汽车车轮钢圈用热轧钢及其生产工艺

董存 孙小明

摘要：国内的载重汽车、中型客车的车轮一般都会采用低强度级别钢板。这种钢板生产的车轮具有厚度大、质量高的特点。提高运载效率、节约能源就要减轻车辆自重，因此使用更高强度级别的钢板制作车轮的实用性更强。但钢板的冲压成形与强度成反比。作为汽车车轮钢首要性能，优良的成形性是必不可少的。在现有工业条件下，降低汽车车轮钢成本、提高其性能是当前的主要课题。本文从描述车轮的制造入手，并进一步详细阐述一种新型的汽车车轮钢圈用热轧钢的生产工艺，以期望对同行业生产工艺提升有所帮助。

关键词：车轮;钢圈用;热轧钢;生产工艺

中图分类号：U463.341+.1                                文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）12-0042-02

0  引言

高强度化钢材是汽车制造业选料的发展趋势。为达到减轻车辆自重、节约能源，提升运载效率的目的，对零件结构进行改造设计、多选取高强度材料都是可采取的措施。

车轮选取高强度钢制造可以取得更为显著的效果。有研究表明如果将高强度材料应用在汽车车轮之类的旋转件，那么它的减重、节能效果明显高于非旋转件，前者是后者的1.2-1.3倍。况且车轮作为单个部件，非常易于进行试验与评价。所以，在汽车车轮中选择高强度钢的应用试验十分普遍。

高强度钢种类繁多，其中热轧钢的应用最为实用，减重效果显著，因此，越来越多的企业选择使用热轧高强度钢应用于车轮的制造上。[1]

1  汽车车轮的制造

1.1 汽车车轮用钢的选材特点

作为汽车行驶的最基本的、最重要的部件，车轮的地位十分突出。其生产工序很多，要求也很严格，属于技术难度最强的部位之一。

车轮的制造包括轮辋成形、轮辐成形、组装加工、喷漆等，经检验合格才能得到车轮产品。制造车轮的钢材不能选择普通钢材，要精挑细选。其不但要有优良的可塑性、柔韧性、高强度等，还要具有焊接性、冲压成形性、耐腐蚀性、抗疲劳破坏性等一系列特点。

钢材强度提高，其可塑性会降低，成形性变差，疲劳缺口敏感性增加，也会进一步影响焊接工序。因此高强度钢应用于车轮制造所带来的挑战更大。

1.2 汽车车轮用钢的选材原理

经过冲压成形，可得到轮辐。因此，轮辐用钢的特点是良好的拉伸成形性、深冲性、剪切边拉伸性等。

闪光焊接后再次滚压成形，可得到轮辋。因此，轮辋永刚的特点是具有良好的成形性。

评价闪光焊接性能最优选择是进行侧弯试验。良好的侧弯延伸率是轮辋用钢应该具备的特点。随着抗拉强度的增加，侧弯延伸率会下降。钢中硫的含量与侧弯延伸率呈反比关系，因此，为保持较高的侧弯延伸率，可降低车轮钢中硫的含量。

在弯曲试验中，检验焊接接头弯曲成形性，发现车轮钢中Si、Mn的含量会影响到焊接线上是否出现顶头裂纹。当Si（硅）、Mn（锰）含量比处于某范围时，不会产生顶头裂纹。

有研究表明，氧化物熔点低于钢则对减少裂纹有利。在母材中，夹杂物会导致形成钩形裂纹，这也与硫含量有关。当硫的含量降低到0.005%之下，钩形裂纹大大减少。

2  汽车车轮钢圈用热轧钢的性能要求

2.1 汽车车轮钢圈用钢必备条件

车轮制造工艺过程复杂，车轮在车辆使用过程中起重要作用，因此车轮钢圈用钢的技术要求极为严苛。良好的韧性、良好的强度要互相匹配。除此之外，良好的冷成形性、延伸凸缘性、焊接性，较高的抗疲劳强度都是车轮钢圈用钢所应具备的条件。而且，性能优良之外，汽车制造商们关注的另一个点是降低生产成本，以便于获取更多的利润。[2]

