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我國(guó)冷鐓鋼的標(biāo)準(zhǔn)化工作起步較晚,尚未形成完整體系,冷鐓鋼用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)僅有3個(gè):GB/T6478-2001《冷鐓和冷擠壓用鋼》,GB/T4232-1993《冷頂鍛用不銹鋼絲》和GB/T5953-1999《冷鐓鋼絲》。冷鐓用鋼的實(shí)物質(zhì)量尚不能完全滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)件行業(yè)要求,在一定程度上依賴(lài)進(jìn)口。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年進(jìn)口的緊固件在12~13萬(wàn)t。隨著緊固件工業(yè)的迅猛發(fā)展,新鋼種不斷地開(kāi)發(fā)和引進(jìn),對(duì)外的出口日益增多,汽車(chē)、石油、機(jī)械各行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,對(duì)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(shí)際上是對(duì)緊固件材料提出更高的要求。

我國(guó)緊固件行業(yè)發(fā)生了較大的變化,具體表：(1)采用國(guó)外鋼種牌號(hào)如10B22M,10B25LHC,MNB123H等,主要是出口訂單上規(guī)定要使用的牌號(hào)；(2)同一牌號(hào)的鋼種衍生出多個(gè)交貨狀態(tài)的品種,如SWRCH35K,有免退火、正火、退火+磷化交貨,滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求;(3)大量采用合金、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)采用抗延時(shí)斷裂用鋼生產(chǎn)的鋼結(jié)構(gòu)用螺栓抗拉強(qiáng)度超過(guò)1200MPa。

國(guó)外鋼

國(guó)外采用HNDS2制造12.9級(jí)螺栓(代替SCM440),延時(shí)破斷有明顯改進(jìn),采用45CrNiMoTi在1500MPa級(jí)別使用,其性能優(yōu)于回火馬氏體高強(qiáng)度螺栓,貝氏體鋼很少見(jiàn)到有(晶界)碳化物析出,避免了穿晶破壞而發(fā)生的延時(shí)斷裂。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家冷鐓鋼產(chǎn)業(yè)已基本形成規(guī)模,重點(diǎn)是根據(jù)用戶(hù)的要求改善冷鐓鋼材料的質(zhì)量性能,而產(chǎn)量無(wú)太大變化。日本大同為降低標(biāo)準(zhǔn)件材料成本和加工成本,推出了多種不銹鋼螺栓和螺釘用鋼;高周波鋼業(yè)開(kāi)發(fā)了一系列不銹冷鐓鋼新產(chǎn)品,利用設(shè)備優(yōu)勢(shì)推出SUS系列產(chǎn)品,大大提高了鋼的冷鐓性能;日本精線(xiàn)為適應(yīng)建筑行業(yè)要求,開(kāi)發(fā)了具有良好耐蝕和冷鐓性能、通過(guò)淬回火硬化的馬氏體冷鐓鋼。愛(ài)知制鋼公司開(kāi)發(fā)了AUS系列冷鍛用不銹鋼,分為奧氏體(A)、鐵素體(F)、馬氏體(M)及沉淀硬化系列,其強(qiáng)度范圍大,抗拉強(qiáng)度為400~1200MPa,且規(guī)格多。

進(jìn)口冷鐓線(xiàn)材具有良好的強(qiáng)塑性,優(yōu)良的拉拔性能,斷絲率較低。晶粒大小僅為1~2μm,為國(guó)產(chǎn)中碳鋼絲的1/10左右。進(jìn)口鋼絲可能在熱處理時(shí)并沒(méi)有完全奧氏體化,而僅僅加熱到奧氏體和鐵素體的雙相區(qū)進(jìn)行保溫后再冷卻至室溫,奧氏體化溫度低,保溫時(shí)間短,從而熱處理后的組織細(xì)小,滲碳體尺寸較小,厚度較薄,分布均勻,呈現(xiàn)出進(jìn)口鋼絲特殊的"雙相組織"。

要求冷鐓鋼盤(pán)條一般為低、中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)原材料尺寸精度要求比較嚴(yán)格,熱軋鋼材規(guī)格有限,尺寸精度也很難滿(mǎn)足要求,所以標(biāo)準(zhǔn)件幾乎全部采用冷拉鋼絲作為原料,合格的冷鐓鋼絲必須滿(mǎn)足以下要求。

1、化學(xué)成分要求。O,P,S等元素對(duì)鋼中夾雜物的形態(tài)及數(shù)量、大小有決定性影響,所以要求控制其含量;對(duì)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(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)件廠(chǎng)統(tǒng)計(jì)表明,冷鐓開(kāi)裂的80%是由鋼絲表面缺陷造成的,如折疊、劃傷、密集的發(fā)紋、局部微裂紋、結(jié)疤。因此對(duì)線(xiàn)材表面質(zhì)量要求很?chē)?yán),尺寸公差±0.20mm,不圓度<0.30mm,表面裂紋、劃傷最深<0.07mm。

