（材料物理与化学专业论文）碳钢冷镦变形组织特征及演变研究.pdf

中南人学硕卜学位论文摘要 捅要 冷镦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。冷镦钢常用来制造各种机械标准件和紧固件，如螺栓、螺母、螺钉、铆 钉、自攻螺钉等各类紧固件和各种冷镦钢成型的零配件。本文以湖南华菱湘潭钢 铁集团有限公司生产的热轧态冷镦钢线材s w r c h 6 a 、s w r c h l 5 a 和 s w r c h 3 5 k 为对象进行材料冷镦变形研究。三种线材经过1 3 冷镦实验，通过 金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、x 射线衍射分析和d s c 分析， 研究了冷镦试样变形的规律，分析了微观组织在冷镦过程中的演变，在此基础上 加大应变量，进行了1 5 冷镦实验与冷镦试样的热处理实验，并观察到组织的变 化。结果表明： ( 1 ) 试样原始组织由铁素体和珠光体组成。铁素体晶粒尺寸约为1 0 - 2 0 9 m ，珠光 体片层约为2 3 0 n m ；试样经1 3 冷镦变形后呈鼓形，其组织明显地分成三个区域， 与冷镦条件下试样所受应力的分区是一致的。冷镦后，中心区域是试样发生变形 量最大的区域，它受到三向压应力作用。 ( 2 ) 铁素体变形能力强于珠光体，形变量大的区域铁素体发生明显的流变，形成 了宽度约为1 0 0 , - - 一2 5 0 n m 拉长的纤维状业晶组织，应变方向与冷镦方向垂直。 ( 3 ) 珠光体变形后，从扫描电镜形态变化上来看主要表现为渗碳体的变形，出现 了三种典型的变形方式：弯曲变形、剪切变形和片层细化。弯曲变形体现出珠光 体相当高的变形能力，可以实现与相邻铁素体片的协调变形；剪切变形会伴随着 珠光体的溶解；片层细化，最终使片层与冷镦压力方向渐趋垂直。 ( 4 ) 冷镦后材料横、纵截面分别经x 射线衍射分析与反极图计算，变形最大区域 的铁素体大多数的晶粒以 和 方向平行于压缩轴，形成了较强的 和 纤维织构。对冷镦前后三种冷镦钢的铁素体点阵常数计算发现几乎没有 变化，说明多余的碳没有固溶到周围的铁索体中，可能集中到位错周围或附近晶 界上。 ( 5 ) 由透射电镜观察与e d s 能谱分析形变后的铁素体晶粒，发现样品有轻微氧 化，s w r c h l 5 a 、s w r c h 3 5 k 铁素体内除有基体伐f e 和氧化物f e 3 0 4 的衍射外 还有弱衍射斑点，经标定为碳化物f e 7 c 3 与m 6 c 相，f e 3 0 4 、f e 7 c 3 与m 6 c 各相 与基体之间的取向关系分别为：( 110 ) f e 3 0 4 ( 0 0 1 ) * f e ，r 11t lf c 3 0 4 【l1 0 】心f e ；( 1 l 乏o ) f e 7 c 3 ( 1t o ) a f c ，【0 0 0 1 】f e 7 c 3 【110 】a f e ；( 0 2 t ) m 6 c ( 1t 0 ) a 州f【5 36 】m 6 c 【l1 0 】 小f c os w r c h 6 a 试样变形后未发现有碳化物的生成。 ( 6 ) s w r c h 3 5 k 样品l 5 冷镦后试样心部出现了明显的孔洞，珠光体的破碎和压 密程度较1 3 冷镦试样更加严重；横截面观察可以发现珠光体中渗碳体的片层变 中南人学硕i ：学位论文摘要 形后有垂直于冷镦方向的趋势。 ( 7 ) 5 5 0 0 c 的热处理对s w r c h 3 5 k 原始母材组织影响比较小，铁素体晶粒没有长 大，也没有发生再结晶，珠光体中的渗碳体仍然是片层结构，未发生球化。然而 1 5 冷镦试样经5 5 0 0 c 热处理后，铁素体发生了再结晶，再结晶晶粒大小约为5 1 0 9 m ，同时珠光体中的渗碳体组织的片层结构基本消失，发生了明显的碳化物 的球化；铁素体中也有了碳化物的析出。 关键词：冷镦钢；冷镦变形；形变特征；织构；电子衍射；组织结构演变 n 中南人学硕上学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t c o l d h e a d i n gs t e e li su s e dt om a n u f a c t u r e t h ei n t e r c h a n g e a b l es t a n d a r dp a r t sb a s e do n t h em e t a lp l a s t i c i t ya n di ti sak i n dm a t e r i a lu s e dt om a k ef a s t e n e rs u c ha sb o l t s ，n u t s ， s c r e w s ，o rp i n sa n dav a r i e t yo fc o l df o r g i n go fs t e e lp a r t s t h eh o t r o l l e dw i r eo f s w r c h 6 a ，s w r c h 15 aa n ds w r c h 35f r o mh u n a nv a l i nx