張楠 田志凌 潘輝 鄭江鵬 侯曉東

（1.鋼鐵研究總院，北京100081；2.首鋼技術(shù)研究院，北京100041；3.東莞材料基因高等理工研究院，東莞523808）

主題詞：鋼 輕量化 商用車 EVI

0 序言

近年來(lái)隨著商用汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)于汽車承載能力、使用壽命、節(jié)約能源以及材料升級(jí)切換等方面的要求越來(lái)越高，熱軋汽車結(jié)構(gòu)用鋼板的研究也在不斷創(chuàng)新中發(fā)展。商用半列掛車主要承載部件如縱梁、車橋以及車輪等，在車輛道路行駛過(guò)程中近乎承擔(dān)了車輛整備質(zhì)量和道路運(yùn)輸貨物的全部重量，其動(dòng)載力學(xué)性能對(duì)商用半掛車道路行駛安全性和使役壽命極為重要[1-3]。近年來(lái)，憑借高強(qiáng)度和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，熱軋汽車結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)鋼板的研發(fā)取得長(zhǎng)足進(jìn)展[4-5]，并成功躋身商用車用鋼市場(chǎng)。眾多鋼鐵企業(yè)以商用車重點(diǎn)動(dòng)載結(jié)構(gòu)件（如：縱梁、車輪、沖焊橋殼等）為切入點(diǎn)，從用戶設(shè)計(jì)需求中來(lái)，到用戶產(chǎn)品應(yīng)用中去，期間為用戶提供全套新車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中新材料的選擇方案以及先進(jìn)成形工藝，并給出具體部件優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析解析的“材料優(yōu)選+技術(shù)支持”的全套技術(shù)支持[6]。目前，該全套技術(shù)支持方式已經(jīng)成為鋼鐵產(chǎn)品打入商用車市場(chǎng)不可或缺的先期介入模式（Early Vendor Involvement），即EVI模式。從而鋼鐵企業(yè)陸續(xù)開(kāi)發(fā)了不同規(guī)格的高強(qiáng)度低合金汽車結(jié)構(gòu)鋼，尤其是近年來(lái)研發(fā)的屈服強(qiáng)度700 MPa 及以上高強(qiáng)度低合金鋼，在實(shí)現(xiàn)低成本生產(chǎn)高強(qiáng)度板材的同時(shí)還明顯減輕了車身質(zhì)量，在商用車輕量化技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[7]。

1 商用半掛車用鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 縱梁用微合金化高強(qiáng)度鋼

1.1.1 國(guó)內(nèi)研發(fā)現(xiàn)狀

早在20 世紀(jì)50 年代末60 年代初，我國(guó)解放牌汽車上采用了普通低合金鋼16Mn 材料制造汽車大梁。在此后的20 年里，16MnL、10Ti、09SiV 和T52L 也逐步開(kāi)發(fā)成功。伴隨國(guó)內(nèi)汽車技術(shù)的發(fā)展及國(guó)外汽車技術(shù)的引進(jìn)，汽車大梁板的需求不斷擴(kuò)大，寶鋼在80年代末率先引進(jìn)了日本和德國(guó)的鋼板制造技術(shù)，開(kāi)發(fā)出SAPH 系列和QSTE 系列，并在90 年代初自主研發(fā)了含鈮熱軋大梁鋼B510L，在國(guó)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。隨后，鞍鋼開(kāi)發(fā)了含鈮A510L 及鈮-鈦復(fù)合QSTE 系大梁鋼；攀鋼根據(jù)其合金元素資源，開(kāi)發(fā)含錳-釩的大梁鋼P(yáng)510L。目前國(guó)內(nèi)汽車大梁用熱軋低合金高強(qiáng)度鋼板有錳鋼、錳-稀土系、硅-釩系、錳-釩系、錳-鈦系、和錳-鈮系，但抗拉強(qiáng)度僅有390 MPa 級(jí)和500 MPa級(jí)。

截至2015年末，我國(guó)商用車廠商最常用的半掛車車架選用鋼板強(qiáng)度等級(jí)依舊以500 MPa 級(jí)為主，應(yīng)用占比到達(dá)了60%～65%。相對(duì)載質(zhì)量利用系數(shù)相近的歐美車型，主梁材料早已選擇強(qiáng)度等級(jí)700 MPa 的鋼板，甚至800 MPa 級(jí)別的鋼板也在某些車型上得到了應(yīng)用。半掛車縱梁輕量化主要是通過(guò)高強(qiáng)度鋼材替換原有縱梁材料，以700 MPa 級(jí)微合金化高強(qiáng)汽車結(jié)構(gòu)鋼替代原500 MPa 級(jí)常規(guī)鋼板，可實(shí)現(xiàn)49 t 滿載設(shè)計(jì)的半掛車車架縱梁質(zhì)量降低160～280 kg，實(shí)現(xiàn)車架質(zhì)量降低12%～18%，顯示了良好的減重效果。為實(shí)現(xiàn)半掛車車架的有效減重，國(guó)內(nèi)眾多商用車企業(yè)開(kāi)始嘗試以700 MPa 級(jí)微合金化高強(qiáng)鋼來(lái)切換原有材料，但在剪切下料和后續(xù)焊接時(shí)，普遍遇到了板帶下料的翹曲變形和焊后強(qiáng)度不足及疲勞失效的問(wèn)題，這些均需要通過(guò)材料成分設(shè)計(jì)、軋制工藝優(yōu)化、焊接成形工藝試驗(yàn)以及車架的耐久性分析測(cè)試等來(lái)解決。

