羅新中，林晏民，潘逸飛

(寶鋼集團(tuán)廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司檢測(cè)中心，廣東 韶關(guān) 512123)

SWRCH18A冷鐓鋼鐓制螺釘開(kāi)裂原因分析

羅新中，林晏民，潘逸飛

(寶鋼集團(tuán)廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司檢測(cè)中心，廣東 韶關(guān) 512123)

使用SWRCH18A冷鐓鋼盤條鐓制螺釘過(guò)程中部分螺釘頭出現(xiàn)開(kāi)裂。對(duì)開(kāi)裂試樣進(jìn)行宏觀觀察、金相檢測(cè)、非金屬夾雜物檢測(cè)、電鏡檢測(cè)等各種試驗(yàn)分析，對(duì)缺陷部位進(jìn)行顯微硬度及微區(qū)能譜成分分析，最終確認(rèn)螺釘頭開(kāi)裂的主要原因是盤條內(nèi)部近表面區(qū)域存在異金屬夾雜物。異金屬夾雜物產(chǎn)生的主要原因是由于冶煉操作不當(dāng)，補(bǔ)加的硅錳等鐵合金不能全部熔化或擴(kuò)散不均勻引起的。異金屬夾雜物屬于不允許存在的缺陷，嚴(yán)重地破壞了鋼組織的完整性，使材料在后續(xù)軋制、拉拔、冷鐓等加工過(guò)程中形成裂紋并開(kāi)裂。

冷鐓鋼；螺釘；開(kāi)裂；組織；異金屬夾雜物

0 引言

冷鐓鋼是利用金屬的塑性，采用冷鐓成型加工工藝生產(chǎn)螺栓、螺母、螺釘、銷釘?shù)雀黝惥o固標(biāo)準(zhǔn)件。冷鐓工藝的特點(diǎn)是可節(jié)省原料，降成本，而且通過(guò)冷作硬化提高工件的抗拉強(qiáng)度，改善性能。冷鐓鋼在冷加工成型過(guò)程中變形量很大，一般為60%～70%，最高可達(dá)90%，所承受的變形速率很高，因此要求冷鐓鋼必須具備較好的成型性能和力學(xué)性能，通條性能要好，利于均勻變形。鋼中S、P等雜質(zhì)元素要嚴(yán)格控制，對(duì)鋼材的表面質(zhì)量要求嚴(yán)格[1-2]。

衡量冷鐓鋼品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，在緊固件行業(yè)有6個(gè)字“不開(kāi)裂，淬得上”，強(qiáng)調(diào)不開(kāi)裂是因?yàn)槔溏呬撛诶溏呥^(guò)程中總會(huì)存在開(kāi)裂，日本的也不例外，只不過(guò)是開(kāi)裂率高低不同，同一時(shí)期波動(dòng)大小不同而已。根據(jù)用戶不完全反饋統(tǒng)計(jì)，韓國(guó)浦項(xiàng)世亞冷鐓開(kāi)裂率約為0.8%，臺(tái)灣的約為0.7%，日本的可以做到0.6%，國(guó)內(nèi)寶鋼股份約為0.8%，同國(guó)外差距不大。拉拔后鐓頭開(kāi)裂是冷鐓鋼常見(jiàn)的一種失效形式，導(dǎo)致鐓頭開(kāi)裂的原因多種多樣。文獻(xiàn)[3]分析了冷鐓鋼近表面Ca、Al類氧化物夾雜引起的鐓頭開(kāi)裂情況；文獻(xiàn)[4]分析了拉拔劃傷導(dǎo)致的鐓頭開(kāi)裂；文獻(xiàn)[5]分析了軋制過(guò)程中原材料表面尖銳的“V”形劃傷引起的鐓頭開(kāi)裂；文獻(xiàn)[6]分析了Si含量偏高，引起材料屈服強(qiáng)度明顯升高，冷加工變形能力差，最終導(dǎo)致材料鐓頭時(shí)開(kāi)裂。文獻(xiàn)[7]則系統(tǒng)地介紹了材料表面及次表面存在的較大尺寸夾雜物及軋制過(guò)程中的各種表面劃傷引起的冷頂鍛開(kāi)裂。但并沒(méi)有文獻(xiàn)研究異金屬夾雜物對(duì)冷鐓鋼冷鐓過(guò)程的影響，本文通過(guò)試驗(yàn)研究，分析SWRCH18A冷鐓鋼中異金屬夾雜物導(dǎo)致的鐓頭開(kāi)裂。