i a n g t a ni r o na n ds t e e l c o m p a n yl i m i t e dw e r ei n v e s t i g a t e di nt h i ss t u d y o m ，s e m ，t e m ，x r da n dd s c w e r eu s e dt od i s c u s st h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no ft h r e ek i n d so fs p e c i m e n sa f t e r c o l dh e a d i n g t h ef e a t u r e so fm i c r o s t r u c t u r ea f t e rc o l dh e a d i n gw e r eo b s e r v e da n dt h e d e t a i l e dm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n sw e r es t u d i e d a n o t h e rm o r es e v e r e l yc o l dh e a d i n g t e s t sa n dh e a tt r e a t m e n tw e r ec a r r i e do u ta f t e rt h em i c r o s t r u c t u r es t u d i e sm e n t i o n e d a b o v ei no r d e rt og e tm o r ei n f o r m a t i o na b o u tt h en e wp h a s er e l a t e dt os e v e r ec o l d h e a d i n gd e f o r m a t i o n m a j o rd e f o r m a t i o nf e a t u r e sa n dp r o c e s so fm i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o no c c u r r i n gd u r i n gt h ec o l dh e a d i n gh a v eb e e ns t u d i e da n dt h er e s u l t sa r ea s f o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ea s - r e c e i v e dm i c r o s t r u c t u r eo ft h r e et y p e so fs t e e l si sc o n s i s t e do ff e r r i t ea n d p e a r l i t e ，w h i l et h ep e a r l i t ec o n t e n tv a r i e sw i t ht h ec a r b o nc o n c e n t r a t i o n f e r r i t eg r a i n s w i t hs i z eo fa b o u t1 0 - 2 0 i t ma n dp e a r l i t el a m e l l a es p a c i n go fa b o u t2 3 0 n ma r e o b t a i n e d t h es a m p l ea f t e rt h ec o l dh e a d i n gi sd r u ml i k ea n dt h em i c r o s t r u c t u r e sa r e d i s t i n g u i s h e di n t ot h r e er e g i o n s ，w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s s t h ec e n t e ro ft h es a m p l el o c a t e di nt h et r i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e s sz o n eg e t st h em o s t s e v e r ed e f o r m a t i o n ( 2 ) t h ef e r r i t eh a sm o r ep o w e r f u ld e f o r m a t i o nc a p a b i l i t yt h a np e a r l i t e t h ef e r r i t e g r a i n sa ts e v e r ed e f o r m a t i o nr e g i o nf l o wo b v i o u s l y , a n df i b e rs u b g r a i n sw i t hw i d t ho f a r o u n d10 0 2 5 0 