代表性的700 MPa級(jí)熱軋汽車結(jié)構(gòu)用鋼采用微合金化技術(shù)思路，配合控軋控冷（TMCP）工藝，得到了貝氏體（B）+鐵素體（F）+M/A 的室溫組織，晶粒細(xì)小，其彎曲性能、低溫沖擊韌性、表面質(zhì)量和板形良好，延伸率控制在18%～24%之間[8]。目前，國(guó)內(nèi)鋼企已通過(guò)在生產(chǎn)中添加微合金元素以及TMCP 技術(shù)生產(chǎn)出系列700 MPa級(jí)熱軋汽車結(jié)構(gòu)用鋼。寶鋼作為中國(guó)鋼鐵業(yè)的龍頭企業(yè)，早在2000年就在國(guó)內(nèi)率先研發(fā)了熱軋新品種BS700MC。該鋼采用低碳設(shè)計(jì)，嚴(yán)控S 含量和P含量，配合加入Nb、Ti、Mo復(fù)合微合金元素，通過(guò)精軋后的快速水冷過(guò)程實(shí)現(xiàn)相變強(qiáng)化，在570～600 ℃卷曲后緩冷，實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化并進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度。兩階段軋制配合Nb 的添加，可實(shí)現(xiàn)鋼坯在較高的溫度下進(jìn)行再結(jié)晶區(qū)軋制以得到變形奧氏體的細(xì)小組織，同時(shí)在相對(duì)更高的溫度下進(jìn)行非再結(jié)晶區(qū)軋制以累積奧氏體晶粒內(nèi)的變形儲(chǔ)能，為后續(xù)卷曲的析出過(guò)程提供條件，最后得到的高強(qiáng)鋼具有強(qiáng)度高、韌性佳、冷成形性優(yōu)良、焊接性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[9]。在高強(qiáng)鋼研究方面武鋼與北京鋼研院合作研制出屈服強(qiáng)度700 MPa級(jí)熱軋汽車大梁鋼WL700。其采用較低的C-Mn 成分設(shè)計(jì)，將Nb、Ti 微合金化技術(shù)和潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)及相變強(qiáng)化相結(jié)合，將溶解于奧氏體組織中能使C-N化合物在熱軋冷卻過(guò)程中被充分彌散析出來(lái)釘扎熱機(jī)械軋制過(guò)程中奧氏體的晶界，達(dá)到晶粒細(xì)化作用。該工藝生產(chǎn)的鋼不僅具有較高的強(qiáng)度和塑性的平衡，同時(shí)還具有良好的韌性[10]。目前已經(jīng)批量應(yīng)用于東風(fēng)商用車、江淮汽車等廠家制造的重卡縱梁領(lǐng)域。鞍鋼也經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)攻關(guān)，在700 MPa 級(jí)熱軋汽車大梁鋼A700L 上取得了重大突破，該鋼種采用C-Si-Mn-Ti-Nb成分設(shè)計(jì)，精控S、P、O、N含量，通過(guò)較高的軋制溫度來(lái)得到大變形的奧氏體化組織，最后通過(guò)熱軋后的快速冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)相變強(qiáng)化和析出強(qiáng)化[11]。除此以外，太鋼、安鋼、珠鋼、包鋼、萊鋼、承鋼等國(guó)內(nèi)鋼企先后開(kāi)發(fā) 了 典型 牌 號(hào)為TH800[12]、AG700MC[13]、ZJ700MC[14]、BT700[15]、LG700L[16]、C700L[17]等大梁鋼產(chǎn)品，在一汽重卡、三門峽俊通車輛廠等商用車制造企業(yè)某車型上分別試制成功。

近年來(lái)，700 MPa 級(jí)析出強(qiáng)化高強(qiáng)鋼正在商用車大梁上的推廣應(yīng)用證明了成形性、低溫沖擊韌性和焊接性是衡量熱軋汽車結(jié)構(gòu)用鋼能否實(shí)現(xiàn)梁架制造的重要參量。隨著輕量化商用車市場(chǎng)需求的增大，越來(lái)越多的商用車制造企業(yè)認(rèn)識(shí)到低成本析出強(qiáng)化高強(qiáng)鋼在商用車底盤減重方面的重要性。目前，我國(guó)在700 MPa 級(jí)析出強(qiáng)化高強(qiáng)鋼制造領(lǐng)域的技術(shù)能力和產(chǎn)品指標(biāo)均已接近國(guó)外水平。國(guó)內(nèi)研發(fā)的700 MPa 級(jí)析出強(qiáng)化高強(qiáng)鋼成分范圍和力學(xué)能力下限值見(jiàn)表1[18]。

表1 國(guó)內(nèi)700 MPa級(jí)析出強(qiáng)化高強(qiáng)鋼成分范圍和力學(xué)能力下限值 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

從表1可見(jiàn)，多數(shù)國(guó)內(nèi)鋼企在700 MPa級(jí)析出強(qiáng)化高強(qiáng)鋼添加微合金元素鈮（Nb），主要目的是提高汽車結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度、降低部件質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。其原理是在汽車鋼中的鈮元素通過(guò)細(xì)化晶粒、減緩帶狀組織、優(yōu)化顯微組織、促進(jìn)析出強(qiáng)化等作用來(lái)達(dá)到提高鋼材的屈服強(qiáng)度、低溫韌性、冷成形性、焊接性能以及疲勞性能的基本力學(xué)性能和使用性能，進(jìn)而便于制造復(fù)雜的汽車承載構(gòu)件，提高構(gòu)件的慣性矩和剛度，并同時(shí)提高構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到構(gòu)件和總成質(zhì)量減低的目的。鈮微合金化對(duì)鋼材性能的作用見(jiàn)圖1[19]。

