CN111575602A

CN111575602A - 车轮用1500MPa级热成形钢板及其生产方法

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Publication number: CN111575602A
Application number: CN202010523853.9A
Authority: CN
Inventors: 胡俊; 刘永前; 刘斌; 刘昌明; 刘洋; 蔡珍; 孙宜强; 张扬
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2020-08-25

Abstract

本发明公开了一种车轮用1500MPa级热成形钢板及其生产方法，属于热轧钢技术领域。该热成形钢板包括如下质量百分比含量的各化学组分：C:0.20～0.25，Si:0.10～0.30，Mn:1.00～1.40，P≤0.010，S≤0.004，Ti:0.020～0.040，Cr:0.10～0.30，B:0.0030～0.0040，其余为Fe及不可避免的杂质，且热成形钢板厚度为2.0～12.0mm。本发明制备的热成形钢板抗拉强度≥1500MPa、屈服强度≥1000MPa、延伸率≥8％，且将其制成的车轮置于车轮台架上进行疲劳寿命测试，其疲劳寿命大于100万次。

Description

车轮用1500MPa级热成形钢板及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种汽车用钢及其生产方法，属于热轧钢技术领域，具体地涉及一种车轮用1500MPa级热成形钢板及其生产方法。

背景技术

当前的汽车行业，降低燃料消耗、减少CO₂和废气排放已成为社会的需求，作为材料生产厂的钢铁业为了适应这种发展趋势，已开发出许多种类的超高强度钢板来帮助减轻汽车重量，适应汽车工业的新要求。

热成形技术在汽车领域具有广阔的应用前景。采用热成形工艺制造商用车车轮，在车轮行业属于技术创新。车轮行业传统选材为低合金钢或者双相钢，采用热成形钢车轮强度可以从600MPa大幅提升至1500MPa。另外车轮作为承载件，高强化对汽车轻量化减重的效果更为显著。

中国发明专利申请(申请公布号：CN106811689A，申请公布日：2017-06-09)公开了一种抗拉强度≥2000MPa热成形钢的制备方法。其化学成分以质量百分比计为：C：0.3～0.5％，Si：1.2～1.7％，Mn：1.4～2.0％，Al：0.01～0.07％，Cr≤1.5％，P≤0.008％，S≤0.005％，B：0.001～0.01％，Ti：0.05～0.1％，Nb：0.01～0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，采用冶炼、热轧、冷轧、罩式退火得到热成形钢，本发明钢制备流程简单，奥氏体化淬火后，屈服强度Rp0.2＝1000～1200MPa，抗拉强度Rm≥2000MPa，延伸率A50＝8～9％，采用罩式退火工艺，将热成形前的基料强度降至屈服强度424～588MPa，抗拉强度616～760MPa，延伸率A50提高至17.3～20.4％，大大降低了热成形前进行形状裁剪和切削加工过程中由于强度太高造成的开卷困难，开卷断带，剪切落料脆裂，边部应力过高，损坏剪切加工刀刃等问题。

中国发明专利申请(申请公布号：CN107641759A，申请公布日：2018-01-30)公开了一种基于CSP流程生产薄规格热成形钢的方法。本发明设计的薄规格热成形钢的化学成分及重量百分比为：C：0.20～0.25％，Si：0.15～0.30％，Mn：1.15～1.5％，Cr：0.20～0.40％，Ti：0.015～0.05％，Nb：0.018～0.03％，B：0.002～0.005％，Als：0.015～0.05％，P≤0.015％，S≤0.004％，N≤0.005％，其余为Fe及不可避免的杂质。采用的CSP生产方法包括步骤：炼钢、连铸、均热、除鳞、精轧、层流冷却及卷取、平整、热冲压成形。得到的薄规格热成形钢具有较好的抗拉强度和塑性，而且轧制过程稳定性高，产品表面质量优良，满足汽车行业“以热代冷”的市场需求。