n ma r ef o r m e da n dt h ed e f o r m a t i o ns t r a i nd i r e c t i o ni sp e r p e n d i c u l a rt o t h ec o l dh e a d i n ga x i s ( 3 ) s e mo b s e r v a t i o n sr e v e a lt h a th a r dp e a r l i t ep h a s ed e f o r mm a c r o s c o p i c a l l yi na s i m i l a rm a n n e rt os o f t f e r r i t e p h a s ed u et o ac o n s i d e r a b l ep l a s t i cd e f o r m a t i o n c a p a b i l i t yo fc e m e n t i t el a m e l l a eu n d e rt h ep r e s e n tc o l dh e a d i n gc o n d i t i o n s t h e f o l l o w i n gf e a t u r e so fp e a r l i t ed e f o r m a t i o np h e n o m e n o ns e e mt ob ei m p o r t a n t ：c u r l e d w a v e ，s e v e r e l yn e c k e df r a g m e n t sa n dc l o s e rl a m e l l a e m o s to fp e a r l i t ec o l o n i e st u r nt o b ev e r t i c a lt ot h ea x i so fc o l dh e a d i n g ( 4 ) t h ex r dd a t ai sd e v o t e dt oc a l c u l a t ea n dd e p i c tt h ei n v e r s ep o l ef i g u r e s t h e m a i nr e s u l t sc o n c e r nt h ef e r r i t eg r a i n sa r et h a tm o s to fw h o s e a n d i i i 中南大学硕i ：学位论文a b s t r a c t d i r e c t i o na l i g nw i t ht h ec o l dh e a d i n ga x i s ，a n df o r mak i n do f a n d f i b e r t e x t u r e c o m p a r i n gt h el a t t i c ep a r a m e t e ro fa s r e c e i v e da n da s d e f o r m e ds a m p l e s ，i ti s f o u n dt h a tt h el a t t i c ep a r a m e t e rd o n tc h a n g et h a tm u c ht or e f l e c tt h ei n c r e a s eo f c a r b o na t o ms o l i ds o l u t i o ni nt h ef e r r i t e t h e p r o p o s e di n t e r p r e t a t i o nf o r t h e d i s t r i b u t i o no fd i s s o l v e dc a r b o ni s ：t h e ym a yb ec o n c e n t r a t i n gi nt h ed i s l o c a t i o no r g r a i nb o u n d a f i e si n s t e a do fs o l i dd i s s o l u t i o ni nf e r r i t e ( 5 ) d e t a i l e dt e ma n de d sa n a l y s i sf o rf e r r i t es h o wt h a tt h es a m p l e sh a v es l i g h t l y o x i d a t i o n b e s i d e st h em a t r i x 仅- f ed i f f r a c t i o ns p o t sa n dt h es p o t sf r o mf e 3 0 4 o n ec a n a l s os e es o m ew e a kd i f f r a c t i o ns p o t sa n dt h o s es p o t sc a nb ei n d e x e dt ob et h e d i f f r a c t i o nf r o mf e 7 c 3a n dm 6 cp h a s ei nt h ec o l dh e a d i n gs a m p l e so fs w r c h15 a a n ds w r c h 35 k t h eo r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h em a t r i xa n dt h ef e 3 0 4 ， f e 7 c 3 a n dm 6 cp h a s ea r e ：( 1 1 0 ) f e 3 0 4 ( 0 0 1 ) a f e ，【一11 1 f e 3 0 4n 【1 1 0 】a f e ；( 1 l 乏0 ) f e 7 c 3 h ( 1t o ) q f 。