CN115637385A - 一种高强汽车轮辋用钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强汽车轮辋用钢，按重量百分比计包括以下成分：C 0.06～0.09％、Si 0.05～0.15％、Mn 1.50～1.70％、P≤0.020％、S≤0.008％、Nb 0.04～0.06％、Ti 0.040～0.050％、Als 0.015～0.050％、N≤0.0050％，余量为Fe及不可避免的杂质，满足碳当量CEV≤0.38％，焊接裂纹敏感指数Pcm≤0.18％。本发明还涉及一种高强汽车轮辋用钢的制备方法，高强汽车轮辋用钢的成分冶炼成板坯，再将所述板坯依次进行加热、粗轧、精轧、层流冷却和卷取后，得到高强汽车轮辋用钢。本发明通过合理的合金成分和生产工艺设计，实现了高强度、高塑性和优良的焊接性能、成形性能，产品的生产方法简单、综合性能优异，具有很好的应用前景。

Description

一种高强汽车轮辋用钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及热连轧板带生产技术领域，尤其是一种高强汽车轮辋用钢以及一种高强汽车轮辋用钢的制备方法。

技术背景

随着人类对环境和资源的重视，轻型、节能、环保、安全、低成本成为了汽车制造业的新目标。汽车车轮一类的旋转零件减轻重量带来的节能效果是非旋转零件的1.2～1.3倍，同时汽车车轮是汽车行驶系统中重要的安全部件，起着承载、转向、驱动、制动等作用，故汽车车轮的技术发展方向是在保证可靠性和安全性的前提下，尽可能减轻其质量，因此对汽车车轮用钢的强度、成形性能、焊接性能等提出了越来越高的要求，因此对于高性能汽车车轮用钢的研发尤为重要。

公布号为CN112080689A的中国专利申请公开了一种车轮用钢及其制备方法，由以下重量百分比计的组分组成：C0.055～0.070％，Si0.70～0.85％，Mn1.45～1.55％，P≤0.015％，S≤0.002％，Al 0.030～0.050％，N≤0.045％，O≤0.0020％，Cr和Nb的总含量为0.20％～0.40％，余量为Fe及不可避免的杂质。该专利所述车轮钢添加了较高含量的Si元素，容易使产品的表面质量和焊接性能下降；N和O含量较低，提高了冶炼难度；同时，该专利为了保证性能需要通过Cr元素的添加、采用间断冷却方式以及450～550℃的卷取温度以得到铁素体+贝氏体组织，其工艺更复杂。

公布号为CN112281051A的中国专利申请公开了一种厚度10mm以上690MPa级热轧车轮钢及其制造方法，由以下重量百分比计的组分组成：C0.05～0.08％，Si0.03～0.15％，Mn1.3～1.5％，P≤0.020％，S≤0.005％，Nb 0.01～0.03％，Ti 0.03～0.05％，Cr≤0.30％，Mo 0.01～0.04％，Alt 0.02～0.05％，N≤0.006％，余量为Fe及不可避免的杂质。该专利所述车轮钢添加了Nb、Ti、Cr、Mo等元素，合金成分复杂，增加了合金成本和冶炼难度；采用分段冷却模式和400～500℃的卷取温度以得到铁素体+珠光体+贝氏体的复相组织，工艺控制难度大；同时，该专利产品厚度为10mm以上，适用于商用车轮辐。

公布号为CN11500924A的中国专利申请公开了一种高强车轮钢及其生产方法，由以下重量百分比计的组分组成：C0.05～0.12％，Si0.01～0.25％，Mn1.50～2.00％，P≤0.015％，S≤0.006％，Nb 0.03～0.09％，Ti 0.015～0.080％，Mo≤0.30％，Cu≤0.30％，Ni≤0.30％，Cr≤0.30％，余量为Fe及不可避免的杂质。该专利所述车轮钢添加了Nb、Ti、Mo、Cr、Ni、Cu等元素，合金成分复杂，显著增加了合金成本和冶炼难度，且其冷却方式为超快冷，对工艺装备和工艺控制要求较高。

发明内容

为解决上述技术问题本发明提供一种具有优秀成形性能和焊接性能的高强汽车轮辋用钢。

为实现上述目的，本发明提供一种高强汽车轮辋用钢，按重量百分比计包括以下成分：C 0.06～0.09％、Si 0.05～0.15％、Mn 1.50～1.70％、P≤0.020％、S≤0.008％、Nb0.04～0.06％、Ti 0.040～0.050％、Als 0.015～0.050％、N≤0.0050％，余量为Fe及不可避免的杂质，满足碳当量CEV≤0.38％，焊接裂纹敏感指数Pcm≤0.18％；其中，

CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，

Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B；

CEV_，Pcm计算式中的元素符号为对应元素的质量百分含量。

进一步地，上述技术方案中，高强汽车轮辋用钢的屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥700MPa，断后伸长率≥20％。

进一步地，上述技术方案中，高强汽车轮辋用钢的厚度为2.0～6.0mm。

进一步地，上述技术方案中，高强汽车轮辋用钢的内部显微组织为铁素体+珠光体；其体积分数为铁素体90～95％，珠光体5～10％。

本发明还公开了一种高强汽车轮辋用钢的制备方法，将上述技术方案中高强汽车轮辋用钢的成分冶炼成板坯，再将所述板坯依次进行加热、粗轧、精轧、层流冷却和卷取后，得到高强汽车轮辋用钢；卷取步骤中卷取温度为600～640℃。

进一步地，在上述技术方案中，所述加热步骤中，加热温度为1200～1240℃，加热时间为190～400min。

进一步地，在上述技术方案中，所述粗轧步骤中，经过6道次粗轧，每道次变形量≥18％，中间坯厚度为35～38mm。

进一步地，在上述技术方案中，所述精轧步骤中，经过7道次精轧，后三机架压下率分别为≥17％、≥13％和≥10％，精轧开轧温度≤1050℃，终轧温度850～890℃。

又进一步地，在上述技术方案中，所述层流冷却步骤中，采用前段冷却模式，冷却速度为≥80℃/s。

本发明中各元素及主要工序的作用及机理：

碳：碳是钢中有效的强化元素，可以溶入基体中起到固溶强化的作用，且能够与Nb、Ti结合形成碳化物析出粒子，起到细晶强化和沉淀强化的作用，提高碳含量，对提高强度有利，但是过高的碳含量会在钢中形成较多粗大脆性的碳化物颗粒，对塑性和韧性不利，碳含量过高还会在钢板中心偏析带，对弯曲性能成型性不利，同时过高的碳含量增加焊接碳当量和焊接裂纹敏感指数，不利于焊接加工；因此本发明中C的取值范围设定为0.06～0.09％。

硅：硅在钢中具有较高的固溶度，有利于细化锈层组织，降低钢整体的腐蚀速率，提高韧度，但含量过高会使轧制时除鳞困难，还会导致焊接性能下降。因此本发明中Si的取值范围设定为0.05～0.15％。

锰：锰具有较强的固溶强化作用，能显著降低钢的相变温度，细化钢的显微组织，是重要的强韧化元素，但Mn含量过多时连铸过程容易产生铸坯裂纹，同时可能造成钢板心部成分偏析，还会降低钢的焊接性能；因此本发明中Mn的取值范围设定为1.50～1.70％。

磷和硫：磷和硫元素会对钢板组织性能产生不利影响，P含量过高会显著降低钢的塑性及低温韧性，S会形成硫化物夹杂使钢的性能恶化；因此本发明中P和S的取值范围设定为P≤0.020％，S≤0.008％。

铌：铌能钉扎奥氏体晶界从而阻止晶粒长大，最终细化晶粒，有利于提高冲击韧性，但细晶强化使屈服强度上升更明显，导致屈强比升高，且Nb含量过高增加生产成本；因此本发明中Nb的取值范围设定为0.04～0.06％。

钛：Ti与C、N形成的Ti(C,N)析出物，能够有效细化奥氏体晶粒、以及抑制焊接过程中粗晶区的组织粗化，同时可产生沉淀强化效果。提高Ti元素含量可提高Ti(C,N)析出物体积分数，但Ti或N元素含量过高容易形成微米级的TiN，导致成形性能、疲劳性能下降；因此本发明中Ti的取值范围设定为Ti 0.040～0.050％，N≤0.0050％。

铝：铝加入钢中起脱氧的作用，可改善钢质，但是Al含量过高，其氮氧化物容易在奥氏体晶界析出导致铸坯裂纹产生；因此本发明中Als的取值范围设定为0.015～0.050％。

本发明还公开了上述高强汽车轮辋用钢的制备方法，按照上述内容中所述的高强汽车轮辋用钢的成分冶炼成板坯，再将所述板坯依次进行加热、粗轧、精轧、层流冷却和卷取后，得到高强汽车轮辋用钢。

进一步具体到加热步骤中，将板坯在蓄热式加热炉中进行加热，对板坯进行加热是为了对铸态组织和成分偏析起到均匀化作用，同时使合金元素固溶，但加热温度过高、加热时间过长会出现烧损、过热、过烧等问题。因此本发明中在加热步骤中设定加热温度为1200～1240℃，加热时间为190～400min。

