冷镦钢

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冷镦钢

冷镦钢成型用钢,冷镦是在室温下采用一次或多次冲击加载,广泛用于生产螺钉,销钉,螺母标准件。冷镦工艺可节省原料,降成本,而且通过冷作硬化提高工件的抗拉强度,改善性能,冷镦用钢必须其有良好的冷顶锻性能,钢中S和P等杂质含量减少,对钢材的表面质量要求严格,经常采用优质碳钢,若钢的含碳钢大于0.25%,应进行球化退火热处理,以改善钢的冷镦性能。 [1]中文名冷镦钢外文名Cold heading steel元    素Si、Al分    类低、中碳优质碳素结构钢产    品电子、家电等分    类优质碳钢、合金结构钢、双相钢等

介绍

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。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高档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%。

用途

用冷镦加工方法制造紧固件、连接件(如螺栓螺母、螺钉、铆钉等)用的钢称为冷镦钢,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。

类型及特点

冷镦钢包括优质碳钢、合金结构钢、双相钢、轴承钢和不锈钢。冷镦钢按其生产工艺路线又可分为非热处理型、调质型、非调质则及表面硬化型,6.8级以下的紧固件多采用非热处理型中碳和低碳冷镦钢制造,成品紧固件无需淬火回火处理。高强度紧固件用钢通常为调质型中碳钢或中碳合金钢,成品紧固件需进行淬火回火处理,也可选用非调质钢、硼钢、F-M双相钢或低碳马氏体钢 表面硬化型钢为低碳钢和低合金钢(ML18A、M120Cr等),主要用于制造自攻螺钉和紧固螺钉,成品螺钉需经渗碳、渗氮等表面硬化处理。

冷镦钢

不同级别紧固件通常选用的冷镦钢种类冷镦成形过程中,零件的变形量很大( 60%~85%),且成形速度快,为避免产生裂纹等缺陷,要求冷镦钢应具有良好的塑性及较高的表面质量。冷镦性能是冷镦钢的重要指标,通常包括变形能力和变形抗力两方面。收缩率大于500%。同时,为避免冷镦开裂,等缺陷,表面脱碳小。

系统设计

一般要求冷镦钢的屈强比为0.5~0.65,断面要求钢材表面质量好,无划伤、结疤、微裂纹冷镦钢对钢材的质量要求很高,因而普遍采用炉外精炼和具有电磁搅拌的连铸工艺。其优点是:钢中的C、Si、Mn、Cr、Mo等主要元素可控制在较通常更窄的范围内,钢材均匀性好,产品淬火回火后性能波动范围减小,这对于省略淬火回火处理的冷作强化非调质钢线材尤为重要;能减少P、S、O、N等杂质含量并对其进行控制,从而减少钢中非金属夹杂物的数量(高洁净化),使其微细分散化,以提高钢的冷镦性和改善表面质量。 [2]

冷镦钢

炉外精炼成分控制范围

生产工艺

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。

生产流程

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。

力学要求

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。

化学成份要求

1、碳(C) 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。

工艺特点

冷镦钢连铸工艺主要包括以下几点:(1)钢水可浇性差,容易产生水口结瘤,因此,严格控制钢水洁净度,降低钢中AI2O3,夹杂和钢中硫含量,同时严格控制钢中酸溶铝在0.02%~0.04%,钙铝比大于0.09。(2)中间包烘烤温度大于1100℃。中间包开浇第一炉提前在中间包加入部分碱土金属合金对AI2O3,夹杂进行变性;采用中间包充氩及时加入中间包覆盖剂。(3)浇铸过程全程保护浇铸。(4)中间包采用陶瓷过滤器或管道陶瓷送气管去除非金属夹杂物。(5)采用液面自动控制系统稳定钢水在结晶器液面高度实现稳态浇铸。(6)采用结晶器电磁搅拌,提高铸坯的表面质量,减少内部裂纹和中心缺陷。 [3]

结束语

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。参考资料

  • 1.刘云旭.实用钢铁合金设计:国防工业出版社,2012
  • 2.康永林.轧制工程学:冶金工业出版社,2014
  • 3.干勇.现代连续铸钢实用手册: 金工业出版社,2010
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