， 0 0 0 1 f e 7 c 3 ii o 舡f e , ( 0 2 - ) m 6 cn ( 1t o ) 小f e ， 5 3 6 m 6 c 1i 0 a f e ( 6 ) i ti s f o u n dt h a tv o i d sa r ei n i t i a t e di nt h e s p e c i m e n so fs w r c h 3 5 k 1 5 c o l d - h e a d i n g t h es e v e r e l yn e c k e df r a g m e n t sa n dc l o s e rl a m e l l a ea r em o r es e v e r ei n t h e1 5c o l d - h e a d i n gs a m p l e st h a ni nt h e1 3o n e s a th i g hs t r a i nr e g i o n ，t h ep e a r li t e l a m e l l a et r e n d i n gt ob ep e r p e n d i c u l a rt ot h ec o l dh e a d i n ga x i sa r eo b s e r v e di n c o l o n i e so fp e a r l i t ei nt h et r a n s v e r s ec r o s s s e c t i o n ( 7 ) t h eh e a tt r e a t m e n to f5 5 0 0 ch a sl i t t l ee f f e c to nt h ea s r e c e i v e ds p e c i m e n s ，b e c a u s e f e r r i t eg r a i n sh a v en oe v i d e n c eo fr e c r y s t a l l i z a t i o na n dr e m a i nt h es a m e t h e m o r p h o l o g yo fc e m e n t i t e i n p e a r l i t e i sl a m e l l a es t r u c t u r er a t h e rt h a ns p h e r i c a l s t r u c t u r e w h i l et h e1 5c o l d h e a d i n gs a m p l e su n d e r t o o kh e a tt r e a t m e n t ，t h ee q u i a x e d f e r r i t eg r a i n sa r eo b t a i n e d c e m e n t i t el a m e l l ai sf o u n dt oe v o l v ei n t os p h e r o i d i z e d c a r b i d e s k e yw o r d ：c o l d - h e a d i n gs t e e l ；c o l dh e a d i n g ；d e f o r m a t i o nf e a t u r e ；t e x t u r e ； e l e c t r o nd i f f r a c t i o n ；m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的成果。尽我所知，除论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证明而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献己在论文的致谢语中作了明确的说明。 储虢勃掺一隅丝卜年旦月4 同 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅；学校可以公稚学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作一渤仁喜燧名：监眦年牟月导同 中南人学硕，l ：学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 冷镦钢概述 冷镦钢盘条的钢种一般为低、中碳优质碳素结构钢和合金结构钢。它是一种 在室温条件下，利用冷镦工艺生产较高标准件的钢种。