影响冷镦钢质量的因素及控制措施研究

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冷镦钢，又称铆螺钢或冷顶锻钢，是利用金属的塑性，采用冷镦加工成型工艺生产互换性较高的标准件用钢。冷镦钢产品广泛用于制造螺栓、螺母、螺钉等各类紧固件；另一重要用途是制造冷挤压零部件和各种冷镦成形的零配件，该用途是随着汽车工业发展起来的，逐步扩大到电器、照相机、纺织器材、冷冻机等领域。

国内外冷镦钢生产概况

1　国内冷镦钢

我国冷镦钢的标准化工作起步较晚，尚未形成完整体系，冷镦钢用国家标准仅有3个：GB/T6478—2001《冷镦和冷挤压用钢》，GB/T4232—1993《冷顶锻用不锈钢丝》和GB/T5953—1999《冷镦钢丝》。冷镦用钢的实物质量尚不能完全满足标准件行业要求，在一定程度上依赖进口。据海关统计，我国每年进口的紧固件在12～13万t。随着紧固件工业的迅猛发展，新钢种不断地开发和引进，对外的出口日益增多，汽车、石油、机械各行业的技术进步，对配套的紧固件提出许多新要求，不但是形式尺寸上的，而且是性能与可靠性上的，实际上是对紧固件材料提出更高的要求。

我国紧固件行业发生了较大的变化，具体表现：(1)采用国外钢种牌号如10B22M，10B25LHC，MNB123H等，主要是出口订单上规定要使用的牌号；(2)同一牌号的钢种衍生出多个交货状态的品种，如SWRCH35K，有免退火、正火、退火+磷化交货，满足不同用户的需求；(3)大量采用合金、低合金钢种，以适合耐高温、耐高压、耐腐蚀的要求，如SNB5-7，SNB16(JIS4107—94)，SNB21-24(JIS4108)；(4)采用抗延时断裂用钢生产的钢结构用螺栓抗拉强度超过1200MPa。

2　国外冷镦钢

国外采用HNDS2制造12.9级螺栓(代替SCM440)，延时破断有明显改进，采用45CrNiMoTi在1500MPa级别使用，其性能优于回火马氏体高强度螺栓，贝氏体钢很少见到有(晶界)碳化物析出，避免了穿晶破坏而发生的延时断裂。

国外发达国家冷镦钢产业已基本形成规模，重点是根据用户的要求改善冷镦钢材料的质量性能，而产量无太大变化。日本大同为降低标准件材料成本和加工成本，推出了多种不锈钢螺栓和螺钉用钢；高周波钢业开发了一系列不锈冷镦钢新产品，利用设备优势推出SUS系列产品，大大提高了钢的冷镦性能；日本精线为适应建筑行业要求，开发了具有良好耐蚀和冷镦性能、通过淬回火硬化的马氏体冷镦钢。爱知制钢公司开发了AUS系列冷锻用不锈钢，分为奥氏体(A)、铁素体(F)、马氏体(M)及沉淀硬化系列，其强度范围大，抗拉强度为400～1200MPa，且规格多。

进口冷镦线材具有良好的强塑性，优良的拉拔性能，断丝率较低。晶粒大小仅为1～2μm，为国产中碳钢丝的1/10左右。进口钢丝可能在热处理时并没有完全奥氏体化，而仅仅加热到奥氏体和铁素体的双相区进行保温后再冷却至室温，奥氏体化温度低，保温时间短，从而热处理后的组织细小，渗碳体尺寸较小，厚度较薄，分布均匀，呈现出进口钢丝特殊的“双相组织”。

冷镦钢的技术要求及主要工艺流程

1　冷镦钢的技术要求冷镦钢盘条一般为低、中碳优质碳素结构钢和合金结构钢。标准件对原材料尺寸精度要求比较严格，热轧钢材规格有限，尺寸精度也很难满足要求，所以标准件几乎全部采用冷拉钢丝作为原料，合格的冷镦钢丝必须满足以下要求。

(1)化学成分要求。O，P，S等元素对钢中夹杂物的形态及数量、大小有决定性影响，所以要求控制其含量；对合金钢而言，硅、铝、锰等元素控制在中下限为宜，避免造成冷顶锻裂纹。

(2)表面质量。标准件厂统计表明，冷镦开裂的80%是由钢丝表面缺陷造成的，如折叠、划伤、密集的发纹、局部微裂纹、结疤。因此对线材表面质量要求很严，尺寸公差?.20mm，不圆度<0.30mm，表面裂纹、划伤最深<0.07mm。

