rivet and screw steel
鉚螺鋼,又稱冷鐓鋼或冷頂鍛鋼,是利用金屬的塑性,採用冷鐓加工成型工藝生產互換性較高的標準件用鋼。冷鐓鋼產品廣泛用於製造螺栓、螺母、螺釘等各類緊固件;另一重要用途是製造冷擠壓零部件和各種冷鐓成形的零配件,該用途是隨著汽車工業發展起來的,逐步擴大到電器、照相機、紡織器材、冷凍機等領域。
國內外冷鐓鋼生產概況
1 國內冷鐓鋼
中國冷鐓鋼的標準化工作起步較晚,尚未形成完整體系,冷鐓鋼用國家標準僅有3個:GB/T6478—2001《冷鐓和冷擠壓用鋼》,GB/T4232—1993《冷頂鍛用不鏽鋼絲》和GB/T5953—1999《冷鐓鋼絲》。冷鐓用鋼的實物質量尚不能完全滿足標準件行業要求,在一定程度上依賴進口。據海關統計,中國每年進口的緊固件在12~13萬t。隨著緊固件工業的迅猛發展,新鋼種不斷地開發和引進,對外的出口日益增多,汽車、石油、機械各行業的技術進步,對配套的緊固件提出許多新要求,不但是形式尺寸上的,而且是性能與可靠性上的,實際上是對緊固件材料提出更高的要求。
中國緊固件行業發生了較大的變化,具體表現:(1)採用國外鋼種牌號如10B22M,10B25LHC,MNB123H等,主要是出口訂單上規定要使用的牌號;(2)同一牌號的鋼種衍生出多個交貨狀態的品種,如SWRCH35K,有免退火、正火、退火+磷化交貨,滿足不同用戶的需求;(3)大量採用合金、低合金鋼種,以適合耐高溫、耐高壓、耐腐蝕的要求,如SNB5-7,SNB16(JIS4107—94),SNB21-24(JIS4108);(4)採用抗延時斷裂用鋼生產的鋼結構用螺栓抗拉強度超過1200MPa。
2 國外冷鐓鋼
國外採用HNDS2製造12.9級螺栓(代替SCM440),延時破斷有明顯改進,採用45CrNiMoTi在1500MPa級別使用,其性能優於回火馬氏體高強度螺栓,貝氏體鋼很少見到有(晶界)碳化物析出,避免了穿晶破壞而發生的延時斷裂。
國外發達國家冷鐓鋼產業已基本形成規模,重點是根據用戶的要求改善冷鐓鋼材料的質量性能,而產量無太大變化。日本大同為降低標準件材料成本和加工成本,推出了多種不鏽鋼螺栓和螺釘用鋼;高周波鋼業開發了一系列不銹冷鐓鋼新產品,利用設備優勢推出SUS系列產品,大大提高了鋼的冷鐓性能;日本精線為適應建築行業要求,開發了具有良好耐蝕和冷鐓性能、通過淬回火硬化的馬氏體冷鐓鋼。愛知制鋼公司開發了AUS系列冷鍛用不鏽鋼,分為奧氏體(A)、鐵素體(F)、馬氏體(M)及沉澱硬化系列,其強度範圍大,抗拉強度為400~1200MPa,且規格多。
進口冷鐓線材具有良好的強塑性,優良的拉拔性能,斷絲率較低。晶粒大小僅為1~2μm,為國產中碳鋼絲的1/10左右。進口鋼絲可能在熱處理時並沒有完全奧氏體化,而僅僅加熱到奧氏體和鐵素體的雙相區進行保溫后再冷卻至室溫,奧氏體化溫度低,保溫時間短,從而熱處理后的組織細小,滲碳體尺寸較小,厚度較薄,分佈均勻,呈現出進口鋼絲特殊的「雙相組織」。
冷鐓鋼的技術要求及主要工藝流程
1 冷鐓鋼的技術要求冷鐓鋼盤條一般為低、中碳優質碳素結構鋼和合金結構鋼。標準件對原材料尺寸精度要求比較嚴格,熱軋鋼材規格有限,尺寸精度也很難滿足要求,所以標準件幾乎全部採用冷拉鋼絲作為原料,合格的冷鐓鋼絲必須滿足以下要求。
(1)化學成分要求。O,P,S等元素對鋼中夾雜物的形態及數量、大小有決定性影響,所以要求控制其含量;對合金鋼而言,硅、鋁、錳等元素控制在中下限為宜,避免造成冷頂鍛裂紋。