进一步具体到粗轧步骤中，粗轧需要达到足够的变形量以保证奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒，防止出现混晶组织；若中间坯厚度太大，粗轧变形量可能不足，且精轧轧制负荷增大，若中间坯厚度太小，则精轧变形量可能不足。因此本发明中设定粗轧步骤中经过6道次粗轧，每道次变形量≥18％，中间坯厚度为35～38mm。

进一步具体到精轧步骤中，精轧后三机架基本处于奥氏体未再结晶区轧制，采用大的变形率，可将已经过在再结晶区轧制、有了一定程度细化的奥氏体晶粒压扁和拉长，增加单位体积中奥氏体的晶界面积，同时在晶内还会产生大量的变形带和高密度位错，从而提高铁素体形核率，使相变后得到细小的组织；若精轧开轧温度太高，则精轧过程在奥氏体未再结晶区的变形量不足，不利于组织细化；若终轧温度太低，则与开轧温度相差太大，使精轧过程冷速过快，且存在精轧后几机架在两相区轧制的风险，产品综合性能差；若终轧温度太高，则未再结晶区变形量不足，不利于最终组织细化。因此本发明中设定精轧步骤中经过7道次精轧，后三机架压下率分别为≥17％、≥13％和≥10％，精轧开轧温度≤1050℃，终轧温度850～890℃。

具体到层流冷却步骤中，采用前段冷却模式可实现较大的过冷度从而使最终组织细化，同时有利于析出细小弥散的第二相，增强细晶强化和沉淀强化效果。因此本发明采用前段冷却模式。

具体到卷取步骤中，若卷取温度太低，则会使冷却过程中的冷速太大从而导致异常组织产生，同时会抑制TiC在铁素体中的过饱和析出使TiC粒子的体积分数减少；若卷取温度太高，则会使晶粒粗大，同时会使TiC粒子粗化。由于析出相的沉淀强化增量与其粒子的体积分数和尺寸有关，随着析出粒子体积分数的增大和尺寸的减小，沉淀强化增量增大，因此，选择一个合适的卷取温度区间，通过卷取阶段Ti元素在铁素体中过饱和析出形成的弥散分布的纳米级TiC粒子，可显著提高Ti元素的沉淀强化效果。因此本发明中设定卷取温度为600～640℃。

有益效果

本发明通过添加Nb、Ti元素来发挥细晶强化和析出效果，尤其是卷取阶段Ti元素在铁素体中过饱和析出形成的弥散分布的纳米级TiC粒子，在实现产品高强度性能的同时保证了产品具有良好的成形性能；通过控制C、Si、Mn元素的含量，降低了产品的碳当量和焊接裂纹敏感指数，同时通过添加Ti元素在焊接过程中通过其析出物抑制热影响区组织粗化，使得最终产品具有良好的焊接性能。采用本发明的成分及其制备方法制备的汽车车轮用钢的屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥700MPa，断后伸长率≥20％，实现了高强度和优良的塑性。

附图说明

图1为本发明实施例1所制备高强汽车轮辋用钢的金相组织图。

图2为本发明实施例1所制备高强汽车轮辋用钢中弥散分布的纳米级TiC析出相形貌图(a)及能谱分析图(b)。

具体实施内容

为了便于理解本发明，下面结合实施例对本发明进行进一步的说明。

本发明所公开的高强汽车轮辋用钢，按重量百分比计包括以下成分：C 0.06～0.09％、Si 0.05～0.15％、Mn 1.50～1.70％、P≤0.020％、S≤0.008％、Nb 0.04～0.06％、Ti 0.040～0.050％、Als 0.015～0.050％、N≤0.0050％，余量为Fe及不可避免的杂质。

为了进一步理解本发明，提供两组采用本发明所述高强汽车轮辋用钢的成分及制备方法的实施例以及两组对比例进行对比说明。

以下实施例和对比例的冶炼步骤为铁水预处理→转炉冶炼→炉后吹氩→LF→RH→板坯连铸，最终得到板坯。

测试方法：

所述汽车轮辋用钢的屈服强度、抗拉强度以及断后伸长率按《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1-2021)测试；

所述汽车轮辋用钢的碳当量CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，焊接裂纹敏感指数Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。

