自攻螺釘用鋼絲的質(zhì)量分析

[ 來(lái)自:鋼絲     時(shí)間:2009.08.31 ]     自攻螺釘是一種輕結(jié)構(gòu)緊固件，能在一定的壓力和轉(zhuǎn)速下，迅速鉆入一定厚度的纖維板或普通低碳鋼板。為了實(shí)現(xiàn)上述特點(diǎn)，第一，自攻螺釘要采用冷鐓成型工藝，以提高產(chǎn)品的強(qiáng)度、彈性極限和韌性；第二，自攻螺釘?shù)念^要尖，比如十字槽雙線快牙墻板螺釘頭部尖角為25°～28°；第三，自攻螺釘對(duì)表面硬度、滲碳層深度、芯部硬度及扭力矩都有嚴(yán)格要求。

    SWRCH22A是一種典型的自攻螺釘專用鋼種。為滿足其制作工藝的特殊要求，對(duì)盤條質(zhì)量提出以下要求：①良好的冷鐓性能，1/2冷鐓合格率100％，1/3冷鐓合格率＞95％；②搓尖性能好，搓尖合格率＞95％；③拉拔性能好，線材壓縮率＞70％④滿足滲碳淬火處理的盤條晶粒尺寸。


    自攻釘加工工藝與原料質(zhì)量

    自攻螺釘?shù)纳a(chǎn)大致分為制坯、冷鐓成型、搓絲和成品螺釘滲碳淬火處理等四個(gè)工序。分別對(duì)盤條性能與各工序生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量間關(guān)系進(jìn)行分析。

    1 制坯工序

    通常采用工藝為：∮6.5mm 盤條→機(jī)械剝殼→冷拔(四～六道) →∮3.65～2.35mm鋼絲→熱處理(700℃～720℃／4～5．5h) →罐冷→出罐→精拔∮3.55～2.25mm鋼絲。粗拉拔減面率70～85％，精拉拔減面率10％。

    影響該工序生產(chǎn)的主要問(wèn)題是原材料的冷拔斷裂、鋼絲硬化速率快、拉絲模消耗大。冷拔斷裂主要是氧化物夾雜的大量存在所致，圖1為大顆粒Al2O3引起斷裂的典型斷口形貌；此外鋼材表面缺陷(折疊、微裂)也是引起斷裂的重要原因。

   
    圖1 氧化物夾雜引起的冷拔斷裂形貌

    含有較多氧化物夾雜的原材料，在冷拔過(guò)程中．由于氧化物的相對(duì)變形率較?。曰w與氧化物不會(huì)同時(shí)變形．這樣在拉應(yīng)力的作用下必然會(huì)以“脫開(kāi)”的方式而形成微裂，隨著內(nèi)應(yīng)力在微裂處的高度集中，引起微裂的擴(kuò)展聚合，最后導(dǎo)致斷裂。

    此外原材料隨著冷拔減面率的增大，硬化嚴(yán)重對(duì)斷裂的敏感性增大。鋼絲硬化速率快與鋼中Si含量有關(guān)，Si含量對(duì)力學(xué)性能的影響數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。隨硅的增加，鋼的σb、HB的增大與δ、ψ的下降十分顯著。

   
    圖2 鋼中硅含量對(duì)力學(xué)性能的影響

    為滿足自攻釘制坯工序大減面率拔絲工藝的要求，必須嚴(yán)格控制控制Als/Alt＞0.95，減少大顆粒Al2O3夾雜的數(shù)量，同時(shí)盡量將Si含量降低到0.04%以下。

