新材料与工艺手册

[轻量化自卸车] 先进高强钢板开发和应用于矿山自卸车轻量化设计

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发表于 2020-4-22 09:44:37 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】先进高强钢板开发和应用于矿山自卸车轻量化设计

张永青1   郭爱民1  顾林豪2   董现春2(1. 中信金属有限公司  北京 100004  ;2. 首钢技术研究院  北京 100039)

【摘  要】随着中国汽车行业的快速发展和汽车保有量的大幅提高,由此带来的能源消耗和环境污染已经愈发严重,汽车轻量化设计也获得越来越的的注意。在过去十年,更多的努力是集中在应用多相钢(DP,CP,TRIP)进行乘用车的轻量化设计,除了原有的微合金化高强钢(HSLA)、高强无间隙IF钢、烘烤硬化钢和磷化(P)钢。然而,工信部统计数据发现,商用车采石燃油消耗大户,保有量进展30%的商用车消耗了70.0%燃油,因此,商用车轻量化设计降低燃油消耗的空间巨大。另外,中国的商用车比欧洲的同级别的商用车自重重17.0%。以自卸车为例,中国的自卸车一般比欧洲先进的矿车重3-4吨。根据计算结果,商用车自重降低10.0%,燃油消费可以降低4.8%。如果以2007年商用车的发展现状作为参照,2020年如果可以实现20.0~35.0%的轻量化目标,每年降低燃油消耗2500~3000万吨。此外,碳排放将随之降低。目前,实现轻量化设计的主要途径包括轻量化结构设计、材料及先进工艺技术应用三个方面,其中通过应用高强钢实现轻量化设计是最普遍的策略。在本文中,首钢重型汽车生产的150吨矿车是被选为应用案例,通过应用首秦开发的高强韧、易焊接的Q690和NM450钢板实现轻量化设计,用于替代原有的Q345B级别。通过采用铌微合金化设计,尽可能的降低碳当量,新开发的高强钢板展现出更理想的性能匹配,包括强度、硬度、韧性,以及焊接性能和成型性。根据重汽和首钢矿业公司反馈结果,新矿车车厢实现减重5.0吨,降低了18.5%,同时,耐磨性提高1倍,延长了矿车车厢使用寿命,获得了较好的经济效益和社会效益。

【关键词】 重型矿山自卸车  轻量化  铌微合金化先进高强钢




Development and Application of Advanced High Strength Steels for Lightweight design of Dumping truck
Zhang Yongqing1  Guo Aimin1  Gu Linhao2   Dong Xianchun2
1.CITIC Metal Co., LTD, Beijing, 100004
2. Shougang Research Institute of Technology, Beijing, 100039

Abstract:With rapid development of automobile industry in China, the constraints of energy consumption and environmental pollution have become increasingly serious, and lightweight design has received more and more attentions. Over the past years, more efforts were focused on multiphase steels (DP, CP, TRIP) for passenger cars besides widely used microalloyed (HSLA), high strength interstitial free ( IF-HSS), bake hardening (BH) and rephosporized (P) steel grades. However, based on statistics data by China’s Ministry of Industry and Information, commercial vehicles accounting for 30.0 percent of total number of automobile actually consumed about 70.0 percent fuel. So, the room to reduce fuel consumption is potentially huge. In addition, China’s commercial vehicle is 17.0 percent heavier in self-weight on average than that of European countries. Take dumping truck as an example, China’s dumping truck is 3.0 to 4.0 tons heavier than that of advanced level in European countries. According to calculation, fuel consumption can decrease by 4.8 percent if self-weight of commercial vehicle reduces by 10.0 percent. Take present status of commercial vehicle in 2007 as baseline, fuel consumption can save 25.0 to 30.0 million tons per year once 20.0 to 35.0 percent lightweight design comes true in 2020. In addition, carbon emission will decrease proportionally. Among structure optimization design, lightweight material and advanced fabrication process, lightweight design by applying advanced high strength steels and matched optimization design provides the most effective approach. In this paper, dumping trucks were chosen as the showcase to realize the lightweight by applying high strength steels. Shougang’s Heavy-duty mining truck body was previously manufactured by plain Q345B grade, existing big room to reduce self weight with Q690 and NM450 for reinforcements and truck body respectively. Targeted for new dumping trucks, two Nb-bearing high strength steel plates have been developed and produced by Shougang, with good balance of strength, hardness, toughness, and as well as excellent weldability and formability. With newly developed high strength steels, new dumping truck body decrease by 18.5, and at the same time prolongs lifespan by improved reliability and durability, which lead to better economic benefits for truck maker and end user.

