一種500Mpa級汽車高強車輪鋼及其CSP工藝生產方法與流程

2023-10-09 05:22:44 2

本發明屬於技術冶煉、鑄造領域，涉及一種500mpa級汽車高強車輪鋼及其csp工藝生產方法。

背景技術：

近年來，我國汽車行業高速發展，2013年-2015年連續3年，我國汽車總產量超過2200萬輛，隨之為國內鋼質車輪行業的發展提供了難得的契機。查閱相關統計數據，2012年至今，鋼質車輪約佔車輪總生產量的25%，年需求量4000萬件以上，車輪鋼年需求量在120～150萬噸。

車輪是汽車重要的行駛部件和安全件，在汽車全壽命周期內，車輪需在環境嚴酷的條件（灰塵、溫度變化、汙水、石擊等）下，承受應變載荷和衝擊載荷。因此，整車企業對車輪製造商提出了苛刻的強度和壽命要求。鋼質車輪由2個零件組成，即輪輞和輪輻，通過焊接連接。

輪輞與輪胎組成密閉「氣囊」，支撐並緩衝地面傳遞的力；輪輻的旋壓減薄及衝壓成型性能是關鍵，因此，要求鋼中需嚴格控制c、s、p含量及氧、氮氣體含量，通過添加微合金提高強度，同時還需特殊的軋制工藝降低屈強比，提高延伸率，滿足輪輞和輪輻的複雜加工製造工藝。

csp產線與常規熱連軋相比，有著流程短、能耗低、投資少，生產效率高效、生產相同鋼級所用合金成本低、晶粒度細小、薄規格板形優良等優點。工藝窗口窄是csp產線的缺點，如：生產中高碳鋼及包晶鋼難度大；由於薄板坯連鑄工藝拉速快，夾雜物控制難度大；由於設備裝本能力限制，800mpa鋼級生產難度大；部分csp產線由於沒有粗軋機組且層流冷卻段短，控軋控冷工藝不能有效發揮。

近年來，國內外已有生產汽車車輪鋼製造方法，但研究的焦點主要集中在500mpa級以下、或採用常規熱連軋工藝生產。例如申請號為200810026023.4的發明專利，公開了一種採用：c:0.04～0.07wt%、si:0.02～0.10wt%、mn：0.6～1.2wt%、nb:0.01～0.03wt%、al:0.025～0.05wt%、ti：0.01～0.03wt%，採用csp工藝得到抗拉強度為400～480mpa的汽車車輪鋼的方法。申請號為201410786436.8的發明專利，公開了一種採用：c:0.05～0.09%、si:0.01～0.30%、mn:0.80～1.20%、alt：0.02～0.06%、cr:0.20～0.6%、ti:0.008～0.03%、p：0.03～0.06%、s≤0.005%，n≤0.006%，採用常規熱連軋工藝生產的抗拉強度為550mpa級熱軋輪輞用鋼（雙相組織），厚度規格為6mm。

上述專利生產的汽車車輪用鋼，普遍存在：合金加入量大，合金成本高，強度偏低；工藝裝備條件要求苛刻，設備投入費用高（雙相鋼需增加超快冷設備）不能大範圍應用推廣等問題。。

技術實現要素：

為解決以上的技術問題，本發明提出一種500mpa級汽車高強車輪鋼及其csp工藝生產方法。

本發明所採用的技術方案是：一種500mpa級汽車高強車輪鋼，該鋼種的化學成分按重量百分比為：c：0.04～0.07%、si≤0.30%、mn：0.8～1.0%；p≤0.015%、s≤0.010%、nb：0.02～0.03%、als：0.020～0.045%；其它為fe及不可避免的夾雜元素。

進一步的，該鋼種的化學成分按重量百分比為：c：0.045～0.065%、si≤0.25%、mn：0.85～0.95%、p≤0.012%、s≤0.007%、nb：0.023～0.027%、als：0.020～0.035%；其它為fe及不可避免的夾雜元素。

