李曉林 肖寶亮 繆成亮 杜 倩 富曉航 惠亞軍
(1. 首鋼集團有限公司技術(shù)研究院, 北京 100043; 2. 綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點實驗室, 北京 100043;3. 首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司制造部,河北 曹妃甸 063200)
商用中、重型卡車驅(qū)動橋是僅次于發(fā)動機和控制室的核心部件[1]。驅(qū)動橋殼是驅(qū)動橋系統(tǒng)的主體,關(guān)系到整車的承載能力、使用壽命和安全性能等,所以對其機械強度、剛度和疲勞強度的要求均較高[2]。由于《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》的強制推行和國家對超載超限的嚴格治理,中、重型商用車輕量化是大勢所趨。據(jù)估算,如果車輛減重100 kg,每百km耗油量將減少0.5 L,二氧化碳排放量也減少12 g[3]。另一方面,驅(qū)動橋?qū)儆诨上沦|(zhì)量,根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗,減少1 kg簧下質(zhì)量的效果等同于減重15 kg的簧上質(zhì)量[4]。
驅(qū)動橋殼的生產(chǎn)工藝有多種,包括鑄造、沖壓- 焊接和機械擴脹成形等[5]。采用傳統(tǒng)的鑄造工藝生產(chǎn)驅(qū)動橋殼,成本高、工藝復(fù)雜、橋殼笨重,不利于節(jié)能環(huán)保,已被沖壓橋殼和機械式脹形橋殼取代[6]。國內(nèi)13 t級驅(qū)動橋殼的沖壓工藝主要是熱沖壓,所用材料為Q345B或Q460C鋼板,厚度14~16 mm[7- 8]。機械式脹形橋殼主要采用Q345B或20Mn2鋼無縫鋼管制成,厚度14~16 mm[9]。我國橋殼輕量化水平與國外的差距較大,如德國的MAN車橋橋殼材料為屈服強度500 MPa、抗拉強度600 MPa的高強鋼,采用熱沖壓工藝生產(chǎn)13 t級驅(qū)動橋殼,厚度為11~12 mm[10]。隨著主機廠對橋殼輕量化和使用壽命要求的不斷提高,開發(fā)更高強度橋殼用鋼已成為鋼鐵企業(yè)研究的熱點。首鋼研發(fā)了一系列可采用熱沖壓、冷沖壓及機械擴脹工藝成形的輕質(zhì)高強度橋殼用鋼。700 MPa及以下強度級別的橋殼用鋼已可批量生產(chǎn)。
根據(jù)用戶的加工工藝和設(shè)備,首鋼研發(fā)了750 MPa及以下強度級別的橋殼用鋼,主要有熱成形、冷成形和機械擴脹成形橋殼用鋼,產(chǎn)品簡介見表1。
表1 首鋼輕質(zhì)橋殼用鋼簡介
13 t及以上噸位的重卡驅(qū)動橋殼要求具備良好的剛度和靜強度[11],為了避免橋殼沖壓時開裂,只能采用14~20 mm厚鋼板進行熱沖壓成形。成形工藝為:將鋼板感應(yīng)加熱至800~900 ℃保溫后沖壓成形,空冷。目前,熱成形橋殼用高強度鋼板主要為Q460C鋼,要求橋殼熱沖壓后仍達到Q460C鋼的力學(xué)性能水平。由于各個鋼廠生產(chǎn)的Q460C鋼成分和工藝差別較大[12],熱成形后橋殼存在性能波動大和強度偏低等問題,影響車橋的使用壽命。
為了滿足熱成形橋殼的高強度要求,首鋼先后開發(fā)了熱成形后屈服強度為420~550 MPa的橋殼用鋼,并成功應(yīng)用于商用車后驅(qū)動橋殼。在成分設(shè)計方面,考慮到用戶加熱工藝對材料性能的影響,采用中碳- 低錳- 微合金元素(Ti、Nb、V)的設(shè)計理念,通過固溶強化、細晶強化和析出強化確保材料熱成形后的性能,不同強度級別熱成形橋殼用鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表2和表3。
表2 不同強度級別熱成形橋殼用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))
表3 不同強度級別熱成形橋殼用鋼的力學(xué)性能
首鋼開發(fā)的SQ500RQK鋼,采用C- Mn- Ti- Nb成分體系,采用低溫終軋+高溫卷取工藝,獲得了細小的鐵素體和(Ti,Nb)C析出相。12 mm厚熱軋鋼板經(jīng)感應(yīng)加熱至800 ℃后空冷,屈服強度為553 MPa,抗拉強度623 MPa,斷后伸長率32%。圖1為SQ500RQK鋼板加熱前后的掃描電鏡照片,鋼板感應(yīng)加熱后鐵素體發(fā)生粗化,但不明顯。由于感應(yīng)加熱速率快(>60 ℃/s),保溫時間短(≤3 min),鐵素體晶粒不能充分回復(fù)或再結(jié)晶。圖2為SQ500RQK鋼板感應(yīng)加熱后的透射電鏡照片。由圖2可知,感應(yīng)加熱后仍有數(shù)量較多、尺寸小于10 nm的析出相,可確保材料的強度仍符合要求[13]。