(2)表面質量。標準件廠統計表明,冷鐓開裂的80%是由鋼絲表面缺陷造成的,如摺疊、划傷、密集的發紋、局部微裂紋、結疤。因此對線材表面質量要求很嚴,尺寸公差±0.20mm,不圓度<0.30mm,表面裂紋、划傷最深<0.07mm。
(3)脫碳。表面脫碳造成螺栓表面強度降低,疲勞壽命大幅度下降。平均脫碳層深度要求見表1。  
表1 冷鐓線材的脫碳層要求  mm
直徑
鐵素體脫碳層深度
總脫碳層深度
≤15
≤0.02
≤0.12
15~25
≤0.03
≤0.15
25~32
≤0.04
≤0.20
(4)非金屬夾雜物。鋼中非金屬夾雜物含量高、尺寸大是造成標準件冷鐓開裂的一個重要原因,尤其是非金屬夾雜中B類和D類脆性夾雜,距鋼絲表面愈近危害性越大,所以要求B類夾雜物距表層2mm之內應不大於15μm。
(5)金相組織。冷鐓鋼的金相組織為鐵素體+粒狀珠光體,珠光體的晶粒尺寸和分佈也是影響冷鐓性能的因素,理想的組織是珠光體晶粒大小相近並均勻地分佈在鐵素體基體上。珠光體不同顯微組織冷鐓性能從好到壞的排列次序為粒狀珠光體、索氏體、細片狀珠光體、片狀珠光體。
(6)低倍組織。冷鐓鋼絲對鋼的低倍組織要求比較嚴,低倍檢查不應有縮孔、分層、白點、裂紋、氣孔等缺陷,對中心疏鬆、方框偏析、中心增碳等缺陷,不同鋼種都有明確的級別規定。
(7)晶粒度。冷鐓鋼絲內部組織不同於其它鋼絲,晶粒度不是越細越好。晶粒度太細,抗拉強度、屈服強度升高,變形抗力增大,對冷鐓成型很不利。除10.9級以上螺栓晶粒細、保證成品強度外,冷鐓鋼絲的晶粒度應控制在5~7級。
(8)冷鐓性能。冷鐓性能好是指鋼絲具有較低的變形抗力,能經受很大程度的變形而不產生裂紋。一般認為以斷面收縮率和屈強比作為衡量冷鐓性能指標比較可靠。合金鋼的斷面收縮率應不小於50%。冷鐓鋼絲的屈強比小,冷鐓性能相對要好,合金鋼的屈強比應不大於0.70。從冷鐓性能角度考慮,鋼絲的冷加工強化係數越低越好,即不易產生加工硬化。
高檔次標準件對原料的質量要求:盤條具有較高的塑性指標、斷面收縮率及延伸率;在冷塑性變形中,材料的變形抗力小,加工硬化率低,材料的屈強比小,盤條硬度適中,不要過高;盤條具有良好的表面質量,一定的表面粗糙度,不允許有摺疊、裂紋等表面缺陷;鋼的組織緻密,無內部缺陷。
2 冷鐓鋼主要生產工藝
冶鍊冷鐓鋼的關鍵是要提高鋼水的純凈度,降低鋼水的非金屬夾雜物含量。鋼水終點碳含量穩定在規定範圍內是降低鋼水氧化程度和減少鋼水非金屬夾雜的主要措施。
冷鐓鋼盤條生產的工藝流程:
鐵水→轉爐→精鍊爐→連鑄→加熱→高速線材軋制→高線控制冷卻→成品檢驗→入庫。
合金冷鐓鋼線材的生產工藝流程與碳素鋼線材基本相同,但合金冷鐓鋼絲變形抗力較大。為保證冷鐓成型,球化退火是必不可少的,可獲得比較理想的組織。
常用工藝路線:
線材→冷拉→球化退火;線材→再結晶退火→冷拉→球化退火。
對冶鍊工藝的要求:(1)新爐前20爐、補爐前3爐及新包第1爐不得冶鍊冷鐓鋼;(2)出鋼溫度為1630~1660℃;(3)脫氧合金化,終脫氧加入硅鋁鈣鋇合金;(4)鋼包清潔無冷鋼,鋼包進行吹氬。
LF精練時間不少於35min,白渣保持時間不低於15min。出鋼溫度:開澆(1585±5)℃,連澆(1567±5)℃。出鋼時喂CaSi線,並進行弱攪拌。同時方坯表面不得有脫方、裂紋、重接、分層等缺陷。
影響冷鐓鋼質量的主要因素
一般情況下,可將影響冷鐓鋼質量因素歸納為材料塑性、材料基體連續性、材料組織連續性和材料表面質量等。根據對冷鐓鋼的質量檢測,發現影響冷鐓鋼質量的因素主要有以下4個方面:鋼的化學成分、坯料表面缺陷、設備調整、晶粒度和軋制工藝參數。
