CN115194415B - 一种超高强度轻量化商用车钢制车轮的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及车轮制造技术领域，公开了一种超高强度轻量化商用车钢制车轮的制造方法，所述钢制车轮包括固定连接的轮辋和轮辐，轮辋和轮辐的制造包括预成形、热成形和车轮总成三个阶段；所述轮辋和轮辐热成形的加热温度为880～930℃。本方案通过采用高效的热成形工艺，显著提升车轮的强度及服役性能，同时使得满足商用车服役性能的钢制车轮仅重27～28KG，显著减轻钢制车轮重量(与现有钢制车轮为36～38KG相比减重8～10KG)，从而降低车轮整体重量、实现车轮的轻量化，进而显著节能减排。

Description

一种超高强度轻量化商用车钢制车轮的制造方法
技术领域
本发明涉及车轮制造技术领域，具体涉及一种超高强度轻量化商用车钢制车轮的制造方法。
背景技术
汽车产量和保有量的增多在给出行带来方便的同时，也产生了能耗、安全和排放等问题。如每消耗一升汽油将产生2.25～2.5公斤的二氧化碳排放，汽车工业节能减排刻不容缓。汽车轻量化是节能减排的有效手段，如乘用车每减重10％、商用车每减重1吨均可节能6％～8％。基于目前商用车占整个汽车油耗的55％～60％，汽车节能减排既要抓乘用车，更要抓商用车。而车轮是商用车及乘用车的重要构件，一辆商用车加拖挂车车轮总量约20个左右，且系簧载以下的质量，簧载以下的质量减重效果通常为簧载以上质量的5～13倍，其轻量化效果更为显著，因此车轮轻量化对节能减排是更为有效的手段。
因钢铁材料是车辆/车轮制造业的基本材料，其具有强度可调、性价比高等优点，有利于实现车轮减重及轻量化需求。
但随着强度的提高，成形难度也随之增大，特别是对超高强度钢成形更加困难。而热冲压成形技术是既可以克服传统成形技术上的成形困难，同时可以获得成形精度高以及高强度零部件的一种新的技术。预测当热冲压成形技术的强度达到1500MPa即可大大减少车轮的重量以实现轻量化，然而现有的热冲压成形技术多针对的是板厚在2毫米以下、重量在10公斤以内的乘用车零件进行热成形，其能达到的最佳强度为1500MPa。然而现有钢种的淬透性、强韧性、延迟断裂抗力以及抗氧化性远远无法达到轻量化车轮的强度要求；尤其是商用车车轮轮辐用钢较厚(厚度约7～14毫米)，欲采用热冲压成形技术制备车轮，则需要更专业的技术和材料工艺进行组合，是一种新的挑战。
专利CN104551551A，CN104551552A,CN104589910A均公布了热成形车轮制作方法，其详细论述了轮辋、轮辐的制作工艺和二者的连结方式，大量论述了车轮轮辋的冷成形过程，具体为所制成的轮辋基本尺寸小于设计尺寸，在加热淬火时，将轮辋扩大并在模具的定型下进行淬火，达到给定尺寸；轮辐工艺为将轮辐基板下料成为轮辐的板坯，然后加热到Ac3以上的温度保温后对板坯在模具中冲压成形，并在模具中通水冷却制成轮辐半成品，再进行轮辐各种孔的加工，然后成为轮辐；总成工艺为将轮辐和轮辋装配在一起，轮辐和轮辋装配时采取过盈配合，并用激光焊接的发明内容。然而现有技术仍然存在如下问题：
1)现有技术中轮辐和轮辋的加工，虽然以小于设计尺寸的方式取料意图减轻车轮重量，然而因后续工艺的局限，其为了保证车轮性能仍然导致所得车轮重量偏高，进而导致能耗过多；
2)现有技术中轮辐的加工为：热冲压成形后再进行精加工，如通风孔和螺钉孔的加工，由于热冲压成形后的轮辐硬度高，因此在较高硬度下进行孔加工将增加精加工的难度，增加生产成本，加工表面还会严重影响车轮的疲劳强度；
