談汽車車輪鋼圈用熱軋鋼生產工藝
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摘要：國內的載重汽車、中型客車的車輪一般都會采用低強度級別鋼板。這種鋼板生產的車輪具有厚度大、質量高的特點。提高運載效率、節約能源就要減輕車輛自重，因此使用更高強度級別的鋼板制作車輪的實用性更強。但鋼板的沖壓成形與強度成反比。作為汽車車輪鋼首要性能，優良的成形性是必不可少的。在現有工業條件下，降低汽車車輪鋼成本、提高其性能是當前的主要課題。本文從描述車輪的制造入手，并進一步詳細闡述一種新型的汽車車輪鋼圈用熱軋鋼的生產工藝，以期望對同行業生產工藝提升有所幫助。
關鍵詞：車輪；鋼圈用；熱軋鋼；生產工藝
引言
高強度化鋼材是汽車制造業選料的發展趨勢。為達到減輕車輛自重、節約能源，提升運載效率的目的，對零件結構進行改造設計、多選取高強度材料都是可采取的措施。車輪選取高強度鋼制造可以取得更為顯著的效果。有研究表明如果將高強度材料應用在汽車車輪之類的旋轉件，那么它的減重、節能效果明顯高于非旋轉件，前者是后者的1.2-1.3倍。況且車輪作為單個部件，非常易于進行試驗與評價。所以，在汽車車輪中選擇高強度鋼的應用試驗十分普遍。高強度鋼種類繁多，其中熱軋鋼的應用最為實用，減重效果顯著，因此，越來越多的企業選擇使用熱軋高強度鋼應用于車輪的制造上。[1]
1汽車車輪的制造
1.1汽車車輪用鋼的選材特點
作為汽車行駛的最基本的、最重要的部件，車輪的地位十分突出。其生產工序很多，要求也很嚴格，屬于技術難度最強的部位之一。車輪的制造包括輪輞成形、輪輻成形、組裝加工、噴漆等，經檢驗合格才能得到車輪產品。制造車輪的鋼材不能選擇普通鋼材，要精挑細選。其不但要有優良的可塑性、柔韌性、高強度等，還要具有焊接性、沖壓成形性、耐腐蝕性、抗疲勞破壞性等一系列特點。鋼材強度提高，其可塑性會降低，成形性變差，疲勞缺口敏感性增加，也會進一步影響焊接工序。因此高強度鋼應用于車輪制造所帶來的挑戰更大。
1.2汽車車輪用鋼的選材原理
經過沖壓成形，可得到輪輻。因此，輪輻用鋼的特點是良好的拉伸成形性、深沖性、剪切邊拉伸性等。閃光焊接后再次滾壓成形，可得到輪輞。因此，輪輞永剛的特點是具有良好的成形性。評價閃光焊接性能最優選擇是進行側彎試驗。良好的側彎延伸率是輪輞用鋼應該具備的特點。隨著抗拉強度的增加，側彎延伸率會下降。鋼中硫的含量與側彎延伸率呈反比關系，因此，為保持較高的側彎延伸率，可降低車輪鋼中硫的含量。在彎曲試驗中，檢驗焊接接頭彎曲成形性，發現車輪鋼中Si、Mn的含量會影響到焊接線上是否出現頂頭裂紋。當Si（硅）、Mn（錳）含量比處于某范圍時，不會產生頂頭裂紋。有研究表明，氧化物熔點低于鋼則對減少裂紋有利。在母材中，夾雜物會導致形成鉤形裂紋，這也與硫含量有關。當硫的含量降低到0.005%之下，鉤形裂紋大大減少。
2汽車車輪鋼圈用熱軋鋼的性能要求
2.1汽車車輪鋼圈用鋼必備條件
車輪制造工藝過程復雜，車輪在車輛使用過程中起重要作用，因此車輪鋼圈用鋼的技術要求極為嚴苛。良好的韌性、良好的強度要互相匹配。除此之外，良好的冷成形性、延伸凸緣性、焊接性，較高的抗疲勞強度都是車輪鋼圈用鋼所應具備的條件。而且，性能優良之外，汽車制造商們關注的另一個點是降低生產成本，以便于獲取更多的利潤。[2]
