五金技術：冷鐓工藝對金屬材料的要求

    1、冷鐓用金屬材料的機械性能要求

    根據(jù)冷鐓工藝特點，對鋼材機械性能提出如下要求：

    1）屈服強度Re以及變形抗力盡可能低，這樣可使單位變形力相應減小，以延長模具壽命；

    2）材料的冷變形性能要好，既材料應有較好的塑性，較低的硬度，在大的變形程度下不致引起開裂。如冷鐓高強度螺栓時，即可使用含碳量較高的碳素鋼，又可使用含碳量較低的低合金鋼。如果增加含碳量，就會使硬度提高,塑性降低，使冷變形性能變壞。但是在含碳量較低的鋼中加入少量合金元素（如添加少量硼10B21、10B33鋼），即可顯著提高鋼材強度，從而滿足產(chǎn)品的使用性能要求，同時又不損害其冷變形性能；

    3）材料的加工硬化敏感性能越低越好，這樣不致使變形過程中的變形力太大。材料的加工硬化敏感性可用變形抗力--應變曲線的斜率來反映。斜率越大，則加工硬化敏感性越高。如不銹鋼0Cr18Ni9（SUS304）的曲線斜率最大。這種材料的加工硬化敏感性就比較劇烈，隨著變形程度的增加，變形抗力急劇上升。

    鋼材的機械性能不但表現(xiàn)原始坯料的Rm、Re、A、Z及硬度等指標，不但受原材料的化學成分、宏觀組織、微觀組織等方面的影響，還受到材料準備過程中的拉拔及各道工序之間的熱處理影響。

    2、化學成分的要求

    ⑴碳（C）碳是影響鋼材冷塑性變形的最主要元素。含碳量越高，鋼的強度越高，而塑性越低。含碳量每提高0.1%，其屈服強度Re提高27.4MPa，抗拉強度Rm提高（58.8-78.4MPa），而伸長率A則降低4.3%,斷面收縮率Z降低7.3%。當鋼的含碳量＜0.5%、含錳量＜1.2%、斷面收縮率Z=80%時，單位冷變形力P與鋼材含C、Mn量之間的近似關系如下：

    P=1950C+500Mn+1860（MPa）……………………（1）

    可見，鋼中含碳量對于鋼材的冷塑性變形性能的影響是很大的。在實際工藝過程中，冷鐓擠壓用鋼的含碳量大于0.25%時，要求鋼退火成具有最好的塑性組織——球狀珠光體組織。對于變形程度為65%-85%的冷鐓緊固件不經(jīng)過中間熱處理而進行三次鐓鍛變形，其含碳量不應超過0.4%。對當含碳量超過0.3%-0.5%的碳鋼進行鐓鍛時，就要增加中間完全退火工序或者采用溫鐓。

    ⑵錳（Mn）錳在鋼的冶煉中與氧化鐵作用（Mn+FeO+MnO+Fe）主要為對鋼脫氧而加入。錳在鋼中與硫化鐵作用（Mn+FeS+MnS+Fe），能減少硫對鋼的有害性。所形成的硫化錳可改善鋼的切削性能。錳使鋼的強度有所提高，塑性有所降低，對于鋼的冷塑性變形性能是不利的，但是錳對變形力的影響僅為碳的四分之一左右。由于成品的特殊性能要求，允許錳的含量為硫的五倍。除了成品的特殊要求外，不宜超過0.9%。

    ⑶硅（Si）硅是鋼在冶煉中脫氧劑的殘留物。當鋼中含硅量增加0.1%時，會增加13.7mpa。經(jīng)驗表明，含硅量超過0.17%且含碳量較大時，對鋼的塑性的降低有很大影響。在鋼中適當增加硅的含量，對鋼的綜合機械性能，特別是彈性極限有利，還可以增強鋼的耐蝕性。但是當鋼中含硅量超過0.15%時，使鋼急劇形成非金屬夾雜物，高硅鋼即使退火也不會軟化，急劇降低鋼的冷塑性變形性能。如果硅以硅酸類形式存在于鋼中，分散在鋼中的細小顆粒會過快地磨損模具。因此，除了產(chǎn)品高強度的性能要求外，冷鐓用鋼總是盡量減少硅的含量。