冷镦钢主要作为生产螺钉、 螺母、螺栓、墙板钉等紧固件的原料，产品用于汽车、船舶、设备制造、电子、 家电、自行车、工具、建筑等行业【l l 。 1 1 1 冷镦钢的分类 冷镦用钢种包括碳钢、低合金钢、硼钢、非调质钢及f m 双相钢等。 ( 1 ) 碳素冷镦钢 碳素冷镦钢一般以a l 镇静钢为主。我国碳素冷镦钢的主要牌号有m l 0 8 、 m l l 0 、m l l 5 、m l 2 0 、m l 3 5 等，国外碳素冷镦钢以同本为例，主要牌号有 s w r c h 6 a 、s w r c h 8 a 、s w r c hl0 a 、s w r c hl5 a 、s w r c h 2 2 a 等，主要通 过碳含量决定其强度。由于高的含碳量会引起钢的塑性明显降低，要保证冷镦性 能，含碳量超过0 3 0 的碳素冷镦钢一般需在冷镦前进行退火处理。强度要求高 且变形比较复杂的紧固件产品一般不能采耿碳素钢生产【2 1 。 ( 2 ) 低合会钢 低合金钢一般为中碳含量，从合金成分来看有c r 、c r - m o 、c r - n i 、n i c r - m o 、 m n 、m n c r 等系列。低合金螺栓钢的应用范阐较广，从强度级别2 0 0 11 0 0 m p a 都可选用。当强度为1 2 0 0 m p a 时仍用低合金钢制造螺栓，但延迟断裂问题突出， 需要解决。目前低合金钢仍然是主要的高强度螺栓用钢。低合金钢中含有多种合 金元素，c r 尤其不可缺少，因此如何节省螺栓中的合金，降低成本也是应注意 的问题。再者，因为碳及合金元素含量相对较高，塑性和韧性也就较差。欲进一 步提高强度，并保证必须的塑韧性，亦是一个需要研究的问题【3 1 。 ( 3 ) 硼钢 钢中加入微量硼能够显著提高淬透性并改善韧性，微量硼对耐热钢有提高高 温强度和蠕变性能的作用。以硼为主要合金元素的含硼铸钢研究受到了国内外的 广泛关注【4 巧】。含硼冷镦钢作为合会冷镦钢的分支，因为硼的加入而具有其独特 的优点。低碳硼钢作为高强度冷镦钢是代替c r - m o 系列合金钢的理想材料之一， 具有良好的冷加工性能和热处理后较高的强度指标及良好的冲击性能。如周新龙 等通过不同硼钢和微合金钢的冲击实验对比发现，微量硼能较明显的提高热处理 状态的低碳硼钢的冲击性能，硼含量过高则会对钢的冲击产生不利影响。景钦广 1 7 1 等人对有硼和无硼0 8 a i 对比实验得出，加入微合金元素硼，可使0 8 a 1 钢的塑 中南人学硕j 二学位论文第一章文献综述 性应变比、加工硬化指数和伸长率下降，而屈服强度和抗拉强度比无硼钢高。 ( 4 ) 非调质钢 非调质钢不含多种合金元素，而且不用调质处理，只需控制热加工变形量及 随后的冷却速度就可保证必须的力学性能，其性能与调质钢相当，因而许多机械 零件可用轧( 锻) 态的非调质钢来取代调质钢【8 】。大量的研究工作证明了非调质钢 的关键技术即是利用v 、n b 、t i 等微合金元素在加热过程中细化晶粒，在控轧 控冷的过程中析出强化，调整组织，提高性能【9 0 1 1 。由于其具有节能节材、降低 成本、提高产品性能及绿色环保等优点，应用范围同益扩展，在汽车工业中已成 为锻件、热处理件用材的发展趋势，并在其他领域不断扩大应用，如工程结构、 输送管线用钢等【1 2 l 。 ( 5 ) f m 双相钢 双相钢是2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的一类低碳低合金高强度钢，它是由 低碳铡和低碳合金钢经临界区处理或控制轧制而得到的，其显微组织主要由铁素 体和岛状马氏体组成，所以也称其为马氏体双相钢。双相钢的力学性能特征是低 屈服强度、高抗拉强度，并且具有连续屈服行为，在塑性变形初期具有高的加工 硬化率，而且相对于其强度在成型时还具有良好的延展性【1 3 - 1 4 1 。近年来，低碳低 合金高强度冷镦钢的发展受到了极大的重视。早期研究表明，马氏体体积分数超 过2 5 以后，材料的力学性能会随马氏体量的升高而不断下降1 1 5 l 。但近年有研 究指出，当马氏体量达到一定数值时( 马氏体体积分数约为0 5 5 ) ，由于晶粒得 到细化，马氏体和铁素体相分布更加弥散，使得力学性能、冲击韧性等有显著提 高i m 】。因此，选择低碳低合金钢淬成马氏体组织，用于制造高强度螺栓是比较理 想的。 1 1 2 冷镦钢的生产工艺 由于标准件的生产对冷镦钢的内在质量和表面质量要求很严格。但以往冷镦 钢的生产由于受轧制工艺条件的限制，成品的脱碳层、表面质量、尺寸精度及机 械性能都不能满足冷镦工艺的要求；随着高速线材轧机的引进和投产，为轧制冷 镦钢提供了有利条件。因为高速线材轧机生产的产品具有以下主要优点：尺寸精 度高；表面脱碳层少；表面质量好；获得最佳的内部组织和机械性能，且通条性 能均匀；盘卷重。能满足冷镦工艺对所使用材料的性能要求，但是在生产过程中 影响成品质量的工序很多，只有对各工序加强工作的保证，才能生产出符合冷镦 要求的合格产品l ”l 。 ( 1 ) 冶炼与浇铸工序 选择良好的原材料，冶炼过程确保精炼时问，尽可能降低钢中s i 、p 、s 含 2 中南人学硕十学位论文第一章义献综述 量，采用a l 脱氧，保证钢种含有a l 量，炉后采取钢包吹氧、喂丝等工艺措施， 确保良好脱氧效果，减少央杂物含量。