2.2試驗用鋼中所添加元素的作用
試驗用鋼的基本成分是Q235。在試驗過程中，為保障鋼的韌性、塑性較高，沖壓性能、焊接性能良好，會在一定比例內降低碳的含量。由于碳的降低會對強度造成減弱影響，所以又提高了鋼中錳元素的含量，同時又將Nb（鈮）、Ti（鈦）微合金元素添加其中。試驗鋼利用細晶強化、固溶強化、析出強化等來完成鋼板力學性能的提高。Mn（錳）的作用：該元素可抑制奧氏體再結晶。因此該元素含量的提升可以將未再結晶控制軋制細化晶粒。該元素還有另外作用，那就是固溶強化以及可改善韌性、塑性。欽的作用：作為一種微合金元素，將其加入低碳合金鋼中，作用是固定氮、脫氧、強化析出、細化晶粒等。鋼的力學性能的提升得益于碳化欽顆粒的析出、鐵素體晶粒的細化。而且，如此一來，鋼的強度變高，塑性、韌性變得更好，焊接性能變好，也易于加工成形。Nb（鈮）的作用：當鋼中該元素質量分數小于0.015%時，可以起到抑制奧氏體靜態再結晶、細化奧氏體晶粒的作用。因為它具有固溶拖拽作用。所以在試驗過程中，有一定比例的Nb（鈮）、Ti（鈦）添加到鋼中。Si（硅）和S（硫）的作用：這二者會降低鋼的可塑性、降低其沖擊韌性，還會對鋼的焊接性、成形性、抗疲勞性產生負向影響，因此，這二者盡量減少放入量。Al（鋁）的作用：作為一種鋼中的脫氧元素，它非常有效。其作用為細化晶粒、凈化鋼液。由于冷彎成形技術要求，在冶煉方案中，于爐外精煉過程中進行額外的對C（碳）、Als（酸溶鋁）的含量控制。喂Si（硅）-Ca（鈣）線處理的措施應用于在精煉的過程中，最終可以降低成品成形性能中非金屬夾雜物的不良影響。
3汽車車輪鋼圈用熱軋鋼的工業生產
3.1冶煉和連鑄
試驗用鋼采用120T轉爐煉制。高爐鐵水需要經過預處理，以達到S（硫）含量小于0.015%。之后，通過轉爐的自動控制系統、擋渣出鋼系統進行進一步的煉制。脫氧處理使用鋁錳鐵方式進行，合金化使用中碳錳鐵方式。再投入Ti（鈦）-Fe（鐵）合金，按每噸1千克投放，投入Fe（鐵）-Nb（鈮）合金，按每爐50千克投放。使用LF鋼包精煉爐進行下一步的脫碳、脫氣、脫氧、去雜質等工作，并且要達到調整鋼水的溫度、成分的目的，且累計吹氬時間要超過6分鐘。從連鑄大包到中間包，保護澆注使用長水口和氬氣密封方式。從中間包到結晶器，保護澆注使用浸入式水口和保護渣方式。在中間包，使用的是液面自動控制程序，其溫度可控區間為1530~1540攝氏度，連鑄拉速要小于每分鐘15米。
3.2軋制
晶粒細化是為大眾所熟知的一種可改善鋼的性能的工藝。它既可以將鋼的韌性改善，又能提升鋼的強度。那么提高汽車車輪鋼圈用熱軋鋼的韌性，最有效措施即為利用組織細化方法。不過，也有研究表明，過分的細化晶粒反而會起到壞作用。那就是它會將鋼的屈服強度提高，但是抗拉強度卻提升不到同等比例，最終結果是鋼的屈強比太高，反而使得鋼材的成形性不如之前。車輪鋼圈用熱軋鋼的另一個重要性能指標是耐疲勞性能。鋼的成分高潔凈情況下，提高鋼板的抗拉強度可提升改善疲勞性能。對上述因素加以綜合考量，最終選取的試軋方式為使用適度的晶粒細化、固溶強化互相結合的工藝進行高性能、低成本的汽車車輪鋼圈用熱軋鋼的開發研究。