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我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《冷頂鍛用不銹鋼絲》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(yè)要求,在一定程度上依賴進口。據(jù)海關統(tǒng)計,我國每年進口的緊固件在12~13萬t。隨著緊固件工業(yè)的迅猛發(fā)展,新鋼種不斷地開發(fā)和引進,對外的出口日益增多,汽車、石油、機械各行業(yè)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。

我國緊固件行業(yè)發(fā)生了較大的變化,具體表：(1)采用國外鋼種牌號如10B22M,10B25LHC,MNB123H等,主要是出口訂單上規(guī)定要使用的牌號；(2)同一牌號的鋼種衍生出多個交貨狀態(tài)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)采用抗延時斷裂用鋼生產(chǎn)的鋼結構用螺栓抗拉強度超過1200MPa。

國外鋼

國外采用HNDS2制造12.9級螺栓(代替SCM440),延時破斷有明顯改進,采用45CrNiMoTi在1500MPa級別使用,其性能優(yōu)于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(fā)生的延時斷裂。

國外發(fā)達國家冷鐓鋼產(chǎn)業(yè)已基本形成規(guī)模,重點是根據(jù)用戶的要求改善冷鐓鋼材料的質量性能,而產(chǎn)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,推出了多種不銹鋼螺栓和螺釘用鋼;高周波鋼業(yè)開發(fā)了一系列不銹冷鐓鋼新產(chǎn)品,利用設備優(yōu)勢推出SUS系列產(chǎn)品,大大提高了鋼的冷鐓性能;日本精線為適應建筑行業(yè)要求,開發(fā)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(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,其強度范圍大,抗拉強度為400~1200MPa,且規(guī)格多。

進口冷鐓線材具有良好的強塑性,優(yōu)良的拉拔性能,斷絲率較低。晶粒大小僅為1~2μm,為國產(chǎn)中碳鋼絲的1/10左右。進口鋼絲可能在熱處理時并沒有完全奧氏體化,而僅僅加熱到奧氏體和鐵素體的雙相區(qū)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,分布均勻,呈現(xiàn)出進口鋼絲特殊的"雙相組織"。

要求冷鐓鋼盤條一般為低、中碳優(yōu)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(guī)格有限,尺寸精度也很難滿足要求,所以標準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(tài)及數(shù)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(tǒng)計表明,冷鐓開裂的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、劃傷最深<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

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(nèi)應不大于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，對中心疏松、方框偏析、中心增碳等缺陷，不同鋼種都有明確的級別規(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(jīng)受很大程度的變形而不產(chǎn)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于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于0.70。從冷鐓性能角度考慮，鋼絲的冷加工強化系數(shù)越低越好，即不易產(chǎn)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，不允許有折疊、裂紋等表面缺陷;鋼的組織致密，無內(nèi)部缺陷。

生產(chǎn)工藝

冶煉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(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。

冷鐓鋼盤條生產(chǎn)的工藝流程:

鐵水→轉爐→精煉爐→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(chǎn)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。

對冶煉工藝的要求:(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)鋼包清潔無冷鋼，鋼包進行吹氬。

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

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。在冷鐓鋼的冶煉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(xù)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(chǎn)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,由于裂紋的存在引起應力集中,同時產(chǎn)生復雜的應力狀態(tài),導致裂紋擴張,最終冷頂鍛開裂,因此,選用優(yōu)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(chǎn)品出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

3、軋制過程中設備調整對冷鐓鋼性能的影響。生產(chǎn)過程中各項軋制規(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、張力等的調整以及生產(chǎn)備件的裝配和調整。若軋制生產(chǎn)調整不當,使產(chǎn)品在軋制過程中產(chǎn)生折疊或劃傷,破壞產(chǎn)品的表面,形成開裂的裂紋源。因此,制定合理的軋制規(guī)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(nèi)部因應力集中引起的開裂的機會就越小,有利于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(shù)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,并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,并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(chǎn)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系。

圖1 鐵碳基體組織成分與力學性能關系

1、嚴格按冷鐓鋼的標準控制鋼的化學成分,優(yōu)化材料組織,提高材料塑性,保證鋼質性能的穩(wěn)定,減少夾雜物對性能的危害,降低鋼中有害元素的含量;

2、通過對冶煉、軋鋼過程的控制,減少壓下量、軋制道次以及翻鋼次數(shù),以獲得均勻、細化晶粒組織,避免生產(chǎn)過程中皺折及由耳子產(chǎn)生的折疊,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(tǒng),保證產(chǎn)品表面光潔,同時減少成品裂紋,提高生產(chǎn)備件質量,保證工藝要求;

4、嚴格控制加熱溫度、時間和爐內(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、了解和掌握國內(nèi)外冷鐓鋼的生產(chǎn)技術水平,借鑒國內(nèi)鋼廠的成功經(jīng)驗,通過大量技術研發(fā),優(yōu)化生產(chǎn)工藝和軋制規(guī)程。

2、嚴格按照生產(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)過程中,要加強鋼坯驗收和裝爐前的質量檢查,同時采用合理的孔型系統(tǒng)和加熱制度,提高產(chǎn)品質量。