1 螺釘頭部開(kāi)裂情況

φ6.5 mm的SWRCH18A加工螺釘?shù)牧鞒淌鞘紫葘ⅵ?.5 mm拉拔到φ2.8 mm，然后進(jìn)行退火等工藝處理，最后鐓頭加工成螺釘。在某批次加工過(guò)程中出現(xiàn)大量鐓頭螺帽開(kāi)裂，開(kāi)裂量約400 kg，開(kāi)裂情況見(jiàn)圖1。

2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

2.1 母材化學(xué)成分及力學(xué)性能

對(duì)開(kāi)裂試樣采用PW440型X射線熒光光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，化學(xué)成分結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)母材試樣按照GB 228.1標(biāo)準(zhǔn)矯直后進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表2。從檢測(cè)結(jié)果可知，化學(xué)成分控制比較好，力學(xué)性能也在企業(yè)內(nèi)控范圍內(nèi)。

圖1 螺帽鐓頭開(kāi)裂情況Fig.1 Cracked head of screw

2.2 宏觀檢驗(yàn)

采用體視顯微鏡對(duì)鐓頭開(kāi)裂螺釘進(jìn)行低倍觀察，開(kāi)裂處宏觀形貌見(jiàn)圖2。從圖2可以看出：開(kāi)裂處較為干凈，沒(méi)有明顯渣子，其中螺桿部位有縱向開(kāi)裂，和鐓頭開(kāi)裂在一條線上。

表1 母材化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

表2 母材力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

圖2 體視顯微鏡下鐓頭開(kāi)裂處形貌Fig.2 Macro morphology of crack screw head

2.3 微觀分析

采用KYKY-3800型掃描電鏡對(duì)爆頭處及螺釘桿部縱裂處進(jìn)行高倍觀察。爆頭處微觀形貌見(jiàn)圖3，從圖中可以看出，開(kāi)裂部位有明顯變形，為塑性開(kāi)裂，開(kāi)裂處較為干凈，沒(méi)有大尺寸夾雜物。螺釘桿部形貌見(jiàn)圖4，螺桿縱向裂紋較寬，裂紋中沒(méi)有明顯夾雜物及渣子。

圖3 螺釘爆頭處電鏡形貌Fig.3 SEM morphology of crack of screw head

圖4 爆頭螺釘螺桿處縱向開(kāi)裂Fig.4 SEM morphology of longitudinal crack of ruptured screw

2.4 金相檢驗(yàn)

在爆頭試樣螺桿部位取樣進(jìn)行金相組織檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。圖5為心部組織，組織為粒狀珠光體，球化效果較好。圖6為螺桿縱向開(kāi)裂對(duì)應(yīng)的邊緣組織，邊緣有裂紋延伸至內(nèi)部，并在近表面形成一深色腐蝕異常區(qū)，深色腐蝕區(qū)周圍有一定程度脫碳。裂紋最深處距表面0.49 mm。對(duì)深色腐蝕異常區(qū)進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，其中異常區(qū)硬度HV0.1230，異常區(qū)附近基體硬度HV0.1163。異常區(qū)金相組織與基體組織有顯著不同，異常區(qū)組織的顏色和構(gòu)成非常均勻，與基體界限分明，因此可推斷異常區(qū)為另一種不同于基體的材料。

取多個(gè)爆頭試樣進(jìn)行夾雜物檢測(cè)，夾雜物檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。從檢測(cè)結(jié)果可知，夾雜物含量較少，控制比較好。

圖5 心部金相組織Fig.5 Microstructure of the center

圖6 螺桿縱裂處金相組織Fig.6 Microstructure of longitudinal crack

表3 夾雜物級(jí)別檢測(cè)結(jié)果

2.5 異常區(qū)能譜分析

對(duì)金相試樣組織異常區(qū)進(jìn)行電鏡掃描及能譜成分分析。形貌圖見(jiàn)圖7，分別在組織異常區(qū)取2點(diǎn)進(jìn)行能譜掃描，標(biāo)識(shí)為pt1、pt2，在組織異常區(qū)附近基體取1點(diǎn)進(jìn)行能譜掃描，標(biāo)識(shí)為pt3。忽略C等常見(jiàn)輕元素，3點(diǎn)能譜掃描主要化學(xué)成分見(jiàn)表4。從表4中可以看出，異常區(qū)化學(xué)成分比較接近，其中Si是基體成分2倍，Mn是基體成分3倍，其他元素相差不大。異常區(qū)附近基體的Si、Mn含量正常，接近光譜分析的母材化學(xué)成分，說(shuō)明組織異常區(qū)Si、Mn含量高。

