热轧冲压桥壳用钢板的研制开发

D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1999.01.007 第21卷第4期 北京科技大学学报 Vol.21 No.4 1999年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.1999 热轧冲压桥壳用钢板的研制开发 初元璋祁鹏狄丽华 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要通过对不同化学成分的试验用钢进行不同热轧工艺、终轧温度和卷取温度的试验研 究，分析了化学成分、工艺参数、金相组织对桥壳钢性能的影响：确定了化学成分及符合武钢生 产条件的工艺制度：在此基础上研制开发了440MP阳级热轧冲压桥壳专用钢板. 关键词桥壳钢；化学成分；热轧工艺；性能 分类号TG355.11 桥壳是汽车行驶系统的主要构件之一，它 充分考虑武钢现有设备的能力，以及研制、生产 支承车架及车架以后的各总成重量，同时它保 的经济性和技术上的可行与方便.汽车桥壳用 护传动系统中的各部件.在使用方面，桥壳的形 热轧钢板，厚度大都在4~10mm,可以以大梁 状及其结构特点决定了桥壳件对其所用材料要 钢和16Mn钢系为基础进行成分设计，通过适 求强度高，冷弯及拉延成形性好并具有优良的 当的控轧控冷工艺，获得细小均匀的铁素体组 焊接性能.目前，已有日本的SAPH440、SHP45、 织，从而具有较高的强度和较好的成形性能.针 GW3300等，德国的TL-VW1114Ti、TL-VW 对武钢现有设备的能力，成分设计时应考患使 1128、TL-VW1206、TL-VW1490等桥壳专用钢 材料在较高的终轧温度和卷取温度下（即较小 牌号：而国内桥壳专用钢种尚属空白，桥壳制造 的变形抗力下)获得合格的组织和性能.综上所 多采用铸造方式或用大梁钢等替代.铸造桥壳 述，桥壳钢的成分设计应遵循以下原则： 重量大，较为笨重：冲压桥壳厚度小，重量轻，是 ①最终组织为细小均匀的铁素体组织，同 发展的方向.用大梁钢替代存在着成形性能差、 时为保证成形性能，铁素体晶粒不能过于细小； 废品率高、产品质量不稳定等问题.因此，开发 ②为降低研制和生产成本，可以以16Mn或 热轧冲压桥壳专用钢被列为国家“九五”科技攻 大梁钢为基础，适当调整合金元素成分，获得所 关项目，以满足我国汽车工业发展的需求.本文 需的性能： 结合武钢生产实际条件，对桥壳钢的化学成分、 ③尽可能地降低C含量，这有利于提高韧 热轧工艺和成形性能进行了研究. 性和焊接性能，提高相变温度，降低轧制、卷取 及后序加工过程中的变形抗力，同时又可以改 1桥壳钢的成分设计 善成形性能； 冲压桥壳是由钢板冲压成形后，再经焊接、 ④添加适量的Si,Mn元素，这对提高韧性和 整形而成，在使用过程它要承受车架及车架以 焊接性能有利，同时又可改善强度： 后的总成重量.因此，桥壳用钢应具备强度高、 ⑤适量加入Nb,Ti等微合金元素，产生析 冷弯及拉延成形性能好的特点，并具有优良的 出强化作用，并有利于通过控轧控冷工艺控制 焊接性能.对桥壳钢性能的要求如下：h=410 铁素体晶粒大小， 基于上述原则，设计了C-Si-Mn钢和含Nb mm,a,≥295MPa,①.≥440MPa,d≥25%. 由于桥壳内部装有主减速器、差速器及驱 钢，具体成分如表1所示，并进行对比性试验研 动车轮的传动装置（如半轴），需要桥壳冲压后 究. 表」桥壳钢各元素的质量分数 的形状固定性很好，因此要求屈强比足够小， % 钢种 C Si Mn Nb Ti P S 进行成分设计时，在保证性能的前提下，应 C-Si-Mn钢0.070.291.33 -0.0100.0170.006 1998-12-08收稿初元璋男，52岁，副教授 含Nb钢0.700.200.550.0250.0090.0170.006 ◆国家‘九五'攻关项目(N0.95-527-01-02-02-02-A06)