3)现有技术中轮辋的加工为冲压成形后再在淬火阶段进行轮辋尺寸修正，如扩大轮辋的内径，随后在模具的定型下完成淬火；然而毛坯在加热中扩大尺寸的控制工艺比较复杂，容易造成尺寸差异；同时为了保证轮辋尺寸符合设计要求，增加了生产控制难度；最后，也增加轮辋部件中的残留应力，从而影响轮辋尺寸的稳定性和疲劳寿命以及无内胎轮胎的密封难度；
4)轮辐焊接衬板既影响轻量化效果，又增加了工序，增加了成本。
综上，现有热冲压成形工艺的工序使得车轮制造过程变得复杂，仅仅采用现有的热成形钢料和热成形工艺，难以批量制出超高强热冲压成形的轻量化车轮。因此，对现有技术中制造车轮的热冲压成形工艺技术进行了优化，有效提升车轮性能的同时实现轻量化，不仅能有效弥补现有轻量化热成形车轮制造技术的不足，还能对车轮热成形过程中降低能源消耗和提升生产效率具有重要意义。
发明内容
本发明旨在提供一种超高强度轻量化商用车钢制车轮的制造方法，以解决现有技术中因保证车轮性能而导致车轮重量偏高，进而导致能耗过多的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超高强度轻量化商用车钢制车轮的制造方法，所述钢制车轮包括固定连接的轮辋和轮辐，具体包括如下步骤：
S1预成形：将轮辋和轮辐钢板分别预成形加工为轮辋和轮辐毛坯；
S2热成形：将S1所得毛坯在880～930℃的温度下热成形为轮辋和轮辐成品；
S3车轮总成：将S2所得轮辋和轮辐成品装配形成钢制车轮。
本方案的原理及优点是：
1、与现有技术车轮通常为36～38kg相比，本方案通过采用高效的热成形工艺，使得制得的车轮具有高强度及高服役性能的同时仅重27～28KG，显著减轻钢制车轮重量(减重8～10KG)，从而降低车轮整体重量、实现车轮的轻量化，进而显著节能减排。
2、与现有技术在热成形中对轮辋进行尺寸调整相比，本方案将预成形与热成形工序相结合，并通过精确计算加热时的热膨胀和相变时的体积变化确定模具和轮辋的的合理尺寸，将钢材先制成轮辋毛坯，使得毛坯具有成品的尺寸形状；并根据上述计算结果，确定毛坯在热成形工序中只需一步在模具中定型和冷却即可快速成形得到成品，显著节约了轮辋的热成形加工时间，有效降低能源消耗和提升生产效率。
3、本方案的热成形温度使得轮辋和轮辐毛坯的奥氏体组织转变成马氏体组织，降低了淬火马氏体转变临界冷却速率，从而使得淬火得到全马氏体的冷速下降，拓宽了热成形前淬火冷却的工艺参数窗口，使其具有更强的工业化量产工艺适应性。申请人实验表明，轮辐热成形后锥面部分的硬度≥HRC45～50，而螺钉孔的平面部分根据使用要求控制在HRC40～45，使得同一轮辐不同部位具有不同的硬度分布，即柔性分布，充分满足钢制车轮不同部位的强韧性要求。
优选的，所述轮辋加热时间为240～500秒，轮辐加热时间为400～1000秒。采用上述方案，便于轮辋和轮辐毛坯加热达到880～930℃，便于轮辐毛坯和轮辋毛坯进行热成形；在此过程中，轮辐毛坯和轮辋毛坯中的奥氏体组织全部转变成马氏体组织，从而提升轮辐和轮辋的强度和硬度。申请人实验表明，本方案制备的轮辐和轮辋无表面涂层，展现出较好的韧性，如硬度为450～500±9HV，抗拉强度≥1580MPa，延伸率为8％(A50样品)断裂韧性K1C为190MPa·m1/2。