    ⑷硫（S）硫是有害雜質。鋼中的硫在冷鐓時會使金屬的結晶顆粒彼此分離引起裂紋。硫的存在還促使鋼產(chǎn)生熱脆和生銹。因此含硫量應小于0.06%。鐓制高強度緊固件時，應控制在0.04%以下。由于硫、磷和錳的化合物能改善切削性能，冷鐓螺母用鋼的含硫量可放寬到0.08%-0.12%，以利于攻絲。

    ⑸磷（P）磷的固溶強化及加工硬化作用極強，在鋼中偏析嚴重，增加鋼的冷脆性及回火脆性，使鋼易受酸的侵蝕。鋼中的磷會惡化冷塑性變形性能，在拉拔中使線材斷裂，在冷鐓中使工件開裂。鋼中含磷量要求控制在0.045%以下。

    ⑹其他合金元素鉻（Cr）、鉬（Mo）、鎳（Ni）、釩（V）、鎢（W）等合金元素對鋼的冷變形性能的影響遠不及碳那樣大。一般來講，隨著鋼中合金元素的增加，鋼的機械強度指標、淬透性隨之增加，冷變形性能隨之降低。

    3、金相組織要求

    為使鋼材能更好地適應冷鐓工藝，對于鋼的結構、晶粒大小與形式、非金屬夾雜物的分布都有一定的要求。

    ⑴鋼的組織結構

    鋼中除了鐵素體外，還有珠光體。含碳量越高，珠光體數(shù)量越多。鐵素體是軟的基體，在軟的基體中嵌有硬的珠光體顆粒。成堆的珠光體分布對于冷變形是不利的，會形成裂紋。鋼材的組織要緊密均勻，因此。冷鐓用鋼要用盡可能均勻分布、球狀的晶粒結構。

    ⑵晶粒度

    金屬的變形是由于晶粒的滑移和晶粒本身的變形而發(fā)生的。在一定的體積內(nèi)，細晶粒金屬的晶粒數(shù)必然比粗晶粒金屬的多，塑性變形時位向有利于滑移的晶粒也較多，變形能夠較均勻地分散到各個晶粒。相應地細晶粒金屬的變形不均勻性和由于變形不均勻性所引起的應力集中均較小，使開裂的機會也小，出現(xiàn)開裂前可承受的塑性變形量增加，對外反映出塑性較好。晶粒越小，所產(chǎn)生的激發(fā)相鄰晶粒滑移的應力也越小。為使變形繼續(xù)進行，必須增大外加的應力，對外反映出變形抗力較大。因此冷鐓不宜采用過細晶粒的鋼材。晶粒太大，又會使工件表面粗糙，產(chǎn)生明顯的傷痕和裂紋。粗晶粒鋼的加工硬化敏感性比細晶粒鋼大，塑性較差，冷變形性能也差。冷鐓用鋼的晶粒度要求為4-6級，晶粒的大小規(guī)范如下：晶粒平均直徑約（0.02-0.06）mm；每mm2晶粒數(shù)約為250-2300個；晶粒的平均面積約（400-4000）μm2。

    ⑶非金屬夾雜物

    不管用什么方法冶煉鋼材，總會有或多或少的非金屬夾雜物。氧化物或硫化物等夾雜物，會使金屬緊密的晶體結構發(fā)生間斷。夾雜物的形式、數(shù)量和分布情況不同，對于鋼材的冷變形性能的影響也各異。冷鐓用線材是熱軋鋼材經(jīng)冷拔后使用的，在軋制和冷拔過程中，這些夾雜物已沿著變形方向被拉長。一般說來，細微、均勻分布的夾雜物為害不大。細小且分散的硫化物夾雜物可以較好地隨著變形方向變形，因而較其他一些隨之變形的夾雜物為害稍小。特別有害的是氧化鋁夾雜物。氧化鋁微小顆粒不僅極硬，會損傷模具；而且很難與鋼的基體結合在一起，常常在劇烈的冷變形中使工件產(chǎn)生撕裂。粗的或者細而局部集中的夾雜物，對鋼的冷鐓性能影響很大。