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 小 、 热轧冲压桥壳用钢板的研制开发 初元璋 祁 鹏 狄丽 华 北京科技大学材料科学与工程学院 ， 北京 摘 要 通过 对不 同化学成 分的试验用钢 进行不 同热轧工 艺 、 终轧温度和卷取温度的试验研 究 ，分析 了化学成 分 、 工 艺参数 、 金相组织对桥壳钢性能的影响 确定 了化学成 分及 符合 武钢 生 产条件的工 艺制度 在 此基础上研制开发 了 级热 轧冲压 桥壳专用钢板 关键词 桥 壳钢 化学成分 热 轧工 艺 性 能 分 类号 桥壳是汽 车行驶 系统 的主 要 构件之 一 ， 它 支承车 架及车 架 以后 的各 总成重 量 ， 同时它 保 护传动系统 中的各部件 在使用方面 ， 桥壳的形 状及其 结构特 点 决定 了桥 壳件对 其所用 材料 要 求强度 高 ， 冷弯及 拉延 成 形性好 并具 有优 良的 焊 接性 能 目前 ， 己有 日本 的 、 、 等 ， 德 国 的 一 、 一 、 一 、 一 等桥壳专用钢 牌号 而 国 内桥壳专用 钢 种 尚属 空 白 ， 桥 壳制造 多采用 铸造 方式或 用大梁钢 等替代 铸造桥壳 重量 大 ， 较 为笨重 冲压 桥壳厚度小 ， 重量 轻 ， 是 发展 的方 向 用 大梁钢 替代存在着成形性 能差 、 废 品 率 高 、 产 品质量 不稳 定等 问题 因此 ， 开 发 热轧冲压 桥壳专用钢 被 列为 国家 “ 九五 ” 科技攻 关项 目 ， 以满足我 国汽车 工 业发展 的需求 本文 结合武钢 生产 实际条件 ， 对桥壳钢 的化学成 分 、 热 轧 工 艺 和 成 形 性 能 进行 了研 究 桥壳钢 的成分设计 冲压桥壳是 由钢 板 冲 压 成 形 后 ， 再 经 焊接 、 整 形 而 成 ， 在 使用 过 程 它 要 承 受 车 架及 车架 以 后 的总 成 重 量 因此 ， 桥 壳用 钢 应 具 备 强 度 高 、 冷弯及 拉 延 成形 性 能好 的特 点 ， 并 具 有优 良的 焊接 性 能 对 桥 壳钢 性 能 的要 求 如 下 小 以，氏 全 ，饥 七 ， 民七 由于 桥 壳 内部装 有 主 减速器 、 差 速器 及 驱 动 车 轮 的传 动 装 置 如 半 轴 ， 需 要桥 壳冲压 后 的形 状 固定性很好 ， 因 此 要 求屈 强 比足 够 小 进行成 分 设计 时 ， 在 保证性 能 的前提 下 ， 应 一 一 收稿 初元璋 男 ， 岁 ， 副教授 国家 ‘ 九五 ’ 攻关项 目 一 一 一 一 · 一 充分 考虑 武钢 现 有设 备 的能力 ， 以及研制 、 生产 的经 济性 和 技 术上 的可 行 与方便 汽 车桥 壳用 热 轧钢 板 ， 厚度大都在 ， 可 以 以大梁 钢 和 钢 系为基 础 进行成 分设计 ， 通 过适 当的控 轧控冷工 艺 ， 获得细 小均匀 的铁 素体组 织 ， 从而 具 有较高的强 度和 较好 的成形性能 针 对 武钢 现 有 设 备 的能 力 ， 成分 设 计 时应 考 虑使 材料在较 高的终轧温度和 卷 取 温 度下 即较小 的变形 抗 力下 获得 合格 的组 织和 性 能 综 上所 述 ， 桥 壳钢 的成 分 设计 应遵循 以下 原 则 ①最 终组 织 为细 小均匀 的铁素体组 织 ， 同 时 为保 证 成形 性 能 ， 铁素 体 晶粒不 能过 于 细 小 ②为降低研制和 生产成本 ， 可 以以 或 大梁钢 为基础 ， 适 当调 整 合金 元素成分 ， 获得所 需 的性 能 ③尽 可 能地 降低 含量 ， 这 有利 于 提 高韧 性 和 焊 接 性 能 ， 提 高相 变温 度 ， 降低 轧 制 、 卷取 及 后 序加 工 过程 中的变形 抗力 ， 同 时又 可 以改 善 成 形 性 能 ④添 加适量 的 ， 元 素 ， 这对提高韧 性和 焊接性 能有利 ， 同时又 可 改善强度 ⑤适量 加 入 ， 等 微 合 金 元 素 ， 产 生 析 出强 化 作用 ， 并有利于 通 过 控轧 控冷 工 艺控制 铁 素体 晶粒 大 小 基 于 上 述 原 则 ， 设 计 了 一 一 钢 和 含 钢 ， 具体成分 如表 所 示 ， 并进行对 比性试验研 究 表 桥壳钢各元素的质且分数 钢种 一 一 钢 一 含 钢 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．04．007