圖1 SQ500RQK鋼板加熱(a)前、(b)后的顯微組織
圖2 SQ500RQK鋼板800 ℃加熱后的透射電鏡照片
為了滿足車橋企業(yè)節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率的需求,實現(xiàn)車橋輕量化,首鋼開發(fā)了一系列冷成形橋殼用鋼。重卡驅(qū)動橋殼用鋼板的厚度≥12 mm,為了避免橋殼在沖壓過程中開裂和回彈,一般采用熱沖壓成形。首鋼冷成形橋殼用鋼采用低C- Mn- Nb/V成分體系,嚴格控制P、S、N等元素的含量,具有良好的強度和塑性,屈強比低,組織為鐵素體和少量珠光體。不同強度級別冷成形橋殼用鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表4和表5。
表4 不同強度級別冷成形橋殼用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))
表5 不同強度級別冷成形橋殼用鋼的力學(xué)性能
首鋼開發(fā)的SQ550LQK鋼板厚度為6~14 mm,采用C- Mn- Nb- Cr- V成分體系,采用控軋控冷工藝生產(chǎn)的12 mm厚橋殼用鋼板,屈服強度587 MPa,抗拉強度673 MPa,斷后伸長率23%,帶狀組織≤1.5級,組織為鐵素體和少量珠光體,見圖3。對12 mm厚鋼板進行了冷彎試驗(彎心直徑(d)為1倍板厚(a))和對折試驗(0倍板厚),鋼板折彎處均沒有肉眼可見的裂紋,成形性能良好,見圖4。
圖3 SQ550LQK鋼板的微觀組織(a)和帶狀組織(b)
圖4 彎曲試驗后的12 mm厚SQ550LQK鋼試樣
機械擴脹成形工藝很早問世,但直到20世紀90年代,隨著汽車沖壓工藝的發(fā)展,才開始被用于汽車制造業(yè)。徐州工程機械廠引進了法國索瑪公司的脹形工藝技術(shù)[14],是國內(nèi)最早采用機械擴脹成形工藝生產(chǎn)驅(qū)動橋殼的企業(yè)。目前,國內(nèi)機械擴脹成形工藝主要為機械熱擴脹成形,加熱溫度≥850 ℃,材料為Q345B或20Mn2鋼無縫鋼管[9],壁厚為14~16 mm。為了降低機械擴脹成形橋殼的生產(chǎn)成本,首鋼研發(fā)了一系列低屈強比的機械冷擴脹成形橋殼用鋼,可替代無縫鋼管,其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表6和表7。
表6 不同強度級別機械擴脹成形橋殼用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))
表7 不同強度級別機械擴脹橋殼用鋼調(diào)質(zhì)處理后的力學(xué)性能
以SQK750ZX鋼為例,采用C- Mn- Cr- Nb- Ti成分體系,采用合理的控軋控冷工藝生產(chǎn)的鋼卷典型厚度為12 mm,屈服強度423 MPa,抗拉強度610 MPa,斷后伸長率39%,屈強比0.69,性能優(yōu)良。橋殼采用高頻電阻焊工藝制管后冷擴脹成形。熱軋態(tài)鋼卷組織為鐵素體和珠光體,調(diào)質(zhì)處理(850 ℃淬火、600 ℃回火)后,屈服強度689 MPa,抗拉強度773 MPa,斷后伸長率26%,組織為回火馬氏體,如圖5所示。熱軋態(tài)SQK750ZX鋼卷經(jīng)高頻電阻焊制管后,對焊縫進行感應(yīng)加熱正火處理[15],焊縫硬度與母材硬度相當,見圖6。
圖6 采用熱軋SQK750ZX鋼板和高頻電阻焊工藝制作的焊管焊縫區(qū)的硬度分布
圖5 熱軋態(tài)(a)和調(diào)質(zhì)態(tài)(b)SQK750ZX鋼板的顯微組織
(1)根據(jù)卡車驅(qū)動橋殼的生產(chǎn)工藝,首鋼開發(fā)了適用于熱沖壓成形、冷沖壓成形和機械擴脹成形的高強度橋殼用鋼,已能批量生產(chǎn)抗拉強度700 MPa及以下級別的橋殼用鋼。
(2)熱成形橋殼用12 mm厚SQ500RQK鋼板,感應(yīng)加熱至800 ℃后空冷,屈服強度為553 MPa,抗拉強度623 MPa,斷后伸長率32%,可以替代14 mm厚的Q345B或Q460C鋼板,實現(xiàn)橋殼的輕量化。
(3)機械擴脹成形橋殼用12 mm厚SQK750ZX鋼板,熱軋態(tài)的綜合性能優(yōu)良,采用高頻電阻焊工藝制作的焊管,可用于機械冷擴脹成形橋殼,調(diào)質(zhì)處理后屈服強度689 MPa,抗拉強度773 MPa,斷后伸長率26%,可替代14 mm無縫管,省略橋殼擴脹成形的加熱工序,節(jié)能降耗,使橋殼輕量化。