(3)脱碳。表面脱碳造成螺栓表面强度降低，疲劳寿命大幅度下降。平均脱碳层深度要求见表1。　　

表1　冷镦线材的脱碳层要求 mm
直径


铁素体脱碳层深度


总脱碳层深度



≤15


≤0.02


≤0.12



15～25


≤0.03


≤0.15



25～32


≤0.04


≤0.20





(4)非金属夹杂物。钢中非金属夹杂物含量高、尺寸大是造成标准件冷镦开裂的一个重要原因，尤其是非金属夹杂中B类和D类脆性夹杂，距钢丝表面愈近危害性越大，所以要求B类夹杂物距表层2mm之内应不大于15μm。

(5)金相组织。冷镦钢的金相组织为铁素体+粒状珠光体，珠光体的晶粒尺寸和分布也是影响冷镦性能的因素，理想的组织是珠光体晶粒大小相近并均匀地分布在铁素体基体上。珠光体不同显微组织冷镦性能从好到坏的排列次序为粒状珠光体、索氏体、细片状珠光体、片状珠光体。

(6)低倍组织。冷镦钢丝对钢的低倍组织要求比较严，低倍检查不应有缩孔、分层、白点、裂纹、气孔等缺陷，对中心疏松、方框偏析、中心增碳等缺陷，不同钢种都有明确的级别规定。

(7)晶粒度。冷镦钢丝内部组织不同于其它钢丝，晶粒度不是越细越好。晶粒度太细，抗拉强度、屈服强度升高，变形抗力增大，对冷镦成型很不利。除10.9级以上螺栓晶粒细、保证成品强度外，冷镦钢丝的晶粒度应控制在5～7级。

(8)冷镦性能。冷镦性能好是指钢丝具有较低的变形抗力，能经受很大程度的变形而不产生裂纹。一般认为以断面收缩率和屈强比作为衡量冷镦性能指标比较可靠。合金钢的断面收缩率应不小于50%。冷镦钢丝的屈强比小，冷镦性能相对要好，合金钢的屈强比应不大于0.70。从冷镦性能角度考虑，钢丝的冷加工强化系数越低越好，即不易产生加工硬化。

高档次标准件对原料的质量要求：盘条具有较高的塑性指标、断面收缩率及延伸率；在冷塑性变形中，材料的变形抗力小，加工硬化率低，材料的屈强比小，盘条硬度适中，不要过高；盘条具有良好的表面质量，一定的表面粗糙度，不允许有折叠、裂纹等表面缺陷；钢的组织致密，无内部缺陷。

2　冷镦钢主要生产工艺

冶炼冷镦钢的关键是要提高钢水的纯净度，降低钢水的非金属夹杂物含量。钢水终点碳含量稳定在规定范围内是降低钢水氧化程度和减少钢水非金属夹杂的主要措施。

冷镦钢盘条生产的工艺流程：

铁水→转炉→精炼炉→连铸→加热→高速线材轧制→高线控制冷却→成品检验→入库。

合金冷镦钢线材的生产工艺流程与碳素钢线材基本相同，但合金冷镦钢丝变形抗力较大。为保证冷镦成型，球化退火是必不可少的，可获得比较理想的组织。

常用工艺路线：

线材→冷拉→球化退火；线材→再结晶退火→冷拉→球化退火。

对冶炼工艺的要求：(1)新炉前20炉、补炉前3炉及新包第1炉不得冶炼冷镦钢；(2)出钢温度为1630～1660℃；(3)脱氧合金化，终脱氧加入硅铝钙钡合金；(4)钢包清洁无冷钢，钢包进行吹氩。

LF精练时间不少于35min，白渣保持时间不低于15min。出钢温度：开浇(1585?)℃，连浇(1567?)℃。出钢时喂CaSi线，并进行弱搅拌。同时方坯表面不得有脱方、裂纹、重接、分层等缺陷。

影响冷镦钢质量的主要因素

一般情况下，可将影响冷镦钢质量因素归纳为材料塑性、材料基体连续性、材料组织连续性和材料表面质量等。根据对冷镦钢的质量检测，发现影响冷镦钢质量的因素主要有以下4个方面：钢的化学成分、坯料表面缺陷、设备调整、晶粒度和轧制工艺参数。

