徐倩，徐壯

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津300301）

SWRCH22A冷鐓鋼盤(pán)條拉拔斷裂原因分析

徐倩，徐壯

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津300301）

針對(duì)SWRCH22A冷鐓鋼盤(pán)條在拉拔過(guò)程中發(fā)生斷裂的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)斷裂試樣化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織等方面進(jìn)行檢測(cè)，分析出產(chǎn)生原因是盤(pán)條金相組織存在混晶和具有不利于拉拔的魏氏組織；鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%，含量偏高，造成盤(pán)條抗拉強(qiáng)度較高。提出了采用將吐絲溫度控制在950℃以下，輥道速度控制在0.25m/s以下，碳含量控制在中下限等改進(jìn)措施。

冷鐓鋼；拉拔；盤(pán)條；魏氏組織

1　引言

冷鐓鋼盤(pán)條是緊固件行業(yè)使用最廣泛的原材料，主要用于制造螺栓、螺母、螺釘、自攻螺釘?shù)染o固件，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)、汽車(chē)制造業(yè)和建筑工業(yè)。由于其在加工過(guò)程中變形速度快、變形量大，容易造成拉拔及冷鐓開(kāi)裂，所以必須要求冷鐓鋼盤(pán)條具有良好的加工性能和力學(xué)性能［1］。SWRCH22A盤(pán)條是制作自攻螺釘?shù)牡湫弯摲N，由于其使用特點(diǎn)，要求其具有良好的拉拔加工性能、較高的冷鐓成型及搓絲合格率。SWRCH22A盤(pán)條在某生產(chǎn)廠(chǎng)家發(fā)往下游廠(chǎng)家使用過(guò)程中出現(xiàn)拉拔斷裂，為查明斷裂原因，本文針對(duì)斷裂的SWRCH22A盤(pán)條進(jìn)行檢測(cè)和分析。

2　盤(pán)條使用情況分析

下游廠(chǎng)家使用SWRCH22A盤(pán)條生產(chǎn)自攻螺釘?shù)倪^(guò)程分為拉拔制坯、冷鐓成型、搓絲和成品螺釘滲碳淬火處理等四個(gè)工序。拉拔工序?yàn)?.5mm盤(pán)條——機(jī)械剝殼——冷拔（5道次）——Φ3.12mm鋼絲。盤(pán)條經(jīng)拉拔在成品道次斷裂2次，對(duì)斷裂試樣進(jìn)行觀察：盤(pán)條表面光潔，沒(méi)有耳子、裂紋、折疊、結(jié)疤等妨礙使用的缺陷，斷裂形貌全部為斷裂源在表面的斜茬斷裂，宏觀形貌見(jiàn)圖1。

圖1　斷口宏觀形貌

機(jī)械剝殼受盤(pán)條氧化鐵皮厚度、結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)多重因素的影響，對(duì)于SWRCH22A盤(pán)條，如果氧化鐵皮去除率不高，盤(pán)條表面帶潤(rùn)滑料效果不好，盤(pán)條表面不能形成均勻穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，就會(huì)使裸露發(fā)亮的金屬與拉絲模具直接接觸，產(chǎn)生粘附，極易造成斷絲。下游廠(chǎng)家使用若干壓輪，各壓輪成一定角度，盤(pán)條在壓輪上彎曲行走，從而去除氧化鐵皮。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察，盤(pán)條機(jī)械剝殼效果基本能夠滿(mǎn)足要求，但還需進(jìn)一步深入分析。

在拉拔過(guò)程中，下游廠(chǎng)家反饋盤(pán)條較硬，且后幾道過(guò)程絲彈性大，于是分析拉拔工藝。各道次減面率分別為28.4%、27%、23.9%、22.9%、24.9%，道次減面率太大會(huì)使盤(pán)條產(chǎn)生加工硬化率提高，容易造成拉拔斷裂，此類(lèi)鋼種減面率一般不超過(guò)30%，分析認(rèn)為拉拔各道次減面率適中，分配較合理，其原因需進(jìn)一步分析。

3　斷裂樣品檢驗(yàn)和原因分析

3.1化學(xué)成分

對(duì)斷裂試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　SWRCH22A斷裂樣化學(xué)成分/%

冷鐓鋼盤(pán)條要求有較高的冶金質(zhì)量，它的化學(xué)成分可以直接影響其成材后的深加工性能。SWRCH22A盤(pán)條主要化學(xué)成分對(duì)其作用影響為：

