.33
21 54.33
23 22 21 24 24.33
第八届（2011）中国钢铁年会论文集
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 α，从 1.05~1.10 调整为 0.95~1.0，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。
≥400
抗拉强度 Rm/MPa
≥490
伸长率 A% ≥23
≥20
注：冲击功为 3 个试样的平均值。
2 工业试生产实验
180°冷弯试验 d-弯心直径
d＝1.0a
常温冲击功 AKV横向/J
—
≥41
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。
430 435 470 465 455 450 450 480 440 445 460 450
Rm /MPa
530 530 565 570 560 550 560 570 580 560 550 570
A /%
25 27 26 27 25 28 30 31 29 31 30 30
表 7 工艺 2 的力学性能检验结果
3.2 钢板表面质量控制
SW400 试产初期，用户在旋压成形过程中，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。
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 4～6µm，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。
2.9 1.2
F3 16.7981 21.856 11.4653 17.368 11249
8623 3.2 1.5
F4 11.4653 17.368 8.9210 14.214 11900
8823 3.5 1.8
F5 8.9210 14.214 7.5290 12.694 8761 75ຫໍສະໝຸດ Baidu9
3.8 2.1
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%。
F6 7.5290 12.694 6.6492 11.638 9865 7178
3.9 2.2
F7 6.6492 11.638 6.0186 11.028 6244 4629
4.1 2.4
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 390～460MPa，抗拉强度在 460～533MPa，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 430~480MP，抗拉 强度在 530～580MPa，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 3～8μm，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，这是造成塑性不高的原因之一。
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）。
Research and Development of Ultra-light Automotive Wheel Steel SW400
Wu 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. Introduced 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 3~5μm. Obtained ultrafined grain steel SW400 has been developed and used on the 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 properties 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
≤0.21
≤0.30
≤1.30
注：根据需要可以添加 Nb、V、Ti 等微合金元素。
P ≤0.020
S ≤0.015
Als ≥0.015
1.2 性能要求
力学及工艺性能见表 2。
表 2 SW400 钢力学性能
牌号 SW400
钢板厚度 /mm
2.5-＜10.0
≥10.0-14.0
下屈服强度 Rel/MPa
工艺1 工艺2
R1开轧温度 /℃ 1150
1180
表 4 两种工艺的温度控制
出R3温度 /℃ 1030
进F1温度 /℃
880～920
1050
970~950
出F7温度 /℃
741～790
820~785
卷取温度 /℃
488～530
565~535
超轻型汽车车轮钢 SW400 的研制与开发
机架序号
入口厚度 /mm
工艺1 工艺2
出口厚度 /mm
工艺1 工艺2
轧制力 /kN
工艺1 工艺2
轧制速度 /m·s-1
工艺1 工艺2
F1 38.6 40.650 25.8166 29.163 12501 11096 2.6 0.9
表 5 两种工艺精轧工艺参数
F2 25.8166 29.163 16.7981 21.856 13595 11121
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)
a—11.0mm×1200mm；b—4.5mm×1200mm
综合比较了两种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。