(1)化学成分的影响。钢中硫、磷等杂质元素直接影响冷镦钢冷镦性能。在冷镦钢的冶炼过程中针对不同钢种应去除相应杂质。某些非金属夹杂破坏了钢的基体连续性，在静载荷和动载荷的作用下，往往成为冷镦钢裂纹的起点。因此，应尽量降低钢中非金属夹杂物，同时对其进行处理(如钙化等)，减少其在钢中的危害。

(2)坯料表面缺陷的影响。坯料表面缺陷是产生冷顶锻开裂的裂纹源，主要形式有坯料表面重皮、裂纹、尖锐过度等。在加工时，由于裂纹的存在引起应力集中，同时产生复杂的应力状态，导致裂纹扩张，最终冷顶锻开裂，因此，选用优质钢坯是提高冷镦钢质量的前提。在轧制过程中存在严重的温度不均也会促使产品出现开裂现象。

(3)轧制过程中设备调整对冷镦钢性能的影响。生产过程中各项轧制规程的制定是影响产品冷镦性能的主要因素，例如压下量、张力等的调整以及生产备件的装配和调整。若轧制生产调整不当，使产品在轧制过程中产生折叠或划伤，破坏产品的表面，形成开裂的裂纹源。因此，制定合理的轧制规程是提高冷镦钢质量的关键。

(4)晶粒度的影响。晶粒度是衡量冷镦钢能否达到一定的综合性能的标准之一。晶粒越细，其内部因应力集中引起的开裂的机会就越小，有利于冷顶锻等性能的提高。细晶钢可以承受较大的变形量，具有较大的延伸率、断面收缩率、较好的塑性以及较高的韧性和强度。因此要求在轧制过程中，奥氏体化温度不宜过高，保温时间不宜过长。

(5)轧制工艺参数的影响。冷镦钢组织为铁素体+珠光体，其控冷关键是使奥氏体分解在适中的温度下进行，并且使分解转变的时间较长，以便得到适中的铁素体晶粒和少量的珠光体，提高冷镦钢的强度，并使塑性指标不致下降，获得较好的综合力学性能。

通过实施低温轧制(出钢温度930～950℃)、合理的吐丝温度(820～840℃，过低容易使轧件形成较大温度梯度，过高容易使晶粒异常长大)、较适中的冷却速度(斯太尔摩冷却丝入口辊道段速度13～15m/min)及集卷温度，使最终产品性能达到要求，如图1所示，符合铁碳基本组织成分与力学性能关系。


图1　铁碳基体组织成分与力学性能关系

提高冷镦钢质量的主要措施

国内冷镦钢生产中最大的问题就是如何解决在实际冷顶锻加工过程中镦头开裂。针对冷镦钢的技术要求，结合影响冷镦钢性能的各项因素以及生产实际，在冷镦钢的生产中应采取如下措施：

(1)严格按冷镦钢的标准控制钢的化学成分，优化材料组织，提高材料塑性，保证钢质性能的稳定，减少夹杂物对性能的危害，降低钢中有害元素的含量；

(2)通过对冶炼、轧钢过程的控制，减少压下量、轧制道次以及翻钢次数，以获得均匀、细化晶粒组织，避免生产过程中皱折及由耳子产生的折叠，提高冷镦钢的综合力学性能；

(3)选择适当轧辊和变形均匀的孔型系统，保证产品表面光洁，同时减少成品裂纹，提高生产备件质量，保证工艺要求；

(4)严格控制加热温度、时间和炉内气氛，保持正压操作，减少表面烧损和表面脱碳；

(5)加强钢坯验收和装炉前的质量检查，严格控制钢坯表面质量，尽量采用大断面的钢坯，增加由坯到材的总变形量。

结论

我国冷镦钢生产企业通过设备引进和技术开发，冷镦钢生产规模和质量已取得一定的成果，但对于市场提出的技术要求，还需采取措施进一步提高产品质量。

(1)了解和掌握国内外冷镦钢的生产技术水平，借鉴国内钢厂的成功经验，通过大量技术研发，优化生产工艺和轧制规程。

(2)严格按照生产冷镦钢的技术标准，对化学成分、表面质量，钢坯质量等严格控制，避免出现开裂等缺陷。

(3)表面裂纹是导致冷镦钢冷顶锻开裂的主要因素之一，因此在生产过程中，要加强钢坯验收和装炉前的质量检查，同时采用合理的孔型系统和加热制度，提高产品质量。