实施例1

一种高强汽车轮辋用钢，其化学成分见表1，余量为Fe及不可避免的杂质。

一种高强汽车轮辋用钢的制备方法。将冶炼得到的板坯继续加工，依次进行加热、粗轧、精轧、层流冷却和卷取，具体加工工艺为：加热温度为1210℃，加热时间为240min；经过6道次粗轧，每道次变形量≥18％，中间坯厚度为36mm；经过7道次精轧，后三机架压下率分别≥17％、≥13％和≥10％，精轧开轧温度为1020～1040℃，终轧温度为860～880℃；轧后进行层流冷却，采用前段冷却模式，冷却速度为80℃/s，冷却至目标卷取温度，卷取温度为630～640℃，钢板成品厚度5.0mm。内部显微组织为铁素体+珠光体，铁素体体积分数为95％，珠光体体积分数为5％，金相显微组织如图1所示，组织均匀细小；如图2所示钢板的组织中弥散分布着大量的纳米级TiC粒子，沉淀强化效果显著。

实施例2

一种高强汽车轮辋用钢，其化学成分见表1，余量为Fe及不可避免的杂质。

一种高强汽车轮辋用钢的制备方法。将冶炼得到的板坯继续加工，依次进行加热、粗轧、精轧、层流冷却和卷取，具体加工工艺为：加热温度为1230℃，加热时间为220min；经过6道次粗轧，每道次变形量≥18％，中间坯厚度为37mm；经过7道次精轧，后三机架压下率分别≥17％、≥13％和≥10％，精轧开轧温度为1020～1030℃，终轧温度为850～870℃；轧后进行层流冷却，采用前段冷却模式，冷却速度为95℃/s，冷却至目标卷取温度，卷取温度为610～630℃，钢板成品厚度3.0mm；内部显微组织为铁素体+珠光体，铁素体体积分数为92％，珠光体体积分数为8％。

对比例1

一种汽车轮辋用钢，其化学成分见表1，余量为Fe及不可避免的杂质。

一种汽车轮辋用钢的制备方法。将冶炼得到的板坯继续加工，依次进行加热、粗轧、精轧、层流冷却和卷取，具体加工工艺为：加热温度为1210℃，加热时间为250min；经过6道次粗轧，每道次变形量≥18％，中间坯厚度为37mm；经过7道次精轧，后三机架压下率分别≥17％、≥13％和≥10％，精轧开轧温度为1020～1030℃，终轧温度为860～880℃；轧后进行层流冷却，采用前段冷却模式，冷却速度为90℃/s，冷却至目标卷取温度，卷取温度为550～580℃，钢板成品厚度4.0mm；内部显微组织为铁素体+珠光体，铁素体体积分数为90％，珠光体体积分数为10％。

对比例2

一种汽车轮辋用钢，其化学成分见表1，余量为Fe及不可避免的杂质。

一种汽车轮辋用钢的制备方法。将冶炼得到的板坯继续加工，依次进行加热、粗轧、精轧、层流冷却和卷取，具体加工工艺为：加热温度为1210℃，加热时间为230min；经过6道次粗轧，每道次变形量≥18％，中间坯厚度为36mm；经过7道次精轧，后三机架压下率分别≥17％、≥13％和≥10％，精轧开轧温度为1020～1040℃，终轧温度为850～880℃；轧后进行层流冷却，采用前段冷却模式，冷却速度为90℃/s，冷却至目标卷取温度，卷取温度为650～660℃，钢板成品厚度4.2mm；内部显微组织为铁素体+珠光体，铁素体体积分数为95％，珠光体体积分数为5％。

对比例3

一种汽车轮辋用钢的制备方法。将冶炼得到的板坯继续加工，依次进行加热、粗轧、精轧、层流冷却和卷取，具体加工工艺为：加热温度为1220℃，加热时间为210min；经过6道次粗轧，每道次变形量≥18％，中间坯厚度为42mm；经过7道次精轧，后三机架压下率分别≥17％、≥13％和≥10％，精轧开轧温度为1030～1050℃，终轧温度为860～880℃；轧后进行层流冷却，采用前段冷却模式，冷却速度为80℃/s，冷却至目标卷取温度，卷取温度为600～630℃，钢板成品厚度4.5mm；内部显微组织为铁素体+珠光体，铁素体体积分数为93％，珠光体体积分数为7％。

对比例4

一种汽车轮辋用钢的制备方法。将冶炼得到的板坯继续加工，依次进行加热、粗轧、精轧、层流冷却和卷取，具体加工工艺为：加热温度为1220℃，加热时间为220min；经过6道次粗轧，每道次变形量≥18％，中间坯厚度为43mm；经过7道次精轧，后三机架压下率分别≥17％、≥13％和≥10％，精轧开轧温度为1030～1050℃，终轧温度为850～870℃；轧后进行层流冷却，采用前段冷却模式，冷却速度为80℃/s，冷却至目标卷取温度，卷取温度为590～620℃，钢板成品厚度4.5mm；内部显微组织为铁素体+珠光体，铁素体体积分数为91％，珠光体体积分数为9％。

