自攻螺釘用鋼絲的質量分析

[ 來自:鋼絲     時間:2009.08.31 ]     自攻螺釘是一種輕結構緊固件，能在一定的壓力和轉速下，迅速鉆入一定厚度的纖維板或普通低碳鋼板。為了實現上述特點，第一，自攻螺釘要采用冷鐓成型工藝，以提高產品的強度、彈性極限和韌性；第二，自攻螺釘的頭要尖，比如十字槽雙線快牙墻板螺釘頭部尖角為25°～28°；第三，自攻螺釘對表面硬度、滲碳層深度、芯部硬度及扭力矩都有嚴格要求。

    SWRCH22A是一種典型的自攻螺釘專用鋼種。為滿足其制作工藝的特殊要求，對盤條質量提出以下要求：①良好的冷鐓性能，1/2冷鐓合格率100％，1/3冷鐓合格率＞95％；②搓尖性能好，搓尖合格率＞95％；③拉拔性能好，線材壓縮率＞70％④滿足滲碳淬火處理的盤條晶粒尺寸。


    自攻釘加工工藝與原料質量

    自攻螺釘的生產大致分為制坯、冷鐓成型、搓絲和成品螺釘滲碳淬火處理等四個工序。分別對盤條性能與各工序生產及產品質量間關系進行分析。

    1 制坯工序

    通常采用工藝為：∮6.5mm 盤條→機械剝殼→冷拔(四～六道) →∮3.65～2.35mm鋼絲→熱處理(700℃～720℃／4～5．5h) →罐冷→出罐→精拔∮3.55～2.25mm鋼絲。粗拉拔減面率70～85％，精拉拔減面率10％。

    影響該工序生產的主要問題是原材料的冷拔斷裂、鋼絲硬化速率快、拉絲模消耗大。冷拔斷裂主要是氧化物夾雜的大量存在所致，圖1為大顆粒Al2O3引起斷裂的典型斷口形貌；此外鋼材表面缺陷(折疊、微裂)也是引起斷裂的重要原因。

   
    圖1 氧化物夾雜引起的冷拔斷裂形貌

    含有較多氧化物夾雜的原材料，在冷拔過程中．由于氧化物的相對變形率較?。曰w與氧化物不會同時變形．這樣在拉應力的作用下必然會以“脫開”的方式而形成微裂，隨著內應力在微裂處的高度集中，引起微裂的擴展聚合，最后導致斷裂。

    此外原材料隨著冷拔減面率的增大，硬化嚴重對斷裂的敏感性增大。鋼絲硬化速率快與鋼中Si含量有關，Si含量對力學性能的影響數據見圖2。隨硅的增加，鋼的σb、HB的增大與δ、ψ的下降十分顯著。

   
    圖2 鋼中硅含量對力學性能的影響

    為滿足自攻釘制坯工序大減面率拔絲工藝的要求，必須嚴格控制控制Als/Alt＞0.95，減少大顆粒Al2O3夾雜的數量，同時盡量將Si含量降低到0.04%以下。

    2 冷鐓成型工序

    該工序出現的廢品為螺釘帽裂。從鐓裂形態(tài)分析，導致開裂的原因應有以下幾個方面。

    1） 盤條表面質量

    這是影響自攻釘冷鐓成型的最直觀的因素。盤條表面局部存在的裂紋、折疊等缺陷造成分布不均的帽裂廢品。絲徑偏大的產品鐓裂比例大于小螺釘。

    2） 夾雜物的影響

    由于拉拔減面率極大，原盤條內部夾雜移至近表面，導致螺釘呈“炸裂”形態(tài)。

    3） 鋼絲球化效果的影響

    按緊固件行業(yè)標準，自攻釘生產要求鋼絲球化處理后球化級別達到4級以上，由于一些自攻釘生產廠采用土爐進行退火，爐溫控制波動范圍大，未達到球化效果，鋼絲塑性差，冷鐓時螺帽亦呈45度剪裂。

    3 搓絲工序

    該工序出現廢品為螺釘斷尖或搓絲尖裂，這也是自攻釘生產出現問題最多的一個工序。

    螺釘斷尖或搓絲尖裂宏觀呈扁頭狀、“菜花”狀或無頭狀等。金相觀察均為粗大裂紋，同樣發(fā)現孔洞、微裂處常伴隨有夾雜和游離滲碳體(粒狀碳化物)。試樣表面常有不同程度的微細裂紋。

    1） 夾雜物的影響

    通過金相和電鏡觀察認為螺釘的尖裂均與氧化物夾雜的存在有關。當氧化物夾雜處在螺釘端部時．在搓絲過程中，由于剪切、擠壓應力綜合作用及尖部變形量較大，氧化物與基體間的內應力集中，造成尖端部剪切撕裂，呈扁頭狀，甚至因表裂與內裂的貫通而掉頭呈無頭狀?？梢哉f，夾雜物處于制品的關鍵部位，在應力的作用下，即使檢驗結果達標也有形成裂紋的可能性。