2.2 试验用钢中所添加元素的作用

试验用钢的基本成分是Q235。在试验过程中，为保障钢的韧性、塑性较高，冲压性能、焊接性能良好，会在一定比例内降低碳的含量。由于碳的降低会对强度造成减弱影响，所以又提高了钢中锰元素的含量，同时又将Nb（铌）、Ti（钛）微合金元素添加其中。试验钢利用细晶强化、固溶强化、析出强化等来完成钢板力学性能的提高。

Mn（锰）的作用：该元素可抑制奥氏体再结晶。因此该元素含量的提升可以将未再结晶控制轧制细化晶粒。该元素还有另外作用，那就是固溶强化以及可改善韧性、塑性。

钦的作用：作为一种微合金元素，将其加入低碳合金钢中，作用是固定氮、脱氧、强化析出、细化晶粒等。钢的力学性能的提升得益于碳化钦颗粒的析出、铁素体晶粒的细化。而且，如此一来，钢的强度变高，塑性、韧性变得更好，焊接性能变好，也易于加工成形。

Nb（铌）的作用：当钢中该元素质量分数小于0.015%时，可以起到抑制奥氏体静态再结晶、细化奥氏体晶粒的作用。因为它具有固溶拖拽作用。所以在试验过程中，有一定比例的Nb（铌）、Ti（钛）添加到钢中。

Si（硅）和S（硫）的作用：這二者会降低钢的可塑性、降低其冲击韧性，还会对钢的焊接性、成形性、抗疲劳性产生负向影响，因此，这二者尽量减少放入量。

Al（铝）的作用：作为一种钢中的脱氧元素，它非常有效。其作用为细化晶粒、净化钢液。

由于冷弯成形技术要求，在冶炼方案中，于炉外精炼过程中进行额外的对C（碳）、 Als（酸溶铝）的含量控制。喂Si（硅）-Ca（钙）线处理的措施应用于在精炼的过程中，最终可以降低成品成形性能中非金属夹杂物的不良影响。

3  汽车车轮钢圈用热轧钢的工业生产

3.1 冶炼和连铸

试验用钢采用120T转炉炼制。高炉铁水需要经过预处理，以达到S（硫）含量小于0.015%。之后，通过转炉的自动控制系统、挡渣出钢系统进行进一步的炼制。

脱氧处理使用铝锰铁方式进行，合金化使用中碳锰铁方式。再投入Ti（钛）-Fe（铁）合金，按每吨1千克投放，投入Fe（铁）-Nb（铌）合金，按每炉50千克投放。

使用LF钢包精炼炉进行下一步的脱碳、脱气、脱氧、去杂质等工作，并且要达到调整钢水的温度、成分的目的，且累计吹氩时间要超过6分钟。

从连铸大包到中间包，保护浇注使用长水口和氩气密封方式。从中间包到结晶器，保护浇注使用浸入式水口和保护渣方式。

在中间包，使用的是液面自动控制程序，其温度可控区间为1530～1540摄氏度，连铸拉速要小于每分钟15米。

3.2 轧制

晶粒细化是为大众所熟知的一种可改善钢的性能的工艺。它既可以将钢的韧性改善，又能提升钢的强度。那么提高汽车车轮钢圈用热轧钢的韧性，最有效措施即为利用组织细化方法。不过，也有研究表明，过分的细化晶粒反而会起到坏作用。那就是它会将钢的屈服强度提高，但是抗拉强度却提升不到同等比例，最终结果是钢的屈强比太高，反而使得钢材的成形性不如之前。

