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    冷鐓鋼冷鐓開裂影響因素分析及控制

    2010-08-25 00:38:24李印長孫汝林張全剛翟林甫萬國喜鄒文輝
    河南冶金 2010年5期
    關(guān)鍵詞:冷鐓珠光體連續(xù)性

    李印長 孫汝林 張全剛 翟林甫 萬國喜 鄒文輝

    (安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

    冷鐓鋼冷鐓開裂影響因素分析及控制

    李印長 孫汝林 張全剛 翟林甫 萬國喜 鄒文輝

    (安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

    介紹了影響冷鐓鋼冷鐓開裂的因素,包括加工時(shí)的受力狀態(tài)、材料本身性質(zhì)、原生缺陷及組織異常等。分析了冷鐓鋼開裂的機(jī)理:冷鐓鋼化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)對材料塑性的影響;第二相、夾雜物和裂紋對材料基體連續(xù)性的影響;組織和晶粒度異常對材料組織連續(xù)性的影響。

    冷鐓鋼 受力狀態(tài) 化學(xué)成分 組織結(jié)構(gòu) 缺陷

    0 前言

    冷鐓鋼是利用金屬的塑性,采用冷鐓成型加工工藝生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件的鋼鐵產(chǎn)品。它廣泛用于冷鐓成形的螺栓、螺母、螺釘、鉚釘和銷軸等各類緊固件和零配件,也作為冷鐓鋼絲的母材使用。冷鐓鋼在冷加工成型過程中變形量很大,一般為60%~70%,最高可以達(dá)到90%,所承受的變形速率很高。因此,要求冷鐓鋼必須具有良好的成型性能和機(jī)械性能。就我國的冷鐓鋼產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量而言,目前主要表現(xiàn)在力學(xué)性能和工藝性能不夠穩(wěn)定,特別工藝性能上冷鐓成型過程中開裂較多,嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此,研究冷鐓鋼開裂機(jī)理,對開發(fā)生產(chǎn)具有良好工藝性能和力學(xué)性能的冷鐓鋼具有重要意義。

    1 材料冷鐓時(shí)的受力與變形分析

    冷鐓鋼的加工過程類似圓柱體鐓粗的過程,其受力狀態(tài)十分接近。因此,以圓柱體鐓粗為例研究冷鐓時(shí)的受力狀態(tài)[1]。試樣鐓粗時(shí)在外力的作用下受到壓縮,其高度減小、截面積增加,金屬內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的流動遵循最小阻力定律,理論上是均勻變形。但由于接觸面上存在摩擦力,使接觸面附近金屬流動困難,產(chǎn)生不均勻變形,即鐓粗后呈現(xiàn)出鼓形,如圖1所示。

    圖1 受力分析與變形示意圖

    為便于分析,將變形區(qū)按變形程度分為三個區(qū)進(jìn)行討論:Ⅰ區(qū)為難變形區(qū),受外部摩擦力影響較大;Ⅱ區(qū)為易變形區(qū)(大變形區(qū)),與作用力約呈45°角,變形程度最大,同時(shí)也承受較大的主剪切應(yīng)力;Ⅲ區(qū)為自由變形區(qū),變形程度居中,是外側(cè)的鼓形區(qū)域。其中的Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)受力狀態(tài)均為三向壓應(yīng)力;Ⅲ區(qū)外側(cè)為自由表面,應(yīng)力狀態(tài)近似為單向壓應(yīng)力,但由于Ⅱ區(qū)金屬向外流動時(shí)對該區(qū)有徑向壓應(yīng)力,使得該區(qū)金屬受到切向拉應(yīng)力 (σ1),越靠近坯料表面切向拉應(yīng)力越大。切向拉應(yīng)力促進(jìn)晶間變形,加速晶界破壞,當(dāng)其超出材料的強(qiáng)度極限或者切向變形超過材料允許的變形程度時(shí),便引起表面冷鐓裂紋。

    坯料端面的變化也反映了鐓粗變形的不均勻性,端面一般情況下分為邊部滑動區(qū)和心部粘著區(qū),滑動區(qū)和粘著區(qū)的相對大小與摩擦系數(shù)和高徑比有關(guān)系,摩擦系數(shù)和高徑比越大,粘著區(qū)越大。一般在試樣鐓粗初期,端面尺寸的增大主要是靠側(cè)表面的金屬翻上去的,這是邊角部位裂紋的主要原因。

    綜上所述,鐓粗時(shí)材料內(nèi)部不同區(qū)域各質(zhì)點(diǎn)受力狀態(tài)不同,變形具有不均勻性,這種特性從不同方面影響到材料的冷鐓性能,如果材料存在缺陷 (折疊、發(fā)紋、夾雜物、組織不良),易于在缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中帶來開裂。

