冷鐓工藝對材料的要求

但紅旭

【摘要】根據冷鐓工藝的特點，從材料的性能、內部組織結構、表面質量、鋼材標準化、材料的改制過程等多方面分析冷鐓工藝對材料的要求。并突出說明了對冷鐓材料實現怎樣的優(yōu)化才能更加滿足冷鐓工藝的要求提出實際的措施。

【關鍵詞】冷鐓工藝、材料

引言

利用模具在常溫下對金屬線材鐓粗（常為局部鐓粗）成形的鍛造方法，稱之為冷鐓成形。冷鐓工藝對于大批量生產的汽車、摩托車、自行車、家電、工程機械、鋼結構等零件的自動化生產是必不可少的制造方法，同切削加工能工相比，金屬纖維（金屬流線）沿產品形狀呈連續(xù)狀，晶粒無斷開，因而提高了產品強度，特別是機械性優(yōu)良，且節(jié)省了原材料。

1、材料性能要求

根據冷鐓工藝特點，對冷鐓材料的性能有很高的要求：1）屈服強度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。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、材料微觀要求

同時，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。1）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。2）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，細晶粒金屬的晶粒數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晶粒數約為250-2300個;晶粒的平均面積約（400-4000）μm²。3）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。

3、材料表面質量

還有，材料表面質量要求也對冷鐓工藝影響很大，普通熱軋鋼的表面狀態(tài)大多數不夠好。熱軋鋼材的表面缺陷經過冷拔（如果壓縮比太小）也無法消除，造成冷鐓產品的表面缺陷及廢品，嚴重的將無法進行生產。?1）坯料表面缺陷：鋼在冶煉時，鋼錠留有的氣泡、縮孔等缺陷。經過熱軋和冷拔，使線材帶有比較嚴重的貫穿性縱裂，在冷鐓時會明顯地暴露在產品表面。原材料在軋制中的折疊、毛剌、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，螺桿直接裂開等。原材料在酸洗中處理不當，在鋼材表面產生麻點、銹蝕。如果麻點、銹蝕輕微，經過冷拔，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裂紋。如果凹坑嚴重就會形成裂口;裂口多呈現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。

4、材料狀態(tài)性能

我國緊固件行業(yè)發(fā)生了較大的變化，國外鋼種的引進，材料狀態(tài)性能都有很大提高，具體表現：1）采用國外鋼種牌號如10B22M，10B25LHC，MNB123H等，主要是出口訂單上規(guī)定要使用的牌號;2）同一牌號的鋼種衍生出多個交貨狀態(tài)的品種，如SWRCH35K，有免退火、正火、退火+磷化交貨，滿足不同用戶的需求;3）大量采用合金、低合金鋼種，以適合耐高溫、耐高壓、耐腐蝕的要求，如SNB5-7，SNB16（JIS4107—94），SNB21-24（JIS4108）;4）采用抗延時斷裂用鋼生產的鋼結構用螺栓抗拉強度超過1200MPa。國外一家公司新開發(fā)一種低碳低硬度鋼種，柔韌性好，便用變形，通過冷鐓冷作硬化，硬度性能可以達到12.9級螺栓要求，不經過熱處理工序，有效避免了熱處理變形，保證緊固件尺寸、形位公差要求。

5、材料工藝要求

冷鐓用鋼的材料改制過程是冷鐓生產工藝流程中的重要組成部分，直接影響到冷鐓產品的質量和生產的正常進行。因此，材料改制過程中的優(yōu)化就顯得特別重要。

1）冷鐓盤條強度的優(yōu)化。如果冷鐓盤條含碳量較高，強度較高，可在拉拔前對其進行軟化退火，使其降低冷鐓盤條的硬度，提高塑性和韌性，以便于冷變形加工。如果多道次拉拔使其成品絲中存在殘余應力（殘余應力是產生應力腐蝕和裂紋的根源），可利用再結晶退火，來消除或減少殘余應力，降低冷鐓盤條的強度和硬度。

2）減面率及拉拔道次的優(yōu)化。減面率與拉拔工藝有直接關系，總減面率表明盤條冷拉到什么程度，部分減面率是確定拉拔路線的依據。同一含碳量的冷鐓盤條，由于總減面率的不同，就可判斷它的性能和工藝之難易。

【結語】隨著緊固件工業(yè)的迅猛發(fā)展，新鋼種不斷地開發(fā)和引進，對外的出口日益增多，汽車、石油、機械各行業(yè)的技術進步，對配套的緊固件提出許多新要求，不但是形式尺寸上的，而且是性能與可靠性上的，實際上是對緊固件材料提出更高的要求，相信在不久的未來將有更多優(yōu)質的材料出現，將更適用于冷鐓工藝變形，將更適用于產品性能和尺寸要求。

【參考文獻】

1. 上海市機械配件工業(yè)公司編.多工位冷鐓工藝.機械工業(yè)出版社.1975
2. 楊長順.冷擠壓工藝實踐.國防工業(yè)出版社.1984
3. 龔茂良.緊固件冷擠壓技術及應用.社會科學文獻出版社.2013