冷镦钢SWRCH22A在首钢的生产实践

SWRCH22A通常用作自攻螺钉，该类冷镦钢质量应满足如下要求：

（1）避免表面脱碳。表面脱碳会造成螺钉表面强度降低、疲劳寿命大幅度下降，因此生产时需避免冷镦钢表面脱碳；

（2）晶粒度不能太细。冷镦钢内部组织不同于其他钢种，晶粒度不是越细越好。晶粒太细，抗拉强度、屈服强度升高，导致变形抗力增大，对冷镦成形不利；

（3）表面质量要达到一定标准。国内冷镦钢与国外冷镦钢质量的主要差距体现在表面质量上。标准件厂统计表明，因钢材表面存在折叠、划伤、密集的发纹、局部微裂纹及结疤等缺陷造成冷镦产品开裂占表面缺陷总量的80％～85％。钢材表面0.1mm以上的划伤往往造成产品1/2顶锻开裂。要保证产品1/3顶锻合格，局部划伤不应超过0.07mm，其他表面缺陷不应存在。 1. SWRCH22A成分控制

首钢SWRCH22A冷镦钢的成分控制按Q/SG–ZGS312–2002《冷镦和冷挤压用钢》标准执行，见表1。

表1 首钢WRCH22A钢成分 % 化学成分 C Si Mn P S Al 0.18～0.70～≥含量 ≤0.10 ≤0.025 ≤0.025 0.23 1.00 0.020 同时考虑以下2个因素： （1）铝含量。低碳铝镇静钢要求钢中有一定的酸溶铝，以抑制钢水氧化性，提高钢的冷镦性能及防止时效，故[Al]T含量为0.030％～0.040％、AlS含量为0.025％～0.035％；

（2）硅含量。硅含量高将增加加工硬化率，造成冷拔过程中钢丝强度增加并降低钢的冷镦性能，应使硅含量尽可能不大于0.05％。 2. 首钢SWRCH22A生产工艺 2.1工艺路线

SWRCH22A生产工艺路线为：铁水脱硫站脱硫→210t转炉冶炼→挡渣出钢→钢包预脱氧、合金化→LF钢包精炼→160mm×160mm铸机浇注→轧制钢材→检验→包装。 2.2轧钢工艺

SWRCH22A盘条用于制作变形量较大的自攻螺钉，要求盘条具有良好的塑性，满足热处理工艺的轧材晶粒尺寸。确定轧制工艺原则为降强度、保塑性。为确保盘条具有良好的塑性，盘条的组织应为细铁素体加细珠光体，晶粒度以9～10级为宜。因此，SWRCH22A轧后应采用较高的吐丝温度及缓慢冷却的控冷工艺。 3. SWRCH22A控冷工艺优化

首钢第一线材厂自2006年2月开始试生产SWRCH22A，2～3月试验加盖全部保温罩和打开保温罩2种控冷工艺。但试验结果表明抗拉强度偏高，且波动较大。3月试生产的SWRCH22A的抗拉强度平均为512MPa，最高为570MPa，最低为470MPa，其中8.7％批次的抗拉强度大于530MPa。用户特别是北方用户因装备水平较差而反映强烈。

经研究分析认为，钢中较高的铝、氮含量导致了AlN数量的增加。经透射电镜观察，AlN在晶内和晶界上均有析出。

AlN粒子的析出既受不同温度下奥氏体或铁素体中铝、氮原子溶解度的限制，又受铝、氮原子扩散的控制，因此不论是在奥氏体相区，还是铁素体相区，都存在AlN相析出的“峰值”温度。用热模拟机试验确定了SWRCH22A铁素体中AlN相析出的“峰值”温度

后，第一线材厂尝试在AlN相析出的“峰值”温度段快冷、而在其他温度段缓冷的控冷工艺，从而减少了AlN的弥散析出。 此工艺实施后，取得了较好的效果，抗拉强度达到480～520MPa，平均为505MPa，较2006年3月降低了7MPa，强度波动范围明显缩小，特别是高限强度值有较大幅度降低。2006年4～5月第一线材厂生产的SWRCH22A的理化性能见表2，强度分布见表3。 表2 2006年4～5月第一线材厂生产的SWRCH22A理化性能 化学成分/% 抗拉强度/MPa 时间/平均最高月 C Si Mn Al 最低值 值 值 0.19～0.01～0.81～0.024～4 505.4 535 470 0.22 0.06 0.89 0.047 0.18～0.01～0.81～0.022～5 505.6 540 470 0.23 0.07 0.89 0.054 表3 2006年4～5月第一线材厂生产的SWRCH22A抗拉强度分布 序号 抗拉强度/MPa 百分数/% 1 461～470 4 2 471～480 10 3 481～490 36 4 491～500 32 5 501～510 45 6 511～520 36 7 521～530 26 8 531～540 8 4. SWRCH22A中的碳含量对强度的影响 首钢对SWRCH22A中的碳含量对产品强度的影响进行了统计，结果见表4。 表4 SWRCH22A中的碳含量对产品强度的影响 抗拉强度/MPa 生产时 统计批， 碳含量/% 间/月 次/次 平均值 最高值 最低值 标准差 0.19 20 506 530 485 12.94 4 0.20 34 511 535 485 14.72 0.19 12 500 520 485 11.77 5 0.20 31 507 540 475 16.84 0.21 48 508 540 480 16.55 注：为避免偶然误差，对轧制批次少于6批的产品未纳入统计中。 由表4可见，碳含量的增加对产品的强度有一定影响，碳含量每增加0.01％，SWRCH22A产品的抗拉强度平均增加5MPa。 5. 结论