3 分析與討論

3.1 螺釘鐓頭開(kāi)裂原因分析

從化學(xué)成分及力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果分析，母材盤條化學(xué)成分和力學(xué)性能都控制的比較好。夾雜物較少，只有少量B類和D類夾雜，拉拔到2.8 mm后最大級(jí)別為1.5級(jí)，在爆頭處也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物，說(shuō)明非金屬夾雜物不是螺釘爆頭的主要原因。對(duì)螺釘金相檢測(cè)結(jié)果可知，金相組織為均勻的粒狀珠光體，球化效果比較好，拉拔后熱處理過(guò)程也不是螺釘爆頭的主要原因。

圖7 組織異常區(qū)電鏡形貌Fig.7 SEM morphology of anomalous microstructure表4 組織異常區(qū)及附近能譜成分檢測(cè)結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 4 EDS results of anomalous microstructure (mass fraction /%)

ElementSiSMnFeNiPt10.270.141.7797.760.06Pt20.240.081.4298.300.05Pt30.120.050.4999.250.14

從體視顯微鏡低倍觀察和掃描電鏡觀察可以看出，螺釘表面存在連續(xù)的縱向裂紋，螺釘爆頭是縱向裂紋在冷鐓成過(guò)程中擴(kuò)展導(dǎo)致的。在表面縱向裂紋內(nèi)部發(fā)現(xiàn)組織異常區(qū)，異常區(qū)顯微硬度較基體高HV0.157，化學(xué)成分中Si是基體的2倍，Mn是基體的3倍，異常區(qū)邊界裂紋伴隨有一定程度脫碳。由于組織異常區(qū)與集體正常組織的邊界清晰，通過(guò)金相及電鏡能譜結(jié)果可以判斷組織異常區(qū)屬異金屬夾雜物缺陷。異金屬夾雜物是造成表面縱裂的主要原因[8-10]。

異金屬夾雜物成分、性能與基體不同，這種缺陷破壞了材料的均勻性和連續(xù)性，在外力作用下會(huì)使材料變形不均勻，尤其是在與基體的接壤處產(chǎn)生應(yīng)力集中，嚴(yán)重的應(yīng)力集中造成裂紋萌生[11]。本次發(fā)現(xiàn)的異金屬夾雜物周圍有脫碳，但靠近材料表面的裂紋沒(méi)有脫碳，說(shuō)明異金屬夾雜物周圍的開(kāi)裂在連鑄過(guò)程中已經(jīng)形成，在后續(xù)軋制加熱過(guò)程中出現(xiàn)脫碳，而靠近材料表面的裂紋是在后續(xù)過(guò)程中形成的。連鑄坯經(jīng)過(guò)加熱后軋制及后續(xù)對(duì)母材的拉拔加工，直徑由φ170 mm降至φ2.8 mm，材料發(fā)生了大的塑性變形，而異金屬夾雜物處強(qiáng)度硬度較基體高，不易變形，應(yīng)力集中嚴(yán)重，導(dǎo)致加工過(guò)程中異金屬夾雜物周圍的開(kāi)裂不斷向外擴(kuò)展，最終擴(kuò)展至材料表面，形成表面縱向開(kāi)裂。

查看母材連鑄生產(chǎn)工藝，主要異常是脫方較嚴(yán)重。脫方形成機(jī)理是連鑄過(guò)程中坯殼4個(gè)面或角冷卻不均勻，主要原因是在結(jié)晶器中鑄坯表面發(fā)生了冷卻不均勻的現(xiàn)象，引起不均勻收縮，坯殼厚度差別大，厚坯殼收縮量大，薄坯殼收縮量小，最終導(dǎo)致脫方[12-13]。脫方往往拌有角部裂紋發(fā)生，角裂主要也是鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)冷卻不均勻造成的，所以連鑄過(guò)程中的冷卻不均勻也在一定程度上推動(dòng)了異金屬夾雜物邊界裂紋的萌生[14]。

表面縱裂在拉拔后的成品鋼絲上表現(xiàn)為線缺陷，見(jiàn)圖2中螺桿部位的縱裂。成品鋼絲在鐓制螺釘?shù)哪⒐筋^時(shí)要發(fā)生2～3倍壓縮變形，鋼絲表面縱裂壓縮變形中在寬度和深度上都不斷的快速擴(kuò)展，最終形成嚴(yán)重的爆頭缺陷。