    2 冷鐓成型工序

    該工序出現(xiàn)的廢品為螺釘帽裂。從鐓裂形態(tài)分析，導(dǎo)致開(kāi)裂的原因應(yīng)有以下幾個(gè)方面。

    1） 盤條表面質(zhì)量

    這是影響自攻釘冷鐓成型的最直觀的因素。盤條表面局部存在的裂紋、折疊等缺陷造成分布不均的帽裂廢品。絲徑偏大的產(chǎn)品鐓裂比例大于小螺釘。

    2） 夾雜物的影響

    由于拉拔減面率極大，原盤條內(nèi)部夾雜移至近表面，導(dǎo)致螺釘呈“炸裂”形態(tài)。

    3） 鋼絲球化效果的影響

    按緊固件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，自攻釘生產(chǎn)要求鋼絲球化處理后球化級(jí)別達(dá)到4級(jí)以上，由于一些自攻釘生產(chǎn)廠采用土爐進(jìn)行退火，爐溫控制波動(dòng)范圍大，未達(dá)到球化效果，鋼絲塑性差，冷鐓時(shí)螺帽亦呈45度剪裂。

    3 搓絲工序

    該工序出現(xiàn)廢品為螺釘斷尖或搓絲尖裂，這也是自攻釘生產(chǎn)出現(xiàn)問(wèn)題最多的一個(gè)工序。

    螺釘斷尖或搓絲尖裂宏觀呈扁頭狀、“菜花”狀或無(wú)頭狀等。金相觀察均為粗大裂紋，同樣發(fā)現(xiàn)孔洞、微裂處常伴隨有夾雜和游離滲碳體(粒狀碳化物)。試樣表面常有不同程度的微細(xì)裂紋。

    1） 夾雜物的影響

    通過(guò)金相和電鏡觀察認(rèn)為螺釘?shù)募饬丫c氧化物夾雜的存在有關(guān)。當(dāng)氧化物夾雜處在螺釘端部時(shí)．在搓絲過(guò)程中，由于剪切、擠壓應(yīng)力綜合作用及尖部變形量較大，氧化物與基體間的內(nèi)應(yīng)力集中，造成尖端部剪切撕裂，呈扁頭狀，甚至因表裂與內(nèi)裂的貫通而掉頭呈無(wú)頭狀?？梢哉f(shuō)，夾雜物處于制品的關(guān)鍵部位，在應(yīng)力的作用下，即使檢驗(yàn)結(jié)果達(dá)標(biāo)也有形成裂紋的可能性。

    2） 軋材中心致密性的影響

    通過(guò)金相和電鏡觀察螺釘部分空芯試樣是由于盤條存在縮孔及疏松缺陷導(dǎo)致。見(jiàn)圖3。

   
    圖3  縮孔引起的螺釘尖裂空芯形貌

    3） 熱處理的影響

    從熱處理后的搓絲試樣的檢驗(yàn)結(jié)果可知，由于熱處理時(shí)退火溫度偏高時(shí)間較長(zhǎng)，使試樣表面脫碳嚴(yán)重，基體碳化物顆粒粗大，呈游離滲碳體形態(tài)。大量研究認(rèn)為，游離滲碳體主要是珠光體轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物或稱為珠光體的離異。這樣的搓絲變形過(guò)程中，由于表面脫碳而成為“弱區(qū)”，在內(nèi)應(yīng)力的作用下極易產(chǎn)生微裂；因基體中珠光體球化后的粗大碳化物(游離滲碳體)的存在，其變形率極小，相當(dāng)于不變形夾雜物。同樣在多向應(yīng)力的作用下．往往在碳化物與基體間形成孔洞或微裂。當(dāng)該處位于螺釘端部時(shí)，由于變形量較大，內(nèi)應(yīng)力集中，尖端孔洞或微裂進(jìn)—步擴(kuò)展成為粗大裂紋即尖裂。當(dāng)其位于螺釘腹部時(shí)，即可造成“隱患”而影響螺釘?shù)氖褂脧?qiáng)度，造成扭力矩不合。因此認(rèn)為，游離滲碳體的存在同樣和夾雜一樣可以成為裂紋源，在內(nèi)應(yīng)力的作用下引發(fā)裂紋萌生和擴(kuò)展。