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的污染度。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污染的主要措施。 ( 2 ) 开坯工序 结合入炉钢坯温度的变化，进一步优化加热炉加热工艺，保证浇钢质量；钢 坯进行逐支无损探伤检查；加强检验、修磨，进一步保证钢坯表面及内在质量。 ( 3 y f l , c , i jt _ 序 轧制工序对冷镦钢质量影响尤为突出，为此制定了以下措施： 强化轧制工艺，减少轧制过程中出现的密集发裂等各种轧制缺陷。 保证设备完好，运转正常，杜绝设备因素造成的轧制缺陷。 采用合理的轧制工艺要点。 在车l , i j 该钢种前先用普碳钢试轧，下线后立刻取样做酸浸实验。 每一道次的尺寸要精心测量，导卫安装准确，防止出现耳子、划伤等缺陷。 部分厂家冷镦钢的生产工艺流程： 安阳钢铁集团：l o o t 转炉冶炼一1 0 0 tl f 炉精炼一六机六流1 5 0 m m x l 5 0 m m 方坯连铸一摩根型高线机组轧制一斯太尔摩控制冷却【l 引。 包钢：优质铁水一转炉一l f 炉精炼炉一大方坯连铸2 8 0 m m x 3 8 0 m m ( 电磁搅 拌卜一轨梁开坯1 5 0 m m x l 5 0 m m 一高线轧制( 巾6 5 一1 8 0 ) m m 1 9 】。 马钢：铁水预处理一5 0 t 顶底复吹转炉冶炼一吹氩站精炼l f 精炼一六机六 流1 4 0 m m 1 4 0 m m 方坯连铸一高线热机轧制【2 0 1 。 攀钢：8 0 t 转炉+ l f 户外精炼一连铸( 保护浇铸卜一钢坯质量检查一加热6 架 平立交膂布置轧机粗扎一切头6 架平立交替布置轧机中轧一切头6 架平立交 替布置轧机精轧一倍尺分段剪切一步进式冷床冷却一定尺冷剪【2 。 武钢：炼钢一连铸一加热一高线轧制一斯太尔摩控冷一打捆一入库【2 2 】。 湘钢：铁水预处理一项底复吹转炉一l f 精炼一小方坯连铸铸坯检验一高线 - - 高线棒材轧制工艺f 2 3 】。 新余钢厂：氧气顶底复吹转炉一l f 炉精炼一方坯连铸一高线s l 匍j t 2 4 1 。 邢钢：优质铁水一转炉一精炼炉一连铸机连铸成方坯一高线轧制【2 钉。 法国u n i m e t a l 钢厂生产低碳紧固件用钢：转炉( o p l l b e ) - - - - 倒包- a s e a 钢 包精炼一连铸一高线1 2 6 l 。 巴西b e l g o m i n e i r a 钢铁公司：氧气转炉( l b e 工艺_ 卜吹氩、加铁合金一扒渣、 加合成渣一l f 炉精炼、喂包芯线( 脱氧、成分、温度调整、电磁搅拌卜连铸( 结 3 中南人学硕i ：学位论文第一章文献综述 晶器内电磁搅拌，长水1 3 加气密封、卜- 高线无扭轧制i z 。 1 1 3 国内外冷镦钢发展现状 紧固件的锻造技术起源于欧美，它由最初的切削加工演变为温锻加工、热锻 加工和冷镦加工。在2 0 世纪5 0 年代，随着战后世界各国经济重建和发展的需要， 紧固件行业的冷镦技术因其具有优势而被广泛采用。冷镦技术从2 0 世纪5 0 年代 发展到现在，可以说已经相当成熟。 日本、美国等西方发达国家由于其设备、工艺先进，一直是紧固件的进出口 大国。日本凭借对信息的灵敏反应和技术优势，8 0 年代初很快成为了世界最大 的螺钉制造与出口大国，垄断了大部分的困际市场。近年来，其生产和出口均有 所下降。由于螺钉生产的广阔市场，属劳动密集型企业，设备投资不大，因此自 8 0 年代起，出现自发达国家迅速向发展中国家转移的趋势，特别是东南亚一带、 台湾、韩国、香港等以较低的价格和逐步提高的质量开始与r 本抗衡和竞争。 我国应用冷镦金属制造紧固件是从2 0 世纪5 0 年代术从前苏联引进冷镦成型 机械设备开始的，大规模的工业建设给紧固件产业带来了发展的机遇，紧固件制 造业中冷镦生产技术也随着整个机械制造水平的提高而提高。在我国的广东、福 建、浙江、上海、天津、湖南等省市相继建立了大量的这类产品的生产厂家。以 前厂家的原材料大都使用进口钢材，目前国内标准件生产厂家大部分使用美国、 日本、韩国等国家的进口冷镦钢原料。正是在这种情况下，国内钢铁企业开展了 冷镦钢的研发和生产，以替代进口，目前已取得了一定的进展f 2 8 - 3 0 1 。 但就实物质量而言，我国的冷镦钢仍有一定差距。其力学和工艺性能不够稳 定，材质硬度不均，在冷镦加工过程中，主要表现为表面开裂较为严重( 部分品 种镦裂率有时达到2 0 ，同本同类材质低于2 ) 。在品种上，1 0 9 级以上的高强 度紧固件尚依赖进口。在产品标准上，我国含碳量波动范围为7 个碳量，国外为 5 个碳量，较我国控制的严。锰含量我国标准为0 2 0 0 5 0 ，而国外标准分 0 3 0 一0 6 0 、0 6 0 0 9 0 、o 7 0 1 0 0 三个档次，扩大了低碳冷镦钢的锰含 量范围，改善了线材的综合力学性能。 目前，国内企业冷镦钢产品存在的j 、日j 题集中暴露在深加工过程中，即冷镦头 部丌裂，搓丝尾部断尖，其检测结果往往是锰低、磷和硫高、表面质量差、有裂 纹、夹杂、偏析多、脱碳层深、金相组织及其机械性能指标不合要求或者很不稳 定。