1.1.2 國(guó)外研發(fā)現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國(guó)家在商用重型載貨汽車方面，以沃爾沃、戴姆勒和奔馳為例，早已普遍采用屈服強(qiáng)度為700 MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼作為生產(chǎn)汽車大梁的主要材料，通過(guò)材料強(qiáng)度升級(jí)替換，達(dá)到車身減重的目的。未來(lái)屈服強(qiáng)度為600、700 MPa 級(jí)的汽車大梁鋼將成為歐美市場(chǎng)需求的主流，因其不僅有較高的屈服強(qiáng)度，還具有成形性好、韌性好、抗疲勞性能好的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 鈮微合金化對(duì)鋼材性能的作用[19]

芬蘭Ruukki公司是世界第2大特種鋼生產(chǎn)商，早在2002 年就開(kāi)創(chuàng)了直接淬火工藝生產(chǎn)出屈服強(qiáng)度為700 MPa 級(jí)高強(qiáng)鋼Optim700MC。與傳統(tǒng)淬火工藝相比，在Optim700MC 生產(chǎn)過(guò)程中將軋制與快速冷卻相結(jié)合，鋼板熱軋之后隨即進(jìn)行硬化，生產(chǎn)出來(lái)的鋼材不僅強(qiáng)度高，成形性和焊接性良好[20]。Optim700MC高強(qiáng)鋼后被率先應(yīng)用在歐美市場(chǎng)的商務(wù)車領(lǐng)域，如芬蘭SiimetOy 公司生產(chǎn)的重載掛車自重減輕20%，同時(shí)提高20%承載能力；波蘭Pomot 公司在應(yīng)用3 mm 厚Optim700MC 鋼板實(shí)現(xiàn)重卡底盤減重46%，大大減少了生產(chǎn)成本[21]。在此基礎(chǔ)上，奧鋼聯(lián)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了ALFORM700M高強(qiáng)鋼，其采用高溫奧氏體快速淬火得到細(xì)小的鐵素體和一定比例的馬氏體（M）組織，并在Optim700MC 的基礎(chǔ)上優(yōu)化了微合金體系，利用V 的中溫析出機(jī)制進(jìn)一步提升了ALFORM700M高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度。該鋼在商用車梁架制造領(lǐng)域中可顯著提升車架疲勞壽命，但焊接性不佳，多用于牽引車?yán)涑尚纬休d縱梁的制造[22]。

瑞典的SSAB 公司作為全球最早利用TMCP 技術(shù)研發(fā)析出強(qiáng)化高強(qiáng)鋼的企業(yè)，并參照EN10149-2標(biāo)準(zhǔn)將低C、低Si、Ti-Nb 復(fù)合析出強(qiáng)化高強(qiáng)度低合金汽車鋼板DOMEX700MC 推向市場(chǎng)化。DOMEX700MC 通過(guò)低Si 控制，改善了鋼板表面質(zhì)量，有效避免了麻點(diǎn)缺陷，提高了大梁的動(dòng)載疲勞服役性。由它制造的汽車大梁，整體結(jié)構(gòu)的抗彎和抗扭強(qiáng)度極高，在板厚減至5～6 mm時(shí)，仍能保證近40 t載荷汽車大梁的安全，被廣泛應(yīng)用于牽引車的承載主梁、普通半掛車車架大梁和載貨車大梁的制造[22]，后也被東風(fēng)汽車公司引進(jìn)使用[23]。同樣采取低Si控制的還有日本JFE公司。在生產(chǎn)中JFE通過(guò)在鋼中添加少量的Si、微量的C和Mo元素，平衡了C、Mo、Ti 等合金元素的比例，研制出了Nano Hiten 高強(qiáng)鋼板，該設(shè)計(jì)使得鋼中微觀組織避免了珠光體的生成，使產(chǎn)品具有單一相的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并將卷曲溫度設(shè)置為較高的600 ℃。該鋼具有較高的屈服強(qiáng)度（達(dá)734 MPa）、延伸率和彎曲性能，同時(shí)還具備極高的熱穩(wěn)定性[22]，被廣泛應(yīng)用于汽車動(dòng)載結(jié)構(gòu)部件和重卡車架大梁制造。

1.2 橋殼用高強(qiáng)度鋼

隨著中國(guó)物流經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與國(guó)內(nèi)商用車市場(chǎng)需求向著多層次、多規(guī)格的方向發(fā)展。結(jié)合上節(jié)中分析的中國(guó)商用車未來(lái)市場(chǎng)對(duì)中重型載貨車的需求穩(wěn)步上升，從而帶動(dòng)了熱軋汽車用高強(qiáng)鋼的需求。出于商用車制造向輕量化發(fā)展和節(jié)能減重的需要，特別是對(duì)于支撐車架和后驅(qū)動(dòng)橋，已大量使用熱軋鋼板制作沖焊橋殼體，取代了制作工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率偏低、笨重、成本較高的鑄造橋殼體[24]。由于沖壓橋殼是由鋼板沖壓成形半橋殼后，經(jīng)半橋殼體組焊、橋包組焊、軸頭組焊后形成車橋外殼（見(jiàn)圖2），結(jié)合橋殼的形狀及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，要求鋼板強(qiáng)度高，冷彎及拉延成形性好并具有優(yōu)良的焊接性和抗疲勞性。雖然國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)汽車高強(qiáng)汽車板鋼的思路基本相同，但鋼種的成分和工藝仍存在一定差別。

