钒微合金化钢开发及应用技术专题

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钒微合金钢开发及应用技术专题

编者按：在国家“双碳”战略目标背景下，钢材在保证基本性能的同时，应具备高强度、长寿命等优良性能，从而达到节约钢材用量、减少碳排放的目的。 微合金元素钒（V）的添加在钢成分设计中发挥着不可替代的作用。 为了充分展示近年来钒微合金钢的最新研发和应用成果，本报特为广大读者举办了本次专题！

钒是钢铁材料的重要微合金元素之一。 其生成的碳氮化物可产生沉淀强化和晶粒细化作用。 少量的钒可以大大提高材料的综合性能。 因此，钒用于高强度钢。 热轧带肋钢筋、高强度低合金钢、微合金非调质钢、弹簧钢、轴承钢、超高强度钢、模具钢、高速钢、马氏体耐热钢钢、不锈钢在生产中被广泛使用。

面对资源枯竭和环境污染的双重挑战，制造低油耗环保汽车已成为汽车行业的趋势。 通过轻量化降低油耗仍然是汽车行业的主要发展方向。 驱动桥是传力部件和承载部件，形状非常复杂。 汽车行驶过程中，支撑和保护主减速器和差速器，固定左右车轮的相对轴向位置，承受路面反作用力和力矩。 它起着重要的作用，是汽车的重要组成部分。 因此，驱动桥的性能直接影响汽车的安全性和可靠性。

国内某大型车桥制造企业过去一直采用345MPa级无缝钢管生产驱动桥。 为了满足汽车轻量化、节能化的发展需求，新车需要车桥减轻重量、延长使用寿命。 因此，对轴管提出了更高的性能要求，即在满足大变形成形和胀形工艺要求的同时，进一步提高轴管的强度水平，要求屈服强度达到460MPa以上，在以达到减薄车轴壁厚、实现车辆轻量化的目的。 。

钒在钢中的作用

充分利用钒在钢中的有益作用，开发满足市场需求的轻量化、高强度车轴管具有重要意义。 有学者研究了不同钒含量对材料拉伸性能的影响。 结果表明，随着钒含量的增加，钢的抗拉强度和屈服强度逐渐提高。 当钒含量在0.16%～0.24%之间时，强度值增加趋于稳定。 当钒含量为0.16%时，钢的断后伸长率达到最大值，然后开始下降。 与未加钒的试验钢相比，加钒后钢的晶粒明显细化，且随着钢中钒含量的增加，晶粒进一步细化，但同时钢中的碳化物也逐渐细化。增加。 当钢中加入钒时，大部分钒溶解到钢的基体中，少部分以碳化物的形式存在于钢中。 这些细小的碳化钒作为析出相，阻碍位错运动，实现析出强化，从而提高钢的拉伸性能。

460MPa级轴管开发

某车轴公司对345MPa级和460MPa级轴管的性能要求如表1所示。可以看出，在345MPa级轴管的基础上，460MPa级轴管的屈服强度提高了33%，而延伸率和冲击韧性指标保持不变。

01

成分设计

轻量化460MPa高强度车轴管CQ460的成分设计如表2所示。CQ460的化学成分采用低碳路线设计。 碳含量控制在0.18%以下，使钢管在具有一定强度的同时，具有良好的韧性和焊接性。 Si含量控制在0.40%以下，有利于减少钢管表面发红。 防锈可以提高表面质量； Mn具有固溶强化作用，其含量应控制在1.80%以下。 添加适量的微合金元素V有利于细化奥氏体晶粒，促进过冷奥氏体冷却相变后组织的细化，同时生成的碳氮化钒析出物增加了钢管的强度，保证了其强度和韧性。 。

02

工艺流程

CQ460轴管的生产工艺流程：铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→VD脱气→圆坯连铸→锯切→环炉加热→穿孔→连轧→定径→冷床冷却。

03

温度控制

在钢材轧制过程中，温度和变形是两个重要因素，直接影响热轧钢材的性能。 对于无缝钢管的生产，成品钢管的尺寸与所用圆坯的尺寸相对应，并且穿孔、连轧和定径过程中的变形量也同时确定； 选择合适的加热温度可以保证热轧钢管具有良好的强度和韧性。

有学者研究了均热温度对不同含钒量钢奥氏体晶粒尺寸的影响，如图1所示。钢中含钒量（质量分数）为0、0.042%、0.084%、0.130%，对应分别为1号、2号、3号和4号。 从图1可以看出，不同钒含量钢的变化趋势相同，随着均热温度的升高，奥氏体晶粒尺寸增大。 在850-900℃低温阶段，奥氏体晶粒长大缓慢； 均热温度为900-1100℃时，奥氏体晶粒长大； 在1100-1150℃时，奥氏体晶粒尺寸几乎没有变化； 当继续升至1200℃时，奥氏体晶粒迅速长大。 当均热温度低于1050℃时，无论是无钒钢还是含钒钢，晶粒尺寸没有太大差异； 当均热温度高于1050℃时，随着含钒钢中钒含量的增加，奥氏体晶粒尺寸会变细，无钒钢的晶粒尺寸较含钒钢大大粗化。