    2 冷鐓開裂影響因素和機(jī)理分析

    影響冷鐓鋼冷鐓開裂的原因較多,其機(jī)理主要是冷鐓鋼塑性降低、組織連續(xù)性和基體連續(xù)性受到破壞,具體的影響因素會以不同的方式影響到產(chǎn)品的冷鐓性能,造成產(chǎn)品頂鍛開裂[2]。

    2.1 材料本身性質(zhì)

    影響材料塑性的因素主要有材料本身性質(zhì)和使材料發(fā)生塑性變形時(shí)的外部條件,材料本身的性質(zhì)取決于材料的化學(xué)成分組成和材料的組織結(jié)構(gòu)。

    2.1.1 化學(xué)成分

    冷鐓鋼的化學(xué)成分組成主要是碳、硅、錳、鋁、鉻、鉬、硼、釩等合金元素和磷、硫、氮、氧、氫等一些雜質(zhì)元素,各元素以不同的形態(tài)存在于材料中,影響材料的塑性。

    碳:碳在冷鐓鋼中主要以化合物滲碳體 (Fe3C)的形式存在,含碳量越高滲碳體越多,鋼的塑性降低、強(qiáng)度增加。

    硅:硅能提高材料的彈性極限,但降低材料的冷變形能力。

    錳:錳能提高材料的加工硬化,從而減低材料的塑性,提高強(qiáng)度。但錳可以和 FeS反應(yīng)生成M nS,從而改善材料的熱塑性。

    磷:磷是鋼中的雜質(zhì)元素,能溶于鐵素體中,降低鋼的塑性、使鋼的強(qiáng)度、硬度提高。磷具有較大的偏析能力,鋼中局部磷偏析含量較高時(shí)也會變脆。

    硫:硫也是鋼中的有害雜質(zhì)元素,不溶于鐵素體,但生成 FeS。FeS和 FeO形成共晶體分布于晶界,造成鋼的熱脆性。

    氮:氮在奧氏體中溶解度較大,在鐵素體中溶解度很小,并且隨著溫度的下降而減小,將含氮量高的鋼由高溫較快冷卻時(shí),鐵素體中的氮由于來不及析出而過飽和溶解。在室溫或稍高溫度下,氮將以FeN形式析出,使鋼的強(qiáng)度、硬度提高,塑性降低。

    氫:鋼中溶氫較多時(shí),會引起氫脆現(xiàn)象,使鋼的塑性降低較多。氫在鋼中的溶解度隨溫度降低而降低,鋼在冷卻時(shí)從固溶體中析出的氫原子來不及向材料表面擴(kuò)散,會集中在內(nèi)部缺陷處 (晶界、顯微空隙),形成氫分子,產(chǎn)生較大的壓力,由于壓力和組織應(yīng)力、溫度應(yīng)力等內(nèi)應(yīng)力的共同作用,鋼會出現(xiàn)細(xì)小裂紋(白點(diǎn))。

    氧:氧在鐵素體中的溶解度很小,主要以鐵、錳、硅、鋁等的氧化物形式存在,這些非金屬夾雜物會降低鋼的塑性和疲勞強(qiáng)度。

    合金元素:鋼中加入合金元素可以改變鋼的綜合性能,也可以改變鋼的塑性和實(shí)際應(yīng)力,但會隨著鋼種的不同而有變化,具體情況可因鋼種而論。

    2.1.2 組織狀態(tài)和結(jié)構(gòu)

    除了化學(xué)成分決定材料的性能以外,結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)也是決定材料塑性的重要因素。冷鐓鋼組織主要是鐵素體或者鐵素體基體上分布珠光體(鐵素體和滲碳體的平衡組織)的組織。對材料的塑性影響較大的是晶粒的大小和相結(jié)構(gòu)組成。

    根據(jù)文獻(xiàn)介紹[1,3],金屬和合金的晶粒越細(xì)小,塑性越好。這是因?yàn)榫ЯT郊?xì),則同一體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多,在一定變形量下,變形可分散在許多晶粒內(nèi)進(jìn)行,晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變度相差較小,變形比較均勻。相對來說,這樣可以延緩局部區(qū)域應(yīng)力集中、出現(xiàn)裂紋的過程,從而可以在材料破壞前承受較大的變形量,得到較大的延伸率和斷面收縮率,提高塑性。同時(shí),由于細(xì)晶鋼中的裂紋不易傳播,在開裂過程中可吸收更多的能量,表現(xiàn)出較高的韌性。也就是說,奧氏體晶粒越細(xì)小,材料的的強(qiáng)度越高,塑性越好,沖擊韌性也越高。此外,晶粒粗大的鋼件,淬火變形和開裂傾向增大,不利于后期處理。

