SWRCH22A自攻螺釘生產質量問題改善

溫國棟，利 強，薛 偉

（天津榮程聯合鋼鐵集團有限公司，天津300352）

0 引言

SWRCH22A系表面硬化型冷鐓鋼熱軋盤條主要用于生產自攻螺釘。自攻螺釘主要生產工序包括拉拔、退火、鐓頭、搓絲、滲碳、淬火和表面處理。

以轉爐→LF→連鑄Φ250 mm圓坯→高線工藝流程生產的Φ6.5 mm SWRCH22A熱軋盤條在使用時出現氧化鐵皮殘留、拉拔斷裂、硬度不均勻、搓絲尖裂、扭矩不合格問題等若干質量問題。針對質量問題，本文探討了其產生原因，同時制定了有效的改進措施。

1 質量問題描述

1.1 氧化鐵皮殘留

生產中發現，盤條在機械剝殼后表面仍然殘留有氧化鐵皮。通過掃描電子顯微鏡觀察發現，盤條氧化鐵皮結構由基體向外依次為FeO→Fe3O4→Fe2O3，氧化鐵皮總厚度 6.48 μm，FeO 厚度 2.01 μm，比例約31%，如圖1所示。

圖1 氧化鐵皮結構

采用能譜儀分析氧化鐵皮結構中的各Fe和O原子百分比，結果如表1所示。

表1 氧化鐵皮分析

1.2 拉拔斷裂

斷裂鋼絲表面存在“人”字形裂紋，并且裂紋于鋼絲一側分布，斷裂源即裂紋處，如圖2所示。觀察裂紋處縱向顯微組織發現，基體為正常拉拔變形的（鐵素體+珠光體），裂紋處為棕黃色馬氏體組織，如圖3所示。

圖2 斷裂鋼絲形貌

圖3 裂紋處馬氏體

1.3 硬度不均勻

拉拔收線時發現鋼絲硬度不均勻，剪斷時有軟有硬。觀察球化退火前粗拔鋼絲金相試樣發現，軟、硬處的組織分布存在明顯差異，硬處（鐵素體+珠光體）分布不均勻，偏析嚴重，分別如圖4、圖5所示。

圖4 硬處偏析

圖5 軟處偏析

粗拔鋼絲球化退火后的顯微組織分別如圖6、圖7所示。由圖可見，球化退火后鋼絲硬處球狀珠光體彌散程度較差。

圖6 硬處球化退火組織

圖7 軟處球化退火組織

1.4 搓絲尖裂

搓絲尖裂問題表現為搓絲時釘尖開裂、掉尖，如圖8所示。其縱向顯微組織為（鐵素體+片狀珠光體），無球化退火組織形貌，如圖9所示。

1.5 扭矩不合格

扭矩不合格自攻螺釘斷口中心位置存在明顯的孔洞，如圖10所示。在掃描電子顯微鏡下放大觀察發現孔洞中保留著樹枝晶形貌，如圖11所示。所以中心孔洞即連鑄坯縮孔經軋制后，在盤條中心形成的殘余縮孔。

圖8 尖裂形貌

圖9 異常球化退火組織

圖10 斷口中心孔洞

圖11 樹枝晶形貌

2 探討與優化

2.1 斷裂和開裂原因

潤滑、冷卻、拉速、模具等拉拔條件的異常變化使得鋼絲表面受到快速摩擦、刮削，瞬間的升溫放熱過程導致表面產生馬氏體，馬氏體在繼續拉拔后于鋼絲表面產生橫裂，橫裂延伸形成“人”字形裂紋，最終導致拉拔斷裂。

井式退火爐球化退火溫度過高，超過A1點溫度過多，滲碳體不是發生溶斷球化，而是部分甚至完全奧氏體化，在緩冷時重新析出形成片狀珠光體。搓絲時，片狀珠光體受擠壓無法均勻變形，導致尖裂。

