邵(济南钢铁集团公司技术中心，山东济南250101)摘要:通过合理的成分和性能设计，采用Nb+Ti复合微合金化技术和结晶器喂稀土线工艺，开发生产了JCL355汽车轮辐钢板。JCL355钢的平均屈强比为0.77，钢板晶粒度在8级以上。经用户验证，JCL355钢具有良好的冲压和焊接性能，抗疲劳性能是原20g钢板的两倍。关键词:轮辐钢板；JCL355盖章；抗疲劳性；微合金化介质图分类号:TF762+.3文件识别号:B文号:1004-4620(2004)06-0040-03 1前面已经提到，现在的货车正在向大吨位方向发展，载重能力越来越高，相应的车轮要承受更高的强度、疲劳应力、冲击载荷和蠕变，以前广泛使用的Q235B和20g钢已经不能满足要求。新材料应具有较高的强度、良好的塑性和韧性、抗蠕变性和抗疲劳性，从而在增加载荷的同时达到减轻车重、降低油耗、提高安全性的目的。同时，随着汽车轻量化和性能要求的提高，汽车覆盖件的强度有所增加。车轮恶劣的使用条件也要求钢板具有高的抗疲劳性和抗蠕变性。因此，在设计钢的成分时，应综合考虑各种性能要求。
2 JCL355成分及性能设计2.1成分设计保证强度提高后塑性和韧性不降低，并应具有良好的冲压性能和焊接性能。C含量应控制在0.12%以下，通过添加微合金元素可以提高强度和韧性。目前常用的微合金元素有铌、钒、钛、钼、铝、硼等。考虑到平衡，这种钢的主要成分是Nb，同时还添加了微量的Ti。由于Nb的晶粒细化作用最大，综合性能优于V，在抗蠕变方面有独特的作用。汽车车轮在长期行驶过程中，特别是在低纬度的夏季，轮辐温度很高，承受很高的交变应力，必须考虑蠕变的影响。目前，通常在钢中加入钼和铌来改善蠕变性能，但钼铁更贵。固溶铌和NbC对蠕变性能的影响机理完全不同。固溶铌和钼的作用相同，以固溶强化为主要机制，碳化铌在蠕变过程中以防止蠕变滑动为主要机制。根据其它资料，铌对18Cr2Mo和18Cr0Mo钢在870℃和100h下2%蠕变性能的影响的实验结果表明，含0.32% Nb的0Mo钢的蠕变强度与含0.22%Nb的2Mo钢相当。表明0.1% Nb的作用相当于2%Mo的作用，Nb的作用是Mo的20倍。因此，Nb微合金化是该钢的主要成分。Ti是表面活化元素，可以填充晶界的空位置，阻碍晶界原子的扩散，提高抗蠕变性。钢中Ti的加入提高了钢的热塑性，钢中细小的TiN颗粒抑制了焊接热影响区奥氏体晶粒的长大，提高了热影响区的韧性，也抑制了再结晶，细化了晶粒。Ti还能脱氧和改善夹杂物。车轮最重要的指标之一是耐疲劳性。轮辐失效的一个重要原因是疲劳裂纹，疲劳裂纹多起源于轮辐的螺栓孔和通风孔，并向外延伸。钢中的夹杂物是疲劳裂纹的来源，所以必须严格控制钢中夹杂物的含量，钢要纯净。此外，还应注意Al和RE对车轮钢的影响。众所周知，Al2O3和铝酸盐对疲劳寿命有害。因此，该钢不准备用Al脱氧和细化晶粒，而是在钢包喂硅钡钙线中进行脱氧和夹杂物变质处理。稀土处理能显著提高钢的韧性和塑性，尤其是横向韧性和塑性，具有良好的冲压性能。因此，通过在结晶器中喂入稀土丝，向钢中加入一定量的稀土。2.2性能设计根据钢材的成分范围和性能要求以及相关钢种的经验，设计了JCL355的性能标准，并根据实际生产情况做了一些修改。2.2.1强韧性指标屈服强度指标按355MPa设计，抗拉强度指标在470-570 MPa之间，常温纵向冲击Akv不小于41J。2.2.2冲压性能指标为保证钢材的冲压性能，要求延伸率δ5不低于22%。钢的成形性还与屈强比(σs/σb)有关，要求车轮钢具有较低的屈强比。冷弯性能也可以用来模拟钢的可成形性。钢样越宽，弯曲中心越小，成形性越好。12mm厚JCL355钢的成分和性能标准见表1。[下一步]表1 JCL355成分和性能标准厚度/mm
