冷鐓鋼螺母，冷鐓開(kāi)裂的原因分析

冷鐓鋼盤(pán)條是用于制造螺栓、鉚釘?shù)染o固件的原材料。冷鐓過(guò)程采用一次或多次沖擊加載，通過(guò)材料的冷作硬化提高工件的抗拉強(qiáng)度，改善材料的使用性能，其要求冷鐓用鋼具有良好的冷頂鍛性能。

為此，本文針對(duì)此問(wèn)題對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量分析，找出冷鐓開(kāi)裂的主要原因，以期望提高產(chǎn)品性能。

宏觀試樣

ML08AL冷鐓盤(pán)條所生產(chǎn)的螺母出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，具有代表性的墩裂試樣，如圖1、圖2所示。

分析加工螺釘常規(guī)工藝，導(dǎo)致開(kāi)裂的原因主要有四個(gè)方面：原料鋼絲表面裂紋、化學(xué)成分、夾雜物及顯微組織。

冷鐓盤(pán)條在出廠中均要逐批進(jìn)行1／3級(jí)別以上的冷頂鍛和嚴(yán)格的表面質(zhì)量檢驗(yàn)，100％合格方可交貨，基本可以排除原料鋼絲表面裂紋。本文主要針對(duì)其他三個(gè)方面進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

圖1鐓頭開(kāi)裂樣

圖2掃描電鏡下觀察鐓頭開(kāi)裂的宏觀試樣

原因分析

鋼材的化學(xué)成分是決定鋼材性能的基本因素，通過(guò)影響顯微組織影響鋼材性能。對(duì)生產(chǎn)的冷鐓鋼盤(pán)條進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

s是鋼中的有害元素，使鋼產(chǎn)生熱脆性，它還能降低緊固件的疲勞強(qiáng)度和動(dòng)載強(qiáng)度，任何種類(lèi)的冷鐓鋼的含硫量都要盡可能低。

P也是鋼中的有害元素，存在于鋼中，會(huì)導(dǎo)致鋼冷變形脆性，同時(shí)作為雜質(zhì)元素，會(huì)沿晶界偏析，引起晶界脆化，損害鋼的性能，所以應(yīng)盡可能的低。從表1可以看出，生產(chǎn)的盤(pán)條化學(xué)各項(xiàng)成分均符合要求，且S、P含量遠(yuǎn)低于要求上限。

表一盤(pán)條化學(xué)成分

鋼中非金屬夾雜含量高是造成標(biāo)準(zhǔn)件冷鐓開(kāi)裂的一個(gè)重要因素。文獻(xiàn)表明，非金屬夾雜物是造成冷鐓開(kāi)裂的主要原因之一。

其中，非金屬夾雜中B類(lèi)和D類(lèi)夾雜危害最大。Al2O3夾雜物的尺寸、距鋼材表面的距離對(duì)形成裂紋產(chǎn)生影響，夾雜物的尺寸越大，距鋼材表面越近則危害也越大。一般認(rèn)為，表面層(2mm)的B類(lèi)夾雜不應(yīng)大于10～15。

將墩裂試樣放人丙酮溶液中，經(jīng)過(guò)超聲波清洗以后，在掃描電鏡下觀察，可以在墩裂的裂紋處看見(jiàn)大量夾雜物存在，如圖3所示。

圖3掃描電鏡下觀察墩裂試樣的宏觀裂紋

應(yīng)的能譜分析，如表2所示。

表2宏觀裂紋附近的掃描結(jié)果

通過(guò)圖3發(fā)現(xiàn)，裂紋處存在很多非金屬夾雜物，尺寸大小基本在10斗m以上。然后進(jìn)行能譜分析，然后將墩裂試樣的橫截面磨平、拋光，在掃描電鏡下觀察。在裂紋附近，同樣發(fā)現(xiàn)了大量的夾雜物存在，如圖4所示。對(duì)應(yīng)的能譜分析如表3所示。