优选的，在S3中，所述装配包括轮辋和轮辐的配合、焊接和喷丸。采用上述方案，通过将轮辐和轮辋进行配合、焊接，有效提升车轮中轮辐和轮辋的连接效果和车轮的疲劳寿命；通过对车轮进行喷丸，对车轮性能具有良好的强化作用，进一步提升车轮的疲劳寿命。
优选的，在S1中，所述钢板为钨钼铌钒复合微合金钢，钨钼铌钒复合微合金钢包括如下重量百分比的原料：钨0.05～0.15％，钼0.05～0.2％，铌0.02～0.04％，钒0.02～0.04％。
本方案的原理及优点：
1、本方案中制备的钨钼铌钒复合微合金钢显著降低成本较高金属的种类和用量，通过优化配比充分发挥制钢原料的各元素特性、作用以及复合作用下的抗回火稳定性，制备形成具有更佳服役性能的钨钼铌钒复合微合金钢，其力学性能屈服强度为≥1300MPa，抗拉强度≥1500MPa，延伸率≥8％，极限尖冷弯角度≥65°(按照德国汽车工业学会所制定的极限尖冷弯的测试方法和标准VDA238-100进行试验)。
2、与现有技术制备的钢板延迟断裂时间不到十小时(如22MnB5)相比，本方案制备得到的钢板采用恒弯曲载荷下的氢致延迟断裂抗力测量方法(CSAE-155-2020超高强度汽车钢板的氢致延迟断裂敏感性U形恒弯曲试验方法，2020年12月31日公布实施，中国汽车工程学会发布)进行测试，其断裂时间≥300小时，显著提升了钢板的延迟断裂及使用时间。
3、本方案所用的钨钼铌钒复合微合金钢，通过添加多种复合微合金化元素制成，在多种微合金化元素的协同增效作用下，使得制备得到的钢板在应力比为0.1的拉拉疲劳实验中试样经喷丸强化，在循环次数在2×106～107下的疲劳极限为600±50MPa，采用此疲劳数据进行计算机模拟得到的径向疲劳和弯曲疲劳寿命都超过国标GB/T 5909的规定，满足轻量化车轮使用寿命要求，且该车轮的制造工艺、轻量化效果和服役性能均为世界首创。申请人还发现，利用本方案制备的钨钼铌钒复合微合金钢制成的车轮充分满足车轮在超高强度下的强韧性匹配，具有更佳的极限尖冷弯性能和加热淬火时零件的淬透性、更宽的工艺窗口以及更高的抗延迟断裂性能。
优选的，在S1中，所述轮辋预成形包括卷圆焊接、焊缝加工、扩口、滚压成形及气门孔平台成形；所述轮辐预成形包括旋压成形、冲孔加工及机械加工。采用上述方案，通过简单的加工将截取的钢板预成形为轮辋和轮辐毛坯，便于进行后续的热成形加工，从而形成服役性能更加优异的车轮成品。
优选的，在S2中，所述轮辋热冲压成形步骤包括：将S1所得轮辋毛坯加热至880～930℃，保温5～10min后转移至热成形模具中，压机合模后通水淬火，冷却至150℃～250℃时停止冷却，即得轮辋成品；所述轮辐热冲压成形步骤包括：将S1所得轮辐毛坯加热至880～930℃，保温8～15min后转移至热成形模具中，压机合模后通水淬火，冷却至150～200℃即得轮辐成品；所述淬火使用PAG含量为5％～7％的PAG淬火剂完成。
与现有技术中采用含20-30％PAG的淬火剂对钢材进行表面淬火相比，本方案中轮辋和轮辐的淬火介质采用冷却速度可调、并具有防锈功能的水溶性专用PAG淬火剂(PAG含量为5％～7％)；使得所得轮辋和轮辐无表面涂层，展现出较好的韧性，如硬度为450～500±9HV，抗拉强度≥1580MPa，延伸率为8％(A50样品)断裂韧性K1C为190MPa·m1/2，显著提升钢制车轮的服役性能。
优选的，在S3中，所述轮辋和轮辐的配合为将热成形的轮辋套到轮辐周壁大直径端部，二者之间采用过盈配合，轮辐周壁的外径和轮辋配合面的内径间的过盈量≤1mm。采用上述方案，便于进行后续焊接形成车轮成品。