圖2 冷壓橋殼鋼成形工藝

橋殼鋼按沖壓方式主要分為2 種：一種為熱沖壓成型，這是目前橋殼最主要的一種沖壓成型方式，所使用的材料則為Q345、16MnL 等抗拉強(qiáng)度在500 MPa以下的鋼板，輔以少量的Q420和Q460結(jié)構(gòu)鋼以及進(jìn)口的SMn750，厚度為14 ～20 mm，但由于板料感應(yīng)加熱過(guò)程中，材料失去了原有的狀態(tài)致使強(qiáng)度有所降低，需對(duì)熱沖壓成型件進(jìn)行淬火才能達(dá)到橋殼鋼所需的強(qiáng)度要求[25]。此外，這些鋼板普遍存在的問(wèn)題是帶狀組織比較明顯[26]，在沖壓加工及后續(xù)使用過(guò)程中存在褶皺、彎曲和開(kāi)裂現(xiàn)象[27]。另一種為冷沖壓成型，但所需材料的強(qiáng)度在600 MPa 以上，可將橋殼的厚度由14～16 mm 降低至12 mm，此方式生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，材料利用率高、降低能耗及生產(chǎn)低成本等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)橋殼輕量化（可減重10%以上）和提高橋殼使用壽命[28]。為順應(yīng)中重型商用汽車輕量化發(fā)展需求，開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度耐疲勞性冷成型用橋殼鋼成為大勢(shì)所需，目前國(guó)內(nèi)鋼廠中只有寶鋼[29]、武鋼[30]、首鋼[31]和普鋼[32]等少數(shù)企業(yè)有專門600 MPa級(jí)橋殼鋼牌號(hào)。

作為一類高強(qiáng)度、高塑韌性的新型鋼種，賀信萊等人[33]最先提出的弛豫-析出控制相變（RPC）技術(shù)并成功應(yīng)用在系列冷壓橋殼鋼的開(kāi)發(fā)中，在此基礎(chǔ)上，張杰等[34]和房玉佩等[35]研究了快速回火不同溫度對(duì)Nb-Ti 及Nb-V 復(fù)合析出機(jī)制的影響；楊庚蔚[36]等研究了Ti-V 微合金化橋殼鋼的相變規(guī)律和組織性能，強(qiáng)調(diào)了卷曲溫度的重要性。隨著微合金化冷壓橋殼鋼鋼鐵冶煉水平和工藝的不斷提升，碳量可進(jìn)一步控制在0.05%～0.09%，甚至更低水平[37]，因而削弱了碳對(duì)貝氏體/馬氏體韌性的不利影響[38]，改善了焊接性能的同時(shí)，拉延成形性也顯著提高，且通過(guò)添加微合金元素（Ti、Nb、V 等）進(jìn)一步提升了鋼材的強(qiáng)度[39]，被逐步應(yīng)用于汽車輕量化等對(duì)動(dòng)載疲勞性能要求較高的制造領(lǐng)域[40]。作為車身的重要部件，橋殼鋼在使役過(guò)程中承擔(dān)著載貨負(fù)荷、路面隨機(jī)載荷、制動(dòng)及轉(zhuǎn)向等附加應(yīng)力作用[41]，疊加輕量化橋殼材料設(shè)計(jì)的不斷減薄，橋殼焊接接頭的焊接性[42-43]、斷裂韌性[44-45]、抗疲勞性[46-48]等方面還需在工程應(yīng)用中進(jìn)行檢驗(yàn)。

目前，寶鋼已經(jīng)在與山東蓬翔車橋廠進(jìn)行合作開(kāi)展抗拉強(qiáng)度為800～900 MPa 級(jí)重型貨車橋殼用鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工作[19]。采用新的橋殼后，橋殼可實(shí)現(xiàn)減重50 kg，減重率達(dá)20%以上。此外，武鋼[49]和首鋼[50]也在積極與車橋廠合作開(kāi)發(fā)抗拉強(qiáng)度600 MPa及以上級(jí)別橋殼用鋼，與原有500 MPa 級(jí)C-Mn 熱壓橋殼鋼相比，在提高橋殼強(qiáng)度和疲勞壽命的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)車橋減重10%的目標(biāo)[19]。但從焊后抗疲勞設(shè)計(jì)和冷壓橋殼鋼成分優(yōu)化角度來(lái)進(jìn)一步推動(dòng)輕量化材料開(kāi)發(fā)的相關(guān)技術(shù)尚未見(jiàn)針對(duì)性的報(bào)道。