3、脫碳。表面脫碳造成螺栓表面強(qiáng)度降低,疲勞壽命大幅度下降。平均脫碳層深度要求見(jiàn)表1。

表1 冷鐓線(xiàn)材的脫碳層要求 mm

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(biāo)準(zhǔn)件冷鐓開(kāi)裂的一個(gè)重要原因，尤其是非金屬夾雜中B類(lèi)和D類(lèi)脆性?shī)A雜，距鋼絲表面愈近危害性越大，所以要求B類(lèi)夾雜物距表層2mm之內(nèi)應(yīng)不大于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布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并均勻地分布在鐵素體基體上。珠光體不同顯微組織冷鐓性能從好到壞的排列次序?yàn)榱�狀珠光體、索氏體、細(xì)片狀珠光體、片狀珠光體。

6、低倍組織。冷鐓鋼絲對(duì)鋼的低倍組織要求比較嚴(yán)，低倍檢查不應(yīng)有縮孔、分層、白點(diǎn)、裂紋、氣孔等缺陷，對(duì)中心疏松、方框偏析、中心增碳等缺陷，不同鋼種都有明確的級(jí)別規(guī)定。

7、晶粒度。冷鐓鋼絲內(nèi)部組織不同于其它鋼絲，晶粒度不是越細(xì)越好。晶粒度太細(xì)，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度升高，變形抗力增大，對(duì)冷鐓成型很不利。除10.9級(jí)以上螺栓晶粒細(xì)、保證成品強(qiáng)度外，冷鐓鋼絲的晶粒度應(yīng)控制在5~7級(jí)。

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(jīng)受很大程度的變形而不產(chǎn)生裂紋。一般認(rèn)為以斷面收縮率和屈強(qiáng)比作為衡量冷鐓性能指標(biāo)比較可靠。合金鋼的斷面收縮率應(yīng)不小于50%。冷鐓鋼絲的屈強(qiáng)比小，冷鐓性能相對(duì)要好，合金鋼的屈強(qiáng)比應(yīng)不大于0.70。從冷鐓性能角度考慮，鋼絲的冷加工強(qiáng)化系數(shù)越低越好，即不易產(chǎn)生加工硬化。

高檔次標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)原料的質(zhì)量要求:盤(pán)條具有較高的塑性指標(biāo)、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(qiáng)比小，盤(pán)條硬度適中，不要過(guò)高;盤(pán)條具有良好的表面質(zhì)量，一定的表面粗糙度，不允許有折疊、裂紋等表面缺陷;鋼的組織致密，無(wú)內(nèi)部缺陷。

生產(chǎn)工藝

冶煉冷鐓鋼的關(guān)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(diǎn)碳含量穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)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(pán)條生產(chǎn)的工藝流程:

鐵水→轉(zhuǎn)爐→精煉爐→連鑄→加熱→高速線(xiàn)材軋制→高線(xiàn)控制冷卻→成品檢驗(yàn)→入庫(kù)。

合金冷鐓鋼線(xiàn)材的生產(chǎn)工藝流程與碳素鋼線(xiàn)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(xiàn):

線(xiàn)材→冷拉→球化退火;線(xiàn)材→再結(jié)晶退火→冷拉→球化退火。

對(duì)冶煉工藝的要求:(1)新?tīng)t前20爐、補(bǔ)爐前3爐及新包第1爐不得冶煉冷鐓鋼;(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(wú)冷鋼，鋼包進(jìn)行吹氬。

LF精練時(shí)間不少于35min，白渣保持時(shí)間不低于15min。出鋼溫度:開(kāi)澆(1585±5)℃，連澆(1567±5)℃。出鋼時(shí)喂CaSi線(xiàn)，并進(jìn)行弱攪拌。同時(shí)方坯表面不得有脫方、裂紋、重接、分層等缺陷。

1、化學(xué)成分的影響。鋼中硫、磷等雜質(zhì)元素直接影響冷鐓鋼冷鐓性能。在冷鐓鋼的冶煉過(guò)程中針對(duì)不同鋼種應(yīng)去除相應(yīng)雜質(zhì)。某些非金屬夾雜破壞了鋼的基體連續(xù)性,在靜載荷和動(dòng)載荷的作用下,往往成為冷鐓鋼裂紋的起點(diǎn)。因此,應(yīng)盡量降低鋼中非金屬夾雜物,同時(shí)對(duì)其進(jìn)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(chǎn)生冷頂鍛開(kāi)裂的裂紋源,主要形式有坯料表面重皮、裂紋、尖銳過(guò)度等。在加工時(shí),由于裂紋的存在引起應(yīng)力集中,同時(shí)產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài),導(dǎo)致裂紋擴(kuò)張,最終冷頂鍛開(kāi)裂,因此,選用優(yōu)質(zhì)鋼坯是提高冷鐓鋼質(zhì)量的前提。在軋制過(guò)程中存在嚴(yán)重的溫度不均也會(huì)促使產(chǎn)品出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