Vol.21 No.4 初元璋等：热轧冲压桥壳用钢板的研制开发 ·343· 对相同工艺下2种钢的性能进行的比较如 中产生较大的过冷度，相变后得到了晶粒尺寸 图1和图2所示.可以看出，相同工艺制度下， 适当的组织，对力学性能和成形性能都有利， C-Si-Mn钢的基本力学性能和成形性能都比较 同时，Mn的存在使材料得到一定程度的强化， 好.这主要是因为C-Si-Mn钢中大量Si,Mn的 对成形性能影响较小.而含Nb钢中铌的碳、氮 存在，使CCT曲线明显右移，从而在相变过程 化合物的析出强化和晶粒细化作用使材料的强 360 ■C-Si-Mn钢 460 40 ■C-Si-Mn钢 ■C-Si-Mn钢 a含Nb钢 a含Nb钢 a含Nb钢 340 30 440 320 20 3 420 10 280 400 2 2 3 1 2 不同工艺 不同工艺 不同工艺 图1各种轧制工艺下两钢种基本性能的比较(1,2,3,4，分别代表表2中对应的4种工艺) 0.85 ■C-Si-M钢 230 ■C-Si-Mn钢 口含Nb钢 口含Nb钢 0.80 220 0.75 210 0.70 0 0.65 180 3 不同工艺 不同工艺 图2各种轧制工艺下两钢种成形性能的比较(1,2,3,4，分别代表表2中对应的4种工艺) 度得到提高，但对成形性能有一定影响. 度的提高，相对冷却速度增大，因而奥氏体向铁 素体转变过程中的过冷度就大，形核率高，晶粒 2桥壳钢轧制工艺参数选择及优化 长大速度慢，使晶粒细化，对成形性能产生不利 2.1轧制工艺参数的选择 影响，故成形性能下降.因此，终轧温度应选取 在选择桥壳钢的热轧工艺参数时，应遵循 850℃为宜. 以下原则：①采用控轧控冷工艺以获得细小均 230 ▣850℃终轧 匀的铁素体组织，从而满足对性能的要求，其 ■900℃终轧 220 中，主要考虑Nb,Ti,Mn,Si等合金元素在轧制 和冷却过程中的形态变化和对性能的影响：② 210 兼顾武钢现场的生产条件以及现有生产设备的 200 能力. 因此，选择4种轧制工艺（见表2）进行比较， 190 C-Si-Mn钢 含Nb钢 表2桥壳钢热轧试验工艺 图3两钢种在不同终轧温度下的孔径延伸率 加热 压下 冷却 终轧 卷取 工艺号 制度制度/mm方式 温度/℃温度/℃ 2.3卷取温度的确定 1 32- 模拟 850 600 在终轧温度一定时，卷取温度对成形性能 1180℃ 20→ 850 625 有一定影响.如图4所示：无论是C-Si-Mn钢还 3 保温0.5h13- 层流 850 650 4 8 冷却 是含Nb钢，成形性能都随卷取温度的升高而 900 600 下降.这是由于随着卷取温度的升高，冷却速度 2.2终轧温度的确定 相对降低，即奥氏体向铁素体转变过程中的过 当卷取温度一定时，终轧温度的变化对成 冷度小，形核率低，因而晶粒个数少；同时卷取 形性能也有较大影响.如图3所示：两钢种均随 温度的提高，必然使部分晶粒过度长大，使组织 着终轧温度的提高，成形性能下降.随着终轧温 不均匀现象严重，进而使成形性能恶化

初元 璋 等 热 轧 冲压 桥壳用钢 板 的研 制开 发 对相 同工 艺下 种钢 的性能进行 的 比较如 图 和 图 所示 可 以看 出 ， 相 同工 艺 制度 下 ， 一 一 钢 的基 本 力学 性 能和 成 形性 能 都 比较 好 这 主 要是 因为 一 一 钢 中大量 ， 的 存在 ， 使 曲线 明显 右 移 ， 从 而 在 相 变过 程 中产 生 较大 的过冷度 ， 相 变后 得 到 了 晶粒尺 寸 适 当 的组 织 ， 对 力 学性 能和 成形 性能 都有 利 同 时 ， 的存 在 使材料 得 到 一 定 程 度 的强 化 ， 对成 形 性 能影 响较 小 而 含 钢 中妮 的碳 、 氮 化合 物的析 出强化和 晶粒细 化 作用 使材料 的强 感 、心芝讨 ︸，月门内，、‘ 、弋芝招 不同工艺 不 同工艺 不同工艺 图 各种轧制工艺下两钢种基本性能的比较 ， ， ， ， 分别代表表 中对应的 种工艺 “︸﹁ ，月 ”一︸ ‘ ‘，，，且 ︸︸ 哥母卑舔芝喇 “ ︵戈妞匿暖 不 同工艺 不 同工艺 图 各种轧制工艺下两钢种成形性能的比较 ， ， ， ， 分别代表表 中对应的 种工艺 度得 到提高 ， 但对 成形 性 能有 一 定 影 响 桥壳钢轧制工艺参数选择及优化 轧制工艺参数的选择 在选 择桥壳钢 的热 轧工 艺 参数 时 ， 应遵循 以下 原则 ①采用 控轧 控冷 工 艺 以获得 细 小 均 匀 的铁素体组 织 ， 从 而 满足对 性 能 的要 求 ， 其 中 ， 主 要 考虑 ， ， ， 等 合金 元 素 在 轧 制 和 冷 却 过 程 中的形 态 变 化 和 对 性 能 的 影 响 ② 兼顾武钢 现场 的生产 条件 以及 现有生产 设备 的 能力 因此 ， 选择 种轧制工 艺 见 表 进行 比较 表 桥壳钢热轧试验工艺 度 的提高 ， 相 对冷却速度增大 ， 因而 奥 氏体 向铁 素体转变过程 中的过冷度就大 ， 形 核率 高 ， 晶粒 长 大速度慢 ， 使晶粒细化 ， 对成形性能产生 不 利 影 响 ， 故成 形 性 能下 降 因此 ， 终 