1.3 車輪用高強(qiáng)度鋼

商用車鋼制車輪總成結(jié)構(gòu)一般由輪輻和輪輞焊接而成，見(jiàn)圖3。較厚規(guī)格的輪輻一般采用旋壓成形技術(shù)來(lái)替代傳統(tǒng)沖壓成形技術(shù)，成型工序相對(duì)簡(jiǎn)單，而輪輞的生產(chǎn)則主要包含了下料卷圓、閃光對(duì)焊、擴(kuò)口、輥型、擴(kuò)張精整等復(fù)雜工序。圖4 所示的輪輻和輪輞各生產(chǎn)工序均要求車輪鋼必須具備良好的塑性、強(qiáng)韌性、焊接性、冷成型性和抗疲勞特性。上世紀(jì)80 年代，因生產(chǎn)成本低廉，熱成形技術(shù)成熟，熱軋普碳鋼成為當(dāng)時(shí)車輪用鋼的主要生產(chǎn)材料，到目前為止仍然是輪輞使用量最多的鋼材[51]，如330CL、380CL、440CL 等國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和全規(guī)格覆蓋。隨著近年來(lái)車輪輕量化水平的不斷提高，車輪用鋼向著高強(qiáng)化水平發(fā)展而衍生出：低碳微合金鋼（如490CL、S550CL、540CL、S550CL 和590CL）、細(xì)晶鋼（如首鋼的SCX400）及高擴(kuò)孔鋼（HR300/450HE、HR440/580HE）4 大類車輪鋼產(chǎn)品，具體成分和力學(xué)性能實(shí)物水平見(jiàn)表2 和表3[52]。在材料選擇方面，車輪輪輞材料主要涉及熱軋普碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼、鐵素體-貝氏體（F-B）雙相鋼、鐵素體-馬氏體（F-M）雙相鋼以及全貝氏體鋼[53]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，北美地區(qū)車輪生產(chǎn)商在車輪輪輞用鋼的選擇上偏重于采用熱軋普碳鋼，約占輪輞用鋼量的70%，且逐年呈降低趨勢(shì)，取而代之的是低合金高強(qiáng)鋼的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大，抗拉強(qiáng)度接近600 MPa[54]。而在歐洲市場(chǎng)，熱軋普碳鋼的輪輞市場(chǎng)份額雖然占據(jù)主導(dǎo)地位，但正在逐步被雙相鋼擠占，截至2017 年底，2 者市場(chǎng)份額分別約占55%和45%。在同年水平上，我國(guó)車輪輪輞用鋼依舊以380CL 為代表的熱軋普碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼為代表，市場(chǎng)占有率分別約占80%和20%。

圖3 車輪總成示意

圖4 重卡車輪生產(chǎn)流程

表2 汽車車輪用鋼化學(xué)成分[52] (質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

雖然我國(guó)在車輪鋼的強(qiáng)度級(jí)別和應(yīng)用水平上與國(guó)外尚存一定差距，但在商用車輕量化的背景下，作為旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件的車輪在降低自重、降耗、減排方面的作用日漸凸顯。據(jù)分析，車輪旋轉(zhuǎn)件減重的節(jié)能效果相當(dāng)于同車非旋轉(zhuǎn)件的1.2～1.3 倍[55-56]，因此，我國(guó)科研機(jī)構(gòu)及眾多車輪制造商對(duì)低合金高強(qiáng)車輪鋼的研發(fā)和升級(jí)替代正在以380CL 為基礎(chǔ)加快研發(fā)和推進(jìn)步伐[57]。繼河鋼的曾憲平等人[58]采用無(wú)硅低碳低合金技術(shù)路線成功研制出380CL、420CL系列車輪鋼之后，西華大學(xué)的蓋少飛等人[59]以380CL 車輪鋼為基礎(chǔ)，研究了影響車輪鋼板形表面質(zhì)量的因素，通過(guò)對(duì)煉鋼工藝以及連鑄速度的合理改善，成功試制了490CL車輪鋼。東北大學(xué)的王寧等人[60]通過(guò)對(duì)380CL普碳鋼進(jìn)行成分微調(diào)以及利用控軋控冷工藝在本鋼熱連軋生產(chǎn)線上開(kāi)發(fā)研制了晶粒尺寸為4～6 μm，抗拉強(qiáng)度達(dá)550 MPa的低成本高強(qiáng)度商用車車輪鋼板，最終實(shí)現(xiàn)車輪質(zhì)量減重10%的同時(shí)保持了車輪較高的疲勞壽命。武鋼研究院的劉永前等人[49]基于低碳380CL的基礎(chǔ)體系，通過(guò)Nb微合金化技術(shù)思路，成功研發(fā)了抗拉強(qiáng)度為450～590 MPa 級(jí)輪輞用低合金高強(qiáng)鋼系列，并在國(guó)內(nèi)外商用車市場(chǎng)應(yīng)用廣泛。重鋼的趙啟帆等人[61]近期正開(kāi)展590CL的合金優(yōu)化設(shè)計(jì)，軋制工藝設(shè)計(jì)以及二級(jí)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整等工作，在改善590CL帶鋼冷成型性及焊接性的同時(shí)，提出了800 MPa 級(jí)車輪鋼的研發(fā)設(shè)計(jì)思路。與此同時(shí)，上汽集團(tuán)的陳少平等人[62]基于Abaqus 軟件對(duì)800 MPa 高強(qiáng)度鋼制車輪開(kāi)展了動(dòng)態(tài)彎曲應(yīng)力先期分析工作，對(duì)數(shù)據(jù)分析所得車輪應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)部位進(jìn)行曲面優(yōu)化，最后完成了與彎曲疲勞臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，但在車輪徑向疲勞壽命預(yù)測(cè)與驗(yàn)證方面，劉建樹(shù)等人[63]進(jìn)行了有益的補(bǔ)充。

表3 車輪鋼力學(xué)性能（一例）[52]