优选的，在S3中，所述焊接为采用激光焊接对轮辋和轮辐的配合面进行圆周满焊，所述激光焊接设备功率5～11千瓦，激光焊接速度2～4m/min。传统的埋弧焊或CO2保护焊的焊接，因其热影响区较大而导致焊缝区材料强度下降，严重影响连接效果和车轮的疲劳寿命；采用上述方案，焊接后的焊缝与热影响区的参量满足：焊接区的熔深≥4mm，焊缝的熔宽最大1～3mm，热影响区的宽度≤0.5mm，显著增强焊接效果和焊接区的强度，提升车轮的疲劳寿命。
优选的，在S4中，所述修饰包括车轮的喷丸强化工艺，所述喷丸的丸粒直径在0.4～0.7mm的占比60％，0.8～1.0mm占比40％，丸粒流量140kg/min，喷丸叶轮转速2500转/min，喷曝时间80～120秒。采用上述方案，对车轮表面进行进一步修饰，对车轮性能具有良好的强化作用，显著提高车轮的疲劳寿命。
优选的，在S4中，所述喷丸强化工艺还包括测试阶段，按美国SAEJ441,442a，J443，1980标准进行测试，所得钢制车轮的A试片(Arman)变形量测量值为0.6～0.72。本方案采用美国SAEJ441,442a，J443，1980标准对采用喷丸强化的A试片(Arman)变形量进行测量表征，本方案所得钢制车轮在喷丸后的A试片变形量测量值为0.6～0.72，具有良好的强化作用和清理作用，提高了车轮的疲劳寿命。
附图说明
图1为本发明制成车轮的主视图。
图2为本发明实施例1中车轮的径向疲劳工况位移模拟图。
图3为本发明实施例1中车轮的弯曲疲劳工况位移模拟图。
图4为本发明实施例1中车轮的弯曲疲劳工况应力模拟图。
图5为本发明实施例1中车轮的径向疲劳工况应力模拟图。
图6为本发明实施例中车轮钢的热处理工艺图。
图7为本发明实施例中车轮制造工艺流程示意图。
图8为本发明实施例中轮辋和轮辐焊接部位的熔深剖面图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。若未特别指明，下述实施例所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用的实验方法均为常规方法，所用的材料均可从商业途径得到。
实施例1～3、对比例1(现有22MnB5)在钢板原料成分、含量上的差异见表1。以实施例1为例，说明钢制车轮的钢材原料组成及钢制车轮的制备过程。
实施例1
一种超高强度轻量化商用车钢制车轮的制造方法，包括轮辋和轮辐预成形、轮辋和轮辐热成形和车轮总成三个阶段，其中轮辋和轮辐预成形采用的钢板为钨钼铌钒复合微合金钢；钨钼铌钒复合微合金钢包括以下重量百分比的原料：钨(W)0.05～0.15％，钼(Mo)0.05～0.2％，铌(Nb)0.02～0.04％，钒(V)0.02～0.04％，碳(C)0.22～0.28％，锰(Mn)0.8～1.2％，稀土合金(Re)≤0.05％，铝(Al)≥0.02％，铬(Cr)0.2～0.4％，硼(B)0.0005～0.0035％，硅(Si)0.2～0.3％，硫(S)≤0.005％，磷(P)≤0.01％，钛(Ti)0.03～0.04％，铁余量。本实施例具体包括如下重量百分比的原料：碳0.28％、硅0.2％、锰1.2％、磷0.005％、硫0.002％、钨0.15％、钼0.2％、铌0.04％、钒0.04％、钛0.04％、铝0.08％、硼0.003％、稀土合金(Re)0.02％、铬0.3％，铁余量。
根据表1中实施例1～3、对比例1的原料，按照如下工艺制备钢板，制作步骤具体如下：