轧温度应 选取 ℃ 为宜 ，乙‘气，一，乙 冉︼，‘，、 甘﹄甘 并季卑韶芝目 工 艺号 加热 压下 冷却 制度 制度 方式 终轧 卷取 温度 ℃ 温度 ℃ 一 ︺︸， ︶︸︸、尸、︺︸﹃ ︸一 乙‘尹了 ‘，︸、﹃ 哎 一 保温 一 模拟 层流 冷却 终轧温度的确定 当卷 取温度一 定 时 ， 终轧温度 的变化 对 成 形性能也有较大影 响 如 图 所 示 两钢 种均 随 着终轧温 度 的提高 ， 成形性能下 降 随着终轧温 一 一 钢 含 钢 图 两钢种在不 同终轧温度下 的孔径延伸率 卷取温度 的确定 在 终 轧温 度一 定 时 ， 卷 取 温 度对 成 形 性 能 有 一 定 影 响 如 图 所 示 无 论 是 一 一 钢 还 是 含 钢 ， 成形 性 能都 随 卷 取 温度 的升 高而 下 降 这 是 由于 随着卷取温度 的升高 ， 冷 却速度 相 对 降低 ， 即 奥 氏体 向铁素体转 变过 程 中的过 冷度 小 ， 形 核率低 ， 因 而 晶粒 个数少 同时卷 取 温度 的提 高 ， 必 然使部分 晶粒过度长 大 ， 使组 织 不 均 匀现象严 重 ， 进 而 使 成形 性 能恶 化 内‘凡

。344· 北京科技大学学报 1999年第4期 220 口600℃卷取 对桥壳钢的基本力学性能指标进行测试，得到 四 口625℃春取 了屈服强度a,抗拉强度a,和延伸率d,3个基本 ■650℃鞋取 210 指标，如表3所示 表3产品基本性能指标 200 6./MPa /MPa 6% 190 C-Si-Mn钢 305 433 34 180 含Nb钢 341 436 21 C-Si-Mn钢 含Nb钢 设计要求 295 440 25 图4两钢种在不同卷取温度下的孔径延伸率 可见，C-Si-Mn钢的屈服强度和延伸率均已 从微观的角度看，一般晶粒大小均匀、晶 满足要求，虽然其抗拉强度与要求稍有差别（儿 粒度为6一8级的等轴晶粒组织成形性能较好. 个MPa),但考虑到在实际生产中，轧制条件比 当卷取温度按600→625→650℃变化时，组织越 试验室要好，钢板的强度比在试验室得到的强 来越不均匀，成形性能变差：当卷取温度为 度值要高出10MPa以上.所以C-Si-Mn钢在基 600℃时，两钢种均得到了较均匀的等轴晶粒， 本性能指标能够符合440MPa级桥壳钢的要求： C-Si-Mn钢（图5）晶粒的平均直径为l4μm,即 含Nb钢的屈服强度虽然达到了要求的指标，抗 9级左右，含Nb钢（图6）晶粒的平均直径为14.2 拉强度也接近要求，但延伸率与要求相差较大， 山m,即8.5级左右，是较理想的成形组织. 不能够满足桥壳钢成形的需要 综上所述，热轧工艺中终轧温度和卷取温 3.2基本成形性能测试 度，都应该尽可能采用较低温度，以获得满意的 桥壳钢的基本成形性能测试主要进行了屈 性能.在武现有生产条件下，终轧温度应控制 强比(a/)测定、弯曲试验，带孔拉伸试验（测定 在850℃.卷取温度应控制在600℃. 其孔径延伸率d).弯曲试验中，在b=2a,冷弯 180°，d=0的条件下，C-Si-Mn钢和含Nb钢的试 验结果均为完好，用稀盐酸溶液酸洗后，在20 倍工具显微镜下观察弯曲试样变形区仍尤裂 纹.这表明这2种成分的桥壳钢成形性能均较 好，但仅通过弯曲试验结果还不能充分显示其 成形性能的差别，因此，需要采用屈强比、孔径 延伸率等量化指标来评价其成形性能.屈强比 和孔径延伸率测量结果如图2所示，由图中可 图5C-S1Mn锅试样在850℃线轧， 600℃卷取时的组织状态 知，不论是以屈强比还是以孔径延伸率为依据， C-Si-Mn钢的成形性能均优于含Nb钢. 4结束语 研究表明：采用上述成分的C-Si-Mn钢在 所确定的热轧工艺下进行热轧，可以达到 440MPa级桥壳钢的各项性能要求，并能适合武 钢现有设备生产条件，同时填补了我国热轧冲 压桥壳专用钢板的空白。 图6含Nb钢试样在850℃终轧，600℃卷取时的组织状态 参考文献 」俞振隆，汽车用中厚钢板冲压成形性能试验方法的研 3桥壳钢的性能评价 究.汽车材料通讯，1989(1)40 3.1基本力学性能测试 2狄丽华.热轧冲压桥壳钢板的成形性能研究：[学位论 文1.北京：北京科技大学，1998.44 按照GB228-87规定的单向拉伸试验标准 (下转第348页)

