釩是鋼鐵材料重要的微合金化元素之一，利用其生成的碳氮化物產(chǎn)生析出強(qiáng)化和細(xì)化晶粒的作用，少量的釩就可大幅度提高材料的綜合性能，因此，釩在高強(qiáng)度熱軋帶肋鋼筋、高強(qiáng)度低合金鋼、微合金非調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、超高強(qiáng)度鋼、模具鋼、高速鋼、馬氏體耐熱鋼、不銹鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用極其廣泛。
面對(duì)資源枯竭和環(huán)境污染的雙重挑戰(zhàn)，汽車行業(yè)制造油耗低的環(huán)保型汽車已成為一種趨勢，通過輕量化來減小油耗仍然是汽車行業(yè)的主要發(fā)展方向。驅(qū)動(dòng)車橋是形狀非常復(fù)雜的傳力件和承載件，在汽車行駛過程中，起著支撐和保護(hù)主減速器、差速器，固定左右車輪軸向相對(duì)位置，以及承受路面反作用力和力矩的重要作用，是汽車重要的零部件。因此，驅(qū)動(dòng)車橋性能對(duì)汽車的安全與可靠性有直接的影響。
國內(nèi)某大型車橋制造企業(yè)過去一直使用345MPa級(jí)無縫鋼管生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)車橋，為滿足車輛輕量化及節(jié)能化的發(fā)展需求，新型車輛要求車橋減重且壽命延長，為此對(duì)車橋管提出了更高的性能要求，即在滿足大變形成型脹形工藝要求的同時(shí)，車橋管強(qiáng)度級(jí)別進(jìn)一步提高，要求屈服強(qiáng)度在460MPa以上，以達(dá)到車橋壁厚減薄，實(shí)現(xiàn)車輛輕量化的目的。
釩在鋼中的作用
充分利用釩在鋼中的有益作用，開發(fā)滿足市場需求的輕量化高強(qiáng)車橋管具有重要意義。有學(xué)者研究了不同釩含量對(duì)材料的拉伸性能的影響，結(jié)果表明，隨著釩含量的增加，鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐步增大，當(dāng)釩含量在0.16%-0.24%時(shí)，強(qiáng)度值增幅趨于平穩(wěn)，釩含量在0.16%時(shí)鋼的斷后伸長率達(dá)到最大值，而后開始下降。與不添加釩的試驗(yàn)鋼相比，加入釩后鋼的晶粒明顯細(xì)化，并且隨著鋼中釩含量的增加，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，但同時(shí)鋼中的碳化物也在逐漸增多。釩添加到鋼中，大部分釩溶入到鋼基體內(nèi)部，少部分以碳化物的形式存在于鋼中。這些細(xì)小彌散分布的碳化釩作為沉淀相，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到析出強(qiáng)化的作用，從而提高鋼的拉伸性能。
460MPa級(jí)車橋管開發(fā)
某車橋企業(yè)對(duì)345MPa和460MPa級(jí)車橋管性能要求，如表1所示。可以看出，在345MPa級(jí)車橋管基礎(chǔ)上，460MPa級(jí)車橋管屈服強(qiáng)度提高了33%，延伸率、沖擊韌性指標(biāo)保持不變。
01 成分設(shè)計(jì)
輕量化460MPa級(jí)高強(qiáng)車橋管CQ460的成分設(shè)計(jì)，如表2所示。CQ460的化學(xué)成分設(shè)計(jì)采用低碳路線，碳含量控制在0.18%以下，這樣可使鋼管在具有一定強(qiáng)度的同時(shí)具有良好的韌性和焊接性；Si含量控制在0.40%以下，有利于減少鋼管表面紅銹，提高表面質(zhì)量；Mn具有固溶強(qiáng)化作用，其含量控制在1.80%以下為宜。添加適量的微合金元素V則有利于細(xì)化奧氏體晶粒，促進(jìn)過冷奧氏體冷卻相變后組織細(xì)化，并且生成的碳氮化釩析出物同步提高鋼管強(qiáng)度，保證其強(qiáng)韌性。
02 工藝流程
CQ460車橋管的生產(chǎn)工藝流程：鐵水預(yù)脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→VD脫氣→圓坯連鑄→鋸切→環(huán)形爐加熱→穿孔→連軋→定徑→冷床冷卻。
03 溫度控制