步骤一：冶炼和浇铸，按上述钨钼铌钒复合微合金钢的原料配料后进行熔炼，熔炼工序包括：铁水→转炉冶炼→RH精炼→连铸→板坯，随后进行缓冷；
步骤二：轧制成形，将S1所得铸造板坯加热至1230℃～1320℃，加热时间为200～250min；随后在开轧温度≥1150℃～1200℃，终轧温度900℃～940℃的条件下进行轧制成形，获得钢板；
步骤三：卷取，将S2所得钢板加热至650℃～720℃完成卷取，缓冷获得钢卷；
步骤四：酸洗，将S3所得钢卷进行酸洗，本实施例具体采用热硫酸进行酸洗，酸洗后对钢卷进行清洗、烘干，卷取为钢材板卷；
表1实施例1～3、对比例1在钢材原料成分、含量上的差异
实施例 W/％ Mo/％ Nb/％ V/％ C/％ Mn/％ Re/％ Al/％ Cr/％ B/％ Si/％ S/％ P/％ Ti/％
实施例1 0.15 0.2 0.04 0.04 0.28 1.2 0.02 0.08 0.3 0.003 0.2 0.002 0.005 0.04
实施例2 0.05 0.1 0.02 0.02 0.22 0.8 0.05 0.02 0.2 0.0005 0.25 0.005 0.007 0.04
实施例3 0.1 0.15 0.03 0.03 0.22 1 0.02 0.05 0.4 0.0015 0.3 0.002 0.005 0.04
对比例1 - - - - 0.24 1 0.02 0.05 0.3 0.0015 0.3 0.002 0.01 0.03
对实施例1～3、对比例1制得的钢进行性能测试，性能测试方法如下：
1)按照德国汽车工业学会所制定的极限尖冷弯的测试方法和标准对实施例1-3、对比例1所得钢板进行试验(即VDA238-100，test specification draft plate bendingtest for metallic materials，2010年12月公布)；其中，通过钨钼铌钒复合微合金化，本方案所得钢板热处理后的性能：屈服强度为≥1300MPa，抗拉强度≥1500MPa，延伸率≥8％，极限尖冷弯角度≥65°；
2)采用恒弯曲载荷下的氢致延迟断裂抗力测量方法(CSAE-155-2020超高强度汽车钢板的氢致延迟断裂敏感性U形恒弯曲淬火试验方法，2020年12月31日公布实施，中国汽车工程学会发布)测试实施例1-3、对比例1所得钢板，本方案所得钢板的断裂时间≥300小时(现有钢种只有10小时左右就断裂)；
3)采用390秒加热至900℃后在由水冷通道的模具中冷却的方式淬火，使得本方案所得钢板无表面涂层，硬度为450±9HV，抗拉强度1780MPa，延伸率为7.5％(A50样品)断裂韧性K1C为190MPa.m1/2；
4)对实施例1-3、对比例1所得钢板进行应力比为0.1拉拉疲劳实验，其疲劳强度为650±50MPa，ΔKth为4.5MPa/m，裂纹扩展速度小于10-11时应力强度因子范围，da/dn＝AΔKm(1)，式(1)中a为裂纹长度，n为循环次数，da/dn为裂纹扩展速率，A和m为Paris公式常数，可通过实验数据和方程(1)求出；式(1)中ΔK为应力强度，ΔK按照线弹性断裂力学可通过式(2)算出：ΔK＝YΔσ/(πa)(2)，对于该钢种，a为1.65×10﹣11，m为2.52，Y＝1.13，为尺寸因子。
根据上述方法所得性能测试结果见表2：
表2实施例1～3、对比例1所得钢板的性能测试结果