綜上所述，改善拉拔條件、制定合理的球化退火工藝，可以避免使用時出現拉拔斷裂和搓絲尖裂問題。

2.2 盤條表面氧化鐵皮影響

盤條氧化鐵皮中FeO比例較低，Fe3O4比例較高，局部出現Fe2O3，導致機械剝殼不徹底、氧化鐵皮殘留。Fe3O4含量較多的氧化鐵皮結構致密，在后續深加工過程中，氧化鐵皮與基體粘附性好是盤條難于機械剝殼除鱗的主要原因[1]。另外，575℃以下緩慢冷卻，FeO向（αFe+Fe3O4）方向分解，亦增加了Fe3O4的含量。

提高吐絲溫度，可以增加氧化鐵皮厚度，同時增加氧化鐵皮中的FeO比例；同時，在相變結束后開啟部分保溫罩，提高冷速，降低集卷溫度，可以減少Fe3O4的析出。

對生產工藝進行了優化，將吐絲溫度由840℃提高至890℃，集卷溫度由700℃降低至550℃后盤條氧化鐵皮結構得到改善，由基體向外依次為FeO和Fe3O4，氧化鐵皮總厚度8.12 μm，FeO厚度4.54 μm，比例約56%，如圖12所示，解決了機械剝殼后盤條表面氧化鐵皮的殘留問題。

圖12 工藝優化后氧化鐵皮結構

2.3 鑄態組織影響

連鑄生產過程，拉速波動、高過熱度、絮水口以及末端電磁攪拌（F-EMS）故障等工藝異常加劇了C、Mn元素的偏析，惡化了連鑄坯結晶組織，導致連鑄坯縱向局部偏析和中心疏松、縮孔嚴重。在相同加熱條件下，偏析處組織遺傳，盤條局部的錠型偏析嚴重，最終導致拉拔退火后，球化組織不均勻、鋼絲硬度不均勻；另外中心疏松、縮孔無法軋合，盤條不致密，降低了自攻螺釘的強度。

在恒拉速、低過熱度等穩定澆注條件下，末端電磁攪拌可以改善柱狀晶區和中心等軸晶區（糊狀區）交界處凝固前沿鋼水的流動狀態，“破壞和阻礙粗大柱狀晶的長大形成，使心部富集溶質的糊狀液體分散趨于均勻[2]”，降低偏析程度。同時明顯降低連鑄坯中心疏松、縮孔缺陷級別。

開啟、關閉末端電磁攪拌后的連鑄坯結晶組織低倍形貌分別如圖13、圖14所示。

圖13有F-EMS

圖14無F-EMS

由圖可見，連鑄坯偏析和中心疏松明顯改善并且無縮孔。軋制的盤條使用后，鋼絲硬度均勻、自攻螺釘扭矩穩定合格。

3 結語

（1）末端電磁攪拌參數、吐絲溫度、拉拔和球化退火工藝等，是影響SWRCH22A熱軋盤條加工性能以及自攻螺釘使用性能的關鍵質量控制點。通過改善拉拔條件、制定合理的球化退火工藝，可以避免使用時出現拉拔斷裂和搓絲尖裂問題。

（2）將盤條軋制時的吐絲溫度由840℃提高至890℃，集卷溫度由700℃降低至550℃后，盤條氧化鐵皮結構得到改善，機械剝殼質量得到提高。

（3）開啟連鑄結晶器末端電磁攪拌可以降低偏析程度，明顯降低連鑄坯中心疏松、縮孔缺陷級別軋制的盤條使用后，鋼絲硬度均勻、自攻螺釘扭矩穩定合格。

[1]羅志俊.熱軋工藝對低碳冷鐓鋼盤條表面氧化鐵皮的影響[J].首鋼科技，2013，(3)：30.

[2]邵明海.凝固末端電磁攪拌技術在特鋼連鑄上的應用[J].萊鋼科技，2011，(1)：68.