鋼材軋制過程中，溫度和變形量是兩個(gè)重要的因素，直接影響鋼材熱軋態(tài)的性能。對(duì)于無縫鋼管生產(chǎn)來說，成品鋼管尺寸與所用圓坯尺寸協(xié)同對(duì)應(yīng)，穿孔、連軋及定徑過程中的變形量亦同步確定；選擇適當(dāng)?shù)募訜釡囟瓤梢员ＷC熱軋鋼管具有良好的強(qiáng)度和韌性。
有學(xué)者研究了均熱溫度對(duì)不同釩含量鋼奧氏體晶粒尺寸的影響，如圖1所示。鋼中釩含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為0、0.042%、0.084%、0.130%，分別對(duì)應(yīng)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)。從圖1可知，不同釩含量鋼的變化趨勢相同，奧氏體晶粒尺寸都隨著均熱溫度升高而增大。在850-900℃低溫階段，奧氏體晶粒長大緩慢；當(dāng)均熱溫度為900-1100℃時(shí)，奧氏體晶粒尺寸增幅變大；在1100-1150℃，奧氏體晶粒尺寸幾乎無變化；繼續(xù)升高達(dá)到1200℃時(shí)，出現(xiàn)了奧氏體晶粒急劇長大現(xiàn)象。均熱溫度低于1050℃，不管無釩鋼還是含釩鋼，晶粒尺寸沒有太大區(qū)別；當(dāng)均熱溫度高于1050℃時(shí)，含釩鋼隨著釩含量的增長，奧氏體晶粒尺寸會(huì)變細(xì)，無釩鋼與含釩鋼相比晶粒尺寸大幅粗化。
CQ460中含有適量的釩，在高溫時(shí)有細(xì)化奧氏體晶粒的作用，為避免奧氏體晶粒過于粗大，CQ460均熱溫度不宜過高，控制在1250℃以下。
實(shí)物檢驗(yàn)及討論
按照CQ460的成分設(shè)計(jì)、工藝流程及控制要點(diǎn)進(jìn)行試制，生產(chǎn)規(guī)格為Φ273mm×10.5mm，鋼管內(nèi)外表面質(zhì)量良好。自熱軋態(tài)鋼管取樣進(jìn)行顯微組織和力學(xué)性能檢驗(yàn)。
01 顯微組織
CQ460顯微組織如圖2所示。從圖2可以看出，CQ460組織均勻細(xì)小，鐵素體+珠光體比例為7:3，晶粒度達(dá)8級(jí)。這是因?yàn)镃Q460含有適量的釩，釩在奧氏體中溶解度大，在鐵素體中溶解度小，所以，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體時(shí)，會(huì)有V（C，N）析出，析出物既能夠抑制鐵素體晶粒的長大，提高基體的強(qiáng)度，又可抑制貝氏體轉(zhuǎn)變，使得組織更加均勻，均勻細(xì)小的組織使產(chǎn)品具有良好的強(qiáng)韌性。
02 力學(xué)性能
CQ460力學(xué)性能見表3。從表3可以看出，CQ460力學(xué)性能完全滿足設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)度高，韌性好，同時(shí)具有較低的屈強(qiáng)比為0.75。屈強(qiáng)比較低，表明鋼材塑性較好，構(gòu)件易成型，回彈小且不易開裂。研究表明，雙相組織或復(fù)相組織利于鋼材的屈強(qiáng)比降低，雙相組織使屈強(qiáng)比降低可用位錯(cuò)理論進(jìn)行解釋，也可簡單地理解為雙相組織中的軟相使屈服強(qiáng)度降低，硬相使抗拉強(qiáng)度增加，因而表現(xiàn)為屈強(qiáng)比的降低。
常規(guī)屈服強(qiáng)度460MPa級(jí)結(jié)構(gòu)管Q460采用調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)（淬火+回火），屈強(qiáng)比通常大于0.80，而CQ460屈強(qiáng)比為0.75，這是因?yàn)榻?jīng)調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)的Q460組織為單相組織回火索氏體，而CQ460加入了適量的釩，利用釩的析出強(qiáng)化和細(xì)化晶粒的作用，一方面能夠保證鋼管獲得滿意的熱軋態(tài)性能，另一方面由于鐵素體+珠光體的雙相組織具有更低的屈強(qiáng)比，所以，CQ460車橋管能夠很好地滿足最大變形量達(dá)到80%的液壓脹形工藝對(duì)鋼管的成型能力需求。