(1)化學成分的影響。鋼中硫、磷等雜質元素直接影響冷鐓鋼冷鐓性能。在冷鐓鋼的冶鍊過程中針對不同鋼種應去除相應雜質。某些非金屬夾雜破壞了鋼的基體連續性,在靜載荷和動載荷的作用下,往往成為冷鐓鋼裂紋的起點。因此,應盡量降低鋼中非金屬夾雜物,同時對其進行處理(如鈣化等),減少其在鋼中的危害。
(2)坯料表面缺陷的影響。坯料表面缺陷是產生冷頂鍛開裂的裂紋源,主要形式有坯料表面重皮、裂紋、尖銳過度等。在加工時,由於裂紋的存在引起應力集中,同時產生複雜的應力狀態,導致裂紋擴張,最終冷頂鍛開裂,因此,選用優質鋼坯是提高冷鐓鋼質量的前提。在軋制過程中存在嚴重的溫度不均也會促使產品出現開裂現象。
(3)軋制過程中設備調整對冷鐓鋼性能的影響。生產過程中各項軋制規程的制定是影響產品冷鐓性能的主要因素,例如壓下量、張力等的調整以及生產備件的裝配和調整。若軋制生產調整不當,使產品在軋制過程中產生摺疊或划傷,破壞產品的表面,形成開裂的裂紋源。因此,制定合理的軋制規程是提高冷鐓鋼質量的關鍵。
(4)晶粒度的影響。晶粒度是衡量冷鐓鋼能否達到一定的綜合性能的標準之一。晶粒越細,其內部因應力集中引起的開裂的機會就越小,有利於冷頂鍛等性能的提高。細晶鋼可以承受較大的變形量,具有較大的延伸率、斷面收縮率、較好的塑性以及較高的韌性和強度。因此要求在軋制過程中,奧氏體化溫度不宜過高,保溫時間不宜過長。
(5)軋制工藝參數的影響。冷鐓鋼組織為鐵素體+珠光體,其控冷關鍵是使奧氏體分解在適中的溫度下進行,並且使分解轉變的時間較長,以便得到適中的鐵素體晶粒和少量的珠光體,提高冷鐓鋼的強度,並使塑性指標不致下降,獲得較好的綜合力學性能。
通過實施低溫軋制(出鋼溫度930~950℃)、合理的吐絲溫度(820~840℃,過低容易使軋件形成較大溫度梯度,過高容易使晶粒異常長大)、較適中的冷卻速度(斯太爾摩冷卻絲入口輥道段速度13~15m/min)及集卷溫度,使最終產品性能達到要求,如圖1所示,符合鐵碳基本組織成分與力學性能關係。
圖1 鐵碳基體組織成分與力學性能關係
提高冷鐓鋼質量的主要措施
國內冷鐓鋼生產中最大的問題就是如何解決在實際冷頂鍛加工過程中鐓頭開裂。針對冷鐓鋼的技術要求,結合影響冷鐓鋼性能的各項因素以及生產實際,在冷鐓鋼的生產中應採取如下措施:
(1)嚴格按冷鐓鋼的標準控制鋼的化學成分,優化材料組織,提高材料塑性,保證鋼質性能的穩定,減少夾雜物對性能的危害,降低鋼中有害元素的含量;
(2)通過對冶鍊、軋鋼過程的控制,減少壓下量、軋制道次以及翻鋼次數,以獲得均勻、細化晶粒組織,避免生產過程中皺摺及由耳子產生的摺疊,提高冷鐓鋼的綜合力學性能;
(3)選擇適當軋輥和變形均勻的孔型系統,保證產品表面光潔,同時減少成品裂紋,提高生產備件質量,保證工藝要求;
(4)嚴格控制加熱溫度、時間和爐內氣氛,保持正壓操作,減少表面燒損和表面脫碳;
(5)加強鋼坯驗收和裝爐前的質量檢查,嚴格控制鋼坯表面質量,盡量採用大斷面的鋼坯,增加由坯到材的總變形量。
結論
中國冷鐓鋼生產企業通過設備引進和技術開發,冷鐓鋼生產規模和質量已取得一定的成果,但對於市場提出的技術要求,還需採取措施進一步提高產品質量。
(1)了解和掌握國內外冷鐓鋼的生產技術水平,借鑒國內鋼廠的成功經驗,通過大量技術研發,優化生產工藝和軋制規程。
(2)嚴格按照生產冷鐓鋼的技術標準,對化學成分、表面質量,鋼坯質量等嚴格控制,避免出現開裂等缺陷。
(3)表面裂紋是導致冷鐓鋼冷頂鍛開裂的主要因素之一,因此在生產過程中,要加強鋼坯驗收和裝爐前的質量檢查,同時採用合理的孔型系統和加熱制度,提高產品質量。
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