李曉林 肖寶亮 繆成亮 杜 倩 富曉航 惠亞軍
(1. 首鋼集團(tuán)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)橋是僅次于發(fā)動(dòng)機(jī)和控制室的核心部件[1]。驅(qū)動(dòng)橋殼是驅(qū)動(dòng)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(duì)其機(jī)械強(qiáng)度、剛度和疲勞強(qiáng)度的要求均較高[2]。由于《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》的強(qiáng)制推行和國(guó)家對(duì)超載超限的嚴(yán)格治理,中、重型商用車輕量化是大勢(shì)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(dòng)橋?qū)儆诨上沦|(zhì)量,根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn),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(dòng)橋殼的生產(chǎn)工藝有多種,包括鑄造、沖壓- 焊接和機(jī)械擴(kuò)脹成形等[5]。采用傳統(tǒng)的鑄造工藝生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)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(jī)械式脹形橋殼取代[6]。國(guó)內(nèi)13 t級(jí)驅(qū)動(dòng)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(jī)械式脹形橋殼主要采用Q345B或20Mn2鋼無(wú)縫鋼管制成,厚度14~16 mm[9]。我國(guó)橋殼輕量化水平與國(guó)外的差距較大,如德國(guó)的MAN車橋橋殼材料為屈服強(qiáng)度500 MPa、抗拉強(qiáng)度600 MPa的高強(qiáng)鋼,采用熱沖壓工藝生產(chǎn)13 t級(jí)驅(qū)動(dòng)橋殼,厚度為11~12 mm[10]。隨著主機(jī)廠對(duì)橋殼輕量化和使用壽命要求的不斷提高,開(kāi)發(fā)更高強(qiáng)度橋殼用鋼已成為鋼鐵企業(yè)研究的熱點(diǎn)。首鋼研發(fā)了一系列可采用熱沖壓、冷沖壓及機(jī)械擴(kuò)脹工藝成形的輕質(zhì)高強(qiáng)度橋殼用鋼。700 MPa及以下強(qiáng)度級(jí)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(qiáng)度級(jí)別的橋殼用鋼,主要有熱成形、冷成形和機(jī)械擴(kuò)脹成形橋殼用鋼,產(chǎn)品簡(jiǎn)介見(jiàn)表1。
表1 首鋼輕質(zhì)橋殼用鋼簡(jiǎn)介
13 t及以上噸位的重卡驅(qū)動(dòng)橋殼要求具備良好的剛度和靜強(qiáng)度[11],為了避免橋殼沖壓時(shí)開(kāi)裂,只能采用14~20 mm厚鋼板進(jìn)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(qiáng)度鋼板主要為Q460C鋼,要求橋殼熱沖壓后仍達(dá)到Q460C鋼的力學(xué)性能水平。由于各個(gè)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(dòng)大和強(qiáng)度偏低等問(wèn)題,影響車橋的使用壽命。
為了滿足熱成形橋殼的高強(qiáng)度要求,首鋼先后開(kāi)發(fā)了熱成形后屈服強(qiáng)度為420~550 MPa的橋殼用鋼,并成功應(yīng)用于商用車后驅(qū)動(dòng)橋殼。在成分設(shè)計(jì)方面,考慮到用戶加熱工藝對(duì)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(jì)理念,通過(guò)固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化確保材料熱成形后的性能,不同強(qiáng)度級(jí)別熱成形橋殼用鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表2和表3。
表2 不同強(qiáng)度級(jí)別熱成形橋殼用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
表3 不同強(qiáng)度級(jí)別熱成形橋殼用鋼的力學(xué)性能