    根據(jù)文獻(xiàn)介紹[3],單相組織比多相組織塑性好,主要是單相組織各晶粒性能基本相同,變形較多相組織均勻。第二相對材料的影響在后面單獨(dú)敘述。

    2.2 原生缺陷

    冷鐓鋼主要是以鐵素體組織為基體,塑性較好。如果內(nèi)部存在質(zhì)量缺陷,比如與鐵素體性質(zhì)差異較大的第二相、異常組織、非金屬夾雜物和裂紋等,這些原生缺陷破壞材料的組織連續(xù)性和基體連續(xù)性,會造成冷鐓開裂。

    2.2.1 第二相

    多相組織材料的變形除與基體密切相關(guān)外,還與第二相的性質(zhì)、形狀、大小、數(shù)量和分布狀態(tài)等有關(guān),后者甚至起著決定性作用。

    冷鐓鋼中的珠光體根據(jù)碳含量和合金元素含量的不同,具體性質(zhì)、形狀、大小、數(shù)量和分布狀態(tài)也不同,對材料的影響也不同。一般低碳冷鐓鋼中珠光體較少,幾乎不影響基體金屬的連續(xù)性,可以隨著基體相的變形而“流動”,不會造成明顯的應(yīng)力集中,塑性較好。中碳和合金冷鐓鋼中珠光體隨著含碳量的升高而增多,主要以層片狀或者顆粒狀分布在鐵素體基體上。當(dāng)材料中珠光體呈層片狀分布時(shí),塑性變形主要集中在鐵素體內(nèi),而珠光體中和晶界游離的滲碳體 (Fe3C)硬而脆,幾乎不發(fā)生變形,同時(shí)對基體造成分割,加劇應(yīng)力集中,影響材料的變形能力,帶來開裂。當(dāng)材料中的珠光體呈顆粒狀分布時(shí)影響較小,一般從形態(tài)上認(rèn)為珠光體的變形能力是顆粒狀>細(xì)片狀>粗片狀>網(wǎng)狀。所以,對于中碳和合金冷鐓鋼經(jīng)常進(jìn)行球化退火或者軟化退火處理,通過改變第二相形態(tài)來改善材料的冷鐓性能。

    2.2.2 異常組織

    前面介紹,結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)也是決定材料性能的重要因素。當(dāng)材料出現(xiàn)組織異常和晶粒大小不均勻時(shí),會影響材料的組織連續(xù)性,造成應(yīng)力集中,帶來開裂。

    如果中低碳冷鐓鋼組織中出現(xiàn)魏氏組織鐵素體[4]、殘余奧氏體、馬氏體、貝氏體等異常組織,中碳合金冷鐓鋼球化退火或軟化退火處理效果較差,材料冷鐓前組織晶粒度大小不均勻時(shí)[5],會破壞材料的組織連續(xù)性。異常組織的出現(xiàn),加劇了變形的不均勻性,造成局部區(qū)域應(yīng)力集中,會在材料冷鐓時(shí)出現(xiàn)爆裂或者45°開裂。研究表明,相變開始溫度、終了溫度、保溫時(shí)間和線材的搭接點(diǎn)控制都會影響材料最終的組織和球化退火的效果,要在生產(chǎn)中進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與控制。

    2.2.3 夾雜物

    前面介紹了氧在鋼中溶解度很小,主要以A l2O3、FeO、SiO2、CaO等非金屬夾雜物的形態(tài)存在于鋼中,還有部分硫、氮的非金屬化合物,這些夾雜物破壞了材料的基體連續(xù)性,造成冷鐓時(shí)開裂的裂紋源,特別近表面的夾雜物,由于受到應(yīng)力集中和切向拉應(yīng)力的作用,影響更為嚴(yán)重。研究文獻(xiàn)[6-8]表明,非金屬夾雜物是造成冷鐓開裂的主要原因之一。夾雜物顆粒愈大,愈易開裂,在距表面2mm以內(nèi)的夾雜物應(yīng)不大于15μm,材料強(qiáng)度高、塑性低時(shí),對近表面有害夾雜的尺寸要求更小。一般認(rèn)為,非金屬夾雜物中B類(氧化鋁)和D類 (球狀氧化物)夾雜物危害最大。技術(shù)要求應(yīng)明確 B類夾雜物不大于0.5級,D類夾雜物不大于1級,其他夾雜物不大于2級,夾雜物總和不大于3級。劉建勛、和前進(jìn)等人通過生產(chǎn)實(shí)際對夾雜物帶來的冷鐓開裂進(jìn)行了詳細(xì)的研究[8-10],認(rèn)為大量的復(fù)合夾雜物是冷鐓開裂的原因之一。