3.1工艺路线:25t氧气顶吹转炉冶炼→脱氧合金化→精炼→板坯连铸(200mm×1250mm×L，向结晶器喂稀土丝)→精整→板坯加热→高压水除鳞→三辊粗轧→四辊精轧→矫直→剪切→检验→喷号→打印→入库→发货3.2转炉冶炼终点C对冶炼和连铸工艺的要求合金加入顺序为硅铁-硅铁(必要时加入中碳锰铁)-1钢包采用精炼渣工艺，加大吹氩强度，使钢水与精炼渣充分反应。只要钢水不溢出钢包，吹氩时间不超过7min，先喂Si-Ba-Ca线，再喂Ti-Fe包芯线。从大包到中间包，从中间包到结晶器全过程采用保护浇注。铸造速度小于1.0m/min。给结晶器喂稀土丝。采用双出渣，全程保护浇注。实践证明，钢坯表面良好，连铸正常。由于含铌钢的板坯轧件表面容易出现表面横向裂纹，连铸矫直时需要使用合适的保护渣，避免塑性槽，但铌钛复合微合金化几乎没有裂纹敏感性，这是因为铌钛复合微合金化钢的塑性下降区在830℃，而铌钢的塑性下降区在950℃。3.3轧制工艺轧制钢板尺寸为12mm×2000mm×6000mm以上。为适应冲压，应严格控制钢板厚度公差，厚度公差按锅炉钢公差控制。为充分发挥低C、Mn钢Nb、Ti复合微合金钢的优势，发挥钢中Nb碳氮化物析出抑制奥氏体变形和再结晶、阻止奥氏体晶粒长大的作用，应采取控轧措施，实施低温精轧。Nb和Ti复合添加的效果优于单独添加Nb。Nb和Ti的高温析出扩大了未再结晶区的范围，可以在未再结晶区实现严格轧制。Nb和Ti的复合添加提高了奥氏体再结晶的激活能，从而有效地抑制了再结晶的发生，其阻滞作用大于单一添加。(1)加热温度:在保证Nb碳氮化物固溶的前提下，控制加热温度在1200℃以下，防止奥氏体晶粒长大。(2)精轧时，控制开轧温度和终轧温度小于900℃，控制总压下量和道次压下量，增加变形带和变形诱导析出的作用。4结果分析4.1力学性能分析JCL355钢板的力学性能见表2。表2 JCL 355物理性能σs/MPa
下一步准备在净化钢质和控轧工艺等方面采取措施。随着济钢第三炼钢厂工程及中厚板厂三期工程的竣工，采用铁水预处理、120t顶底复吹转炉、LF+VD等先进流程，加以济钢中厚板厂7000t轧制力的精轧机、步进式加热炉和控冷设施的应用，对于JCL355纯净钢质提高各项性能将非常有利。
4.2 金相组织及RE对钢组织性能的影响分析
JCL355金相组织如图1、图2所示。
对不同炉次进行结晶器喂稀土丝的效果对比，发现喂稀土丝的钢较没有喂稀土丝的钢A、C类夹杂物球化作用明显。结晶器喂稀土丝技术，可以有效地使钢材中长条状的硫化锰夹杂球化，减轻夹杂物对钢材各向异性的影响，提高板材的冷弯，特别是宽冷弯合格率；同时对减少应力集中抑制裂纹的形成与发展有利，因此可提高钢的疲劳寿命，这是冶炼含S量高的钢种的一项有效措施。另外，稀土元素也有提高钢抗蠕变性能的作用，在钢中添加RE能增加晶界扩散激活能，既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹的表面能，因而对提高蠕变极限，特别是持久强度是很有效的。从疲劳性能对比试验看，喂稀土丝的钢轮辐过载（设计3t 钢圈承载5t力）疲劳寿命达18万次，而没有喂稀土丝的钢14万次，提高28.6%，可见钢中添加稀土元素对提高轮辐钢板的疲劳寿命效果明显。4.3 使用情况分析
开发的JCL355车轮钢用于载重车车轮的轮辐板，经用户使用冲压性能良好，强韧性、焊接性能优良，疲劳寿命达到原20g钢板的2倍以上。
4.3.1 冲压性能 制作轮辐主要是冷冲压成型，对钢板塑性要求较高，尤其是拉深和挤通风孔这两步工序。拉深是将冲出中心小孔的钢板圆片放在冲床上一次冲压成炒瓢状，挤通风孔是将通风孔外侧的钢板折直。经现场跟踪，所制作的轮辐冲压折边良好，没有出现裂纹等现象。
4.3.2 焊接性能 对JCL355与轮辋钢LW12等所进行的异种钢焊接性试验的结果表明，焊接性能优良，接头性能良好。
4.3.3 疲劳试验 疲劳实验在CFT—03型车轮弯曲疲劳试验机上进行。等载疲劳试验100万次未裂。采用过载疲劳试验方法，用5t力试验。12mm的JCL355钢板做成的成品车轮的疲劳试验次数达14～20万次，而同规格的20g钢板仅为6～9万次，12mm的JCL355钢板完全可代替同等规格的20g钢板，但13mm的20g钢板和14mm的Q235B板同样试验条件可达30万次，因此暂时还达不到以薄代厚，需要进一步的试验研究。5 结 论
5.1 采用Nb+Ti复合微合金化生产的355MPa级 JCL355轮辐用钢，强韧性高、冲压性能好、焊接性能和耐疲劳性能优良，12mm的JCL355轮辐钢板过载疲劳试验次数是同规格的20g钢板的2倍。
5.2 采用结晶器喂稀土丝工艺在钢中添加RE，对A、C类夹杂物的球化效果明显，减少了应力集中、抑制了裂纹的形成与扩展，对比试验证明可提高轮辐疲劳寿命28.6%。