    4 盤條晶粒尺寸對(duì)成品螺釘淬透性能的影響

    將不同晶粒尺寸的盤條、制釘用鋼絲及熱處理后螺釘?shù)慕鹣嘟M織進(jìn)行比較，見(jiàn)圖4～6。

   
    圖4 不同晶粒尺寸盤條的室溫組織比較


   
    圖5 盤條拉拔退火后鋼絲的室溫組織比較


   
    圖6 螺釘淬火回火后的室溫組織比較

    關(guān)于晶粒尺寸與淬透性的相互關(guān)系有文獻(xiàn)進(jìn)行了大量研究。研究認(rèn)為由奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變行為以及由奧氏體形成的顯微組織的機(jī)械性能都受到原奧氏體晶粒尺寸的影響。影響機(jī)理是若鋼中奧氏體細(xì)小，可供形核的位置就比較多，奧氏體受擴(kuò)散控制形成先共析相或鐵素體與滲碳體的轉(zhuǎn)變就會(huì)加快，在馬氏體顯微組織中殘余奧氏體數(shù)量增加，使淬透性降低硬度下降。即在相同熱處理?xiàng)l件下（淬火溫度及介質(zhì)、冷卻速率、工件尺寸等），過(guò)細(xì)的盤條晶粒使由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的百分?jǐn)?shù)少，導(dǎo)致淬透性下降，影響自攻釘硬度和強(qiáng)度性能。

    SWRCH22A為含鋁碳素鋼，要求鋼中A1≥0.02%，一般將A1控制在0.040～0.060%。由于冶煉工藝的差異，鋼中氮含量波動(dòng)范圍在40～80ppm。鋼中較高的鋁、氮含量導(dǎo)致了A1N數(shù)量增加。透射電鏡分析在晶界上觀察有A1N粒子的彌散析出。A1N粒子一般呈細(xì)小彌散析出，AIN粒子越多，越細(xì)小，則對(duì)阻止晶界遷移越有利，根據(jù)第二相粒子釘扎晶界理論，可以獲得小的奧氏體晶粒。A1N粒于的析出既受不同溫度下奧氏體(或鐵素體)中鋁、氮原子溶解度的限制，又受鋁氮原子擴(kuò)散所控制，因此，不論是在奧氏體相區(qū)，還是鐵素體相區(qū)，都存在AlN相析出的峰值溫度。有研究表明700～750℃和1000～1050℃分別為鐵素體和奧氏體中A1N相析出“峰值”溫度。但由于鋁、氮原子在鐵素體中比奧氏體中溶解度小得多及擴(kuò)散激活能也小，因此，鐵素體相遠(yuǎn)比奧氏體相更有利于A1N相析出。顯然，高線控冷工藝對(duì)A1N相析出十分有利， A1N相的大量析出是盤條晶粒較小的主要原因；22A盤條經(jīng)拉拔成鋼絲后的700～750℃退火處理時(shí)，AlN相大量彌散析出也同樣有效地抑制了晶粒的長(zhǎng)大，使鋼絲的晶粒尺寸仍然較小。這種效果在A1s含量為0.040～0.060%時(shí)尤其顯著。

    結(jié)語(yǔ)

    （1）夾雜物是影響本產(chǎn)品拉拔性、冷鐓性、搓尖性的主要因素之一。

    （2）熱處理不當(dāng)球化級(jí)別低及形成游離滲碳體亦會(huì)導(dǎo)致螺帽鐓裂和搓絲尖裂。

    （3）控制成品硅＜0.10％，Als/Alt＞0.95，鋼中氮＜60ppm，降低非金屬夾雜物含量，減少偏析與不致密性，提高鋼材的綜合性能是自攻釘用鋼的質(zhì)量要求。

    （4）SWRCH22A為含鋁碳素鋼，優(yōu)化鋼中Als含量，降低N含量，抑制AlN析出，控制盤條適宜的晶粒尺寸，是保證自攻釘硬度和強(qiáng)度性能的有效措施。

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