綜上分析可見(jiàn)，我國(guó)車輪鋼從高強(qiáng)化的鋼材研究、車輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化到結(jié)構(gòu)使役行為研究均取得了系列研究進(jìn)展，但也不難看出，從車輪鋼的研究到結(jié)構(gòu)的應(yīng)用驗(yàn)證，各環(huán)節(jié)的銜接相對(duì)獨(dú)立，未形成系統(tǒng)。中國(guó)汽車工程研究院有限公司[64]（簡(jiǎn)稱：中汽研）以國(guó)內(nèi)汽車底盤技術(shù)研發(fā)、性能評(píng)價(jià)和工程數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，是致力于底盤操穩(wěn)、平順性、制動(dòng)性及整車耐久性能的研究與開(kāi)發(fā)的權(quán)威機(jī)構(gòu)，擁有K&C 測(cè)試臺(tái)、車輪六分力傳感器、底盤性能客觀測(cè)試等專業(yè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。為此，本文作者借助中汽研的車輪應(yīng)變傳感測(cè)試系統(tǒng)，與首鋼技術(shù)研究院肖寶亮等人[65]以最終車輪應(yīng)用驗(yàn)證為目標(biāo)，在本文中通過(guò)先期介入車輪制造商的車輪結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化、定向材料研發(fā)以及配套焊接技術(shù)[66]等，為車輪企業(yè)提供了一款22.5×8.25型車輪的輕量化設(shè)計(jì)方案及最佳選材方案，成功正向研發(fā)了系列低合金高強(qiáng)度車輪鋼并在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)車輪減重，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了車輪從設(shè)計(jì)、特定鋼材研究、應(yīng)用技術(shù)集成到結(jié)構(gòu)應(yīng)用驗(yàn)證的系統(tǒng)性研發(fā)。目前，該型車輪質(zhì)量約35 kg，若能實(shí)現(xiàn)車輪質(zhì)量降低10%以上，整車24 個(gè)車輪（含2個(gè)備用輪）可實(shí)現(xiàn)減重84 kg 以上。本文通過(guò)對(duì)車輪強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、疲勞仿真、輪輞閃光對(duì)焊工藝研究等技術(shù)工作提出微合金化方案，成功開(kāi)發(fā)了380CL～590CL 系列車輪鋼，厚度由5.25 mm 降為4.50 mm，產(chǎn)品樣件質(zhì)量達(dá)到了31.5 kg，減重效果顯著，從應(yīng)用驗(yàn)證角度也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，徑向疲勞壽命明顯提高。

1.4 廂體用高強(qiáng)度鋼

商用半掛車主要由車廂廂體所在的上裝結(jié)構(gòu)件和車架所在的下裝結(jié)構(gòu)件組成。作為半掛車上重要的也是質(zhì)量最大的部件，在減輕半掛車總質(zhì)量方面具有很大的空間。伴隨我國(guó)鋼鐵冶金技術(shù)、軋制技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)新型高強(qiáng)度鋼材的研究不斷發(fā)展，配合有限元精確解析的板形控制技術(shù)作為有力支撐，薄規(guī)格熱軋高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度級(jí)別不斷提高，為商用車車廂結(jié)構(gòu)的整體輕量化提供了技術(shù)基礎(chǔ)。目前，我國(guó)商用半掛車自身重量大，載質(zhì)量利用系數(shù)低，主要問(wèn)題就存在于材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化2大方面。我國(guó)現(xiàn)存商用半掛車的廂板制造多采用Q345普碳鋼居多，使用700 MPa級(jí)以上低合金高強(qiáng)鋼（HSLA鋼）制造輕量化車廂又亟待解決鋼板韌性儲(chǔ)備問(wèn)題和焊接軟化問(wèn)題，其中后者對(duì)廂板連接強(qiáng)度至關(guān)重要。

HSLA 鋼的強(qiáng)化方法主要包括細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、組織強(qiáng)化和析出強(qiáng)化4類，在商用車減重、節(jié)能等方面發(fā)揮著重要作用。其中，Ti、Nb 等微合金元素在板坯加熱過(guò)程中可與碳氮形成一次碳氮化物來(lái)降低原奧氏體晶粒尺寸；在TMCP 熱機(jī)械軋制過(guò)程中的組織變形又在HSLA 鋼晶粒內(nèi)貢獻(xiàn)了大量的位錯(cuò)儲(chǔ)能，具體而言，在TMCP過(guò)程中碳氮化物，特別是Nb(C,N)，能夠有效抑制奧氏體晶粒再結(jié)晶，軋機(jī)在精軋階段可為HSLA 鋼中的變形奧氏體提供更多的變形帶、位錯(cuò)等固態(tài)相變組織形核點(diǎn)，2次細(xì)化軋后晶粒尺寸；隨后通過(guò)控制冷卻技術(shù)來(lái)控形控性低碳貝氏體組織，為HSLA 鋼提供了組織強(qiáng)化手段；在最冷至570～600 ℃的卷曲階段，固溶于基體中的Ti、Nb 等微合金元素2次形成彌散沉淀的納米級(jí)析出相[67]，并通過(guò)Orowan機(jī)制為主的析出強(qiáng)化作用再次提高HSLA鋼的室溫屈服強(qiáng)度。此外，HSLA 鋼的制造成本低廉也成為取代Q345普碳鋼制造廂板的最理想材料。