500mpa級汽車高強車輪鋼的csp工藝生產方法，包括以下步驟：

鐵水預處理——轉爐冶煉——lf——連鑄連軋，其中連鑄連軋包括：板坯澆鑄、加熱、除鱗、軋制、層流冷卻、卷取。

上述的500mpa級汽車高強車輪鋼及其csp工藝生產方法，連鑄連軋具體包括以下步驟：

1、連鑄：鋼水通過鋼包底部的滑動水口進入中間包，中間包的鋼水溫度為1540～1560℃，連鑄拉速：4.2～4.6m/s，板坯厚度：58mm或70mm。

2、加熱：連鑄坯經過二冷段冷卻進入均熱加熱爐，連鑄坯入爐溫度為930～980℃，加熱溫度為1130～1180℃，連鑄坯在加熱爐內的停留時間為15～20分鐘，出爐溫度控制在1150～1170℃。

3、除鱗：入口壓力≥20mpa，出口壓力≥30mpa，產品厚度≤3.5mm時不投用二次除鱗。

4、熱連軋：連鑄坯出均熱爐後，經一次高壓水除鱗進入6機架連軋機組進行軋制，開軋溫度為980～1020℃，終軋溫度為850～870℃；f1/f2機架後二次除鱗水關閉，f1～f3機架間冷卻水控制在0～70m3/h；各道次的道次壓下率及軋制溫度分別為：f1：48～60%,980～1020℃；f2：43～55%,950～990℃；f3:38～50%,930～960℃；f4：33～38%,900～930℃；f5:23～30%,880～900℃；f6:15～18%,860～880℃；6機架軋制速率分別為：f1：0.5～0.6m/s；f2：1.07～1.2m/s；f3：1.7～2.5m/s；f4：2.46～4.2m/s；f5：3.0～5.3m/s；f6：3.5～6.3m/s。

5、層流冷卻：帶鋼出f6末機架後，經多功能儀檢測（寬度測量、厚度測量、溫度測量、板形測量），進入8段層流冷卻段冷卻，層流冷卻模式選用分階段分散冷卻；層流冷卻水系統水流量大於3800m3/h，系統壓力大於0.7bar，粗調段每根集管水量控制在90～110m3/h，精粗調段每根集管水量控制在45～55m3/h，粗調段冷卻速率為70～160℃／s；層流冷卻前段集中冷卻，第1～2組集管全部開啟，微調段第8組集管後段全部打開，結合目標卷取溫度及軋制規格，開啟順序為：第7組、第6組由後向前，依次間隔打開，需要繼續增加冷卻水量時，第3組集管由前至後，依次連續開啟，第4、5組集管不開啟，要求空冷。

6、卷取：採用二級psc模型設定的卷取張力，卷取溫度為500～530℃。

本發明中各合金元素的作用如下：

c:提高鋼帶強度的重要元素，碳含量太低不能有效發揮其強化作用，需要增加合金元素，造成合金成本增加，碳含量過高，對於薄板坯連鑄連軋工藝，會進入包晶區，增加連鑄漏鋼風險，同時降低了鋼材的可焊接性能和冷加工性能（衝壓）性能，因此確定了碳含量控制範圍為：0.045～0.065%。

si：脫氧元素，是重要的固溶強化元素，同時增加鋼液的流動性，矽含量過高容易使帶鋼表面出現「紅繡」缺陷，且降低伸長率，因此確定了si含量控制範圍為：小於0.25%。

mn：可以提高矽和氧的脫氧效果，可以同s形成硫化錳，很大程度上降低硫在鋼中的危害，能提高熱軋後鋼材的硬度和強度，起到固溶強化作用，錳含量過低造成奧氏體穩定性和強度不足，過高會影響鋼的塑形和焊接性能下降（含量大於1%時），並經過試驗的得出結論，當錳含量高於1.0%時，其固溶強化作用減弱，因此確定了錳含量控制範圍為：0.85～0.95%。

s：最大危害是引起鋼材在加工過程時開裂，即熱脆，對成形性能和疲勞性能影響較大，因此確定了s含量控制範圍為：小於0.007%。

p：磷能提高鋼的強度，但使鋼的塑形和韌性降低，特別是使鋼的脆性轉折溫度急劇上升，即冷脆，同時，磷有較大的偏析，因此，要嚴格控制磷含量（小於0.012%）。

nb：鈮和碳、氮、氧都有極強的結合力，並與之形成相應的極為穩定的化合物，因而能細化晶粒，降低鋼的過熱敏感性和回火脆性，具有極好的抗氫性能，提高鋼材的強度，改善鋼材焊接性能，增加韌性，與鈦相比，冶煉過程中具有較高的收得率（95～100%），氧化燒損小，冶煉過程成分控制精度高，力學性能穩定，同級鋼帶，塑形指標及冷加工成型性能優於含鈦鋼，因此確定了鈮含量控制範圍為：0.023～0.027%。

al：用作煉鋼時的脫氧定氮劑，細化晶粒，抑制低碳鋼的時效，改善鋼在低溫時的韌性，特別是降低了鋼的脆性轉變溫度，提高鋼的抗氧化性能，含鋁量鋼的韌性降低，因此確定了als含量控制範圍為：0.020～0.035%。