3.2 異金屬夾雜物產(chǎn)生的原因

異金屬夾雜物的特點(diǎn)是形狀不規(guī)則，但邊界比較清晰，產(chǎn)生的主要原因一個(gè)是澆注過(guò)程中掉入模內(nèi)外來(lái)金屬以及鋼包水口的冷瘤注入模內(nèi)造成，另一個(gè)是補(bǔ)加的硅錳等鐵合金不能全部熔化或擴(kuò)散不均勻引起的[10]。從本次發(fā)現(xiàn)的異金屬夾雜物的化學(xué)成分看，Si、Mn元素較基體高，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)元素，可以確定該異金屬夾雜物產(chǎn)生原因?qū)儆诤笳撸怯捎谘a(bǔ)加的硅錳等合金不能全部熔化或擴(kuò)散不均勻引起的。異金屬夾雜物在整個(gè)煉鋼、連鑄過(guò)程中都沒(méi)有完全熔化，所以異金屬區(qū)域通常硬度較基體高，組織和基體不同，微觀上表現(xiàn)為異金屬部位組織顏色均勻一致，與基體有明顯界限。該界限和焊縫區(qū)的熔合線性質(zhì)基本一致，是因?yàn)楫惤饘俨⑽慈刍w是經(jīng)過(guò)熔化過(guò)程的，異金屬相當(dāng)于母材，而基體相當(dāng)于焊縫區(qū)熔化金屬[8]。

3.3 異金屬夾雜物控制措施

異金屬夾雜物嚴(yán)重地破壞了鋼組織的完整性，屬于不允許存在的缺陷。為了避免異金屬夾雜物的產(chǎn)生，應(yīng)該從以下幾點(diǎn)出發(fā)：一是加強(qiáng)對(duì)煉鋼所用合金的管控，確保材料符合相關(guān)技術(shù)要求；二是要嚴(yán)格執(zhí)行轉(zhuǎn)爐、精煉操作制度，按照要求添加合金并控制合金添加時(shí)間，確保合金完全熔化；三是應(yīng)加強(qiáng)對(duì)煉鋼、精煉、連鑄的設(shè)備巡檢和維護(hù)力度，避免外來(lái)金屬進(jìn)入鋼水中。除此之外，也應(yīng)不斷提高冶煉技術(shù)，使用潔凈的原材料和設(shè)備，連鑄過(guò)程采用電磁攪拌、保護(hù)澆注等手段[8-9]。

4 結(jié)論

1)SWRCH22A鐓制螺釘頭部開(kāi)裂是由于螺釘表面的縱向裂紋在冷鐓成型過(guò)程中擴(kuò)展導(dǎo)致的。

2)造成表面縱裂的主要原因是母材近表面的異金屬夾雜物，次要原因是連鑄過(guò)程冷卻不均勻，兩者共同推動(dòng)了異金屬夾雜物周圍裂紋萌生，最終異金屬夾雜物周圍的裂紋在后續(xù)加工過(guò)程中擴(kuò)展到螺釘表面形成連續(xù)縱向開(kāi)裂。

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Cracking Analysis of SWRCH18A Screws in Cold Heading Process

LUO Xin-zhong，LIN Yan-min，PAN Yi-fei

(BaosteelGroupGuangdongShaoguanIronandSteelCo.,Ltd.,GuangdongShaoguan512123,China)

Part of the SWRCH18A screws cracked at heads in the pier process from cold heading steel wire rod to screws. Macro-observation, metallographic examination, non-metallic inclusion test and electron microscopy examination, as well as micro hardness test on defective parts and EDS analysis were carried out to find out the failure cause of the screws. The results show that the main failure cause is that dissimilar mental inclusion existed near the surface of the internal wire rod. The dissimilar mental inclusion was mainly caused by improper melting operation and extra silicon-manganese alloys, which could not be incompletely molten or unevenly spread. The dissimilar mental inclusion is not allowable flaw, which destroys the integrity of steel microstructure and ruptures in the process of subsequent rolling, drawing and cold heading.

cold heading steel；screw；crack；microstructure；dissimilar mental inclusion

2016年9月3日

2016年11月30日

羅新中(1990年-)，男，工程師，主要從事金屬材料物理檢測(cè)、產(chǎn)品失效分析等方面的研究。

TG113

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.06.009

1673-6214(2016)06-0372-05