实验数据表明，与对比的通用热成形钢(对比例1)相比，本方案所研发的钨钼铌钒多元复合微合金钢(实施例1～3)具有良好的强韧性，高的氢致延迟断裂抗力以及高的疲劳寿命。其性能远优于通用的22MnB5热成形钢(对比例1)，说明本方案制备的钨钼铌钒微合金钢中，钨钼铌钒四种元素相互协同增效，充分发挥各元素的强化特点和复合强化的综合作用，可得到细晶强化、沉淀强化、固溶强化等多种强化方式的优势集成，从而使钢种具有高淬透性、高耐磨性、高性能稳定性等特性。
本方案制备的钢板在应力比为0.1的拉拉疲劳实验中显示出600±50MPa的疲劳寿命2×106次，采用此疲劳数据进行计算机模拟得到的径向疲劳和弯曲疲劳寿命都满足国标GB/T5909的要求，通过与现有技术中钢种的相关实验测试结果进行对比，本方案制备的车轮钢种的轻量化效果和优良的性能均远超现有技术水平(对比例1)，均达到世界领先水平。
具体的，车轮结构图见图1，车轮的径向疲劳工况位移见图2、弯曲疲劳工况位移见图3、弯曲疲劳工况应力模拟见图4、径向疲劳工况应力模拟见图5；采用本方案所得钢材制成车轮，充分满足车轮使用寿命要求，从而更加适用于制造高性能轻量化的商用车车轮，充分满足高性能轻量化车轮的材料要求。
采用如图6所示的热处理工艺范围、如图7所示的轮辋和轮辐制造及车轮总成的制作工艺流程，以实施例1所得钢板制备钢制车轮，实施例4-6展示不同热成形条件制备所得轮辋和轮辐成品，对比例2展示选取本方案权利要求保护范围之外的条件制备所得轮辋和轮辐成品。以实施例4为例，说明本方案钢制车轮的预成形和热成形阶段。
实施例4：
S1：预成形，根据轮辋和轮辐所需材料尺寸将上述实施例1制得的钢板截取为板坯，将板坯根据轮辋和轮辐的形状预成形为轮辋和轮辐毛坯；轮辋预成形包括卷圆焊接、焊缝加工、扩口、滚压成形及气门孔平台成形；轮辐预成形包括旋压成形、冲孔加工及机械加工；
S2：热成形，将S1所得轮辋毛坯加热240～500秒、将轮辐毛坯加热400～1000秒，使得轮辋毛坯和轮辐毛坯达到880～930℃，并在880～930℃的温度下热成形为轮辋和轮辐成品；具体如下：将S1所得轮辋毛坯加热至900℃(可选范围880～930℃)，保温8min(可选范围为5～10min)后转移至热成形模具中，压机合模并通水冷却，外部采用专用的仿形模块进行水道通水冷却或PAG淬火剂(PAG含量5％～10％)喷淋冷却；控制冷却温度到200℃(冷却温度可选范围为150℃～250℃)时停止冷却，随后脱模、室温冷却即得轮辋成品；轮辐热成形步骤为：将S3所得轮辐毛坯加热至900℃，保温8～15min(加热温度可选范围为880～930℃，保温时间可选范围为8～15min)后，在5秒内转移至热成形模具中，压机合模后通水冷却淬火即得轮辐成品。
针对实施例4-6、对比例2所得轮辋成品和轮辐成品，以轮辋成品为检测样品说明热成形对轮辋成品和轮辐成品性能的影响。检测实施例4-6、对比例2所得轮辋成品的淬火硬度，实施例4-6、对比例2中轮辋热成形条件及轮辋成品性能测试结果如表3所示。
表3实施例4～6、对比例2所得轮辋成品的性能测试结果
实验数据表明，相比于对比例2中轮辋成品的淬火硬度仅为34.5，实施例4-6所得轮辋成品的淬火硬度显著提升。表明本方案采用的热成形工艺使得毛坯中的奥氏体组织转变成马氏体组织，由于钨钼铌钒元素的加入增加了钢板的淬透性，降低了淬火马氏体转变临界冷却速率，从而使得淬火得到全马氏体的冷却速率降低，拓宽了热成形前的加热工艺参数窗口，使其具有更强的工业化量产工艺适应性。
