力学性能要求
1. 屈服强度σs及变形抗力尺可能的小,这样可使单位变形力相应减小,以延长模具寿命。
2. 钢材的冷变形性能要好,即材料应有较好的塑性,较低的硬度,能在较大的变形程度下不致引起产品开裂。
3. 钢材的加工硬化敏感性尽可能的低,这样不致使冷镦变形过程中的变形力太大。
二,化学成份1. 碳(C) 碳是影响钢材冷塑性变形的 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σs约提高27.4Mpa;抗拉强度σb提高58.8~78.4Mpa;而伸长率δ则降低4.3%,断面收缩率ψ降低7.3%。由此可见,钢中含碳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,冷挤用钢的含碳量大于0.25%时,要求钢材在拉拔前要进行球化退火。对于变形程度为65%~80%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(Mn) 锰在钢的冶炼中与氧化铁作用(Mn FeO→MnO Fe),主要是为钢脱氧而加入。锰在钢中硫化铁作用(Mn FeS→MnS Fe),能减少硫对钢的有害作用。所形成的硫化锰,可改善钢的切削性能。锰使钢的抗拉强度σb和屈服强度σs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(Si) 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σb提高13.7Mpa。经验表明,含硅量超过0.17%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0.15%时,使钢急剧形成非金属夹杂物。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(S) 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0.055%。优质钢应小于0.04%,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0.08~0.12%,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(P) 磷的固容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0.045%以下。
6. 其它合金元素 碳钢中其它合金元素,如铬(Cr),钼(Mo),镍(Ni),等,都作为杂质存在,对钢的影响远不及碳那样大,含量也极其微小。[1] 冷镦加工方法制造紧固件,连接件(如螺栓,螺母,螺钉,铆钉等)钢称为冷镦钢,俗称铆螺钢。
通常使用的有调质型合金钢,低温回火型合金结构钢,低碳低合金高强度钢,铁素体-马氏体双相钢等。
冷镦是在常温下利用金属塑性成形的。采用冷镦工艺制造紧固件,不但效率高,质量好,而且用料省,成本低。但是冷镦工艺对原材料的质量要求较高。
冷镦性能是冷镦钢的重要性能之一。冷镦钢应具备的主要性能是,具有良好的冷成形性;对于冷镦钢变形要具有尽可能小的阻力和可能高的变形能力。为此,一般要求冷镦钢的屈强比为0.5~0.65,断面收缩率大于50%。此外,为避免在冷镦时表面开裂,要求钢材表面质量良好,同时钢材的表面脱碳要尽可能小。
标准规定钢材应进行冷顶试验。要求试样冷顶锻后冷顶锻前高度之比为高级;1/4;较高级;1/3;普通级;1/2。一般标准规定为1/2。
冷镦钢因冷成型性能良好,在机械加工行业用冷拔代替热轧材冷切削机加工,这种工艺的优点是在节约大量工时的同时,金属消耗可以降低10%~30%,而且产品尺寸精度高,表面光洁度好,生产率高,是近年来兴起的较先进的机加工工艺。冷镦钢盘条一般为低,中碳优质碳素结构钢和优质合金结构钢,用来冷镦成型制造各种机械标准件和紧固件。因冷镦工艺要求该钢具有高的洁净度,控制钢中的Si,Al的含量,采用控制轧制和控制冷却工艺,避免出现马氏体,贝氏体和魏氏体组织,使钢材具有细晶和碳化物球化组织,以提高钢材的塑性和冷顶锻性能。介绍了国内外冷镦钢的开发和生产情况,化学成分对冷镦性能的影响,冷镦钢的生产工艺特长。