    2.2.4 表面缺陷

    GB/T6478-2001《冷鐓和冷擠壓用鋼》要求冷鐓鋼材的表面應(yīng)光滑,不得有裂縫、結(jié)疤、夾雜、耳子和折疊,允許有不超過規(guī)定深度的個別劃痕、麻點(diǎn)和發(fā)紋等缺陷,并對表面脫碳層深度做出明確要求,關(guān)鍵就是保證材料的表面基體連續(xù)性。因?yàn)椴牧媳砻娲嬖谡郫B、劃傷、密集的發(fā)紋、局部微裂紋、結(jié)疤、脫碳等表面缺陷,破壞材料表面基體的連續(xù)性。由鐓粗時(shí)受力狀態(tài)可知,在冷加工時(shí)材料表面受到切向拉應(yīng)力,缺陷的出現(xiàn)加劇了局部區(qū)域的應(yīng)力集中,同時(shí)產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài),極易造成冷鐓開裂。另外,由側(cè)面翻向端面的部分,由于受力較大,就是微小的表面缺陷也會呈現(xiàn)出邊角開裂。

    據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)廠統(tǒng)計(jì),表面質(zhì)量問題是產(chǎn)生冷鐓鋼開裂的主要原因,約占總體開裂的 80%~85%[11]。因此,國內(nèi)各大生產(chǎn)企業(yè)針對冷鐓鋼的表面質(zhì)量問題進(jìn)行了研究[12-14],研究指出:鑄坯表面原生缺陷、軋制工藝設(shè)計(jì)與調(diào)整不當(dāng)、軋鋼備件調(diào)整不當(dāng)、軋制溫度張力控制不當(dāng)?shù)榷紩斐衫溏呬摦a(chǎn)品表面缺陷。

    3 冷鐓開裂的控制措施探討

    由以上關(guān)于冷鐓鋼的開裂影響因素和機(jī)理分析可知,材料塑性的降低、破壞基體連續(xù)性和組織連續(xù)性的因素會影響產(chǎn)品開裂,冷鐓鋼生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)中應(yīng)結(jié)合開裂機(jī)理對影響材料本身性質(zhì)和原生缺陷的因素加以研究和控制。

    3.1 化學(xué)成分控制

    化學(xué)成分主要是通過各元素對材料塑性的影響而影響冷鐓性能。在生產(chǎn)中要合理設(shè)計(jì)主要元素、精確控制有害元素,可以根據(jù)生產(chǎn)條件,對有害元素采用鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐前期脫磷、爐外精煉、保護(hù)澆注和冷鋼入爐等手段進(jìn)行控制。對于使用級別既定牌號,一般碳、錳含量取中下限,硅含量取下限,盡量降低磷、硫雜質(zhì)元素和氣體元素含量。安鋼生產(chǎn)的中低碳系列碳素冷鐓鋼,化學(xué)成分設(shè)計(jì)為碳、錳含量取中下限,硅含量不大于0.20%,控鋁鋼則硅含量不大于0.10%,控制有害元素磷含量不大于0.015%,硫含量不大于0.010%,熔煉[O]、[N]含量各不大于40×10-6,控制連鑄回[O]、回[N],加熱爐冷裝控氮。通過用戶使用反映,產(chǎn)品冷鐓時(shí)綜合性能優(yōu)良,開裂率低。

    3.2 組織狀態(tài)和結(jié)構(gòu)控制

    材料的組織和結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)材料的使用級別和變形情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制。一般 8.8級及以下中低碳鋼晶粒度較小,介于 7~9級之間;高強(qiáng)度級別的中碳合金冷鐓鋼晶粒度較大,達(dá)到10級以上;既有利于冷鐓工藝,又有利于材料的綜合性能。安鋼在生產(chǎn)中通過控制上鋼溫度、澆注工藝、電磁攪拌、加熱工藝、控制軋制和控制冷卻等手段,控制奧氏體原始晶粒度、成分偏析、轉(zhuǎn)變組織和第二相狀態(tài)。中低碳鋼控制為鐵素體和細(xì)片狀珠光體組織,晶粒度 8~9級;高強(qiáng)度級別中碳合金冷鐓鋼為少量鐵素體和細(xì)變形珠光體,晶粒度達(dá)到11級以上,有利于球化退火后組織細(xì)化,球化組織硬度為 HRB80-85。