3、軋制過(guò)程中設(shè)備調(diào)整對(duì)冷鐓鋼性能的影響。生產(chǎn)過(guò)程中各項(xiàng)軋制規(guī)程的制定是影響產(chǎn)品冷鐓性能的主要因素,例如壓下量、張力等的調(diào)整以及生產(chǎn)備件的裝配和調(diào)整。若軋制生產(chǎn)調(diào)整不當(dāng),使產(chǎn)品在軋制過(guò)程中產(chǎn)生折疊或劃傷,破壞產(chǎn)品的表面,形成開(kāi)裂的裂紋源。因此,制定合理的軋制規(guī)程是提高冷鐓鋼質(zhì)量的關(guān)鍵。

4、晶粒度的影響。晶粒度是衡量冷鐓鋼能否達(dá)到一定的綜合性能的標(biāo)準(zhǔn)之一。晶粒越細(xì),其內(nèi)部因應(yīng)力集中引起的開(kāi)裂的機(jī)會(huì)就越小,有利于冷頂鍛等性能的提高。細(xì)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(qiáng)度。因此要求在軋制過(guò)程中,奧氏體化溫度不宜過(guò)高,保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。

5、軋制工藝參數(shù)的影響。冷鐓鋼組織為鐵素體+珠光體,其控冷關(guān)鍵是使奧氏體分解在適中的溫度下進(jìn)行,并且使分解轉(zhuǎn)變的時(shí)間較長(zhǎng),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(qiáng)度,并使塑性指標(biāo)不致下降,獲得較好的綜合力學(xué)性能。

通過(guò)實(shí)施低溫軋制(出鋼溫度930~950℃)、合理的吐絲溫度(820~840℃,過(guò)低容易使軋件形成較大溫度梯度,過(guò)高容易使晶粒異常長(zhǎng)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(chǎn)品性能達(dá)到要求,如圖1所示,符合鐵碳基本組織成分與力學(xué)性能關(guān)系。

圖1 鐵碳基體組織成分與力學(xué)性能關(guān)系

1、嚴(yán)格按冷鐓鋼的標(biāo)準(zhǔn)控制鋼的化學(xué)成分,優(yōu)化材料組織,提高材料塑性,保證鋼質(zhì)性能的穩(wěn)定,減少夾雜物對(duì)性能的危害,降低鋼中有害元素的含量;

2、通過(guò)對(duì)冶煉、軋鋼過(guò)程的控制,減少壓下量、軋制道次以及翻鋼次數(shù),以獲得均勻、細(xì)化晶粒組織,避免生產(chǎn)過(guò)程中皺折及由耳子產(chǎn)生的折疊,提高冷鐓鋼的綜合力學(xué)性能;

3、選擇適當(dāng)軋輥和變形均勻的孔型系統(tǒng),保證產(chǎn)品表面光潔,同時(shí)減少成品裂紋,提高生產(chǎn)備件質(zhì)量,保證工藝要求;

4、嚴(yán)格控制加熱溫度、時(shí)間和爐內(nèi)氣氛,保持正壓操作,減少表面燒損和表面脫碳;

5、加強(qiáng)鋼坯驗(yàn)收和裝爐前的質(zhì)量檢查,嚴(yán)格控制鋼坯表面質(zhì)量,盡量采用大斷面的鋼坯,增加由坯到材的總變形量。

1、了解和掌握國(guó)內(nèi)外冷鐓鋼的生產(chǎn)技術(shù)水平,借鑒國(guó)內(nèi)鋼廠(chǎng)的成功經(jīng)驗(yàn),通過(guò)大量技術(shù)研發(fā),優(yōu)化生產(chǎn)工藝和軋制規(guī)程。

2、嚴(yán)格按照生產(chǎn)冷鐓鋼的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)化學(xué)成分、表面質(zhì)量,鋼坯質(zhì)量等嚴(yán)格控制,避免出現(xiàn)開(kāi)裂等缺陷。

3、表面裂紋是導(dǎo)致冷鐓鋼冷頂鍛開(kāi)裂的主要因素之一,因此在生產(chǎn)過(guò)程中,要加強(qiáng)鋼坯驗(yàn)收和裝爐前的質(zhì)量檢查,同時(shí)采用合理的孔型系統(tǒng)和加熱制度,提高產(chǎn)品質(zhì)量。