中国发明专利申请(申请公布号：CN 108359895 A，申请公布日：2018-08-03)公开了一种抗拉强度950MPa级别的热成形钢及其热轧工艺，所述热成形钢化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.06～0.10％，Si：0.3～0.6％，Mn：1.0～2.0％，S≤0.004％，P≤0.02％，Nb：0.01～0.06％，Ti：0.01～0.06％，B：0.0008～0.0020％，其余为Fe及不可避免的杂质；所述热轧工艺包括加热、粗轧、精轧、层流冷却和卷取工序。本发明生产的热成形钢产品经热成形工艺处理后，微观组织由多边形铁素体和马氏体组成，屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥950MPa，断后伸长率≥10％，可用于对塑性、强度和焊接性能要求较高的汽车用钢领域。

中国发明专利申请(申请公布号：CN 109136759A，申请公布日：2019-01-04)公开了轮辋用1300MPa级热成形钢及制备方法，其化学成分按重量百分比包括：0.19～0.24％的C、0.10～0.30％的Si、1.00～1.40％的Mn、P≤0.010％、S≤0.004％、0.020～0.040％的Ti、0.0030～0.0040％的B，余量为Fe及不可避免的杂质。采用热轧+罩式退火处理工艺，可以降低钢板强度，提升延伸率，从而使钢材具有良好的成形性能和焊接性能，其热轧钢板的抗拉强度≤520MPa、屈服强度≤400MPa、延伸率≥30％，热成形钢经过常规的热成形工艺处理后，抗拉强度≥1300MPa、屈服强度≥1000MPa、延伸率≥10％。

中国发明专利申请(申请公布号：CN 109136759A，申请公布日：2019-01-04)公开了轮辐用厚规格1300MPa级热成形钢及制备方法，化学成分按重量百分比包括：0.20～0.24％的C、0.20～0.30％的Si、1.10～1.50％的Mn、P≤0.010％、S≤0.004％、0.020～0.040％的Ti、0.0030～0.0040％的B，余量为Fe及不可避免的杂质，且钢的厚度为3.0～10.0mm。本发明的化学成分以及热轧工艺，获得晶粒尺寸细小的铁素体+珠光体组织，综合力学性能良好的热成形钢板材，板材的抗拉强度≤650MPa、屈服强度≤540MPa、延伸率≥27％，热成形钢经过常规的热成形工艺处理后，抗拉强度≥1300MPa、屈服强度≥1000MPa、延伸率≥10％。

其中，上述专利1公布的是一种冷轧热成形钢，专利2公布的是一种利用CSP流程生产的薄规格热轧热成形钢，他们都是生产薄规格的产品，主要为1.0～3.0mm，用作汽车的安全件，如A柱、B柱等，制成的零件通常采用点焊的方式衔接，不适用于厚规格的车轮零件。本发明是针对车轮零件，车轮零件需要预先冷成形，对冷加工成形性要求较高，专利1公布的热成形钢热成形前的强度为屈服强度424～588MPa，抗拉强度616～760MPa，延伸率17.3～20.4％，专利2没有对热轧钢板的成形性能做出要求，都不能满足车轮零件冷加工要求。专利3公布的热成形钢成形后抗拉强度只有950MPa，满足不了更高强度1500MPa的需求，也没有对热轧钢板的成形性能做出要求。专利4和专利5分别为1300MPa级热轧热成形轮辋和轮辐用钢，其中专利4采用罩式退火处理，会导致钢板表面脱碳，脱碳层深度≥30μm，导致材料的疲劳性能不能满足要求，而专利5没有采用罩退处理，但是对热轧工艺没有控制，使得热轧钢板的强度较高，不利于对钢板的冷加工。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种车轮用1500MPa级热成形钢板及其生产方法。本发明提出了车轮用厚规格的热成形钢，并提出了控制措施，保证钢板在冷加工良好成形性能，通过热成形后达到1500MPa的高强度，并且车轮零件具有良好的疲劳性能。。

