CN107400824A - 一种延伸凸缘性优异的高强度汽车车轮用钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种延伸凸缘性优异的高强度汽车车轮用钢及其生产方法。钢中化学成分按重量百分比为：C 0.07％～0.1％、Si0.15％～0.25％、Mn 1.2％～1.4％、P<0.02％、S<0.008％、Als0.02％～0.04％、RE/S＝1.8～2.2，其中稀土RE为La、Ce和Nd中的一种或两种元素以上的组合，含量为0.007％～0.018％，余量为Fe和不可避免的杂质。将连铸坯加热至1200～1300℃并保温2～3小时；粗轧开轧温度1100～1250℃，终轧温度>1000℃；精轧开轧温度950～990℃，总压下率>70％，终轧温度为780～840℃；采用层流冷却工艺，冷速为25～30℃/s，终冷至450～500℃进行卷取。
Description
技术领域
本发明属于钢材制造技术领域，主要应用于汽车车轮用钢板的生产，特别涉及一种延伸凸缘性优异、成本低、疲劳寿命长的高强度热轧钢板及其生产方法。
背景技术
近几年随着国内汽车工业的大力发展，载重汽车向着大吨位方向发展，相应的车轮需要承受更高的强度和疲劳应力，车轮恶劣的使用条件要求钢板具备高强度、良好的塑韧性和高的耐疲劳性能，而强度的提高对其成形性的损害是必然的，故高强度钢无法用于复杂车轮的成形，其应用面较窄，所以如何能够提高钢板强度，而不损害其成形性成为目前亟待解决的课题；
车轮成形的关键工序是三次正反拉延，因此，要求钢板具有良好的延伸凸缘性，它是评价车轮钢成形性的重要特征，通常采用扩孔率λ进行评价。本发明中描述的扩孔率采用平底凸模法测定，即在尺寸为100mm*100mm*3mm板材中心冲出φ10mm圆孔，凸、凹模相互压紧(凹模圆角为4.5mm)，用顶角为60°的锥形冲头冲压，直至预制孔边缘有明显的穿透裂纹为止。
扩孔率计算公式定义为：
λ＝(Df—Di)*100％/Di
公式中，λ为扩孔率，％；Di为原始孔径，mm；Df为实验终止时中心孔径，mm。
钢中夹杂物是普遍存在的，它们的形态、尺寸大小、分布状态对钢的机械性能、成形性有很大的影响。特别是MnS夹杂，由于MnS这种延伸的硫化物类夹杂物熔点低、易变性，若受到反复变形，则在位于表层或其附近延伸的粗大MnS类夹杂物的周边产生内部缺陷，以龟裂的形式传播而使疲劳性能下降，而且长条形的粗大MnS类夹杂物容易成为扩孔加工时产生破裂的起点，另外还有棱角形的脆性Al2O3夹杂物，都对其延伸凸缘性损害较大，为此，希望尽量使钢中夹杂物形成微细球状。
由于稀土元素与氧和硫的亲和力显著大于Mn和Al，容易与氧、硫发生共轭反应，生成小球状的RE2O2S、RE2S3、(RE)Al11O18和(RE)Al2O3等高熔点夹杂物，这些夹杂物在钢液中形成、长大，并可作为结晶核心，使钢液依附于夹杂物结晶，从而阻止了夹杂物的长大，使夹杂物细小、浑圆，均匀分布于晶内，细化晶粒，消除了沿晶界聚集分布的夹杂物对钢的损害，有效提高了钢板的延伸凸缘性。
另外由于加入稀土使夹杂物发生变性，减小了夹杂物周围的应力集中，明显减轻了夹杂物对基体的割裂作用，从而使疲劳裂纹在钢中形成的机会减少，进一步阻止了疲劳裂纹的扩展，提高了钢板的疲劳性能，延长了疲劳寿命。
CN101490295A公开了一种拉伸凸缘性和疲劳性能优异的高强度钢板，钢板中含有：C：0.03％～0.20％、Si：0.08％～1.5％、Mn：1.0％～3.0％、P：0.05％以下、S：0.0005％以上、N：0.0005％～0.01％、Als：0.01％以下、酸溶Ti：低于0.008％、Ce或La中的1种或2种的总计：0.0005％～0.04％。该专利所描述钢种在添加稀土元素的基础上再添加Nb、Ti等贵金属元素，增加了生产成本，同时扩孔率普遍在150％以内。