采用上述冶炼方法得到两组实施例和两组对比例的钢坯，钢坯的具体成分如表1所示，实施例与对比例1、2的合金成分相近，对比例3的Ti含量较低，对比例4采用Cr-Nb-Ti微合金化方式。

表1实施例和对比例的化学成分的质量百分比/wt％

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Nb	Ti	Als	N	CEV/％	Pcm/％
													实施例1	0.07	0.08	1.55	0.010	0.003		0.05	0.042	0.026	0.0032	0.33	0.15
实施例2	0.08	0.13	1.62	0.015	0.003		0.06	0.047	0.032	0.0035	0.35	0.17
													对比例1	0.07	0.10	1.58	0.012	0.007		0.05	0.042	0.025	0.0037	0.33	0.15
对比例2	0.08	0.09	1.56	0.015	0.005		0.05	0.045	0.030	0.0040	0.34	0.16
													对比例3	0.07	0.13	1.45	0.009	0.003		0.053	0.029	0.026		0.31	0.15
对比例4	0.06	0.09	1.52	0.011	0.002	0.19	0.044	0.030	0.035		0.35	0.15

由以上实施例和对比例的制备方法可知，对比例1的卷取温度较低，对比例2的卷取温度较高，具体的力学性能测试结果如表2所示。

表2实施例和对比例的性能测试结果

	厚度/mm	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断后伸长率/％
					实施例1	5.0	630	705	25.5
实施例2	3.0	663	734	24.5
					对比例1	4.0	599	656	25.0
对比例2	4.2	585	650	26.0
					对比例3	4.5	615	681	24.0
对比例4	4.5	609	678	20.0

结合三组实施例和两组对比例的制备方法，根据表1化学成分和表2所得实施例和对比例的性能测试结果可知，本发明所公开的高强汽车轮辋用钢及其制备方法，通过合理的合金成分和生产工艺设计，实现了高强度、高塑性和优良的焊接性能、成形性能，产品的生产方法简单、综合性能优异，具有很好的应用前景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高强汽车轮辋用钢，其特征在于，按重量百分比计包括以下成分：C 0.06～0.09％、Si 0.05～0.15％、Mn 1.50～1.70％、P≤0.020％、S≤0.008％、Nb 0.04～0.06％、Ti 0.040～0.050％、Als 0.015～0.050％、N≤0.0050％，余量为Fe及不可避免的杂质，满足碳当量CEV≤0.38％，焊接裂纹敏感指数Pcm≤0.18％；其中，

CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，

Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B；

CEV_，Pcm计算式中的元素符号为对应元素的质量百分含量。

2.根据权利要求1所述高强汽车轮辋用钢，其特征在于，所述高强汽车轮辋用钢的屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥700MPa，断后伸长率≥20％。

3.根据权利要求1所述高强汽车轮辋用钢，其特征在于，所述高强汽车轮辋用钢的厚度为2.0～6.0mm。

4.根据权利要求1所述高强汽车轮辋用钢，其特征在于，所述高强汽车轮辋用钢的内部显微组织为铁素体+珠光体；其体积分数为铁素体90～95％、珠光体5～10％。

5.根据权利要求1～4任意一项所述高强汽车轮辋用钢的制备方法，其特征在于，按照所述的高强汽车轮辋用钢的成分冶炼成板坯，再将所述板坯依次进行加热、粗轧、精轧、层流冷却和卷取后，得到高强汽车轮辋用钢；所述卷取步骤中卷取温度为600～640℃。

6.根据权利要求5所述高强汽车轮辋用钢的制备方法，其特征在于，所述加热步骤中，加热温度为1200～1240℃，加热时间为190～400min。

7.根据权利要求5所述高强汽车轮辋用钢的制备方法，其特征在于，所述粗轧步骤中，经过6道次粗轧，每道次变形量≥18％，中间坯厚度为35～38mm。

8.根据权利要求5所述高强汽车轮辋用钢的制备方法，其特征在于所述精轧步骤中，经过7道次精轧，后三机架压下率分别为≥17％、≥13％和≥10％，精轧开轧温度≤1050℃，终轧温度850～890℃。

9.根据权利要求5所述高强汽车轮辋用钢的制备方法，其特征在于，所述层流冷却步骤中，采用前段冷却模式，冷却速度为≥80℃/s。

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