CQ460含有适量的钒，在高温下可以细化奥氏体晶粒。 为了防止奥氏体晶粒变得过于粗大，CQ460的均热温度不宜过高，应控制在1250℃以下。

实物检查及讨论

按照CQ460的成分设计、工艺流程和控制点进行试生产。 生产规格为Φ273mm×10.5mm，钢管内外表面质量良好。 从热轧钢管上取样进行显微组织和力学性能测试。

01

微观结构

CQ460的显微组织如图2所示。从图2中可以看出，CQ460的组织均匀细小，铁素体+珠光体的比例为7:3，晶粒尺寸达到8级。这是因为CQ460含有适量的钒。 钒在奥氏体中的溶解度大，在铁素体中的溶解度小。 因此，当奥氏体转变为铁素体时，V（C、N）会析出，析出物不仅能抑制铁素体晶粒长大，提高基体强度，而且还能抑制贝氏体转变，使组织更加稳定。制服。 均匀细密的结构使产品具有良好的强度和韧性。

02

机械性能

CQ460的力学性能如表3所示。从表3可以看出，CQ460的力学性能完全满足设计要求，强度高、韧性好，屈强比低至0.75。 屈服强度比较低，表明钢材的塑性较好，组织易于成型，回弹小，不易开裂。 研究表明，双相组织或复相组织有利于降低钢的屈服强度比。 双相组织屈服强度比的降低可以用位错理论来解释。 也可以简单理解为双相组织中的软相降低了屈服强度。 ，硬质相增加了抗拉强度，从而表现出屈服比的降低。

Q460是一种屈服强度为460MPa的常规结构管，采用调质工艺（淬火+回火）生产。 屈服比通常大于0.80，而CQ460的屈服比为0.75。 这是因为通过调质工艺生产的Q460组织是单相组织。 回火索氏体，CQ460添加适量的钒，利用钒的沉淀强化和晶粒细化作用。 一方面可以保证钢管获得满意的热轧性能。 另一方面，由于铁素体+珠光体的双相组织具有较低的屈强比，因此CQ460轴管能够很好地满足液压胀形过程中钢管成形能力的需求，最大变形量为80%。

根据GB/T 229-2020的规定，当冲击功值达到曲线上部平台的一定百分比时，对应的温度即为韧脆转变温度。 通常取上部平台冲击功的50%对应的温度作为韧脆转变。 温度。 从CQ460的冲击功-温度曲线可以看出，CQ460的韧脆转变温度低于-50℃，低温韧性优异，完全满足低温环境下的使用要求。

应用领域

采用液压胀形工艺生产的CQ460轴管和驱动桥壳表面质量良好，无裂纹，如图3所示。从桥壳到桥总成，零件都需要焊接在桥壳上。 CQ460桥壳焊接过程顺利，无焊接缺陷，焊接性能良好。 CQ460采用低碳钒微合金成分体系，保证钢管具有高强度的同时保持低碳当量和良好的焊接性能。 采用CQ460轴管制造的汽车变速驱动桥需要通过台架试验，试验要求疲劳次数达到80万次才合格。 试验按照QC/T 534《汽车驱动桥台架试验评价指标》进行。 疲劳试验在3倍规定载荷条件下进行。 130万次后未出现裂纹，远远超过80万次的验收要求。 测试结果表明，该车桥总成具有优异的抗疲劳性能，安全性良好，完全满足使用需求。

为满足用户系列化产品的需求，包钢先后生产了φ273×10mm等多个规格的CQ460产品； φ180×5.5mm； φ168×5mm、φ152×5mm等。产品检验屈服强度490MPa以上，伸长率大于25%。 ，屈强比不大于0.75，冲击值大于100J，各项指标均优于设计要求。 车桥制造企业采用CQ460生产不同型号的驱动桥，均通过台架试验，实现单轴减重10%，满足车辆轻量化要求。 目前，CQ460系列产品的车桥已广泛应用于国内众多知名品牌的商用车上。

1）开发的车轴用含钒轻质高强无缝钢管CQ460，屈服强度大于490MPa，延伸率≥25%，屈强比约为0.75。 具有良好的强度、韧性和成型能力，满足设计要求。

2）CQ460轴管具有优异的低温韧性，韧脆转变温度低于-50℃，满足车轴产品在低温环境下的使用要求。

3）CQ460轴管可满足液压胀形工艺的生产要求，最大变形量为80%，无裂纹。

4）采用CQ460轴管生产的驱动桥具有优良的抗疲劳性能。 台架试验表明，在3倍规定载荷下，疲劳试验达到130万次无裂纹，远远超过80万次无裂纹的要求；

5）CQ460轴管实现单轴减重10%的设计目标，满足车辆轻量化要求。

（内蒙古宝唐钢管有限公司：姚晓乐、米永峰、孙文秀、蒋海龙、罗中辉、刘玉荣；内蒙古宝唐钢联有限公司：何建忠）

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