汽車驅(qū)動橋是汽車承載的重要結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于重卡、半掛牽引車、客車、工程機械等領(lǐng)域；其通過懸架總成與車架相連接，其兩端安裝車輪，其作用是傳遞車架與車輪之間的各種作用力，支承著汽車的載荷，所以其強度、剛度、疲勞壽命至關(guān)重要，其要求在QC/T 533-2020《 商用車驅(qū)動橋總成》行業(yè)標準中明確提出：靜剛度≥1.4mm/m；靜強度滿足6倍加載無塑性變形，安全系數(shù)Kn＞6；疲勞壽命滿足2.5倍載荷加載大于80萬次的要求；焊接性能優(yōu)異，無焊接裂紋存在，如圖1所示。

橋殼生產(chǎn)方式主要分為四類：鑄造整體式、鋼板沖壓焊接式、鋼管擴張成形式和液壓脹形式，其優(yōu)缺點、適用范圍和發(fā)展前景如表1所示，可見鑄造橋殼和沖焊橋殼主要應(yīng)用于中重卡領(lǐng)域，機械脹形和液壓脹形橋殼應(yīng)用于中輕微卡領(lǐng)域。沖焊橋殼是目前應(yīng)用最廣泛、適用性最廣的橋殼加工制造工藝。沖焊橋殼又分為熱沖壓和冷沖壓，熱沖壓橋殼最大的優(yōu)點是高溫變形抗力小，殘余應(yīng)力低，疲勞壽命高。中重卡橋殼的厚度在12-18mm，受到客戶沖壓設(shè)備能力限制（2500噸以下），熱沖壓橋殼在中重卡領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位，而熱沖壓后強度顯著降低是行業(yè)難題，嚴重制約中重卡行業(yè)技術(shù)進步，研究意義重大。

2.1抗高溫空冷軟化的產(chǎn)品設(shè)計

熱沖壓橋殼最大的技術(shù)難題是高溫加工后空冷嚴重軟化，國內(nèi)外均沒有成熟產(chǎn)品可借鑒，開發(fā)難度極大。隨著終端客戶明確提出熱成形后強度要求，亟需研究抗高溫軟化的強韌化控制技術(shù)。通過對橋殼生產(chǎn)工藝流程進行全程跟蹤，發(fā)現(xiàn)熱沖壓技術(shù)最大的弊端是空冷方式的冷卻速度不可控，導(dǎo)致冷卻中金屬相變與微合金元素析出不可控，而影響強度下降的因素較多，機理復(fù)雜，所以想精確控制難度極大，如圖2所示。

通過分析熱沖壓工序中顯微組織和微合金化第二相的變化，發(fā)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)品的5種強化機制（細晶強化、析出強化、組織強化、位錯強化、固溶強化）在熱沖壓前后僅有固溶強化機制基本不發(fā)生變化，其余4種強化機制對強度的貢獻均會在熱沖壓后弱化或者消失，從而導(dǎo)致強度的顯著降低。因此，為了獲得熱沖壓后高強度的橋殼產(chǎn)品，強化機制選擇以固溶強化為主，析出強化、細晶強化為輔的強化機制，在實驗室進行了7種成分體系設(shè)計和熱軋試驗，研究結(jié)果顯示：

1）隨著N含量的提高，屈服強度與抗拉強度逐漸增加，延伸率與屈強比也呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。N元素的添加促進了V元素的析出，有利于提高析出強化作用。V元素含量差異導(dǎo)致力學(xué)性能差異明顯，不含V元素橋殼鋼與含V元素橋殼鋼相比，屈服強度與抗拉強度低60MPa左右。進一步提高V含量，其強度進一步提高，屈服強度提高了160MPa，抗拉強度提高了140MPa。隨著C含量的提高，屈服強度、抗拉強度逐漸增加，延伸率逐漸下降。

2）未添加V元素的試驗鋼的顯微組織為鐵素體和珠光體的混合組織，而添加V元素促進了針狀鐵素體、粒狀貝氏體組織的出現(xiàn)，試驗鋼的組織為針狀鐵素體、粒狀貝氏體和少量珠光體的混合組織；而且隨著V元素的添加，組織逐漸細化。隨著N元素含量的增加，鐵素體組織逐漸細化，貝氏組織逐漸增多。隨著C元素含量的增加，貝氏體的量逐漸增加，組織更加細化?？梢姡ㄟ^V、N等元素的添加，促進了熱軋態(tài)組織的細化、析出物的增多以及貝氏體組織的出現(xiàn)，從而提升了細晶強化、析出強化、組織強化對強度的貢獻，最終提升了熱軋態(tài)的力學(xué)性能。

