李印長(zhǎng) 孫汝林 張全剛 翟林甫 萬(wàn)國(guó)喜 鄒文輝

(安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

冷鐓鋼冷鐓開(kāi)裂影響因素分析及控制

李印長(zhǎng) 孫汝林 張全剛 翟林甫 萬(wàn)國(guó)喜 鄒文輝

(安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

介紹了影響冷鐓鋼冷鐓開(kāi)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(kāi)裂的機(jī)理：冷鐓鋼化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)對(duì)材料塑性的影響；第二相、夾雜物和裂紋對(duì)材料基體連續(xù)性的影響；組織和晶粒度異常對(duì)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(xiāo)軸等各類(lèi)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(guò)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(guó)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(guò)程中開(kāi)裂較多，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，研究冷鐓鋼開(kāi)裂機(jī)理，對(duì)開(kāi)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(guò)程類(lèi)似圓柱體鐓粗的過(guò)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)時(shí)對(duì)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(guò)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(dòng)區(qū)和心部粘著區(qū)，滑動(dòng)區(qū)和粘著區(qū)的相對(duì)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(lái)開(kāi)裂。

2 冷鐓開(kāi)裂影響因素和機(jī)理分析

影響冷鐓鋼冷鐓開(kāi)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(huì)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(kāi)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(huì)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(lái)不及析出而過(guò)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(huì)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(lái)不及向材料表面擴(kuò)散，會(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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(duì)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(duì)來(lái)說(shuō)，這樣可以延緩局部區(qū)域應(yīng)力集中、出現(xiàn)裂紋的過(guò)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(kāi)裂過(guò)程中可吸收更多的能量，表現(xiàn)出較高的韌性。也就是說(shuō)，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(kāi)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(duì)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(huì)造成冷鐓開(kāi)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(duì)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(dòng)”，不會(huì)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(duì)基體造成分割，加劇應(yīng)力集中，影響材料的變形能力，帶來(lái)開(kāi)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(duì)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(guò)改變第二相形態(tài)來(lái)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(huì)影響材料的組織連續(xù)性，造成應(yīng)力集中，帶來(lái)開(kāi)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(huì)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(huì)在材料冷鐓時(shí)出現(xiàn)爆裂或者45°開(kāi)裂。研究表明，相變開(kāi)始溫度、終了溫度、保溫時(shí)間和線(xiàn)材的搭接點(diǎn)控制都會(huì)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(kāi)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(kāi)裂的主要原因之一。夾雜物顆粒愈大，愈易開(kāi)裂，在距表面2mm以?xún)?nèi)的夾雜物應(yīng)不大于15μm，材料強(qiáng)度高、塑性低時(shí)，對(duì)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(lèi)(氧化鋁)和D類(lèi) (球狀氧化物)夾雜物危害最大。技術(shù)要求應(yīng)明確 B類(lèi)夾雜物不大于0.5級(jí)，D類(lèi)夾雜物不大于1級(jí)，其他夾雜物不大于2級(jí)，夾雜物總和不大于3級(jí)。劉建勛、和前進(jìn)等人通過(guò)生產(chǎn)實(shí)際對(duì)夾雜物帶來(lái)的冷鐓開(kāi)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(kāi)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(guò)規(guī)定深度的個(gè)別劃痕、麻點(diǎn)和發(fā)紋等缺陷，并對(duì)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(kāi)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(huì)呈現(xiàn)出邊角開(kāi)裂。

據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)廠統(tǒng)計(jì)，表面質(zhì)量問(wèn)題是產(chǎn)生冷鐓鋼開(kāi)裂的主要原因，約占總體開(kāi)裂的 80％～85％[11]。因此，國(guó)內(nèi)各大生產(chǎn)企業(yè)針對(duì)冷鐓鋼的表面質(zhì)量問(wèn)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?huì)造成冷鐓鋼產(chǎn)品表面缺陷。

3 冷鐓開(kāi)裂的控制措施探討

由以上關(guān)于冷鐓鋼的開(kāi)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(huì)影響產(chǎn)品開(kāi)裂，冷鐓鋼生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)中應(yīng)結(jié)合開(kāi)裂機(jī)理對(duì)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(guò)各元素對(duì)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(duì)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(duì)于使用級(jí)別既定牌號(hào)，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(guò)用戶(hù)使用反映，產(chǎn)品冷鐓時(shí)綜合性能優(yōu)良，開(kāi)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(jí)別和變形情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制。一般 8.8級(jí)及以下中低碳鋼晶粒度較小，介于 7～9級(jí)之間；高強(qiáng)度級(jí)別的中碳合金冷鐓鋼晶粒度較大，達(dá)到10級(jí)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(guò)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(jí)；高強(qiáng)度級(jí)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(jí)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(huì)破壞組織連續(xù)性影響冷鐓開(kāi)裂，一般是生產(chǎn)中材料局部過(guò)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(guò)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(guò)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(xiàn)、對(duì)夾雜物進(jìn)行鈣化處理、液面自動(dòng)控制、保護(hù)渣自動(dòng)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(xiàn)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(gè)工序，分析控制難度較大，是冷鐓鋼生產(chǎn)的一個(gè)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(duì)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(duì)中調(diào)整，防止導(dǎo)衛(wèi)松動(dòng)和偏離軋制線(xiàn)；

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(kāi)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(kāi)發(fā)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)根據(jù)開(kāi)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(kāi)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(xiàn)，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(duì)中對(duì)正和使用壽命，獲得良好的表面質(zhì)量；連續(xù)成功開(kāi)發(fā)了以SWRCH35K、SCM440、ML20M nTiB等鋼種為代表的多個(gè)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