CN101082100A公开了延伸凸缘性优异的高强度钢板，钢板含有：C：0.10％～0.20％、Si：0.8％～2.5％、Mn：1.5％～2.5％、以及Al：0.01％～0.10％，并限制P低于0.1％、S低于0.002％，该钢板的扩孔率均小于80％，不适于复杂车轮的生产应用。
CN101078089A公开了延伸凸缘性优异的高强度热轧钢板及其制法，钢的化学成分含有：C：0.03％～0.10％、Si：0.2％～2.0％、Mn：0.5％～2.5％、Al：0.02％～0.10％、Cr：0.2％～1.5％、Mo：0.1％～0.5％，钢中的马氏体组织占比达80％以上，公开的钢种强度均在980MPa以上，其扩孔率均在100％以下，延伸凸缘性极差，该钢种的组织和强度都不适用于复杂形状的车轮成形。
CN101978083A公开了疲劳特性和拉伸凸缘性优异的热轧钢板及制造方法，钢板含有C：0.015％～0.040％、Si：低于0.05％、Mn：0.9％～1.8％、P：低于0.02％、S：低于0.01％、Al：低于0.1％、N：低于0.006％、Ti：0.05％～0.11％，剩余部分由铁及不可避免的杂质构成，Ti/C＝2.5以上且低于3.5，不含Nb、Zr、V、Cr、Mo、B及W，该钢种相对于本发明C、Si含量更低，另外还需加入Ti作为微合金化元素，在冶炼成本上要较高；另外，该钢种在轧制后组织为98％～100％的纯铁素体，该组织的钢板的特点是屈强比高，其屈强比均在0.88以上，不利于钢板的成型，加剧模具的磨损；同时，该钢板的抗拉强度和断后延伸率较低，分别为554～611MPa和26％～36％。
发明内容
本发明的目的是提供一种可成形性强、疲劳寿命长且生产成本低的高强度汽车车轮用钢。
具体的技术方案是：
以普通的C-Mn系钢成分为基础，加入稀土元素，采用适当的控轧控冷技术，开发抗拉强度为590MPa级别的延伸凸缘性优良的高强车轮用钢，延伸率达到30％以上，平均晶粒直径为4～5μm，其组织中铁素体含量占70％～77％，贝氏体含量占18％～22％，其余为珠光体，台架弯曲疲劳寿命达到60万次以上，扩孔率在140％以上。其化学成分按质量百分数为：C 0.07％～0.1％、Si 0.15％～0.25％、Mn 1.2％～1.4％、P<0.02％、S<0.008％、Als 0.02％～0.04％、RE/S＝1.8～2.2，其中稀土RE为镧(La)、铈(Ce)和钕(Nd)中的一种或两种元素以上的组合，含量为0.007％～0.018％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明高强车轮用钢的成分设计说明：
C：为保证具有较大的铁素体析出量，碳含量要低。如果碳含量高时由于铁素体相变温度低，铁素体转变被抑制，不利于奥氏体和铁素体两相分离，同时影响钢板的成形性和焊接性能。而当碳含量过低时，会导致强度和疲劳寿命降低。因此，本发明将C含量选在0.07％～0.1％之间。
Si：降低硅含量，对提高钢板的成形性、焊接性和塑性有利，如果硅含量超过0.25％会导致钢中Si2·MnO·Al2O3体系夹杂物过多，从而影响钢板的成形性和焊接性。因此，本发明将Si含量选在0.15％～0.25％之间。
Mn：能细化晶粒增加韧性，抑制铁素体晶粒的长大，并降低Ar3，扩大加工温度范围。若Mn含量过高时，不但推迟珠光体转变，同时也抑制铁素体的析出，Mn太低时易发生珠光体转变，故本发明将Mn含量选在1.2％～1.4％之间。
Als：若小于0.02％会导致钢中氧难以控制在低含量，而大于0.04％不仅仅会导致连铸水口堵塞，而且会导致钢中夹杂物超标，影响了成型性能和焊接性能。故本发明将Als含量选在0.02％～0.04％之间。