通過實驗室的熱軋、連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為、高溫力學(xué)性能等一系列基礎(chǔ)理論研究，最終提出采用V-N微合金化成分設(shè)計，充分利用VCN、VN、VC等第二相析出物在加熱中阻礙奧氏體晶粒長大，沖壓后冷卻過程中重新析出的特點，降低細晶強化與析出強化的下降比例，解決熱沖壓橋殼用鋼熱成形后強度嚴重下降的問題，熱沖壓后強度損失由30%左右降至15%以內(nèi)，與同等強度級別橋殼鋼對比，較常規(guī)產(chǎn)品設(shè)計屈服強度提高了50-60MPa，如圖3所示。

傳統(tǒng)的熱沖壓橋殼用鋼，在熱沖壓的加熱工序中，細晶強化、組織強化和析出強化都會弱化，但固溶強化的效果仍然會保留。這與其化學(xué)成分設(shè)計有關(guān)，因為鈮與鈦元素的固溶溫度較高，在熱沖壓的加熱工序中，鋼板中存在的第二相析出物無法回溶到鋼基體中，僅發(fā)生動態(tài)的析出-回溶過程，引發(fā)顯著的粗化問題，導(dǎo)致析出強化減弱；而對于細晶強化，由于加熱工序的加熱溫度處于奧氏體區(qū)，奧氏體變形后采用空冷方式冷卻至室溫，由于冷卻速度不高，因此最終組織一般為鐵素體與珠光體的混合組織，并且粗化嚴重，細晶強化或者組織強化同時被弱化，這就是熱沖壓前后強度下降幅度較大的原因。由于固溶強化在熱沖壓前后基本不發(fā)生變化，因此對于熱成型橋殼用鋼，首選的強化方式為固溶強化；但是在實際生產(chǎn)過程中，單獨采用固溶強化的碳錳鋼很難保證厚規(guī)格產(chǎn)品達到500MPa級別、甚至更高的600MPa級別，在分析微合金化元素強韌化機理的基礎(chǔ)上，選擇采用釩氮微合金化方式，這種成分設(shè)計具有以下優(yōu)勢：

1）橋殼沖壓前需要進行加熱處理，加熱溫度一般在800-900℃，充分利用釩的回溶溫度較低，在熱沖壓加熱過程中可以回溶到鋼基體，在熱沖壓后的冷卻過程中，可以從基體中重新析出，而且重新析出的第二相析出物的尺寸具有均勻細小的特點，從而達到析出強化的效果。另一方面，由于V的氮化物或者碳氮化物的全固溶溫度相較于VC較高，在橋殼加熱過程中還可以阻止奧氏體晶粒的長大，從而細化原始奧氏體晶粒，從而起到細晶強化的目的。

2）在熱沖壓和熱沖壓后的冷卻階段，回溶到鋼基體的第二相析出物可以重新析出，從而提高析出強化的貢獻比例。

3）另外釩在冷卻階段析出后，可以作為鐵素體形核核心，提高鐵素體形核率，并且釘扎鐵素體晶界，阻止鐵素體長大，從而有利于細化最終組織，提高細晶強化效果。

通過加熱、冷卻過程中的V的析出物，如VC、VCN、VN等的回溶、二次析出對奧氏體晶粒的阻礙作用、二次析出強化作用、以及提高鐵素體形核率等的作用機制，最終提高熱沖壓后的橋殼力學(xué)性能。

2.2 釩氮微合金化橋殼鋼表面質(zhì)量控制

在橋殼熱沖壓過程中，經(jīng)常發(fā)生表面皸裂，噴丸無法消除，影響后續(xù)疲勞壽命。通過從下料、加熱、沖壓、下線冷卻等全流程跟蹤發(fā)現(xiàn)，加熱溫度、一次沖壓后溫度、二次沖壓后溫度、開裂樣品在原始板料位置的對應(yīng)關(guān)系等因素確定開裂原因，發(fā)現(xiàn)加熱溫度、一次沖壓后溫度、二次沖壓后溫度與開裂樣品沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系，而缺陷樣品均發(fā)生在原板的邊部位置。通過系統(tǒng)地研究VN體系的高溫塑性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，VN的析出溫度正好處于連鑄機彎曲矯直區(qū)，在該區(qū)域析出后弱化了材料的變形能力，從而導(dǎo)致鑄坯邊部易出現(xiàn)邊部裂紋，而該裂紋在熱軋過程中無法消除，最終遺傳到橋殼產(chǎn)品上，形成了表面皸裂。通過分析研究提出了采用倒角結(jié)晶器+邊部弱冷的角部溫度均勻化控制技術(shù)，避開脆性區(qū)，徹底解決了中碳釩氮微合金化橋殼鋼表面開裂的控制難題。橋殼表面質(zhì)量優(yōu)化前后的形貌見圖4。