另，轮辐热成形后锥面部分的硬度≥HRC45～50，而螺钉孔的平面部分根据使用要求控制在HRC40～45。同一轮辐不同部位具有不同的硬度分布，即柔性分布，满足其不同部位的强韧性要求。
以实施例4所得轮辐成品和轮辋成品装配成为钢制车轮，实施例7-9展示采用不同装配条件装配钢制车轮，对比例3展示选取本方案权利要求保护范围之外的条件装配钢制车轮，以实施例7为例，说明本方案钢制车轮的车轮总成阶段。
实施例7：
S3：车轮总成，将实施例4所得轮辋和轮辐装配成为钢制车轮，即将轮辋套到轮辐周壁大直径端部，二者之间采用过盈配合，轮辐周壁的外径和轮辋配合面的内径间的过盈量≤1mm，并将两者激光焊接形成车轮；焊接为采用激光焊接对轮辋和轮辐的配合面进行圆周满焊，激光器功率选取为5～11千瓦，激光焊接速度2～4m/min，焊接后的焊缝与热影响区的参量满足：焊接的熔宽1～3mm、熔深≥4mm、热影响区的宽度≤0.5mmm，这些参数显著改善了焊接效果和焊接面的强度，提升车轮的疲劳寿命；本实施例的车轮焊接熔深剖面图具体如图8所示，焊缝熔深5.68mm，焊缝宽度1.11mm，焊接面焊缝中心偏离轮辐轮辋的结合面的间隙为0.25mm。
检测实施例7-9、对比例3所得钢制车轮的焊接性能(包括熔宽、熔深及偏移量)，实施例7-9、对比例3中钢制车轮的焊接条件及所得钢制车轮的焊接性能测试结果如表4所示。
表4实施例7～9、对比例3所得车轮的焊接性能测试结果
实验数据表明，与现有一般的焊接方式对焊缝的热影响区较大从而导致焊缝区域轮辋和轮辐的材料强度下降、降低连接效果和车轮的疲劳寿命不同，本方案采用激光焊接的方式进行圆周满焊，专用的焊接工艺使得所制的车轮在满足焊接处强度的同时实现车轮的稳定连接，提升车轮的使用寿命。
将实施例7～9所得钢制车轮进行喷丸强化处理，喷丸的丸粒直径为0.4～0.7mm占比60％，0.8～1.0mm占比40％，丸粒流量140kg/min，喷丸叶轮转速2500转/min，喷丸时间80～120秒，喷完覆盖率≥98％，喷丸强度按美国SAEJ441,442a，J443，1980，标准中的A试片(Arman)变形量测量值为0.6～0.72，获得商用车(22.5×9.00)车轮成品，称量所得车轮，在满足车轮服役性能的前提下，本实施例所得车轮重量为27～28KG(对比例1钢制轮辐难以满足热成形淬火时淬透性要求)。
实验数据表明，由本方案所得钢材(实施例7～9)制备的车轮在重量上比现有22MnB5(对比例1)所得钢材制备的车轮轻量化效果好，工艺实施更加方便。相比于对比例1所得钢材制备的车轮重36KG，实施例1～3所得钢材制备的车轮在满足车轮超高强度的同时仅重27～28KG，说明本方案所得车轮在满足车轮良好的工艺性能、强韧性的同时比现有技术中一般超高强度钢车轮(通常为36～38kg)减重了8～10KG，显著降低车轮整体重量，实现车轮的轻量化，从而显著节能减排。
本方案通过优化结构设计和优化的热成形工艺保证车轮的刚度和疲劳寿命，通过优化的喷丸工艺保证车轮的表面质量并提高车轮的疲劳性能，以尽可能减少热影响区的方式进行焊接，优化获得高强度下的焊接工艺，充分保证车轮的超高强度和耐疲劳性能。
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种超高强度轻量化商用车钢制车轮的制造方法，所述钢制车轮包括固定连接的轮辋和轮辐，其特征在于：具体包括如下步骤：
S1预成形：将轮辋和轮辐钢板分别预成形加工为轮辋和轮辐毛坯；
