一、研究背景与问题

鉴于日益严峻的能源环保压力，提高商用车的安全性、环保性和经济性，已成为商用车的发展趋势，商用车轻量化势在必行。随着重型专用车使用场景的增加以及对于钢板表面质量要求的提高，对于特殊用途汽车结构钢需求也越来越多，亟需对轻量化需求较大的汽车大梁钢、厢体钢和车轮钢进行针对性开发，但目前主要面临如下技术难题：

1.高性能轻量化汽车钢性能调控技术。材料的选用与材料用途、制造工艺、材质匹配等因素密切相关。汽车钢的强度越来越高，产品设计难度加大。同时，在日益严峻的竞争压力下，如何在兼顾成本的同时，保证稳定的性能控制水平以满足材料的不同应用场景，已经成为轻量化高强汽车钢性能调控亟待解决的核心问题。

2.特殊需求的厢体钢制造技术。对于自卸车用特厚酸洗汽车钢，由于表面粗糙度较差会带来卸料堆积过多，多次起卸甚至采用其它手段卸料会造成作业效率的降低。开发一种导滑性较高的厢体用钢是的特殊定制化商用车钢，可以有效的解决客户实际应用中的难题。

3.高性能轻量化车轮钢焊接控制技术。轻量化车轮钢的强度级别提升，添加合金元素多、厚度规格薄，工艺窗口变窄，材料与应用工艺之间的匹配问题，致使客户端应用质量问题日益凸显，主要体现在焊接工艺参数不匹配造成焊接开裂率偏高、HAZ软化减薄等方面，严重制约了车轮钢的应用和推广，是车轮制造行业的难点问题。

4.高性能轻量化车轮钢疲劳控制技术。产品的夹杂物控制、质量波动、下游加工工艺均会造成车轮的疲劳寿命偏低问题。车轮在服役状态保持高速运转，其中80%以上的服役失效由疲劳破坏引起，严重影响车辆可靠性和安全性，因此车轮的疲劳寿命是衡量车轮质量的重要指标之一，已成为车轮制造行业的焦点问题。

针对上述问题，项目组对复杂服役环境下特殊需求商用车高强汽车钢产线技术集成及产品开发进行科技攻关与创新，从重载商用车、专用车客户端实际需求出发，提供极具特色的汽车钢产品，可以提升热轧汽车结构钢的应用技术水平，同时，对国内钢铁产品结构升级具有显著的示范和借鉴意义。

二、解决问题的思路和技术方案

本项目的目标是解决轻量化高强商用车钢设计、制造及应用的关键生产技术问题，以实现重载商用车复杂服役环境下特殊需求材料的开发，推动钢铁制造企业向高效增长模式的转变。项目总体研究思路是进行以下四个方面的关键技术研发工作：

1、研究铌、钒、钛微合金化对高强钢显微组织和力学性能的影响规律，开发低温适用性高强汽车大梁钢，建立精准微合金化工艺方案，提高产品组织的均匀性、低温冲击性能稳定性和经济性。

2、根据高强酸洗厢体钢成分特点，制定符合热轧产线特点的机械热处理（TMCP）和酸洗平整强化工艺，开发热轧工艺-析出行为-平整强化的一体化控制技术，实现酸洗高强特厚厢体钢产品开发。

3、为充分满足下游不同强度车轮钢的使用要求，在产品策划阶段围绕成分设计、轧制工艺、现场控制等方面展开系统研究及技术实践，开发高强轻量化车轮钢性能调控集成技术。

4、围绕车轮钢的客户端应用特点，通过识别产品特性，开展高性能轻量化车轮钢的开发及应用工作，以满足市场车轮钢高性能轻量化的需求。

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图1 项目整体研发思路和研究内容

三、主要创新性成果

1、构建微合金化低温环境用钢成分设计及全流程工艺框架，实现低温高韧性、高疲劳寿命协同提升的高强度等级汽车大梁钢研发及应用，支撑低温运输环境商用重卡货车轻量化。

本项目研究了Nb-Ti和Nb-Ti-V两种成分体系对800MPa大梁钢产品性能的影响，加V钢比未加V钢抗拉强度相应提高50MPa左右，-40℃和-60℃低温冲击功要高20J左右，主要源自于金相组织上的不同和碳化物析出的影响。加V钢中针状铁素体相对更多，针状铁素体具有较好的连锁性，对裂纹的扩展有一定的阻碍和遏制作用，故性能更好，尤其是在韧塑性方面，更能满足使用要求。在含Nb钢中，V能提高Nb（C、N）在奥氏体中的溶度积，使大量的Nb保持在固溶体中，以便在低温转变中弥散析出，起到很好的强化作用。V在钢中还能增加碳化物的形核位置，使形成的碳化物更细小、数量更多。