为实现上述目的，本发明公开了一种车轮用1500MPa级热成形钢板，其特征在于，它包括如下质量百分比含量的各化学组分：C:0.20～0.25，Si:0.10～0.30，Mn:1.00～1.40，P≤0.010，S≤0.004，Ti:0.020～0.040，Cr:0.10～0.30，B:0.0030～0.0040，其余为Fe及不可避免的杂质，且所述热成形钢板厚度为2.0～12.0mm。

进一步地，所述B元素的含量为0.0030～0.0035％。

进一步地，所述Ti元素的含量为0.020～0.025％。

进一步地，所述Cr元素的含量为0.14～0.25％。

进一步地，所述热成形钢板采用热轧工艺制得，且热轧后的钢板表面脱碳层深度≤30μm。

进一步地，所述热成形钢板采用热轧工艺制得，且热轧后的钢板表面脱碳层深度为20～30μm。

进一步地，所述热成形钢板制成的车轮置于车轮台架上进行疲劳寿命测试，其疲劳寿命大于100万次。

为更好的实现本发明技术目的，本发明还公开了一种上述车轮用1500MPa级热成形钢板的制备方法，其特征在于，它包括冶炼、精炼、连铸、加热、粗轧、精轧、层流冷却、卷取及热成形处理工艺，其中，所述层流冷却包括对轧制后钢卷立即进行前段快冷，冷却至715～740℃进行卷取，冷却速率≥100℃/s。

进一步地，所述加热温度控制在1250～1290℃，加热时间≥150min。

进一步地，所述冷却速率为115～125℃/s。

进一步地，所述粗轧结束温度为1050～1060℃，控制精轧终轧温度为850～865℃；且粗轧除鳞不少于五道次，精轧前除鳞集管开启数不少于二根。

有益效果：

1、本发明采用合理的化学成分，并根据各化学成分对应设置各热轧工艺，获得热轧板的晶粒尺寸细小的铁素体+珠光体组织，晶粒度等级≥10级；尤其是热轧钢板表面脱碳层深度≤30μm，较好的保证了热成形板的力学性能。

2、本发明设计的热成形钢板不仅在厚度上能同时保证轮辐和轮辋使用，同时在使用性能上抗拉强度≥1500MPa、屈服强度≥1000MPa、延伸率≥8％，将其置于车轮台架上进行疲劳寿命测试，其疲劳寿命大于100万次，可满足汽车车轮钢高强度轻量化要求。

附图说明

图1为本发明实施例热成形钢板热成形处理前的金相组织图；

图2为本发明实施例热成形钢板热成形处理后的金相组织图。

具体实施方式

本发明公开了一种车轮用1500MPa级热成形钢板，它包括如下质量百分比含量的各化学组分：C:0.20～0.25，Si:0.10～0.30，Mn:1.00～1.40，P≤0.010，S≤0.004，Ti:0.020～0.040，Cr:0.10～0.30，B:0.0030～0.0040，其余为Fe及不可避免的杂质，且所述热成形钢板厚度为2.0～12.0mm。

其中，该热成形钢板厚度之所以为2.0～12.0mm，是因为其既可以用于轮辋也适用于轮辐，一般商用车轮辐较厚，轮辋一般2.0～6.0mm，轮辐4～12mm。

此外，上述各合金元素及对应含量设计原理如下：

C：碳是廉价的固溶强化元素，是影响屈服强度和抗拉强度的主要因素之一。同时，碳元素对材料的焊接性能也有重要影响。一般而言，钢中的碳元素含量越高，屈服强度和抗拉强度也随之提高，而焊接性能则随之降低。本发明为了保证获得抗拉强度在1500MPa级别的热成形钢，在采用Mn、B以及微合金元素的情况下，碳含量至少要达到0.20％以上，否则板材经热成形处理后的抗拉强度难以满足要求。另一方面，如果碳含量过高并超过0.25％，将会对板材的焊接性能造成影响，从而降低材料的使用价值。因此综合考虑碳元素对强度和焊接性能的影响，钢中的碳含量应当控制在0.20～0.25％。