S2热成形：将S1所得毛坯在880～930℃的温度下热成形为轮辋和轮辐成品；
S3车轮总成：将S2所得轮辋和轮辐成品装配形成钢制车轮；
在S1中，所述钢板为钨钼铌钒复合微合金钢，钨钼铌钒复合微合金钢包括如下重量百分比的原料：钨（W）0.05～0.15%，钼（Mo）0.05～0.2%，铌（Nb）0.02～0.04%，钒（V）0.02～0.04%，碳(C)0 .22～0 .28％，锰(Mn)0 .8～1 .2％，稀土合金(Re)≤0 .05％，铝(Al)≥0.02％，铬(Cr)0 .2～0 .4％，硼(B)0 .0005～0 .0035％，硅(Si)0 .2～0 .3％，硫(S)≤0.005％，磷(P)≤0 .01％，钛(Ti)0 .03～0 .04％，铁余量；
在S1中，所述预成形毛坯，是通过精确计算加热时的热膨胀和相变时的体积变化确定模具和轮辋的的合理尺寸，将钢材先制成轮辋毛坯，使得毛坯具有成品的尺寸形状；在S1中，所述轮辋预成形包括卷圆焊接、焊缝加工、扩口、滚压成形及气门孔平台成形；所述轮辐预成形包括旋压成形、冲孔加工及机械加工；
在S2中，所述热成形是根据通过精确计算加热时的热膨胀和相变时的体积变化结果，确定毛坯在880～930℃温度下的热成形工序中只需一步在模具中定型和冷却即可快速成形得到成品；
在S3中，所述焊接为采用激光焊接对轮辋和轮辐的配合面进行圆周满焊，焊接位置为车轮正面轮辐和轮辋夹缝配合面处，激光焊接设备功率5～11千瓦，激光焊接速度2～4m/min；所述车轮激光焊接的焊接区的熔深≥4mm，焊缝的熔宽最大1～3mm，热影响区的宽度≤0 .5mm。
2.根据权利要求1所述的一种超高强度轻量化商用车钢制车轮的制造方法，其特征在于，在S2中，所述轮辋加热时间为240～500秒，轮辐加热时间为400～1000秒。
3.根据权利要求2所述的一种超高强度轻量化商用车钢制车轮的制造方法，其特征在于：在S3中，所述装配包括轮辋和轮辐的配合、焊接和喷丸。
4.根据权利要求3所述的一种超高强度轻量化商用车钢制车轮的制造方法，其特征在于：在S2中，所述轮辋热冲压成形步骤包括：将S1所得轮辋毛坯加热至880～930℃，保温5～10min后转移至热成形模具中，压机合模后通水淬火，冷却至150℃～250℃时停止冷却，即得轮辋成品；所述轮辐热冲压成形步骤包括：将S1所得轮辐毛坯加热至880～930℃，保温8～15min后转移至热成形模具中，压机合模后通水淬火，冷却至150～200℃即得轮辐成品。
5.根据权利要求4所述的一种超高强度轻量化商用车钢制车轮的制造方法，其特征在于：在S3中，所述轮辋和轮辐的配合为将热成形的轮辋套到轮辐周壁大直径端部，二者之间采用过盈配合，轮辐周壁的外径和轮辋配合面的内径间的过盈量≤1mm。
6.根据权利要求5所述的一种超高强度轻量化商用车钢制车轮的制造方法，其特征在于：在S3中，所述喷丸的丸粒直径在0.4～0.7mm的占比60%，0.8～1.0mm占比40%，丸粒流量140kg/min，喷丸叶轮转速2500r/min，喷丸时间80～120秒。
7.根据权利要求6所述的一种超高强度轻量化商用车钢制车轮的制造方法，其特征在于：在S3中，所述喷丸还包括测试阶段，按美国SAEJ441,442a，J443，1980，标准进行测试，所得钢制车轮的喷丸强度用A试片（Arman）测量变形量测量值为0.6～0.72。
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