卡車驅動橋殼用輕質高強度鋼的研發

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研究院, 北京 100043; 2. 綠色可循環鋼鐵流程北京市重點實驗室, 北京 100043;3. 首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司制造部，河北 曹妃甸 063200)

商用中、重型卡車驅動橋是僅次于發動機和控制室的核心部件[1]。驅動橋殼是驅動橋系統的主體，關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，驅動橋屬于簧下質量，根據行業經驗，減少1 kg簧下質量的效果等同于減重15 kg的簧上質量[4]。

驅動橋殼的生產工藝有多種，包括鑄造、沖壓- 焊接和機械擴脹成形等[5]。采用傳統的鑄造工藝生產驅動橋殼，成本高、工藝復雜、橋殼笨重，不利于節能環保，已被沖壓橋殼和機械式脹形橋殼取代[6]。國內13 t級驅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13 t級驅動橋殼，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，開發更高強度橋殼用鋼已成為鋼鐵企業研究的熱點。首鋼研發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。

1產品簡介

根據用戶的加工工藝和設備，首鋼研發了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，產品簡介見表1。

表1 首鋼輕質橋殼用鋼簡介

2 產品開發

2.1 熱成形橋殼用鋼

13 t及以上噸位的重卡驅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鋼的力學性能水平。由于各個鋼廠生產的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，首鋼先后開發了熱成形后屈服強度為420～550 MPa的橋殼用鋼，并成功應用于商用車后驅動橋殼。在成分設計方面，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成分和力學性能分別見表2和表3。

表2 不同強度級別熱成形橋殼用鋼的化學成分(質量分數)

表3 不同強度級別熱成形橋殼用鋼的力學性能

首鋼開發的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厚熱軋鋼板經感應加熱至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，鋼板感應加熱后鐵素體發生粗化，但不明顯。由于感應加熱速率快(>60 ℃/s)，保溫時間短(≤3 min)，鐵素體晶粒不能充分回復或再結晶。圖2為SQ500RQK鋼板感應加熱后的透射電鏡照片。由圖2可知，感應加熱后仍有數量較多、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

2.2 冷成形橋殼用鋼

為了滿足車橋企業節能降耗、降低生產成本、提高生產效率的需求，實現車橋輕量化，首鋼開發了一系列冷成形橋殼用鋼。重卡驅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成分和力學性能分別見表4和表5。

表4 不同強度級別冷成形橋殼用鋼的化學成分(質量分數)

表5 不同強度級別冷成形橋殼用鋼的力學性能

首鋼開發的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

2.3 機械擴脹成形橋殼用鋼

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展，才開始被用于汽車制造業。徐州工程機械廠引進了法國索瑪公司的脹形工藝技術[14],是國內最早采用機械擴脹成形工藝生產驅動橋殼的企業。目前，國內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成本，首鋼研發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，其化學成分和力學性能分別見表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成分(質量分數)

表7 不同強度級別機械擴脹橋殼用鋼調質處理后的力學性能

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，性能優良。橋殼采用高頻電阻焊工藝制管后冷擴脹成形。熱軋態鋼卷組織為鐵素體和珠光體，調質處理(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SQK750ZX鋼卷經高頻電阻焊制管后，對焊縫進行感應加熱正火處理[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的硬度分布

圖5 熱軋態(a)和調質態(b)SQK750ZX鋼板的顯微組織

3 結論

(1)根據卡車驅動橋殼的生產工藝，首鋼開發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，熱軋態的綜合性能優良，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，調質處理后屈服強度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，節能降耗，使橋殼輕量化。