工業試軋主要參數是：1220攝氏度為板坯加熱溫度；980~1100攝氏度為粗軋開軋溫度；（850±15）攝氏度為終軋溫度，（620±15）攝氏度為卷曲溫度。4毫米、6毫米*1200毫米為成品板卷尺寸。無論是在加熱過程，還是在軋制過程，都要重視在線檢查工作，加強檢查力度，將鋼板的尺寸公差、表面質量牢牢控制住，以全力保證汽車車輪的氣密性，保證不發生漏氣事件，全力保障車輪在行駛過程中平穩旋轉，不發生旋轉失衡或旋轉振動。想要得到最佳的綜合性能，要將熱軋態鐵素體晶粒最大程度細化，并通過適宜的終軋和卷取溫度，適當采用前段冷卻等相應的技術舉措，最終獲得較為優良的NbC（碳化鈮）、TiC（碳化鈦）析出效果。
4汽車車輪鋼圈用熱軋鋼的最終試驗結果
4.1熱軋鋼的金相組織
對試驗鋼進行取樣，分析其中的夾雜以及金相組織。檢驗結果表明試驗鋼中有硫化物夾雜，且較為嚴重，經過夾雜物評級，其結果表明經過了LF精煉處理，其鋼質變得純凈，鋼內含夾雜物變少，如圖1所示。這些都有利于提升鋼板的疲勞性能、提高其延伸凸緣性。
4.2熱軋鋼的焊接性能
汽車車輪鋼的良好焊接性能是保證汽車安全行駛的重要因素，而本試驗開發的細晶粒車輪鋼在焊接時又極易使熱影響區組織粗化，因而研究該鋼的焊接性能具有十分重要的意義。汽車車輪鋼圈用熱軋鋼必須具備良好的焊接性能，因為它可保障汽車的安全行駛，是最為重要的因素。進行閃光對焊試驗后，試驗鋼的強度并沒有改變，只是伸長率變得比之前下降一些，且位置處于母材處斷裂，熱影響區斷裂現象并不存在。且焊縫的橫截面硬度分布呈良好態勢，熱影響區域并沒有出現軟化現象。這些都表明了試驗鋼具有良好的焊接性能，熱影響區的強度能得到保障。
4.3熱軋鋼的常規性能
在4毫米、6毫米厚的鋼板上，分別取樣。從垂直于軋制方向、平行于軋制方向分別取樣進行有關力學的性能檢測。試驗結果表明，所得出的鋼不論是從橫向，還是從縱向，屈服強度、抗拉強度都相差無幾，伸長率是縱向比橫向略高，這些都說明試驗鋼縱橫方向的性能相差不大。試驗鋼板的抗拉強度在490MPa以上，屈服強度在400MPa以上，這些都比常用的汽車車輪鋼要高，強度大概可提升80MPa。而且，試驗鋼的冷完性能很好，延伸性能突出。因此，可得出結果，試驗鋼的綜合力學性能優良，試驗成功。
5結束語
時代一直在不斷發展，人民生活水平在不斷提高，對汽車的要求也越來越高。作為汽車的主要部件，車輪的生產與安全變得尤為重要。汽車技術的發展對于車輪鋼圈用熱軋鋼性能要求也逐步提高。為降低車輪自重，提高運載效率，在不增加成本的情況下，高強度、低成本的鋼材越來越受到青睞。在將來的市場上，具有良好塑性、低溫韌性與焊接性能的鋼材必將大放異彩。
參考文獻：
[1]祖榮祥.熱軋高強度鋼的研究及在汽車車輪上的應用[J].汽車工藝與材料，1994（12）：23-27.
[2]吳菊環.高強度汽車車輪用P490CL熱軋鋼板研制[A].中國金屬學會.第七屆（2009）中國鋼鐵年會大會論文集（中）[C].中國金屬學會，2009：7.
[3]侯續廷.基于熱軋1700產線的高強度車輪鋼420CL的產品設計研發[J].黑龍江科技信息，2015（22）：24.
作者：董存 孫小明 單位：浙江歐星環美汽車部件有限公司