按照 GB/T 229-2020的規(guī)定，沖擊功值達(dá)到曲線的上平臺(tái)某一百分?jǐn)?shù)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的溫度為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，通常取上平臺(tái)沖擊功的50%所對(duì)應(yīng)的溫度為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。從CQ460沖擊功—溫度曲線圖可以看出，CQ460的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-50℃，低溫韌性優(yōu)異，完全滿足低溫環(huán)境使用要求。
產(chǎn)品應(yīng)用
CQ460車橋管，經(jīng)液壓脹形工藝生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)車橋橋殼表面質(zhì)量良好，未出現(xiàn)裂紋，如圖3所示。由橋殼到車橋總成，需要在橋殼上焊接零部件，CQ460橋殼焊接過程順利，未出現(xiàn)焊接缺陷，表現(xiàn)出良好的可焊性。CQ460采用了低碳釩微合金化的成分體系，在保證鋼管具有高強(qiáng)度的同時(shí)，碳當(dāng)量處在較低水平，具有良好的焊接性能。采用CQ460車橋管制成的汽車驅(qū)動(dòng)橋，需通過臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)要求疲勞次數(shù)達(dá)到80萬次為合格。試驗(yàn)依據(jù)QC/T 534《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)》進(jìn)行，在3倍規(guī)定載荷條件下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，130萬次未出現(xiàn)裂紋，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過80萬次的驗(yàn)收要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，車橋總成抗疲勞性能優(yōu)異，安全性好，完全滿足使用需求。
為滿足用戶系列化產(chǎn)品需求，包鋼相繼生產(chǎn)了φ273×10mm；φ180×5.5mm；φ168×5mm、φ152×5mm等多個(gè)規(guī)格CQ460產(chǎn)品，產(chǎn)品檢驗(yàn)屈服強(qiáng)度均在490MPa以上，延伸率大于25%，屈強(qiáng)比不大于0.75，沖擊值大于100J，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。車橋制造企業(yè)使用CQ460生產(chǎn)的不同型號(hào)驅(qū)動(dòng)車橋，全部通過臺(tái)架試驗(yàn)，而且實(shí)現(xiàn)單只車橋減重10%，滿足了車輛的輕量化要求。目前，CQ460系列規(guī)格產(chǎn)品制成的車橋已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)多家知名品牌商用車。
1）開發(fā)的含釩輕量化高強(qiáng)車橋用無縫鋼管CQ460屈服強(qiáng)度大于490MPa，延伸率≥25%，屈強(qiáng)比0.75左右，具有良好的強(qiáng)韌性及成型能力，滿足設(shè)計(jì)要求。
2）CQ460車橋管低溫韌性優(yōu)異，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-50℃，滿足車橋制品低溫環(huán)境的使用需求。
3）CQ460車橋管可滿足最大變形量達(dá)到80%的液壓脹形工藝生產(chǎn)需求，不會(huì)出現(xiàn)裂紋。
4）使用CQ460車橋管生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)車橋抗疲勞性能優(yōu)異，臺(tái)架試驗(yàn)表明3倍規(guī)定載荷下，疲勞測試達(dá)到130萬次未出現(xiàn)裂紋，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過80萬次無裂紋的要求；
5）CQ460車橋管實(shí)現(xiàn)單只車橋減重10%設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足車輛輕量化要求。