2、形成低碳、高硬度、高耐磨性、高导滑性厢体钢生产线与适配制造技术，为特殊使用环境自卸车提供结构-功能共性轻量化钢铁材料基础，开发了一种高硬度、高韧性、低粗糙度的特厚酸洗汽车厢体用钢，具备导滑性良好的优点，可以提升自卸车作业效率。该材料为自卸车行业首次应用。

针对我国南方地区由于高温多雨季节较多，自卸车在清理河道、道路等工程项目时，淤泥、砂石与车厢粘接造成车辆需倾斜40-45度才能卸车，有时甚至挖掘机的支援，造成一定的物力、人力浪费，项目组开发了一种高硬度、高韧性、低粗糙度的具有良好导滑性的汽车厢体用钢，表面粗糙度达到2.0μm以下，布氏硬度要求240-300HB之间，既能抵抗砂石的冲击又能防止表面磨损产生犁沟的出现，也能提升自卸车作业效率。

图2 光整处理后的高导滑厢体钢实物照片

3、针对不同强度级别车轮钢使用场景的多元性，形成以DIFT理论与TMCP工艺结合的高性能轻量化车轮钢组织性能调控技术，实现800MPa级别车轮钢开发及应用。

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图3 800MPa级轻量化车轮钢的设计开发

本项目基于终端用途和应用技术特点，综合冶炼和轧钢成本、力学性能、工艺性能和使用要求，采用低C-Mn基础上添加适量Cr、Nb、V、Ti元素，采用低温轧制辅以轧后快速冷却，选取适当中温卷取温度范围，适当控制组织中贝氏体和Nb, Ti(CN)的析出，以保证得到一定的析出强化和相变强化以实现材料的力学性能要求。采用DIFT理论结合TMCP来获得的细晶车轮钢合金成本低、可焊性、成型性优良。

4、探索制订高强车轮钢缺陷解决策略，研发抗疲劳制造创新技术，形成行业先进水平车轮钢品质控制提升技术体系。

本项目通过研究钢液中Ca、S、T.O含量对夹杂物生成和去除的影响规律，夹杂物评级≤1.0级比例由之前的82.3%提升至87.5%、夹杂物评级≤1.5级比例由之前的96.5%提升至100%，达到行业先进水平。

图4 高性能轻量化车轮钢的夹杂物控制措施

本项目根据车轮用钢在实际应用工艺及中应用中出现的焊接质量问题，从材料屈强比与焊接工艺匹配，组织结构与焊接工艺匹配，以及焊接HAZ组织控制等方面形成了焊接开裂控制技术，焊接接头的HAZ硬度差控制在40HV以内，带钢的表层脱碳组织厚度控制25μm以下。

图5 焊接开裂率控制研究

三、应用情况及效果

通过项目的实施，实现了商用车大梁、厢体和车轮等主要部件高强度替代，实现了商用车的轻量化应用，开发的配套适配特殊需求的应用技术满足了终端客户的多种需求。

研发的高冲击韧性加V型800MPa汽车大梁钢可以满足-60℃低温环境使用需求，已经用于东北某专用车生产厂，如图13所示。该客户通过升级材料强度，纵梁厚度由原来的8mm降低到7mm，横梁由原来的7mm降低到6mm，重卡大梁整体减重约13%，降低了运输过程的油耗，促进了重卡的轻量化提升。

项目通过酸洗平整压下技术开发的导滑性优良的厢体用钢，表面粗糙度要求≤1.0μm，布氏硬度要求240-270HB之间，采用5mm和7mm厚度规格替代了原8mm和10mm的Q355B，实现厢体重量减重近30%的同时还具备优良的焊接性能，焊缝优秀的抗裂纹扩展能力可以满足装机使用。

图6客户使用实物

通过车轮钢专用的细晶轧制技术实现了超细晶钢车轮钢的市场推广，还实现了800MPa以下级别轮辐轮辋用钢全覆盖生产，市场占有率约20%，800MPa车轮钢的产品应用相比600MPa车轮可以减重10%左右。通过客户端应用技术研究与实施，提升高性能轻量化车轮钢产品质量及客户端加工质量，800MPa级车轮钢焊接开裂率可控制在2.5％以下，700MPa级车轮钢焊接开裂率1%以下，600MPa级车轮钢焊接开裂率5‰以下；疲劳性能远超国家标准和行业标准要求，其中600MPa及以上级别轮辋用钢径向疲劳寿命150万次以上，弯曲疲劳寿命75万次以上，达到行业先进水平。

信息来源：唐山钢铁集团有限责任公司