Keywords:Heavy-duty dumping truck; Lightweight; Nb-bearing advanced high strength steels


1 引 言

为了推广高强含铌钢,促进我国钢铁工业结构调整和下游产品的结构升级,中信微合金化技术中心与巴西矿冶公司(CBMM)长期致力于引进国外先进的设计理念,并联合国内的钢铁企业和下游用户搭建产学研用合作平台,协同发展。在2012年初,巴西矿冶公司引进国外应用先进高强钢进行轻量化降低运营成本的设计应用案例,选定国内150吨重型矿车和40吨自卸车分别开展工作,其中150吨重型矿车车厢采用热轧Q690钢板和NM450钢板进行优化设计,40吨自卸车车厢采用TH800和TWR450热轧开平板进行结构优化设计, 整个研究内容包括轻量化设计、具有优良性能的含铌钢开发和应用研究,以及目标矿车制造和运营分析。在此,主要介绍150吨重型矿车的轻量化设计和高强钢的开发,包括合金设计和性能分析。


2 原矿山自卸车和新矿车设计

首钢重型150吨矿车车厢自重27吨,车厢底板、侧板和加强件全部采用Q345B级别进行设计和制造。根据以往的运营经验,在首钢铁矿,车厢磨损是一个比较严重的问题,特别是卸载过程矿石对车厢尾部的磨损,如图1所示。为了应对矿石对车厢底板的磨损,延长车厢使用寿命,比较普遍的做法是当车厢底板磨损到一定程度,在车厢底板上面焊接一层衬板,一般采用Q345B,如首钢矿业公司对150吨重型矿车,一般矿车磨损到原有厚度的32%左右,考虑结构刚度和运营风险,在车厢底板铺设一层厚度为18mm的Q345钢板,如图2所示。



矿山自卸车轻量化设计原则是在保障必要的结构强度抗冲击性能和刚度前提条件下,通过应用高强钢事项 矿车车厢的减重。根据下面的计算公式,可以计算高强钢板需要的壁厚:

                 

注:t2—高强钢的壁厚, mm
t1—普通钢板的壁厚,mm
ReL1—普通钢板的屈服强度,MPa
ReL2—高强钢板的屈服强度,MPa

根据以上计算公式计算结果,充分考虑结构安全,150吨重型矿山自卸车结构设计如图3所示,其中矿车底板和侧板全部采用耐磨钢,矿车顶板和加强件采用Q690进行优化设计。


图 3 新矿山自卸车应用Q690和NM450的优化设计


图4  新矿山自卸车优化设计前后的钢板厚度


3 Q690 和NM450含铌高强钢板的开发

针对本项目,最小屈服强度为690MPa的高强结构钢板被选为顶板和加强件的设计钢种,交货条件为通过合理的控制轧制后调质状态(Q&T)交货;高强耐磨钢板采用布氏硬度最小为425(BHN)的NM450级别,生产工艺为热轧匹配轧后离线调质热处理工艺交货。对于高强结构钢板Q690和耐磨钢NM450,单纯的强度和硬度生产难度不大,主要的问题是调质钢板缺乏必要的塑形和易于脆裂。另外,该类钢板采用硼合金设计,碳当量比较高,众所周知,高的碳当量对焊接性能有负面影响。

为了成就最佳的强度、硬度、韧性、塑形,以及焊接性能和板型的最佳平衡,冶金设计工程师必须正确的理解合金设计原则,包括C,Mn,Si,Cr,Mo和Ni等合金元素,以及合理的运用铌微合金化工艺,尤其Nb和Ti的添加及影响。最后,需要谈到的是添加B元素和正确的落实轧制、冷却和热处理工艺。相对于NM450钢,Q690级别碳当量比较低,且比较成熟。因此,本文重点集中在新开发的高强耐磨钢NM450,该钢种为马氏体钢。

为了成就目标钢种所需的性能要求,合金设计-生产工艺-冶金参数设计原则如下:

  • 晶粒细化和沉淀强化仍为低合金高强度钢最基本的冶金设计原则,无论铁素体钢,贝氏体钢,还是马氏体钢。
  • 高的碳添加量可以保证耐磨钢需要的硬度,但为了保证耐磨钢的塑性和焊接性能,碳含量需要尽可能控制比较低。对于NM450级别,理想的碳添加量一般小于0.23%。
  • P,S和Al添加量,这些元素需要控制尽可能的低,以便获得更加的塑性。典型的目标控制如下:P≤0.015%,S≤0.005%,Alt ≤0.03%。相对于国外钢厂,国内Al添加量相对较高,一般目标值为0.03%左右。
  • 固溶元素Mn, Si, Cu, Ni, Cr, Mo– 为了获得良好的塑性和焊接性能,添加量在保证目标性能前提下尽可能的低,同时降低合金成本。但必须牢记,一定固溶元素添加量是提高淬透性,获得马氏体或贝氏体组织的关键因素,可以弥补淬火过程中冷却能力。
  • B是一种非常有效的固溶元素,可以显著降低相变温度,获得必要的马氏体/贝氏体组织分数。硼元素是一种非常活跃的元素,在钢中可以和氮、氧都有很强的亲和力,与各种缺陷(如位错和空位等)有强烈的相互作用,并能和S、C化合,且易于和钢中的其它元素形成各种类型的夹杂物。然而,为了充分发挥硼的强化效果,添加的硼必须尽可能的保留游离态或自由态,防止添加的硼形成化合物,特别是氮化物。另外,硼在低碳钢中可以发挥更加的强化效果。根据以上考虑,NM450钢中的氮和全氧含量必须尽可能控制低,以保留自由的硼发挥强化效果。为了固氮,采用Ti微合金化已经成为普遍的生产工艺。
  • Nb- 对于TMCP工艺生产的热轧高强钢,铌微合金的角色细晶强化和沉淀强化机制和效果已经被广泛认识,涉及到在加热、轧制和冷却过程中铌的存在状态和强化机制。然而,今年来大量的研究表明,铌在调质交货的高强钢板中仍扮演了重要的角色。首先,铌具有和钛元素几乎一样的固氮效果,并且由于Nb(CN)颗粒形成温度比较低,在钢中的颗粒尺寸比TiN更加细小,导致更高的韧性。对于高强耐磨钢,传统的理解是耐磨钢是硬度的函数。最近的研究结果表明,高的韧性改变了耐磨钢磨损机制,从微观犁削磨损(micro-ploughing)为损伤更小的磨损方式,延长了使用寿命。考虑到铌在耐磨钢中的溶解度,铌的添加量一般不大于0.03%。





表1给出了新开发的耐磨钢力学性能检验结果,包括强度、延伸率、冲击韧性和硬度。由于实际碳添加量为0.18%,硬度富余量并不是很大。表5给出了含铌和不含铌耐磨钢扫描电镜组织照片,可以发现含铌耐磨钢晶粒明显细小。表6给出了含铌耐磨钢和不含铌耐磨钢冲击韧性,以及带来的磨损率对比结果。相对于普通结构钢Q235,磨损率大幅度降低;由于含铌耐磨钢低温冲击韧性高,磨损量显著降低。

表 1 新开发的含铌耐磨钢力学性能检测结果





图 5 调质耐磨钢扫描电镜分析结果照片 (a)无Nb 和(b)含有 0.03%Nb



a.   夏比冲击韧性                       b.  磨损率对比结果
图 6 含铌耐磨钢和不含有铌耐磨钢冲击韧性和磨损率对比结果


4 焊接性能研究和制造

由于新开发的耐磨钢碳当量相对比较低, 具有比较优良的焊接性能,不需要特殊的焊接工艺,几乎可以满足所有的焊接工艺要求。根据矿车实际焊接需要,两种焊接评价试验在实验室进行研究,一种是耐磨钢搭接试验(CTS),一种是广泛应用于评价耐磨钢焊接性能的冷裂纹敏感性焊接试验(Y-groove)。此外,预热和不预热两种焊接温度是被采用,如下面试验结果所示,均未发现裂纹。



4.1 搭接接头焊接评价试验

表2给出了采用ER50-6焊丝对新开发的耐磨钢进行的搭接接头焊接评价试验检验结果,焊丝直径为1.2mm。为了充分考虑适用性,分别考虑了夏季、冬季,以及预热80℃焊接工况条件。
表2  耐磨钢搭接接头焊接评价试验结果