    冷鐓鋼組織異常和組織晶粒度不均勻會破壞組織連續(xù)性影響冷鐓開裂,一般是生產(chǎn)中材料局部過冷、控制冷卻工藝不當(dāng)或者球化退火工藝不當(dāng)造成的。安鋼在生產(chǎn)中通過控制減少材料的成分偏析、合理控制軋制工藝和冷卻工藝,中低碳冷鐓鋼得到均勻的鐵素體和珠光體組織,中碳合金冷鐓鋼得到有利于球化退火的變形珠光體組織。

    3.3 夾雜物控制

    夾雜物破壞材料的基體連續(xù)性。生產(chǎn)中應(yīng)采用純凈鋼冶煉技術(shù)、變性化處理技術(shù)、鑄坯表面質(zhì)量控制技術(shù)等手段控制夾雜物。安鋼在冷鐓鋼生產(chǎn)中通過采用LF爐外精煉、適當(dāng)提高精煉時(shí)間、合理控制吹氬攪拌曲線、對夾雜物進(jìn)行鈣化處理、液面自動控制、保護(hù)渣自動控制等鑄坯質(zhì)量控制技術(shù),控制夾雜物的形態(tài)、大小和分布。

    3.4 表面缺陷控制

    表面缺陷破壞材料的表面基體連續(xù)性。線材產(chǎn)品表面缺陷的主要表現(xiàn)形態(tài)為軋制折疊、劃傷、結(jié)疤和縱裂紋。其產(chǎn)生原因涉及多個工序,分析控制難度較大,是冷鐓鋼生產(chǎn)的一個難題。安鋼在冷鐓鋼生產(chǎn)中采取的控制措施是:

    1)穩(wěn)定拉澆工藝、控制鑄坯表面質(zhì)量,對表面缺陷進(jìn)行檢查和徹底清理;

    2)合理軋輥孔型設(shè)計(jì),合理調(diào)整軋機(jī)壓下量,做到勤調(diào)、微調(diào)保證料型的穩(wěn)定性;

    3)合理導(dǎo)衛(wèi)裝置的使用和對中調(diào)整,防止導(dǎo)衛(wèi)松動和偏離軋制線;

    4)穩(wěn)定控制軋制溫度、機(jī)架間張力等軋制工藝參數(shù)。

    4 結(jié)論

    由以上分析討論可知,冷鐓鋼開裂的機(jī)理主要是材料塑性的降低、組織連續(xù)性和基體連續(xù)性受到破壞。冷鐓鋼開發(fā)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)根據(jù)開裂機(jī)理研究,結(jié)合企業(yè)自身?xiàng)l件合理設(shè)計(jì)與控制材料的化學(xué)成分、組織狀態(tài)和結(jié)構(gòu)、夾雜物和表面缺陷等因素,提高材料的冷鐓性能。

    安鋼在多年的冷鐓鋼開發(fā)生產(chǎn)中,采用鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐冶煉控制、精煉控制等技術(shù)穩(wěn)定主要元素、降低有害元素含量;提高鋼水純凈度,減少鋼中的夾雜物;采用連鑄保護(hù)技術(shù)、合理拉澆工藝提高鑄坯凝固質(zhì)量;采用合理的軋制工藝參數(shù)、控制軋制溫度和冷卻曲線,保證得到合適的組織、結(jié)構(gòu)和晶粒度;采用原材料檢查和清理、控制軋鋼備件對中對正和使用壽命,獲得良好的表面質(zhì)量;連續(xù)成功開發(fā)了以SWRCH35K、SCM440、ML20M nTiB等鋼種為代表的多個系列優(yōu)質(zhì)品種鋼。

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    ANALYSIS AND CONTROL O F CRACK FACTORS O F COLD-HEAD ING STEEL

    L i Yinchang Sun Ru lin ZhangQuangang ZhaiL infu W an Guoxi ZouW enhui (Anyang Iron&Steel Croup Co.,L td)

    This artic le introduced the factors that affect crack of cold heading steelwhich inc luding stress state when p rocessed,natu re of thematerial,native defects and abnom almicrostructu re,analyzed crackingmechanism of co ld head ing steel:effect of component andmicrostructure onmaterial p lasticity;effect of second phase,inc lusions and native crack onmaterialm atrix continuity;effect of abnom alm icrostructure and grain size onmaterial structure continuity.

    co ld heading steel stress state chem ical componentsmicrostructure defect

    2010—5—12

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