Si：硅对于板材的力学性能没有特别直接的影响。车轮用钢对钢板表面要求较高，如果Si含量过高，降低钢板表面质量，Si含量要低于0.30％；如果Si含量控制在0.10％以下，那么将会额外增加冶炼的成本。因此Si含量控制在0.10～0.30％。

Mn：锰是提高强度和韧性最有效的元素，也是本发明采用的重要合金元素之一。Mn可以稳定奥氏体并降低钢的临界淬火速度，从而提高材料的淬透性。在本发明中，为了提高热成形时淬透性，进而保证材料经热成形处理后所需的强度，Mn含量至少应当达到1.0％以上；同时，如果Mn含量超过2.0％，那么将会显著增加板坯开裂的风险。因此Mn含量应控制在1.0～2.0％，优选1.00～1.40％。

S：硫是钢中的杂质元素，如果硫含量过高，将会增加钢材的热脆倾向。钢中的S常以锰的硫化物形态存在，这种硫化物夹杂对钢的冲击韧性是十分不利的，并造成性能的各向异性，因此，需将钢中硫含量控制得越低越好。因此，将钢中硫含量控制在0.004％以下。

P：磷是钢中的杂质元素，如果磷含量过高，将会在钢坯凝固时析出Fe₂P共晶组织并导致冷脆现象。因此磷元素的含量越低越好，实际生产时一般控制在0.010％以下。

Ti：钛是本发明采用的重要合金元素之一。钛能够发挥细化晶粒、改善强韧性的作用。另外Ti元素的添加有利于提高焊接性能。如果Ti元素含量过高，则会增加其粗大碳化物、氮化物夹杂物的数量，从而影响综合力学性能。因此钛含量应控制在0.020～0.040％。优选的，所述Ti元素的质量百分比含量为0.020～0.025％。

B：硼是本发明采用的重要合金元素之一。热成形钢中加入极少量的硼会聚集到奥氏体晶界处，延迟铁素体形核，从而非常有效地防止转移和在成形过程中形成铁素体；如果硼含量超过0.0040％，则会显著增加材料的热裂倾向，并对韧性造成危害。由于本发明所述的热成形钢的抗拉强度在1500MPa级别，因此将硼的含量控制在0.0030～0.0040％，优选的，所述B元素的质量百分比含量为0.0030～0.0035％。

Cr：铬是本发明采用的重要合金元素之一。因为商用车车轮是采用厚规格钢板进行淬火，添加一定量的Cr元素可以有效的提高热成形的淬透性，使得淬火后的车轮零件整体都能淬透。如果Cr含量超过0.30％，则会使得焊接过程中形成额外的含Cr的氧化物，不利于焊接接口塑性。因此将Cr的含量控制在0.10～0.30％。优选的，所述Cr元素的质量百分比含量为0.14～0.25％。

优选的，它包括如下质量百分比含量的各化学组分：C:0.20，Si:0.30，Mn:1.2，P:0.007，S:0.002，Ti:0.026，Cr:0.17，B:0.0035。

本发明公开的上述热成形钢板采用热轧工艺制得，所得热轧板的金相组织为晶粒尺寸细小的铁素体+珠光体组织，晶粒度等级≥10级；且热轧钢板表面脱碳层深度≤30μm。优选的，热轧后的热轧钢板表面脱碳层深度为20～30μm。

对热轧钢板的力学性能测试，得到热轧钢板的抗拉强度≤580MPa、屈服强度≤450MPa、延伸率≥25％。

所述热轧钢板经热成形工艺后，所得热成形钢板的抗拉强度≥1500MPa、屈服强度≥1000MPa、延伸率≥8％。进一步地将所述热成形钢板制成的车轮置于车轮台架上进行疲劳寿命测试，其疲劳寿命大于100万次。因此，该热成形钢板不仅具备良好的冷成型性，同时，其还具备较好的抗疲劳性。