2.3 熱沖壓工藝優(yōu)化設(shè)計

面對高端客戶提出的熱沖壓后達到500MPa及以上高強度橋殼需求，國內(nèi)外研究焦點主要集中在產(chǎn)品設(shè)計上，從未有人進一步研究熱沖壓后的冷卻路徑控制問題。針對高強度橋殼需求，首鋼系統(tǒng)地模擬了加熱溫度、沖壓速度、沖壓前保溫時間等工藝參數(shù)對橋殼鋼強塑性的影響規(guī)律，以及橋殼鋼在奧氏體區(qū)高溫力學(xué)行為等基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上提出了奧氏體低溫區(qū)加熱、快速沖壓、快速冷卻的新型熱沖壓工藝；采用該新型工藝，熱沖壓后的屈服強度達到了500MPa以上，較常規(guī)產(chǎn)品設(shè)計提高100-120MPa。該工藝與常規(guī)工藝相比，通過控制原始奧氏體晶粒的尺寸，細化加熱過程中橋殼鋼的組織大小，以及通過增加熱沖壓后的橋殼冷卻速度，增加形核率和抑制新形核的鐵素體晶粒的長大，通過細化最終鐵素體組織，進一步提高橋殼鋼熱沖壓后的屈服強度。但是需要注意的是，橋殼熱沖壓后的冷卻速度并非越大越好，冷卻速度過大將影響VC、VCN的析出，影響析出強化的效果，也不利于成品強度的提升；另一方面，冷卻速度過大，也容易導(dǎo)致低溫轉(zhuǎn)變組織的出現(xiàn)，從而降低橋殼的疲勞強度。

2.4橋殼鋼高疲勞焊接工藝研究

驅(qū)動橋殼沖焊總成的焊縫布局復(fù)雜，上下殼體采用沖壓成形，殼體之間是對接直焊縫，采用埋弧焊或者氣體保護焊；殼體之間的三角板直焊縫為對接，采用埋弧焊或者氣體保護焊；驅(qū)動橋疲勞臺架試驗經(jīng)常出現(xiàn)熱影響區(qū)疲勞失效問題。研究發(fā)現(xiàn)，焊接接頭性能存在顯著的不均勻性，焊縫與母材強度匹配對焊接接頭強度有重要的影響，是焊接接頭疲勞強度設(shè)計必須考慮的主要因素之一。嚴格意義上的焊縫與母材同質(zhì)等強是很難做到的，焊縫強度與母材的差異性稱為焊縫強度的失配。焊縫強度失配可以用失配比來描述，失配比的定義與焊縫和母材的彈塑性行為有關(guān)。因此，通過優(yōu)化焊絲強度匹配，相較于低匹配的焊絲接頭，焊縫中的疲勞裂紋，不會偏向屈服強度較高的母材，焊縫力學(xué)性能不均勻性導(dǎo)致裂紋在小范圍內(nèi)波動擴展。而對于等匹配的焊絲接頭，塑性變形易向軟區(qū)（母材）一側(cè)發(fā)展，始于焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的裂紋先擴展一段距離，隨后向母材擴展，從而形成對焊縫的保護，降低疲勞裂紋擴展速率。焊接工藝優(yōu)化后穩(wěn)定達到80萬次以上的峰值應(yīng)力水平可達到400MPa。根據(jù)橋殼的焊接及疲勞試驗特點，控制疲勞裂紋擴展路徑，優(yōu)化設(shè)計橋殼的焊縫強度匹配布局，保障橋殼臺架疲勞壽命滿足>80萬次的標準要求。該技術(shù)已經(jīng)全面應(yīng)用于首鋼熱沖壓橋殼鋼，橋殼產(chǎn)品成功應(yīng)用于國內(nèi)大型重卡、客車、工程機械等龍頭企業(yè)。