    2） 軋材中心致密性的影響

    通過金相和電鏡觀察螺釘部分空芯試樣是由于盤條存在縮孔及疏松缺陷導致。見圖3。

   
    圖3  縮孔引起的螺釘尖裂空芯形貌

    3） 熱處理的影響

    從熱處理后的搓絲試樣的檢驗結果可知，由于熱處理時退火溫度偏高時間較長，使試樣表面脫碳嚴重，基體碳化物顆粒粗大，呈游離滲碳體形態(tài)。大量研究認為，游離滲碳體主要是珠光體轉變的產物或稱為珠光體的離異。這樣的搓絲變形過程中，由于表面脫碳而成為“弱區(qū)”，在內應力的作用下極易產生微裂；因基體中珠光體球化后的粗大碳化物(游離滲碳體)的存在，其變形率極小，相當于不變形夾雜物。同樣在多向應力的作用下．往往在碳化物與基體間形成孔洞或微裂。當該處位于螺釘端部時，由于變形量較大，內應力集中，尖端孔洞或微裂進—步擴展成為粗大裂紋即尖裂。當其位于螺釘腹部時，即可造成“隱患”而影響螺釘的使用強度，造成扭力矩不合。因此認為，游離滲碳體的存在同樣和夾雜一樣可以成為裂紋源，在內應力的作用下引發(fā)裂紋萌生和擴展。

    4 盤條晶粒尺寸對成品螺釘淬透性能的影響

    將不同晶粒尺寸的盤條、制釘用鋼絲及熱處理后螺釘的金相組織進行比較，見圖4～6。

   
    圖4 不同晶粒尺寸盤條的室溫組織比較


   
    圖5 盤條拉拔退火后鋼絲的室溫組織比較


   
    圖6 螺釘淬火回火后的室溫組織比較

    關于晶粒尺寸與淬透性的相互關系有文獻進行了大量研究。研究認為由奧氏體向馬氏體的轉變行為以及由奧氏體形成的顯微組織的機械性能都受到原奧氏體晶粒尺寸的影響。影響機理是若鋼中奧氏體細小，可供形核的位置就比較多，奧氏體受擴散控制形成先共析相或鐵素體與滲碳體的轉變就會加快，在馬氏體顯微組織中殘余奧氏體數量增加，使淬透性降低硬度下降。即在相同熱處理條件下（淬火溫度及介質、冷卻速率、工件尺寸等），過細的盤條晶粒使由奧氏體轉變?yōu)轳R氏體的百分數少，導致淬透性下降，影響自攻釘硬度和強度性能。

    SWRCH22A為含鋁碳素鋼，要求鋼中A1≥0.02%，一般將A1控制在0.040～0.060%。由于冶煉工藝的差異，鋼中氮含量波動范圍在40～80ppm。鋼中較高的鋁、氮含量導致了A1N數量增加。透射電鏡分析在晶界上觀察有A1N粒子的彌散析出。A1N粒子一般呈細小彌散析出，AIN粒子越多，越細小，則對阻止晶界遷移越有利，根據第二相粒子釘扎晶界理論，可以獲得小的奧氏體晶粒。A1N粒于的析出既受不同溫度下奧氏體(或鐵素體)中鋁、氮原子溶解度的限制，又受鋁氮原子擴散所控制，因此，不論是在奧氏體相區(qū)，還是鐵素體相區(qū)，都存在AlN相析出的峰值溫度。有研究表明700～750℃和1000～1050℃分別為鐵素體和奧氏體中A1N相析出“峰值”溫度。但由于鋁、氮原子在鐵素體中比奧氏體中溶解度小得多及擴散激活能也小，因此，鐵素體相遠比奧氏體相更有利于A1N相析出。顯然，高線控冷工藝對A1N相析出十分有利， A1N相的大量析出是盤條晶粒較小的主要原因；22A盤條經拉拔成鋼絲后的700～750℃退火處理時，AlN相大量彌散析出也同樣有效地抑制了晶粒的長大，使鋼絲的晶粒尺寸仍然較小。這種效果在A1s含量為0.040～0.060%時尤其顯著。

    結語

    （1）夾雜物是影響本產品拉拔性、冷鐓性、搓尖性的主要因素之一。

    （2）熱處理不當球化級別低及形成游離滲碳體亦會導致螺帽鐓裂和搓絲尖裂。

    （3）控制成品硅＜0.10％，Als/Alt＞0.95，鋼中氮＜60ppm，降低非金屬夾雜物含量，減少偏析與不致密性，提高鋼材的綜合性能是自攻釘用鋼的質量要求。

    （4）SWRCH22A為含鋁碳素鋼，優(yōu)化鋼中Als含量，降低N含量，抑制AlN析出，控制盤條適宜的晶粒尺寸，是保證自攻釘硬度和強度性能的有效措施。

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