为更好的解释上述热成形钢板的性能，以下结合具体制备工艺进行详细说明。

本发明公开了一种车轮用1500MPa级热成形钢板的生产方法，它包括冶炼、精炼、连铸、加热、粗轧、精轧、层流冷却、卷取及热成形处理工艺，其中，具体生产工艺如下：

(1)按所述质量百分含量的各化学成分混匀后形成钢水，钢水经过转炉冶炼后进行真空处理，真空处理时间＞15min，其中，真空处理时可以加入适量的脱硫剂脱硫，以保证脱硫要求；

(2)对铸坯进行加热：加热温度控制在1250～1290℃，加热时间≥150min；优选加热保温时间为150～180min，能够保证轧钢过程中钢板的温度满足各环节的要求。从氧化动力学和热力学原理上来看，加热温度过高和保温时间过长，会导致轧制前的原始奥氏体晶粒粗大，这会造成后续的轧制过程无法完成奥氏体完全再结晶过程，这会导致最终产品发生混晶，即产品晶粒大小不均匀，进而会严重影响产品质量。但是如果加热温度过低和保温时间过短，会导致轧制前初始奥氏体晶粒过小，导致后续轧制过程变形抗力过大超过轧钢设备极限能力，而无法完成整个轧制过程。此外，加热温度过高和保温时间过长，还会增加产品脱碳层的深度，导致产品质量下降，直接影响产品的关键性能。

(3)对加热后铸坯进行分段轧制：控制粗轧结束温度在1050～1060℃，控制精轧终轧温度在850～865℃；目的是为了确保精轧环节在奥氏体区轧制，确保精轧过程中奥氏体完全再结晶，形成细小的原奥氏体晶粒。

轧制时要加强除鳞，粗轧除鳞不少于五道次，精轧前除鳞集管开启数不少于二根，F1后除鳞装置也要开启以保证除鳞效果；

(4)对轧制后钢卷立即进行前段快冷：冷却速率≥100℃/s，并优选冷却速率为115～125℃/s，冷却至715～740℃进行卷取；本发明采用高的冷却速度抑制钢中晶粒轧后长大，使其在卷取前保持细小均匀的晶粒状态，使最终的钢材具备细小的晶粒尺寸，晶粒度达到10级。冷却至715～740℃进行卷取，使得卷取钢板的组织为铁素体+珠光体组织，卷取温度过低，珠光体强度升高从而使得钢板强度升高，超过580MPa，不利于用户使用，卷取温度过高，因为在层流冷却段空冷存在的温降，使得钢板在层流段温度过高，晶粒长大，晶粒度达不到10级，钢板塑性降低。

(5)常规的热成形处理工艺，具体参数如下：以50℃/s的速率将板材加热至960℃并保温300s，然后立即将加热后的板材送入模具冲压，并在模具中快速冷却至室温，冷却速率大于50℃/s。热成形钢冷却后形成马氏体组织，由于钢中的C、Mn、Cr等元素的固溶强化作用，使得最终马氏体的强度超过1500MPa，另外由于添加了一定量的B和Cr元素，使得钢板淬透性增加，整个零件都能形成马氏体组织。车轮零件采用热成形工艺，热成形后钢板的抗拉强度≥1500MPa、屈服强度≥1000MPa、延伸率≥8％，因此该车轮用钢具有良好的成形性能和疲劳性能，并且具有良好的表面质量，满足车轮用钢要求。

本发明制备热轧钢板，去除了退火工艺，避免了因退火工艺的全氢气气氛造成的碳与氢气反应导致钢板表面的碳被消耗，保证了热轧钢板表面脱碳层深度≤30μm，并最终保证钢板的力学强度。