·348 北京科技大学学报 1999年第4期 参考文献 及轧后快冷的研究.钢铁，1984,196)：11 3蒋克，陶佑卿微合金碳氮化物形貌、结构及化学组成的 】刘永铨.钢的热处理.北京：冶金工业出版社，1981138 研究.钢铁研究，1990(1)43 2崔文喧，戴品光，曹厚义，芦文增.含铌低碳钢控制轧制 Grain Refinement and Precipitation Behavior in KQ450 Steels during Controlled Rolling Bai Yuanqiang,Liu Chunming,Bian Jianhua,Oiu Li',Zhai Shaoyan",Fang Keming" 1)Material Science and Engineering School ,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Technology Center of Capital Iron and Steel Corp.Beijing 100041 ,China 3)Applied Science School,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The effect of hot-working parameters on the ferrite grain refinement and precipitation behavior of KQ450 steel during different controlled rolling have been investigated by means of quantitative metallog- raphy,SEM,TEM and X-ray small angle scatter analysis.The results show that heating temperature is suscep- tible to the ferrite grain size of KQ450 steel;the precipitated phases are NbC,VC and V(CN);With increasing cooling rate the average size of the precipitated phases decrease. KEY WORDS KQ450 microalloy steel;controlled rolling;ferrite grain refinement;precipitated phase (上接第344页) Development of Hot-rolled Drawn Axle-housing Steel Chu Yuanzhang,Qi Peng,Di Lihua Material Seience and Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT During the development of axle-housing steel,the composition and hot-rolling schedules have been studied and determined,the mechanics properties and formability of axle-housing steel have been tested, and the effects of composition and hot-rolling schedules on the mechanics properties and formability of axle- housing steel have been analyzed. KEY WORDS axle-housing steel;composition techniques of hot-rolling;properties

· 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 参 考 文 献 刘永栓 钢 的热处理 北京 冶金工业 出版社 ， 崔文喧 ， 戴品光 ， 曹厚义 ， 芦文增 含妮低碳钢控制轧制 及轧后快冷的研究 钢铁 ， ， 蒋克 ，陶佑卿 微合金碳氮化物形貌 、 结构及化学组成的 研究 钢铁研究 ， ，’， 才 ’， ， ” ， ，七 叮 心 ’ ， ， ， ， ， ， ， 一 ， ， 一 ， 币 上 接第 页 一 一 月 口 ， ， ， ， ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 一 一