4.2 冷裂纹敏感性焊接试验

Y型坡口焊接冷裂纹敏感性试验被广泛应用于评价耐磨钢焊接性能,并根据评价结果确定是否采用预热工艺。对于19.0mm厚耐磨钢,ER50-6焊丝和二氧化碳气体保护焊接工艺被采用。在实验室分别模拟了夏天、冬季,以及80℃预热的焊接评价试验。表3给出了主要焊接参数和检验结果,图7. a给出了搭接接头焊接试样照片。



表 3  Y型坡口焊接冷裂纹敏感性试验焊接参数和检验结果


4.3 矿车组装焊接

根据以上的焊接结果,新开发的耐磨钢展示了优良的焊接性能。考虑到实际矿车运行环境温度可能低于-20℃,矿车组装过程中耐磨钢板的对接接头焊接预热温度不低于80℃,参考国内外其他生产企业,预热温度最好控制为不高于120℃。图8给出了首钢重汽在冬季焊接和对接焊接接头外观质量照片。对矿山自卸车底板耐磨钢对接接头焊接进行超声波无损检测,未发现裂纹。图7. B给出了冷裂纹敏感焊接试验试样照片。




图7 焊接试验


图 8  矿车耐磨钢对接接头焊接操作和焊缝

5 运营分析

图9给出了新开发的重型矿山自卸车装载和卸载的实地照片。截至目前,矿车已经在铁矿安全运营3个月,运输了23.83万吨料和矿,总周转里程为33.2894万吨·公里。与最新的应用普碳钢的矿山自卸车进行对比分析,主要运营结果如下:

  • 矿车车厢重量降低了5吨,从27.0吨降低为22.0吨。减重效果来源两个方面:一是矿车底板壁厚减薄;一是矿车加强件结构设计优化。
  • 燃油消耗: 降低了0.201%。由于150吨矿车整车自重为105吨,载荷为150吨,减重对油耗的效果不是太显著。
  • 磨损率: 磨损量下降了36.0%。
  • 在实际运行跟踪过程发现几处小裂纹,经分析发现是由于焊接工人未按照焊接操作执行,焊缝未熔合引起的。车厢最薄弱的环节-底板对接接头未发现裂纹。


图 9  采用高强耐磨钢制造的150吨重型矿车

6 结 论

通过应用高强耐磨钢、实现轻量化,并提高出勤率和延长使用寿命,代表了当前矿山机械和重型矿车的发展趋势,也降低能源消费和环境污染造成的约束。通过与普碳钢生产制造的矿山自卸车进行对比分析发现,采用NM450和Q690制造的矿车车厢减重5.0吨,车厢底板磨损率下降了36%。由于运营时间段,未考虑由于维护、轮胎节省等多方面产生的经济效益。



参考文献

[1] K. Hulka, A. Kern and U. Schriever, Application of Niobium in Quenched and Tempered High-Strength Steels. Materials Science Forum Vols, 500-501 (2005) pp 519-526.
[2] Douglas G. Stalheim, Fu Peimao, Gu Linhao, Zhang Yongqing, METALLURGICAL/ALLOY OPTIMIZATION OF HIGH STRENGTH AND WEAR RESISTANT STRUCTURAL QUENCH AND TEMPERED STEELS. HSLA 2005.
[3] Hardy Mohrbacher, NIOBIUM MICROALLOYED AUTOMOTIVE SHEET STEEL- A COST EFFECTIVE SOLUTION TO THE CHALLENGES OF MODERN BODY ENGINEERING. International Symposium on Niobium Microalloyed Sheet Steel for Automotive Application, pp 1-21.
[4] T. Hallfeldt, “Possibilities and challenges using advanced high strength steel sheets for automotive applications”, International Symposium on Niobium Microalloyed Sheet Steel for Automotive Application, pp 117-128.



来源:《第一届中国汽车EVI及高强钢氢致延迟断裂会议文集》,版权归原作者及出版社,未经许可不得转载。





作者简介

张永青,中信金属有限公司,高级工程师,从事铌微合金化高强钢的开发、应用和推广,主要负责管线钢、工程机械、高强钢筋和线棒材等。



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