（1）SWRCH22A产品按第二炼钢厂冶炼、第一线材厂轧制的工艺路线生产可行； （2）通过优化控冷工艺可减轻AlN对SWRCH22A产品强度的影响； （3）SWRCH22A中的碳含量对产品强度的影响不可忽视。（叶少峰）

自攻螺钉用钢的质量分析

自攻螺钉是一种轻结构紧固件，能在一定的压力和转速下，迅速钻入一定厚度的纤维板或普通低碳钢板。为了实现上述特点，第一，自攻螺钉要采用冷镦成型工艺，以提高产品的强度、弹性极限和韧性；第二，自攻螺钉的头要尖，比如十字槽双线快牙墙板螺钉头部尖角为25°～28°；第三，自攻螺钉对表面硬度、渗碳层深度、芯部硬度及扭力矩都有严格要求。

SWRCH22A是一种典型的自攻螺钉专用钢种。为满足其制作工艺的特殊要求，对盘条质量提出以下要求：①良好的冷镦性能，1/2冷镦合格率100%，1/3冷镦合格率＞95%；②搓尖性能好，搓尖合格率＞95%；③拉拔性能好，线材压缩率＞70%④满足渗碳淬火处理的盘条晶粒尺寸。

自攻钉加工工艺与原料质量

自攻螺钉的生产大致分为制坯、冷镦成型、搓丝和成品螺钉渗碳淬火处理等四个工序。分别对盘条性能与各工序生产及产品质量间关系进行分析。 1制坯工序

通常采用工艺为：∮6.5mm盘条→机械剥壳→冷拔(四～六道)→∮3.65～2.35mm钢丝→热处理(700℃～720℃／4～5．5h)→罐冷→出罐→精拔∮3.55～2.25mm钢丝。粗拉拔减面率70～85%，精拉拔减面率10%。

影响该工序生产的主要问题是原材料的冷拔断裂、钢丝硬化速率快、拉丝模消耗大。冷拔断裂主要是氧化物夹杂的大量存在所致，图1为大颗粒Al2O3引起断裂的典型断口形貌；此外钢材表面缺陷(折叠、微裂)也是引起断裂的重要原因。

含有较多氧化物夹杂的原材料，在冷拔过程中．由于氧化物的相对变形率较小．所以基体与氧化物不会同时变形．这样在拉应力的作用下必然会以“脱开”的方式而形成微裂，随着内应力在微裂处的高度集中，引起微裂的扩展聚合，最后导致断裂。

此外原材料随着冷拔减面率的增大，硬化严重对断裂的敏感性增大。钢丝硬化速率快与钢中Si含量有关随硅的增加，钢的σb、HB的增大与δ、ψ的下降十分显著。 为满足自攻钉制坯工序大减面率拔丝工艺的要求，必须严格控制控制Als/Alt＞0.95，减少大颗粒Al2O3夹杂的数量，同时尽量将Si含量降低到0.04%以下。 2冷镦成型工序

该工序出现的废品为螺钉帽裂。从镦裂形态分析，导致开裂的原因应有以下几个方面。

1)盘条表面质量

这是影响自攻钉冷镦成型的最直观的因素。盘条表面局部存在的裂纹、折叠等缺陷造成分布不均的帽裂废品。丝径偏大的产品镦裂比例大于小螺钉。 2)夹杂物的影响

由于拉拔减面率极大，原盘条内部夹杂移至近表面，导致螺钉呈“炸裂”形态。 3)钢丝球化效果的影响

按紧固件行业标准，自攻钉生产要求钢丝球化处理后球化级别达到4级以上，由于一些自攻钉生产厂采用土炉进行退火，炉温控制波动范围大，未达到球化效果，钢丝塑性差，冷镦时螺帽亦呈45度剪裂。 3搓丝工序

该工序出现废品为螺钉断尖或搓丝尖裂，这也是自攻钉生产出现问题最多的一个工序。

螺钉断尖或搓丝尖裂宏观呈扁头状、“菜花”状或无头状等。金相观察均为粗大裂纹，同样发现孔洞、微裂处常伴随有夹杂和游离渗碳体(粒状碳化物)。试样表面常有不同程度的微细裂纹。 1)夹杂物的影响