但制約HSLA鋼成功應(yīng)用于廂板制造的2大技術(shù)問(wèn)題，即韌性儲(chǔ)備低和焊接熱影響區(qū)軟化成為了近幾年的研究熱點(diǎn)[68-70]。盡管Ti、Nb 等微合金元素都能起到細(xì)晶強(qiáng)化與析出強(qiáng)化作用，但相關(guān)研究指出，鋼中的元素C和N會(huì)優(yōu)先和加入的Ti、Nb形成強(qiáng)化作用較弱的液析大顆粒相，不僅對(duì)析出強(qiáng)化效果造成不利影響，同時(shí)降低了材料的韌性儲(chǔ)備[71-72]。因此，相關(guān)學(xué)者提出了低碳低氮的合金冶煉思路來(lái)降低了液析大顆粒相的數(shù)量和尺寸[73]，并成功研發(fā)了強(qiáng)韌性優(yōu)良的商用車廂體鋼[74-75]。此外，哈爾濱工程大學(xué)的張中武等人[76]不僅詳盡闡述了HSLA 鋼的發(fā)展歷程、強(qiáng)化機(jī)制和韌性機(jī)制，還對(duì)焊接性能進(jìn)行了闡述，研究認(rèn)為HSLA 鋼具有良好的焊接性。但對(duì)于HSLA 鋼固有的焊接熱影響區(qū)（HAZ）的軟化行為并未提及。2019年，西安石油大學(xué)的王雷[77]等人系統(tǒng)分析了低碳微合金鋼經(jīng)3 種不同焊接工藝（打底焊、間隙焊和連續(xù)焊）焊后熱影響區(qū)強(qiáng)度降低的原因，明確了焊后強(qiáng)度降低是由于存在焊接HAZ軟化區(qū)，其形成機(jī)制是在焊接熱循環(huán)作用下原HSLA鋼的形變強(qiáng)化組織發(fā)生回復(fù)與部分再結(jié)晶。從強(qiáng)化機(jī)制角度看，具體表現(xiàn)為原HSLA 鋼應(yīng)變強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)的降低，這與本課題立項(xiàng)之初的相關(guān)研究結(jié)果相吻合[78-83]，進(jìn)一步證實(shí)了焊接HAZ 軟化是HSLA 鋼的固有特性，只可改善，不可消除。為此，本文作者嘗試在700 MPa 微合金高強(qiáng)鋼中進(jìn)行硼的微合金化[84]，在相同焊接熱輸入條件下可有效緩解粗晶熱影響區(qū)（CGHAZ）的軟化傾向，為此種高強(qiáng)鋼在廂體制造中的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了技術(shù)參考。

2 熱軋汽車結(jié)構(gòu)用鋼的應(yīng)用發(fā)展的新型模式—EVI

EVI（Early Vendor Involvement）意為供應(yīng)商對(duì)企業(yè)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的先期介入模式[84]。目前在汽車制造領(lǐng)域，EVI已衍生為一種整車集成解決方案，涵蓋材料供應(yīng)商為車企定向提供新車開(kāi)發(fā)所需的各類先進(jìn)材料和配套生產(chǎn)工藝的相關(guān)信息，從而根據(jù)車身設(shè)計(jì)指標(biāo)，提出材料優(yōu)選方案，并針對(duì)典型結(jié)構(gòu)件，給車企提供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和仿真分析方面的技術(shù)支持。汽車制造領(lǐng)域的EVI 模式充分體現(xiàn)了材料供應(yīng)商和車企之間全新的關(guān)系和共贏的合作模式。未來(lái)隨著EVI活動(dòng)的開(kāi)展，將會(huì)給我國(guó)材料產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇和動(dòng)力。

EVI 活動(dòng)帶動(dòng)了汽車結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度鋼的發(fā)展[85]。韓國(guó)浦項(xiàng)公司是最早提出EVI 概念并將EVI 活動(dòng)進(jìn)一步細(xì)化到乘用車中，包括：同時(shí)工程(CE—Concurrent Engineering：優(yōu)化材料的建議和新鋼種的開(kāi)發(fā))、價(jià)值工程(VE—Value Engineering：運(yùn)輸系統(tǒng)的改進(jìn)使材料的供應(yīng)成本下降)、價(jià)值創(chuàng)新(VI—Value Innovation：材料的改變降低成本)、零件和用材的建議(PPPart Proposal：在車輛運(yùn)行條件改變時(shí)，及時(shí)對(duì)零件的用材提出建議)。蒂森公司在Incar項(xiàng)目中展示了該公司的EVI 活動(dòng)能力，該項(xiàng)目的一個(gè)重要特點(diǎn)是：同一個(gè)乘用車零件在開(kāi)發(fā)前期給出多種解決方案、重量和CO2排放水平估值。安賽樂(lè)·米塔爾公司在展示EVI活動(dòng)時(shí)，為了區(qū)分歐洲和北美標(biāo)桿車的不同要求和細(xì)微區(qū)別，獨(dú)立先期研發(fā)并形成了一套輕量化白車身Sin motion的解決方案和方法論。

相比之下，我國(guó)商用車EVI 技術(shù)剛剛起步，統(tǒng)一的商用車輕量化評(píng)價(jià)手段不及乘用車健全。在不斷地探索和實(shí)踐完善中，寶鋼以目標(biāo)車型成本控制為導(dǎo)向的汽車EVI 活動(dòng)更適合于中國(guó)發(fā)展模式。商用車EVI模式流程如圖5所示。寶鋼針對(duì)汽車廠的生產(chǎn)模式，在國(guó)內(nèi)優(yōu)先啟動(dòng)了先進(jìn)工程設(shè)計(jì)、車身結(jié)構(gòu)仿真、材料及加工裝備設(shè)計(jì)和車型開(kāi)發(fā)驗(yàn)證與安全性評(píng)價(jià)各階段的技術(shù)介入，實(shí)施全流程個(gè)性化技術(shù)支持，為我國(guó)商用車輕量化關(guān)鍵用鋼的正向開(kāi)發(fā)與EVI 應(yīng)用技術(shù)研究探討了的新模式，打開(kāi)了商用汽車制造商和鋼廠共贏的良好局面[6]。