为更好的解释上述制备工艺，以下结合具体实施例进行详细说明。

其中，各实施例及对比例的各化学组分的质量百分比含量如表1所示；

表1本发明各实施例和对比例的化学成分列表

各实施例及对比例的主要工艺过程及参数如表2所示；

表2本发明各实施例和对比例的主要工艺参数列表

本发明还设计了将本发明制得的热成形钢板与申请公布号为CN109136759A中公开的实施例5描述的钢板进行对比，作为对比例4，同时将申请公布号CN109023092A中公开的实施例5描述的钢板进行对比，作为对比例5。

经过上述制备工艺得到热成形钢板的力学性能列表如表3所示；

表3本发明各实施例和对比例力学性能检测结果列表

如图1和图2可知，本发明实施例1制备的热成形钢板材在热成形处理前的金相组织图中包括铁素体+珠光体；热成形处理后的金相组织图中包括马氏体。

从表3可以很明显看出，采用本发明的化学成分以及热轧工艺，获得晶粒尺寸细小的铁素体+珠光体组织，晶粒度等级≥10级；钢板表面脱碳层深度≤30μm，综合力学性能良好的热成形钢板材，板材的抗拉强度≤580MPa、屈服强度≤450MPa、延伸率≥25％；本发明热成形钢经过常规的热成形工艺处理后，微观组织为马氏体，抗拉强度≥1500MPa、屈服强度≥1000MPa、延伸率≥8％，可满足汽车车轮钢高强度轻量化要求，使得车轮轮辐用钢具有良好的成形性能和疲劳性能，将本发明热成形钢板制备的车轮置于车轮台架实验疲劳寿命，本发明疲劳寿命超过100万次，并且具有良好的表面质量，满足车轮用钢要求。

Claims

1.一种车轮用1500MPa级热成形钢板，其特征在于，它包括如下质量百分比含量的各化学组分：C:0.20～0.25，Si:0.10～0.30，Mn:1.00～1.40，P≤0.010，S≤0.004，Ti:0.020～0.040，Cr:0.10～0.30，B:0.0030～0.0040，其余为Fe及不可避免的杂质，且所述热成形钢板厚度为2.0～12.0mm。

2.根据权利要求1所述车轮用1500MPa级热成形钢板，其特征在于，所述B元素的含量为0.0030～0.0035％。

3.根据权利要求1所述车轮用1500MPa级热成形钢板，其特征在于，所述Ti元素的含量为0.020～0.025％。

4.根据权利要求1所述车轮用1500MPa级热成形钢板，其特征在于，所述Cr元素的含量为0.14～0.25％。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述车轮用1500MPa级热成形钢板，其特征在于，所述热成形钢板采用热轧工艺制得，且热轧后的钢板表面脱碳层深度≤30μm。

6.根据权利要求5所述车轮用1500MPa级热成形钢板，其特征在于，所述热成形钢板采用热轧工艺制得，且热轧后的钢板表面脱碳层深度为20～30μm。

7.根据权利要求5所述车轮用1500MPa级热成形钢板，其特征在于，所述热成形钢板制成的车轮置于车轮台架上进行疲劳寿命测试，其疲劳寿命大于100万次。

8.一种权利要求1所述车轮用1500MPa级热成形钢板的制备方法，其特征在于，它包括冶炼、精炼、连铸、加热、粗轧、精轧、层流冷却、卷取及热成形处理工艺，其中，所述层流冷却包括对轧制后钢卷立即进行前段快冷，冷却至715～740℃进行卷取，冷却速率≥100℃/s。

9.根据权利要求8所述车轮用1500MPa级热成形钢板的制备方法，其特征在于，所述冷却速率为115～125℃/s。

10.根据权利要求8或9所述车轮用1500MPa级热成形钢板的制备方法，其特征在于，所述粗轧结束温度为1050～1060℃，控制精轧终轧温度为850～865℃；且粗轧除鳞不少于五道次，精轧前除鳞集管开启数不少于二根。