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。豪景进口冷镦钢产品主要用于汽车,造船,设备制造,电子,家电,自行车,工具,轻钢结构,建筑等行业。
冷镦钢因冷成型性能良好,在机械加工行业用冷拔代替热轧材冷切削机加工,这种工艺的优点是在节约大量工时的同时,金属消耗可以降低10%~30%,而且产品尺寸精度高,表面光洁度好,生产率高,是近年来兴起的较先进的机加工工艺。
我国马钢和湘钢从20世纪80年代开始开发冷镦钢。据中国冶金报刊有关冷镦钢数据资料表明,冷镦钢市场2003年全国紧固件需求量达到300万吨,2005年需求量预测将增至500万吨,其中汽车用螺栓等中 冷镦钢丝紧固件超过100万吨。目前,华南一带的冷镦钢市场已经饱和,华东地区尚有10~20万吨的市场空间。一汽全年用钢材约100万吨,其中冷镦钢占7.7%。我国汽车工业用钢材品种构成中冷镦钢占7%~12%。
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冷镦钢的生产工艺
冷镦钢的主要成分
钢中碳含量一般按中下限控制为宜。钢中硅含量超过0.10%,随硅含量增加,钢的抗拉强度,硬度有所提高,但延伸率低,断面收缩率下降更显著,不利于冷变形。钢中锰含量适中,可改善钢中硫的存在形态和分布,有利于提高钢的冷成型性。
主要冷镦钢的牌号和成分见表1。
表1 各种冷镦钢的化学成分/%
生产厂 牌号 C Si Mn P S Als
马钢 SWRCH18A 0.15~1.20 ≤0.10 0.09~0.60 ≤0.030 ≤0.035 ≥0.02
1018 0.15~1.20 ≤0.10 0.09~0.60 ≤0.040 ≤0.050 -
ZL10A 0.70~0.12 ≤0.10 0.30~0.60 ≤0.035 ≤0.035 ≥0.02
ZL18A 0.15~0.20 ≤0.10 0.09~0.60 ≤0.035 ≤0.035 0.015~0.060
湘钢 XSWRCH10K 0.06~0.12 0.05~0.20 0.25~0.05 ≤0.030 ≤0.030 -
SWRCH35KC 0.32~0.37 0.12~0.20 0.45~0.60 ≤0.030 ≤0.035 -
宝钢 SWRCH35K 0.32~0.38 0.10`0.35 0.60~0.90 ≤0.030 ≤0.035 -
天钢 SWRCH18A,SWRCH22A 0.15~0.20
0.18~0.23 ≤0.10
≤0.10 0.60~0.90
0.70~0.10 ≤0.030
≤0.030 ≤0.035
≤0.035 ≥0.02
≥0.02
包钢 ML35
ML42CrMo 0.32~0.40
0.38~0.45 ≤0.20
≤0.30 0.30~0.60
0.50~0.80 ≤0.035
≤0.035
Cr0.90~1.20 ≤0.035
≤0.035
Mo0.15~0.25 -
0.02~0.05
Ni≤0.20
莱钢 ML35 0.32~0.40 ≤0.20 0.30~0.60 ≤0.035 ≤0.035 Cr,Ni,Cu≤0.20
石钢 ML35,
ML40,
ML45 0.32~0.40
0.37~0.45
0.42~0.50 ≤0.20
≤0.20
≤0.20 0.30~0.60
0.30~0.60
0.30~0.60 ≤0.035
≤0.035
≤0.035 ≤0.035
≤0.035
≤0.035 Cr,Ni,Cu≤0.25
Cr,Ni,Cu≤0.25
Cr,Ni,Cu≤0.25