车轮钢圈用热轧钢的另一个重要性能指标是耐疲劳性能。钢的成分高洁净情况下，提高钢板的抗拉强度可提升改善疲劳性能。

对上述因素加以综合考量，最终选取的试轧方式为使用适度的晶粒细化、固溶强化互相结合的工艺进行高性能、低成本的汽车车轮钢圈用热轧钢的开发研究。

工业试轧主要参数是：1220摄氏度为板坯加热温度;980～1100摄氏度为粗轧开轧温度;（850±15）摄氏度为终轧温度，（620±15）摄氏度为卷曲温度。4毫米、6毫米*1200毫米为成品板卷尺寸。

无论是在加热过程，还是在轧制过程，都要重视在线检查工作，加强检查力度，将钢板的尺寸公差、表面质量牢牢控制住，以全力保证汽车车轮的气密性，保证不发生漏气事件，全力保障车轮在行驶过程中平稳旋转，不发生旋转失衡或旋转振动。

想要得到最佳的综合性能，要将热轧态铁素体晶粒最大程度细化，并通过适宜的终轧和卷取温度，适当采用前段冷却等相应的技术举措，最终获得较为优良的NbC（碳化铌）、TiC（碳化钛）析出效果。

4  汽车车轮钢圈用热轧钢的最终试验结果

4.1 热轧钢的金相组织

对试验钢进行取样，分析其中的夹杂以及金相组织。检验结果表明试验钢中有硫化物夹杂，且较为严重，经过夹杂物评级，其结果表明经过了LF精炼处理，其钢质变得纯净，钢内含夹杂物变少，如图1所示。这些都有利于提升钢板的疲劳性能、提高其延伸凸缘性。

4.2 热轧钢的焊接性能

汽车车轮钢的良好焊接性能是保证汽车安全行驶的重要因素，而本试验开发的细晶粒车轮钢在焊接时又极易使热影响区组织粗化，因而研究该钢的焊接性能具有十分重要的意义。

汽车车轮钢圈用热轧钢必须具备良好的焊接性能，因为它可保障汽车的安全行驶，是最为重要的因素。进行闪光对焊试验后，试验钢的强度并没有改变，只是伸长率变得比之前下降一些，且位置处于母材处断裂，热影响区断裂现象并不存在。且焊缝的横截面硬度分布呈良好态势，热影响区域并没有出现软化现象。这些都表明了试验钢具有良好的焊接性能，热影响区的强度能得到保障。

4.3 热轧钢的常规性能

在4毫米、6毫米厚的钢板上，分别取样。从垂直于轧制方向、平行于轧制方向分别取样进行有关力学的性能检测。试验结果表明，所得出的钢不论是从横向，还是从纵向，屈服强度、抗拉强度都相差无几，伸长率是纵向比横向略高，这些都说明试验钢纵横方向的性能相差不大。试验钢板的抗拉强度在490MPa以上，屈服强度在400MPa以上，这些都比常用的汽车车轮钢要高，强度大概可提升80 MPa。而且，试验钢的冷完性能很好，延伸性能突出。因此，可得出结果，试验钢的综合力学性能优良，试验成功。

5  结束语

时代一直在不断发展，人民生活水平在不断提高，对汽车的要求也越来越高。作为汽车的主要部件，车轮的生产与安全变得尤为重要。汽车技术的发展对于车轮钢圈用热轧钢性能要求也逐步提高。为降低车轮自重，提高运载效率，在不增加成本的情况下，高强度、低成本的钢材越来越受到青睐。在将来的市场上，具有良好塑性、低温韧性与焊接性能的钢材必将大放异彩。[3]

参考文献：

[1]祖榮祥.热轧高强度钢的研究及在汽车车轮上的应用[J]. 汽车工艺与材料，1994（12）：23-27.

[2]吴菊环.高强度汽车车轮用P490CL热轧钢板研制[A].中国金属学会.第七届（2009）中国钢铁年会大会论文集（中）[C].中国金属学会，2009：7.

[3]侯续廷.基于热轧1700产线的高强度车轮钢420CL的产品设计研发[J].黑龙江科技信息，2015（22）：24.