    4、表面質量要求

    普通熱軋鋼的表面狀態(tài)大多數(shù)不夠好。熱軋鋼材的表面缺陷經(jīng)過冷拔（如果壓縮比太小）也無法消除，造成冷鐓產(chǎn)品的表面缺陷及廢品，嚴重的將無法進行生產(chǎn)。

    ⑴坯料表面缺陷

    鋼在冶煉時，鋼錠留有的氣泡、縮孔等缺陷。經(jīng)過熱軋和冷拔，使線材帶有比較嚴重的貫穿性縱裂，在鐓鍛時會明顯地暴露在產(chǎn)品表面。原材料在軋制中的折疊、耳子、偏析、裂縫等缺陷，在冷鐓中會造成嚴重危害。如：螺栓的斷頭、螺母的開裂；工件在搓制螺紋時，螺坯被碾壓成兩半等。原材料在酸洗中處理不當，在鋼材表面產(chǎn)生麻點、銹蝕。如果麻點、銹蝕輕微，經(jīng)過冷拔，凹坑被拉長，在表面基本上顯不出痕跡，冷鐓中不致于因此而出現(xiàn)裂紋。如果凹坑嚴重就會形成裂口；裂口多呈現(xiàn)于工件變形量大的棱角處。材料表面裂縫等缺陷越深，冷變形性能就越差。實驗表明：無論冷拔還是冷鐓，裂紋的形狀對于變形程度的影響不大，但是裂紋深度的影響是很大的。對于變形程度較大的冷鐓材料，表面缺陷的臨界深度是0.04-0.10mm,更深的缺陷必須避免。

    鋼材在低碳氣氛中加熱會引起脫碳。雖然脫碳從產(chǎn)品的外觀質量看不出什么，但是工件表面含碳量的任何變化都會對工件的機械性能產(chǎn)生重大影響。特別對含碳量0.30%以上的鋼材，表面脫碳對工件的疲勞強度和耐磨性明顯有害。為防止脫碳材料在退火時，應使用保護氣體。

    和脫碳相反的是滲碳。鋼在高溫高碳環(huán)境中會產(chǎn)生滲碳。盡管滲碳對于成品是相當于在軟核上產(chǎn)生硬殼是可以接受的，有時是需要采用的方法，但是對于冷鐓工藝來說是相當有害的。有滲碳層的鋼材表面象蛋殼那樣又薄又硬。在材料改制或者冷鐓時，材料表面會產(chǎn)生裂口或者剝離，降低鋼材的冷變形性能。因此，冷鐓用鋼材應當完全避免脫碳和滲碳。鋼材的脫碳和滲碳情況可采用金相顯微鏡檢查。

    ⑵尺寸精度要求

    線材的尺寸精度對于冷鐓產(chǎn)品質量及工藝過程有很大影響。冷鐓用線材和模具通常是專業(yè)化分別加工的。若線材直徑超出最大允許值，則鐓鍛時工件頭部的金屬就過多，將產(chǎn)生不良飛邊或者使工件桿部彎曲?；蛘咭蚓€材直徑大于凹模?？字睆蕉惯M料困難。以及工件桿部被凹模孔拉毛，在?？變?nèi)急劇形成金屬瘤。若線材直徑小于最小允許值，則在鐓鍛時金屬不能完全充滿模腔，造成工件棱角不清。所以冷鐓用材料要充分接近真圓，直徑均勻。冷鐓用線材的直徑允差一般為0.20-0.35mm，不圓度允差為直徑允差的1/2。