杭钢 CH35ACR 0.35~0.39 ≤0.10 0.09~0.60 ≤0.030 ≤0.030 Cr0.20~0
太钢 ML07A ≤0.0.9 ≤0.10 0.30~0.60 ≤0.035 ≤0.035 -
ML20MnTiB 0.17~0.24 ≤0.30 1.30~1.60 ≤0.035 ≤0.035 B0.0005~0.003
Ti0.04~0.10
冷镦钢的生产
冷镦钢生产的工艺流程:铁水→转炉→精炼炉→连铸(模铸)→铸坯检查→初轧开坯,连轧→钢坯修磨→高线热轧盘条→成品检验→入库。
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。
冷镦钢的冶炼工艺
在金属制品生产中广泛使用ML35和ML45冷镦钢,结合各钢厂的生产工艺和产品开发,具体介绍ML35钢的有关情况(表2)。
表2 ML35钢的力学性能
项目 屈服强度σs/MPa 抗拉强度σb/MPa 延伸率δ5/% 断面收缩率ψ/%
标准 ≥315 ≥530 ≥20 ≥45
首钢优化目标 380 575 31 60
首钢和包钢用转炉生产ML35钢,莱钢和江阴兴澄用电弧炉生产ML35钢。ML35钢的生产按照GB6478-86标准生产,主要用于制造8.8级高强度标准件。
首钢提出:ML35冷镦钢屈服强度平均值为380MPa,合格的屈服强度≥380MPa;ML35冷镦钢抗拉强度的平均值为576MPa,合格的抗拉强度≥576MPa;ML35冷镦钢断面收缩率的平均值为56%,合格的面缩率≥56%。
首钢和包钢生产ML35冷镦钢采用80吨转炉冶炼。包钢造渣制度是用单渣法,供氧制度定氧压,变枪位,终点控制是拉碳补吹,炉后增碳。装入制度是造渣分批,多次加入,严格控制好过程温度,防止钢水过氧化。钢包内的钢水在全程吹氩状态下进行精炼。用低级速到高级速逐渐提高升温速度的方式加热并适时加入造渣料,配加CaC215~30kg,Al粒25~50kg。在还原性气氛下深脱硫,脱硫率平均为59.2%。
江阴兴澄钢铁有限公司开发了ML35钢并形成批量生产。30t电弧炉冶炼→40t钢包炉精炼→R8m连铸140方坯→坯料精整合格后轧制成材。该钢厂为提供纯净度高,温度,成分均匀合适的钢水采取的措施:(1)加强电弧炉出钢过程及精炼前期预脱氧工作。电弧炉出钢时顺流加吨钢1kg硅钡,LF前期吨钢喂0.3kg铝丝,同时保证1600℃左右的精炼温度,使脱氧产物有时间充分上浮。(2)精炼后期补喂铝丝,由于此时钢水含氧量较低,补喂的铝大部分以溶解铝的形式存在于钢中。(3)加铝完毕后再喂入吨钢1kg硅钙,能防止连铸过程中的结瘤并改善夹杂物的形态和分布。
连铸保护浇注
钢水连铸用氩气保护浇注,耐火材料建议使用镁质的耐火材料。 好采用中间包挡板过滤元件和管道陶瓷送气管,去除连铸钢水的非金属夹杂物。一般钢水出精炼站后采用覆盖剂保护,大包水口采用长水口氩封保护浇注,中包施行覆盖剂保护,下水口采用浸入式水口加密垫片保护浇注,结晶器采用液面自动控制系统。优化拉速,配水。采用电磁搅拌,优点是稳定地搅拌结晶器的钢液有利于提高铸坯的表面质量,减少内部裂纹和中心缺陷。
包钢将温度和成分合格的ML35钢水用铸机浇铸成规格为280mm*325mm和280mm*380mm两种铸坯,中包钢水达13吨时,压塞棒开浇,结晶器采用同位素自动液面监控装置准确控制钢液面高度,防止溢钢与漏钢。浇铸前期用进口保护渣,后期改用自产保护渣。
江阴兴澄开发生产高质量连铸坯,值得一提的关键技术措施是尽量减轻连铸过程中钢水的二次氧化并确保连铸坯低倍表面质量:
(1)保护浇铸:大包,中包,结晶器采用长水口,浸入式水口,覆盖剂,保护渣。
(2)采用设置挡渣堰的中包并使钢水深度超过650mm,保护渣w(Al2O3)≤4%,使浇铸过程中产生的Al2O3夹杂物被保护渣吸收并控制较低的拉速。
(3)采用小振幅,高振频的参数,并控制结晶器液面波动不超过 20mm(无液面控制系统);保护渣采用预溶型颗粒,少加勤加。