首鋼開(kāi)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(xì)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(qiáng)度為553 MPa,抗拉強(qiáng)度623 MPa,斷后伸長(zhǎng)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(shí)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)車橋輕量化,首鋼開(kāi)發(fā)了一系列冷成形橋殼用鋼。重卡驅(qū)動(dòng)橋殼用鋼板的厚度≥12 mm,為了避免橋殼在沖壓過(guò)程中開(kāi)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(yán)格控制P、S、N等元素的含量,具有良好的強(qiáng)度和塑性,屈強(qiáng)比低,組織為鐵素體和少量珠光體。不同強(qiáng)度級(jí)別冷成形橋殼用鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表4和表5。
表4 不同強(qiáng)度級(jí)別冷成形橋殼用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
表5 不同強(qiáng)度級(jí)別冷成形橋殼用鋼的力學(xué)性能
首鋼開(kāi)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(qiáng)度587 MPa,抗拉強(qiáng)度673 MPa,斷后伸長(zhǎng)率23%,帶狀組織≤1.5級(jí),組織為鐵素體和少量珠光體,見(jiàn)圖3。對(duì)12 mm厚鋼板進(jìn)行了冷彎試驗(yàn)(彎心直徑(d)為1倍板厚(a))和對(duì)折試驗(yàn)(0倍板厚),鋼板折彎處均沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的裂紋,成形性能良好,見(jiàn)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(yàn)后的12 mm厚SQ550LQK鋼試樣
機(jī)械擴(kuò)脹成形工藝很早問(wèn)世,但直到20世紀(jì)90年代,隨著汽車沖壓工藝的發(fā)展,才開(kāi)始被用于汽車制造業(yè)。徐州工程機(jī)械廠引進(jìn)了法國(guó)索瑪公司的脹形工藝技術(shù)[14],是國(guó)內(nèi)最早采用機(jī)械擴(kuò)脹成形工藝生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)橋殼的企業(yè)。目前,國(guó)內(nèi)機(jī)械擴(kuò)脹成形工藝主要為機(jī)械熱擴(kuò)脹成形,加熱溫度≥850 ℃,材料為Q345B或20Mn2鋼無(wú)縫鋼管[9],壁厚為14~16 mm。為了降低機(jī)械擴(kuò)脹成形橋殼的生產(chǎn)成本,首鋼研發(fā)了一系列低屈強(qiáng)比的機(jī)械冷擴(kuò)脹成形橋殼用鋼,可替代無(wú)縫鋼管,其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表6和表7。
表6 不同強(qiáng)度級(jí)別機(jī)械擴(kuò)脹成形橋殼用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
表7 不同強(qiáng)度級(jí)別機(jī)械擴(kuò)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(qiáng)度423 MPa,抗拉強(qiáng)度610 MPa,斷后伸長(zhǎng)率39%,屈強(qiáng)比0.69,性能優(yōu)良。橋殼采用高頻電阻焊工藝制管后冷擴(kuò)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(qiáng)度689 MPa,抗拉強(qiáng)度773 MPa,斷后伸長(zhǎng)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(duì)焊縫進(jìn)行感應(yīng)加熱正火處理[15],焊縫硬度與母材硬度相當(dāng),見(jiàn)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(dòng)橋殼的生產(chǎn)工藝,首鋼開(kāi)發(fā)了適用于熱沖壓成形、冷沖壓成形和機(jī)械擴(kuò)脹成形的高強(qiáng)度橋殼用鋼,已能批量生產(chǎn)抗拉強(qiáng)度700 MPa及以下級(jí)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(qiáng)度為553 MPa,抗拉強(qiáng)度623 MPa,斷后伸長(zhǎng)率32%,可以替代14 mm厚的Q345B或Q460C鋼板,實(shí)現(xiàn)橋殼的輕量化。
(3)機(jī)械擴(kuò)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(jī)械冷擴(kuò)脹成形橋殼,調(diào)質(zhì)處理后屈服強(qiáng)度689 MPa,抗拉強(qiáng)度773 MPa,斷后伸長(zhǎng)率26%,可替代14 mm無(wú)縫管,省略橋殼擴(kuò)脹成形的加熱工序,節(jié)能降耗,使橋殼輕量化。