RE：稀土在钢中主要起到净化钢液、变质夹杂物和微合金化的作用。加入适量的稀土后，可以把由铝脱氧产生的棱角状的脆性Al2O3夹杂物转变成球状铝酸稀土，即(RE)Al11O18、(RE)Al2O3，把长条状的MnS夹杂转变成球状或近球状的稀土氧硫化物、稀土硫化物。若加入量不足，夹杂物变质效果不佳，而过量稀土不仅不能净化钢液反而会导致破碎的链状稀土夹杂物产生，有损钢板的成形性能；且RE/S在1.8～2.2之间最为合适，故本发明将稀土元素含量选在0.007％～0.018％之间。
P和S是钢中不可避免的杂质，为了抑制因包含它们所形成的夹杂等缺陷，影响钢板的成形性，故将P和S含量分别控制在P<0.02％和S<0.008％。
本发明还提供了一种低成本高强汽车车轮用钢的生产方法，包括铁水预脱硫-转炉炼钢-连铸-轧制，具体实施步骤如下：
(1)采用铁水预脱硫，转炉顶底复合吹炼，吹Ar保证底吹Ar搅拌时间大于5分钟，RH炉进行成分微调、真空循环脱气处理，在浇铸时采用结晶器喂稀土丝工艺，稀土丝插入位置在结晶器宽面1/4，窄面1/2交汇处，连铸采用低碳钢保护渣，全程吹Ar保护浇铸；
(2)将连铸坯经加热炉加热至1200～1300℃并保温2～3小时；
(3)粗轧：开轧温度1100～1250℃，终轧温度>1000℃；
(4)精轧：精轧机入口温度950～990℃，经多道次大压下精轧，压下率>70％，终轧温度在780～840℃；在精轧轧制的最后几个道次钢卷温度已低于Ar3，奥氏体稳定性降低，在变形过程中诱发部分铁素体相变，提高了强度，而当这些铁素体继续变形可能会发生动态回复及动态再结晶，另一方面由于三叉晶界处易产生应力集中，能量相对较高，极易成为形核质点，再结晶容易发生，从而使晶粒进一步得到细化；
(5)采用层流冷却工艺，以25～30℃/s快速冷却，终冷至450～500℃进行卷取。快速冷却把一部分变形位错保留在贝氏体组织中，以大幅提高贝氏体的强度，还可以细化基体组织，改善力学性能。
有益效果：
本发明高强钢板主要应用于汽车车轮，其特点有：
(1)扩孔延伸率高。由于加入稀土元素改变了钢中夹杂物的形状和尺寸，起到变性处理的作用，显著的提高了钢板的扩孔性能；
(2)疲劳寿命长。对MnS等长条状夹杂物进行变性，减少了夹杂物周围的应力集中，减轻了夹杂物对基体的割裂作用，使得疲劳裂纹在钢中形成的机会减少，提高了钢板的疲劳寿命。
(3)成本低。仅添加少量稀土元素，不用添加Nb、Ti等贵重金属，降低生产成本。
(4)本发明获得的组织为：铁素体含量占70％～77％，贝氏体含量占18％～22％，其余为珠光体，组织的平均晶粒直径为4～5μm。钢板的屈强比低于0.74。
附图说明
图1为本发明实施例1的金相组织图，图中组织为铁素体+贝氏体+少量珠光体。
具体实施方式
本发明涉及的技术问题采用下述技术方案解决：一种延伸凸缘性优异的高强度汽车车轮用钢及其生产方法，其化学成分质量百分比为：C 0.07％～0.1％、Si 0.15％～0.25％、Mn 1.2％～1.4％、P<0.02％、S<0.008％、Als 0.02％～0.04％、RE/S＝1.8～2.2，其中稀土RE为镧(La)、铈(Ce)和钕(Nd)中的一种或两种元素以上的组合，含量为0.007％～0.018％，余量为Fe和不可避免的杂质。采用铁水预脱硫，转炉顶底复合吹炼，吹Ar保证底吹Ar搅拌时间大于5分钟，RH炉进行成分微调、真空循环脱气处理，在浇铸时采用结晶器喂稀土丝工艺，稀土丝插入位置在结晶器宽面1/4，窄面1/2交汇处，连铸采用低碳钢保护渣，全程吹Ar保护浇铸；连铸坯经加热炉加热至1200～1300℃并保温2～3小时；粗轧开轧温度1100～1250℃，粗轧终轧温度>1000℃；精轧机入口温度950～990℃，经多道次大压下精轧，压下率>70％，精轧终轧温度在780～840℃；采用层流冷却工艺，以25～30℃/s快速冷却，终冷至450～500℃进行卷取。
以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