圖5 商用車開(kāi)發(fā)各階段的EVI模式[6]

3 應(yīng)用問(wèn)題

3.1 服役環(huán)境和制造工藝對(duì)熱軋高強(qiáng)鋼的新要求

商用車核心承載部件，如車輪、車橋及梁架多為焊接結(jié)構(gòu)，在服役過(guò)程中受環(huán)境溫度、載荷量及路面狀態(tài)的影響，受力狀態(tài)復(fù)雜，單純從焊接質(zhì)量保障角度出發(fā)已不能滿足承載構(gòu)件的服役壽命要求，需以模型仿真優(yōu)化、材料選配及配套生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合的方式，系統(tǒng)保障結(jié)構(gòu)的安全性。

從商用車生產(chǎn)制造角度分析，梁架的制造對(duì)高強(qiáng)鋼板的板形及強(qiáng)韌性要求苛刻；受不同路況下的反作用力影響，車輪的疲勞載荷最為復(fù)雜，要求車輪鋼有優(yōu)異的徑向疲勞或彎曲疲勞性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)低碳當(dāng)量控制，達(dá)到良好的焊接性能；熱沖壓橋殼強(qiáng)度降低，不能滿足輕量化設(shè)計(jì)要求，冷沖壓方式替代后，輕量化橋殼鋼除強(qiáng)韌性要求外，需具備一定的冷成形性能。

3.2 高強(qiáng)度鋼板開(kāi)發(fā)存在的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)多采用Ti析出強(qiáng)化思想，配合在線控軋控冷工藝，實(shí)現(xiàn)Q700 及以上高強(qiáng)度級(jí)別高強(qiáng)鋼的低成本生產(chǎn)，但板帶縱剪后的翹曲和鐮刀彎程度不能滿足商用車制造領(lǐng)域≤1.5 mm/m的要求；此外，隨著板材強(qiáng)度級(jí)別的提升，焊后接頭有軟化趨向嚴(yán)重，強(qiáng)度降低約50～150 MPa，影響焊接結(jié)構(gòu)的疲勞承載能力。

高強(qiáng)度車輪鋼的開(kāi)發(fā)必然伴隨碳當(dāng)量的提高，焊接工藝窗口變窄。而各大車輪制造商的焊接產(chǎn)線生產(chǎn)工藝相對(duì)固化，往往造成車輪鋼產(chǎn)品，特別是輪輞閃光對(duì)焊后擴(kuò)口開(kāi)裂率居高不下，板材合標(biāo)不合用的現(xiàn)狀。

高強(qiáng)度級(jí)別的橋殼鋼采用冷沖壓工藝，對(duì)材質(zhì)的可成形性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。同時(shí)，高強(qiáng)度級(jí)別橋殼鋼焊接熱影響區(qū)（HAZ）的脆化也影響結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性。

4 應(yīng)用難點(diǎn)

首先，為實(shí)現(xiàn)最佳輕量化設(shè)計(jì)，“精確”建模分析至關(guān)重要，而模型邊界約束方式和加載條件直接影響仿真精度。目前，車輛模型分析多在剛性約束條件下開(kāi)展不同載荷工況分析，忽略了阻尼系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)的柔化作用，必然降低了模型優(yōu)化結(jié)果的置信度。因此，如何保證原始結(jié)構(gòu)件的模型精度提高設(shè)計(jì)置信度成為主要難點(diǎn)。

其次，為達(dá)到輕量化目標(biāo)值，需對(duì)“精確”模型進(jìn)行參數(shù)化尋優(yōu)或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，從計(jì)算仿真層面給出了目標(biāo)厚度條件下高強(qiáng)鋼的匹配方案。高強(qiáng)鋼的承載能力提高，對(duì)缺陷有較高的敏感度，如何提高板材的強(qiáng)韌性、均勻性和可制造性成為另一難點(diǎn)。

第三，焊接接頭作為缺陷綜合體，在疲勞載荷作用下裂紋優(yōu)先萌生。為提高在復(fù)雜受力條件下焊接接頭的疲勞適應(yīng)性，針對(duì)性地開(kāi)展材料關(guān)鍵共性技術(shù)研究及生產(chǎn)裝備的引領(lǐng)與創(chuàng)新同樣成為技術(shù)難點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

熱軋汽車結(jié)構(gòu)鋼在我國(guó)輕量化商用車中將發(fā)揮重要作用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和減重的主要切入點(diǎn)應(yīng)該是承載梁架、車輪、沖焊橋殼等大量應(yīng)用熱軋板的結(jié)構(gòu)件，對(duì)于提高整車的質(zhì)量利用系數(shù)等輕量化指標(biāo)具有重要意義。

未來(lái)熱軋汽車結(jié)構(gòu)鋼將會(huì)通過(guò)現(xiàn)代冶金手段，輔以科學(xué)模擬計(jì)算、配套先進(jìn)加工方法來(lái)保證材料的質(zhì)量穩(wěn)定性和成本控制，全方位融入車企的全制造流程，開(kāi)啟商用汽車制造商和鋼廠良好的EVI共贏模式。

開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度熱軋汽車結(jié)構(gòu)鋼必須關(guān)注商用車目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的服役環(huán)境和制造工藝在熱軋高強(qiáng)鋼使役過(guò)程中出現(xiàn)的新問(wèn)題，做好輕量化車型開(kāi)發(fā)前的先期介入與技術(shù)支持。