根据钢铁企业和标准件厂生产实践，有人认为，国产冷镦钢丝应从五个方面 着手加强工艺控制，提高实物质量、表面质量、显微组织、化学成分、非金属夹 杂物、晶粒度。 4 中南人学硕上学位论文 第一章文献综述 1 2 冷镦钢的组织与性能 1 2 1 碳素冷镦钢的成分和组织 我国、日本和美国标准部分冷镦钢牌号和对应成分要求列于表l f 3 l 】中。 表1 中国、日本、美国标准部分冷镦钢牌号及对应成分要求( m a s s ) t a b l e1s t a n d a r do fc o l dh e a d i n gs t e e lw a d e m a r ka n dc o m p o n e n ti nc h i n a , j a p a na n da m e r i c a m a s s ) 碳素冷镦钢的组织一般是铁素体加珠光体( f + p ) 1 3 2 】，要求为2 4 级，3 级为优。 珠光体的晶粒尺寸和分布是影响冷镦性能的因素，理想的组织是珠光体品粒大小 相近并均匀的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【3 引。 1 2 2 各种元素对冷镦钢的影响 ( 1 ) 碳：碳是影响钢材冷塑性变形的最主要元素。含碳量越高，钢的强度越高， 而塑性越低。实践证明，含碳量每提高0 1 ，其屈服强度o 。约提高2 7 4 m p a ； 抗拉强度提高5 8 8 7 4 , 4 m p a ；而伸长率6 则降低4 3 ，断面收缩率甲降低7 3 。 由此可见，钢中碳含量对于钢材的冷塑性变形性能的影响是很大的。在生产实际 中，冷镦用钢的含碳量大于0 2 5 时，要求钢材在拉拔前进行球化退火。对于变 形程度为6 5 8 0 的冷镦件，不经过中间退火而进行三次镦锻变形时，其含碳 量不应超过0 4 。 ( 2 ) 锰：锰在钢的冶炼中与氧化铁作用( m n + f e o - - - ，m n o + f e ) ，主要是为钢脱氧 而加入。锰在钢中与硫化铁作用( m n + f e s - - - ，m n s + f e ) ，能减少硫对铁的有害作用， 中南人学顶：l ：学位论文第一章文献综述 所形成的硫化锰，可改善钢的切削性能。锰使钢的抗拉强度o b 和屈服强度o 。 有所提高，塑性有所降低，对于钢的冷塑性变形是不利的。但是锰对变形力的影 响仅为碳的1 4 左右，所以，除特殊要求外，碳钢的含锰量，不宜超过0 9 。 ( 3 ) 硅：硅是钢在冶炼时脱氧剂的残余物。当钢中含硅量增加0 1 时，抗拉 强度o b 提高1 3 7 m p a 。经验表明，含硅量超过o 1 7 且含碳量较高时，对钢材 的塑性降低有很大的影响。在钢中适当增加硅的含量，对钢材的综合力学性能， 特别是弹性极限有利，还可增加钢的耐蚀性。但是钢中含硅量超过0 1 5 时，使 钢急剧形成非金属央杂物。高硅钢即使退火，也不会软化，降低钢的冷塑性变形 性能。因此，除了产品有高强度性能要求外，冷镦钢总是尽量要求减少硅的含量。 ( 4 ) 硫：硫是有害杂质。钢中的硫在冷镦时会使金属的结晶颗粒彼此分离引起 裂纹，硫的存在还促使钢产生热脆和生锈，因此，含硫量应小于0 0 5 5 。优质 钢应小于0 0 4 ，由于硫、磷和锰的化合物能改善切削性能、冷镦螺母用钢的含 硫量可放宽到o 0 8 o 1 2 ，以有利于攻螺纹。但一般没有专为螺母顺利攻螺纹而 冶炼的高硫钢材供应。 ( 5 ) 磷：磷的固溶强化及加工硬化作用极强，在钢中偏析严重，增加了钢的冷 脆性，使钢容易受酸的侵蚀，钢中的磷还会恶化冷塑性变形能力，在拉拔时会使 线材断裂，冷镦时使产品开裂，钢中的磷含量应控制在0 0 4 5 以下。 ( 6 ) 氮：氮的有害影响主要是造成淬火时效和应变时效。它会造成钢的韧性下 降，使钢材变脆。通过对冷镦钢盘条做时效样发现，氮含量较高时，在时效一段 时间后，力学性能会得到一定程度的改善。但由于铝能与氮结合成a 1 n ，在加入 足够数量的铝时，这样就可以减弱或完全消除这两种在较低温度下发生的时效现 象。同时a i n 还阻碍加热时奥氏体晶粒的长大，从而起到细化晶粒的作用。 ( 7 ) 氢：氢对钢的危害很大，一是引起氢脆，即在低于钢材强度极限的应力作 用下，经一定时间后，在无任何预兆的情况下突然断裂。钢的强度越高，对氢脆 的敏感性越大；二是导致白点，使钢材的延伸率显著下降，尤其是断面收缩率和 冲击韧性降低的更多，有时可能接近于零。 ( 8 ) 铝：钢中铝能形成难熔的a i n 质点在晶界上弥散析出，阻碍加热时奥氏体 晶界的迁移，从而可以细化晶粒。若进一步提升温度( 9 0 0 0 c ) a 1 n 质点溶入奥氏 体中，将使奥氏体晶粒急剧长大。因此，控制合适的a l 加入量，可以得到本质 细晶粒钢。同时a 1 2 0 3 夹杂沉积也是钢塞棒结瘤、水口堵塞的主要原因1 3 4 l 。 ( 9 ) 氧及其他非金属夹杂物：氧在钢中的溶解度非常小，几乎全部以氧化物夹 杂的形式存在于钢中，如f e o 、a 1 2 0 3 、s i 0 2 、m n o 、c a o 、m g o 等。除此之外， 钢中往往还存在这f e s 、m n s 、硅酸盐、氮化物及磷化物等。