(4)中包钢水过热度在20~35℃以内,为防止中包钢水湿度波动过大,大包,中包加盖浇铸;优化连铸二冷制度,采取气雾冷却技术弱冷;拉速≤1.6m/min,矫直温度≥950℃。
轧制
首钢 型材厂使用130mm连铸方坯试轧盘圆。该厂设备:加热炉为三段式推钢加热炉;轧机为16架,其中粗轧8架,精轧8架;冷床为齿条步进式。130mm连铸方坯在加热过程中严格控制加热炉各段温度,开轧温度范围在1038~1073℃,平均为1054℃。晶粒度为8.5级。为细化晶粒水冷,冷却段长度12m,总流量234m3/h,穿水冷却后钢材平均温度由终轧时的1130℃降为960℃。ML35的Φ18mm冷镦钢力学性能屈服强度σs364MPa,抗拉强度σb559MPa,延伸率δ528%,断面收缩率ψ853%,基本上能满足标准要求。
莱钢用下注法铸锭(678kg),钢锭修磨后轧制成60mm*60mm方坯,再轧成盘圆。
冷镦钢的质量热点问题 次标准件对原料的质量要求如下:盘条具有较高的塑性指标,断面收缩率及延伸率较高;在冷塑性变形中,材料的变形抗力小,加工硬化率低,材料的σs/σb值小;盘条硬度HB适当,不要过高;盘条具有良好的表面质量,一定的表面光洁度,不允许有折叠,裂缝等表面缺陷;钢的组织致密,无内部缺陷。
@@@@@@@@@豪景冷镦钢@@@@@@@@@@@@@@@@@@冷拉圆钢@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@六角棒@@@@@@@@@@@@@@@@@22
湘钢冷镦钢质量有两个主要工艺影响因素,即连铸结晶器卷渣与线材料轧制过程中不均匀冷却。结晶器卷渣形成大型夹杂,破坏了钢的连续性;线材轧制过程中不均匀冷却造成线材内部晶粒尺寸相差悬殊。细晶粒只有3~4μm;而粗晶精粒可达50~60μm以上。粗晶粒与细晶粒区的显微硬度相差50%。
太钢对超低碳冷镦钢CH1T在冷镦成型时出现缺陷的防范措施:1)控制1150~1200℃的较低钢坯加热温度是控制铁素体晶粒度的关键参数。同时,需严格控制盘条吐丝温度在910~930℃之间,使盘条成品具有适中的晶粒度大小,以6~6.5级为宜。2)提高盘条表面质量。使用时通过调整拉拔变形量和在适当的工序采用相应的退火工艺,可改善冷镦成型性能。
江苏沙钢冷镦钢热轧线材控轧控冷结果表明,冷镦钢生产加热温度与低,中碳钢相同,但加热上严格控制炉压,使炉膛气压保持微正压3~10Pa,并适当调整温度,减少表面氧化而脱碳。实现开轧温度930~950℃低温轧制,防止奥氏体晶粒的粗大。选择适当的吐丝温度820~840℃。减少氧化铁的生成量,配上较低的冷却速度0.8~2℃/s,使奥氏体分解转变时间较长,以此获得细小的铁素体加少量均匀的珠光体。
合适的冷镦变形组织是碳化物球化组织,其强度和硬度降低,塑性较好有利于冷镦变形。马钢以ZL18A自攻螺丝用冷镦钢丝,球化退火温度为(680±10℃)保温4h,钢丝的渗碳体球化效果 好。ZL18A自攻螺钉用盘条冷镦开裂,其原因是用户省略了球化退火的工序,拉拔后直接冷镦造成的。为满足用户的这种要求而提出的措施:C,Mn含量按中下限控制;负偏差轧制,减小拉拔的总变形量;改进轧制工艺,降低盘条的强度,减少或避免魏氏组织。ML35,ML45为典型中碳冷镦钢丝,当冷镦变形量>60%时,在冷镦前应进行720℃,保温4h的球化退火,使珠光体球化组织达到4~6级,保证钢丝的加工塑性。我国冷镦钢的开发生产已取得了初步成果,但质量还有待进一步提高。了解和掌握国内外冷镦钢的生产技术水平,在重钢公司现有的生产设备条件下,借鉴其它钢厂的成功经验,在生产过程中坚持优化冷镦钢全部工序的工艺技术规程,进行铁水预处理,转炉冶炼,钢包精炼,连铸机连铸,加强坯料加热,中间轧制,吐丝温度控制,严格按标准执行,可以生产出市场要求性能的冷镦钢。
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