发明实施例如下：将连铸坯(200×1500mm)加热到1200～1300℃，保温2～3小时后进行粗轧，然后7道次大压下精轧，总压下率>70％，终轧温度780～840℃，轧后采用层流冷却，以25～30℃/s的冷却速度冷至卷取温度，卷取温度450～500℃。钢板的成品厚度5.0mm，其组织中铁素体含量占70％～77％，贝氏体含量占18％～22％，其余为珠光体。本发明车轮用钢实施例的熔炼成分见表1，本发明车轮用钢实际的轧制制度见表2，本发明车轮用钢的性能见表3，不同组织的含量见表4。
表1本发明车轮用钢的熔炼成分(wt，％)
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Als | Ce | La | Nd |
| 1 | 0.095 | 0.17 | 1.27 | 0.01 | 0.004 | 0.026 | 0.0084 | — | — |
| 2 | 0.082 | 0.2 | 1.28 | 0.013 | 0.005 | 0.034 | — | 0.01 | — |
| 3 | 0.078 | 0.22 | 1.38 | 0.008 | 0.005 | 0.036 | — | — | 0.009 |
| 4 | 0.074 | 0.18 | 1.35 | 0.017 | 0.007 | 0.038 | 0.007 | 0.005 | — |
| 5 | 0.085 | 0.25 | 1.32 | 0.015 | 0.003 | 0.028 | — | 0.002 | 0.004 |
| 6 | 0.087 | 0.19 | 1.37 | 0.012 | 0.006 | 0.032 | 0.008 | — | 0.005 |
| 7 | 0.092 | 0.23 | 1.24 | 0.016 | 0.004 | 0.029 | 0.002 | 0.004 | 0.002 |
表2本发明车轮用钢的实际轧制制度
表3本发明车轮用钢的性能
表4本发明车轮用钢的不同组织含量(％)
| 实施例 | 铁素体(F) | 贝氏体(B) | 珠光体(P) |
| 1 | 76 | 21 | 3 |
| 2 | 74 | 19 | 7 |
| 3 | 76 | 20 | 4 |
| 4 | 77 | 18 | 5 |
| 5 | 73 | 21 | 6 |
| 6 | 75 | 20 | 5 |
| 7 | 74 | 22 | 4 |
本实施例的生产方法，轧制成品钢板的抗拉强度≥615MPa，延伸率≥36％，扩孔率(λ)≥159％，具有优异的延伸凸缘性能。
Claims (2)
1.一种延伸凸缘性优异的高强度汽车车轮用钢，其特征在于，钢中化学成分按重量百分比为：C 0.07％～0.1％、Si 0.15％～0.25％、Mn 1.2％～1.4％、P<0.02％、S<0.008％、Als 0.02％～0.04％、RE/S＝1.8～2.2，其中RE为La、Ce和Nd中的一种或两种元素以上的组合，含量为0.007％～0.018％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述的延伸凸缘性优异的高强度汽车车轮用钢的生产方法，钢板的生产工艺为：铁水预脱硫-转炉炼钢-连铸-轧制，其特征在于，将连铸坯经加热炉加热至1200～1300℃并保温2～3小时；粗轧开轧温度1100～1250℃，终轧温度>1000℃；精轧机入口温度为950～990℃，经多道次大压下精轧，总压下率>70％，终轧温度为780～840℃；采用层流冷却工艺，冷却速度为25～30℃/s，终冷至450～500℃进行卷取。
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