这些非金属夹杂物 6 中南人学硕上学位论文第一章义献综述 破坏了钢的基体的连续性，在静载荷和动载荷的作用下，往往成为裂纹的起点。 它们的性质、大小、数量及分布的状态不同程度的影响着钢的各种性能，尤其对 钢的塑性、韧性、疲劳强度和腐蚀性能等危害很大。 1 2 3 冷镦性能及影响因素 冷镦钢在冷镦机上镦制时，有时在毛坯上会出现表面裂纹，即产生冷镦丌裂。 在标准件生产中，存在一个常温下以镦粗变形为主的工艺过程，材料局部变形大， 变形速度高，表面容易产生开裂，冷镦性能是衡量冷镦钢产品的主要性能指标。 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。一般把断面收缩率和屈强比作为衡量冷镦性能指标比较可靠。低碳冷镦钢 的断面收缩率应不小于6 0 ，中碳及低合会钢的断面收缩率应该5 0 6 0 ，合 金钢的断面收缩率也应不小于2 0 5 0 。冷镦钢丝的屈强l l d , ，冷镦性能相对 要好，碳素钢的屈强比应不大于0 6 5 ，合金钢的屈强比应不大于0 7 0 。从冷镦变 形角度考虑，希望钢丝的冷加工强化系数越低越好，即不产生加工硬化1 3 5 1 。 一般认为，影响冷镦钢产品质量的主要因素包括化学成分、线材表面质量、 钢中央杂物和线材的显微组织，下面将一一分述之。 ( 1 ) 化学成分 冷镦钢的性能与轧制工艺在很大程度上决定于钢的化学成分和用户加二l ：所 需的组织，准确控制钢的成分不仅可以降低生产成本，而且可以稳定标准件的性 能。如果c 、s i 的含量偏高，在冷镦或者热处理过程中可以引起开裂，同时由于 成分波动较大，用户在进行调质处理过程中必须及时调整淬火和回火温度，成分 波动范围较大的盘条混合使用并进行热处理工艺时，造成成品标准件部分强度和 硬度不合格。 一般来说，o 、p 、s 、s i 对钢中夹杂物的形态有决定性的作用，所有冷镦钢 的钢种都应严格控制。就碳素钢而言，s i 、a i 、m n 等元素及c r 、n i 、c u 等残 留元素对螺栓制造工艺有很大影响，希望控制在下限为宜，避免造成冷镦裂纹。 ( 2 ) 表面质量 线材表面各种缺陷及可能的起因如下： 裂纹 裂纹可分为纵向裂纹和横向裂纹两种。一般纵向裂纹在线材表面呈连续或不 连续分布；而横向裂纹则是不连续的。造成这种缺陷的原因，一方面是由原料本 身带来的，如钢坯的皮下气泡、非会属夹杂物或连铸过程中的卷渣在热轧后暴露， 形成纵向裂纹；硫、磷含量偏高的钢坯在轧制变形较剧烈的情况下，易造成纵向 或横向裂纹；另一方面是加热、轧制时产生的，如钢坯加热时过烧、严重的温度 7 中南人学硕i ：学位论文第一章文献综述 不均，轧制时都易产生裂纹。线材成品冷却过程中局部过冷也易产生横向裂纹。 折叠 在线材表面沿轧制方向呈直线状或锯齿状的细线，在横截面上呈现折角的表 面缺陷叫折叠。它是可以连续的或者不连续的，经过扭转后呈现翘起。折叠主要 是由前道次产生的耳子在连续轧制中被压折而成。直线状的折叠较难判断，其外 形有时与划痕、发裂、缺水线等相似，但用扭转或金相低倍检查即可分清。折叠 缺陷有时被线材表面的氧化铁皮遮盖而不易发现。 结疤( 包括俏皮、鳞层) 线材表面上有与本体粘连一头或完全不粘连的金属层称为结疤。一般呈舌 状，厚薄不均，大小不一。结疤主要是由被氧化的金属轧入线材表面而不能焊合 所造成的。如成品孔前某一孔型有砂眼或辊环破缺，轧件表面形成凸块，再轧后 在成品表面上形成周期性生根结疤；在轧制过程中，外界金属物落在轧件表面上， 并被带入轧槽，压入线材表面，形成不生根的无规律结疤；轧槽刻痕不良或轧槽 磨损严重，造成轧件凸起部分被叠轧造成结疤；坯料本身表面缺陷未经清理或清 理不当也会形成结疤。 耳子 线材表面平行于长度方向的条状凸起称为耳子。因产生的形状不同，有单边 耳子、双边耳子和上下两个半圆错丌的错边耳子。它们可能产生于线材的全长上， 也可能存在于局部，呈连续的或断续的分布( 尤其是线材的头尾，几乎都产生耳 子) 。产生耳子的根本原因是轧件在轧槽中的过充满或者倒钢。导致轧件在该空 槽中过充满或者倒钢的因素包括孔型设计不合理，前道轧件的几何形状不正确或 本道压下量过大，钢坯温度低，导卫板设计、加工、安装不合理或松动，以及轧 辊车削、安装调整不当等。耳子缺陷若产生于成品孔，其外形明显可判。若产生 于成品前各孔，则在以后的轧制时必将造成表面折叠。 分层 线材金属的完整性和连续性被破坏，金属分成两层或多层的现象叫分层。这 种缺陷大多出现在线材的头部或接近头部的位置。其产生的原因主要有：钢坯中 的气泡氧化后，在轧制时就不能焊合而形成分层：残余锁孔与大片非金属夹杂物 的存在，轧制时就要开裂。轧制中的严重不均匀变形而造成头部开花。钢质不良， 特别是塑性差的高磷、高硫钢，在正常压下量的情况下，也易出现轧制丌裂而氧 化分层。 夹杂 夹杂一般呈点状、条状分布，有时亦呈块状。其产生原因主要是钢坯本身带 8 中南大学硕：l ：学位论文 第一章文献综述 来的非金属夹杂物，在线材轧制中未消除，仍保留在成品上。钢坯加热炉中带来 的非金属夹杂物，线材s l n 时被压入轧件，带到成品中。夹杂缺陷使线材的强度 降低。 凸块 线材表面呈周期性的凸起叫凸块。它是因为成品轧槽表面碰伤、掉块、沙眼、 局部硬度不够，或用气割处理事故不当，割坏槽底或槽口等因素造成的。发现此 类缺