通过金相和电镜观察认为螺钉的尖裂均与氧化物夹杂的存在有关。当氧化物夹杂处在螺钉端部时．在搓丝过程中，由于剪切、挤压应力综合作用及尖部变形量较大，氧化物与基体间的内应力集中，造成尖端部剪切撕裂，呈扁头状，甚至因表裂与内裂的贯通而掉头呈无头状。可以说，夹杂物处于制品的关键部位，在应力的作用下，即使检验结果达标也有形成裂纹的可能性。 2)轧材中心致密性的影响

通过金相和电镜观察螺钉部分空芯试样是由于盘条存在缩孔及疏松缺陷导致。 3)热处理的影响

从热处理后的搓丝试样的检验结果可知，由于热处理时退火温度偏高时间较长，使试样表面脱碳严重，基体碳化物颗粒粗大，呈游离渗碳体形态。大量研究认为，游离渗碳体主要是珠光体转变的产物或称为珠光体的离异。这样的搓丝变形过程中，由于表面脱碳而成为“弱区”，在内应力的作用下极易产生微裂；因基体中珠光体球化后的粗大碳化物(游离渗碳体)的存在，其变形率极小，相当于不变形夹杂物。同样在多向应力的作用下．往往在碳化物与基体间形成孔洞或微裂。当该处位于螺钉端部时，由于变形量较大，内应力集中，尖端孔洞或微裂进—步扩展成为粗大裂纹即尖裂。当其位于螺钉腹部时，即可造成“隐患”而影响螺钉的使用强度，造成扭力矩不合。因此认为，游离渗碳体的存在同样和夹杂一样可以成为裂纹源，在内应力的作用下引发裂纹萌生和扩展。 4盘条晶粒尺寸对成品螺钉淬透性能的影响

将不同晶粒尺寸的盘条、制钉用钢丝及热处理后螺钉的金相组织进行比较.

关于晶粒尺寸与淬透性的相互关系有文献进行了大量研究。研究认为由奥氏体向马氏体的转变行为以及由奥氏体形成的显微组织的机械性能都受到原奥氏体晶粒尺寸的影响。影响机理是若钢中奥氏体细小，可供形核的位臵就比较多，奥氏体受扩散控制形成先共析相或铁素体与渗碳体的转变就会加快，在马氏体显微组织中残余奥氏体数量增加，使淬透性降低硬度下降。即在相同热处理条件下(淬火温度及介质、冷却速率、工件尺寸等)，过细的盘条晶粒使由奥氏体转变为马氏体的百分数少，导致淬透性下降，影响自攻钉硬度和强度性能。

SWRCH22A为含铝碳素钢，要求钢中A1≥0.02%，一般将A1控制在0.040～0.060%。由于冶炼工艺的差异，钢中氮含量波动范围在40～80ppm。钢中较高的铝、氮含量导致了A1N数量增加。透射电镜分析在晶界上观察有A1N粒子的弥散析出。A1N粒子一般呈细小弥散析出，AIN粒子越多，越细小，则对阻止晶界迁移越有利，根据第二相粒子钉扎晶界理论，可以获得小的奥氏体晶粒。

A1N粒于的析出既受不同温度下奥氏体(或铁素体)中铝、氮原子溶解度的限制，又受铝氮原子扩散所控制，因此，不论是在奥氏体相区，还是铁素体相区，都存在AlN相析出的峰值温度。有研究表明700～750℃和1000～1050℃分别为铁素体和奥氏体中A1N相析出“峰值”温度。但由于铝、氮原子在铁素体中比奥氏体中溶解度小得多及扩散激活能也小，因此，铁素体相远比奥氏体相更有利于A1N相析出。显然，高线控冷工艺对A1N相析出十分有利，A1N相的大量析出是盘条晶粒较小的主要原因；22A盘条经拉拔成钢丝后的700～750℃退火处理时，AlN相大量弥散析出也同样有效地抑制了晶粒的长大，使钢丝的晶粒尺寸仍然较小。这种效果在A1s含量为0.040～0.060%时尤其显著。 结语

(1)夹杂物是影响本产品拉拔性、冷镦性、搓尖性的主要因素之一。

(2)热处理不当球化级别低及形成游离渗碳体亦会导致螺帽镦裂和搓丝尖裂。 (3)控制成品硅＜0.10%，Als/Alt＞0.95，钢中氮＜60ppm，降低非金属夹杂物含量，减少偏析与不致密性，提高钢材的综合性能是自攻钉用钢的质量要求。

(4)SWRCH22A为含铝碳素钢，优化钢中Als含量，降低N含量，抑制AlN析出，控制盘条适宜的晶粒尺寸，是保证自攻钉硬度和强度性能的有效措施。