嚴格控制連鑄拉速及板坯厚度，目的為使中包及結晶器內鋼水中的夾雜物有充分時間上浮，同時避免漏鋼風險，嚴格控制板坯厚度，可保證前機架的壓下率，大壓下可達到細化晶粒的目的，同時合適的道次壓下率可達到改善板形質量，提高薄規格高強鋼的軋制穩定性。

嚴格控制板坯入爐溫度主要是一方面是為了降低能耗，另一目的是防止含nb鋼連鑄坯邊部出現邊裂質量缺陷；嚴格控制加熱溫度是為了防止溫度過低時，軋制過程變形抗力過大，溫度過高時，含鈮鋼初始奧氏體晶粒越大，但溫度高於1250℃時，晶粒出現粗話，且強度指標增加變緩，延伸率下降；加熱溫度的高低及保溫時間的長短影響nb的碳氮化物的固溶，最終影響到終軋奧氏體的晶粒大小，從而影響到產品組織及力學性能。結合csp產線特點，出爐溫度設定為1150～1170℃。

嚴格控制除鱗壓力，為了保證產品表面質量，對於厚度≤3.5mm時不投用二次除鱗，是為了控制軋制速度，提高軋制穩定性。

嚴格控制軋制道次及壓下率，因為csp生產線生產的連鑄坯出加熱爐後直接進入精軋機組，在1020～860℃的範圍進行軋制，無法避免在部分再結晶區範圍內軋制而造成混晶。而板厚較厚的鋼板因變形量有限，發生部分再結晶，晶粒長大不均而形成混晶。因此控制2.5～4.0mm產品中存在混晶現象是生產具有良好成形性能高強車輪鋼的關鍵。微合金元素nb能顯著抑制奧氏體再結晶，0.025%nb可使低碳鋼奧氏體的再結晶溫度提高至950℃。因此f1、f2軋制採用高溫（≥950℃）大變形量變形（≥45%），就是為了使其發生奧氏體完全再結晶，這樣可以保證奧氏體由鑄態枝晶向等軸晶轉變，並促成等軸晶的均勻細化。

嚴格控制機架間冷卻水：對於h≤3.5mm以下規格，關閉f1～f3機架間冷卻水，減小f1-f2機架間的溫降，確保f2仍在完全再結晶區軋制；對於h＞3.5mm規格，開啟水量按機架對應最大流量的50%、40%、30%開啟，加快帶鋼冷卻，已達到晶粒細化的目的，彌補相同化學成分下厚規格產品強度偏低的問題。

嚴格控制軋制速率：對於h≤3.5mm以下規格，關閉機架間冷卻水及二次除鱗，可降低軋制速率，使帶鋼在高溫下的回覆時間延長，使得形變儲能釋放，降低形核率，即達到適當控制晶粒細化，降低強度的目的；對於h＞3.5mm規格，開啟機架間冷卻，加快f4～f6機架的軋制速率則可細化晶粒，在層流冷卻段縮短冷卻時間，加快冷卻速率，有利於相變的密集形核，防止晶粒長大，提高強度。

終軋溫度：較低的終軋溫度，可使奧氏體的回覆程度較小，其應變累積效果更好，鐵素體形核密度更大，從而達到細晶的目的，同時，可減小含nb鋼的後機架軋制過程中出現混晶的概率，提高強度指標。

卷取溫度：控制500～530℃溫度卷取，主要是為在本發明要求的合金含量範圍內，充分發揮設備能力，運用控制控冷技術，兼顧鋼帶板形質量的前提下，降低生產成本。

層流冷卻：採用前段快冷，並將集管水量調至最大，增大冷卻速率，就是為了增加奧氏體轉變的驅動力，加速相變過程，在鐵素體晶核未完全長大時，相變已完成，從而得到細小的鐵素體晶粒；通過中間段的空冷，使得鋼帶在厚度方向的冷卻更加通透，實現了再結晶退火與回火相結合的調質過程，使相變後的的晶粒更趨於均勻，最終產品的硬度降低，塑形和韌性提高；通過微調段的緩慢冷卻，組織晶粒長大，並保證產品的力學性能指標達到要求。