圖4掃描電鏡下觀察到裂紋處存在的夾雜物

表3鐓裂處電鏡掃描結(jié)果分析

由于ML08Al盤(pán)條規(guī)格在①8mm以下，加工過(guò)程拉拔減面率極大，原位于盤(pán)條內(nèi)部的夾雜物隨著拉拔鋼絲絲徑減小逐漸移至近表面，雖然未形成鋼絲表面裂紋，但是在下一步冷鐓工序中也會(huì)導(dǎo)致螺釘開(kāi)裂。

冷鐓盤(pán)條的顯微組織應(yīng)該為鐵素體+粒狀珠光體(F+P)，標(biāo)準(zhǔn)一般都規(guī)定組織為2～4級(jí)，不得有片狀珠光體和貝氏體。珠光體球的尺寸和分布是影響冷鐓性能的主要因素，理想組織是珠光體球粒大小相近并均勻分布在鐵素體基體上。

珠光體不同顯微組織性能從好到壞的排列順序?yàn)椋毫钪楣怏w、索氏體、細(xì)片狀珠光體、片狀珠光體。金屬形變最突出的特點(diǎn)是其不均勻性14】。

當(dāng)組織中存在一定的魏氏體組織時(shí)，會(huì)加劇拉拔變形過(guò)程中的形變不均勻性，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中。應(yīng)力集中導(dǎo)致局部拉應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，材料產(chǎn)生斷裂。緊固件技術(shù)人才都在螺絲知道。為此，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)觀察冷鐓鋼試樣的組織形貌和晶粒大小。

將鐓裂的試樣和正常樣分別標(biāo)記為a和b。將試樣清洗后，在2％硝酸酒精溶液中浸蝕，然后在金相顯微鏡下放大200及500倍觀察組織并拍照，如圖5、圖6所示。

過(guò)圖5、圖6所示的冷鐓鋼金相組織可以發(fā)現(xiàn)，兩者的基體組織都是網(wǎng)狀鐵素體+珠光體。

冷鐓開(kāi)裂試樣中的金相組織由于受到頂鍛壓力的作用，組織形狀發(fā)生變形，這屬于正?，F(xiàn)象。同時(shí)兩者的晶粒尺寸并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，也沒(méi)有出現(xiàn)如魏氏組織、馬氏體等脆性相。

圖5200倍下觀察的試樣金相組織

圖6500倍下觀察的試樣金相組織

小結(jié)

通過(guò)化學(xué)成分分析可知，ML08AL的各項(xiàng)元素指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，且有害元素S、P的含量遠(yuǎn)低于要求上限，因此化學(xué)成分不是造成產(chǎn)品冷鐓開(kāi)裂的原因。

由螺栓工件的形狀可知，帽檐處直徑最大，因此，冷鐓加工過(guò)程中帽檐處金屬的塑性應(yīng)變最大，所承受的拉應(yīng)力最大，最容易產(chǎn)生開(kāi)裂缺陷。

加工過(guò)程拉拔減面率極大，原位于盤(pán)條內(nèi)部的夾雜物隨著拉拔鋼絲絲徑減小逐漸移至近表面，雖然未形成鋼絲表面裂紋，但是在下一步冷鐓工序中就會(huì)導(dǎo)致螺釘開(kāi)裂。在裂紋附近發(fā)現(xiàn)的夾雜物正好成為裂紋源，因此，認(rèn)為夾雜物是產(chǎn)生裂紋的主要原因。

過(guò)對(duì)顯微組織的分析可知，鐓裂試樣和正常試樣的顯微組織均為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體，沒(méi)有出現(xiàn)如魏氏組織、馬氏體等脆性相，故可以說(shuō)明金相組織不是試樣開(kāi)裂的主要原因。

解決措施

針對(duì)夾雜物的產(chǎn)生原因，通過(guò)制定嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)爐下渣、優(yōu)化精煉渣系、全程保護(hù)澆注等措施，鋼中夾雜物數(shù)量及尺寸有了明顯改善，產(chǎn)品質(zhì)量得到了保證。