通過以上的優化組合，本發明所述的一種500mpa級汽車高強車輪鋼及其csp工藝生產方法，具有工藝簡單、生產成本低、產品力學性能穩定等優點。生產的500mpa級高強汽車車輪用鋼採用低c、s、p和nb微合金化設計，通過以上介紹的特殊控軋控冷工藝，屈服及抗拉強度波動小於30mpa，延伸率大於32%。採用本發明工藝生產的3.5mm輪輻用鋼，在國內某車輪加工企業加工製造過程中，加工擴裂率＜1.0%，該指標高於國內某鋼廠生產的同級別雙相鋼（擴裂率約3.5%），在疲勞彎曲測試試驗中，達到14.08萬轉（標準要求大於6.8萬轉），採用本發明工藝生產的6.1mm輪輻用鋼，徑向疲勞試驗結果210萬次，遠高於標準要求(大於100萬次)，且焊接性能優良。

本發明取得的有益效果是：工藝簡單、生產成本低、產品力學性能穩定。充分利用csp現有技術裝備，通過微合金技術及控軋控冷技術的合理應用，生產出的500mpa級高強汽車車輪鋼帶，在車輪生產廠家的加工製造過程中，加工擴裂率≤1.0%，疲勞彎曲測試試驗≥14.08萬轉，各項指標高於現有同鋼級產品（雙相鋼）各項指標。

具體實施方式

為更好的說明本發明，下面結合實例對本發明進行更詳細的描述，本發明的保護範圍不僅限於所舉實例。

實施例1

化學成分見表1。產品力學性能見表2。工藝：包括鐵水預處理-轉爐冶煉-lf-連鑄連軋（csp）。csp工藝為：連鑄拉速4.55m/s，板坯厚度58mm,出鋼溫度1170℃，經過一次除鱗，進入6機架連軋機組軋制，f1/f2/f3機架間冷卻水關閉，終軋溫度860℃，帶鋼以6.3m/s速度進入層冷輥道，經層流冷卻1、2段集中冷卻，層冷3、4、5段空冷，6、7、8段分散冷卻,冷卻至目標卷取溫度510℃，鋼捲成品厚度2.5mm。

實施例2

化學成分見表1。產品力學性能見表2。工藝：包括鐵水預處理-轉爐冶煉-lf-連鑄連軋（csp）。csp工藝為：連鑄拉速4.2m/s，板坯厚度70mm,出鋼溫度1150℃，經過一次除鱗，進入6機架連軋機組軋制，f1/f2/f3機架間冷卻水關閉，終軋溫度860℃，帶鋼以4.75m/s的速度進行層冷輥道，經層流冷卻1、2段集中冷卻，層冷3、4、5段空冷，6、7、8段分散冷卻,冷卻至目標卷取溫度510℃，鋼捲成品厚度3.5mm。

實施例3

化學成分見表1。產品力學性能見表2。工藝：包括鐵水預處理-轉爐冶煉-lf-連鑄連軋（csp）。csp工藝為：連鑄拉速4.2m/s，板坯厚度70mm,出鋼溫度1150℃，經過一次除鱗，進入6機架連軋機組軋制，f1/f2/f3機架間冷卻水分別按70m3/h、55m3/h、40m3/h給水，f2二次除鱗開啟，終軋溫度860℃，帶鋼以3.52m/s的速度進入層冷輥道，經層冷1、2及3段前半段集中冷卻，4、5段空冷，6、7、8段分散冷卻,冷卻至目標卷取溫度520℃，鋼捲成品厚度6.1mm。

工業生產可實施性：

由以上實施例可知，本發明的一種500mpa級汽車高強車輪鋼及其csp工藝生產方法，具有工藝簡單、生產成本低、產品力學性能穩定、冷成形及焊接性能優良，滿足乘用、商用汽車鋼質車輪輪輻、輪輞生產加工。本發明的製造方法在絕大多數csp連鑄連軋生產線均可實現，大工業生產可操作性強，易於生產。