SWRCH22A盤(pán)條中的碳含量升高，其強(qiáng)度、硬度升高，塑韌性變差，拉拔和冷鐓性能也隨之變差，所以碳要按中下限控制；硅元素也可以影響冷鐓性能，硅含量高，則冷鐓性能變差，但是硅含量也不能太低，否則會(huì)影響鋁的含量；錳元素含量控制在1.0%以下時(shí)，可以提高鋼的韌性，還可以提高鋼的淬透性和鋼的固溶強(qiáng)化作用，錳元素可以按中上限控制；硫、磷是有害元素，要盡量降低硫元素、磷元素的含量；鋁元素在鋼中主要起到細(xì)化晶粒的作用，但是含量太高會(huì)產(chǎn)生氧化鋁夾雜，容易造成冷鐓鋼盤(pán)條拉拔和冷鐓開(kāi)裂，所以要控制好鋁含量。

從表1可以看出，斷裂的SWRCH22A盤(pán)條含碳量為0.21%，雖然在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，但處于標(biāo)準(zhǔn)的上限，會(huì)使SWRCH22A盤(pán)條強(qiáng)度硬度升高，塑韌性變差，拉拔硬化率相對(duì)較高，分析認(rèn)為碳含量較高對(duì)盤(pán)條拉拔斷裂有很大的影響。

3.2金相組織

對(duì)SWRCH22A問(wèn)題盤(pán)條進(jìn)行金相組織檢測(cè)，如圖2所示。

圖2　盤(pán)條金相組織

從圖2（a）可以看出，SWRCH22A盤(pán)條金相組織不均勻，出現(xiàn)局部混晶，出現(xiàn)魏氏組織。圖2（b）為SWRCH22A盤(pán)條邊部金相組織，可以看出存在魏氏組織；圖2（c）可以看出SWRCH22A盤(pán)條1/4處金相組織正常，為鐵素體和珠光體。

吐絲溫度高，組織開(kāi)始回復(fù)和再結(jié)晶，在高溫下，奧氏體晶粒開(kāi)始長(zhǎng)大，粗化的奧氏體晶粒在冷卻速度較快的情況下，形成魏氏組織，產(chǎn)生混晶現(xiàn)象。文獻(xiàn)［2］指出，魏氏組織屬于鋼的一種過(guò)熱的缺陷組織，它降低了鋼的沖擊韌度和塑性，同時(shí)提高了鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，使鋼容易發(fā)生脆性斷裂。

經(jīng)了解，該問(wèn)題盤(pán)條吐絲溫度為＞950℃，輥道速度為＞0.25m/s，吐絲溫度偏高，冷卻速度比較大。冷鐓鋼中混晶和魏氏組織的存在加強(qiáng)了冷鐓鋼盤(pán)條在拉拔過(guò)程中的形變不均勻性，導(dǎo)致應(yīng)力集中，使冷鐓鋼盤(pán)條局部拉應(yīng)力超過(guò)了冷鐓鋼盤(pán)條的強(qiáng)度極限，使盤(pán)條在拉拔過(guò)程中發(fā)生斷裂?？梢钥闯?，混晶和魏氏組織是導(dǎo)致盤(pán)條在拉拔過(guò)程中斷裂的一個(gè)原因。

3.3夾雜物

圖3　夾雜物

影響冷鐓鋼盤(pán)條冷鐓開(kāi)裂的又一個(gè)重要因素是冷鐓鋼盤(pán)條中非金屬夾雜物含量高、尺寸大，尤其是B類(lèi)和D類(lèi)夾雜，它們屬于脆性?shī)A雜物，在加工中不隨基體變形，破壞了基體的連續(xù)性，在拉絲過(guò)程中造成應(yīng)力集中，所以必須要嚴(yán)格控制夾雜物的含量和尺寸。此爐拉拔斷裂盤(pán)條夾雜物為D類(lèi)夾雜物，級(jí)別為1.5級(jí)，未見(jiàn)其他夾雜（見(jiàn)圖3），在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。因此夾雜物不是導(dǎo)致該盤(pán)條斷裂的原因。

3.4氧化鐵皮

冷鐓鋼盤(pán)條表面的氧化鐵皮厚度也會(huì)影響拉拔的效果，冷鐓鋼盤(pán)條氧化鐵皮太薄時(shí)，其在拉拔前機(jī)械除磷的過(guò)程中粘在盤(pán)條表面難以除盡，盤(pán)條表面會(huì)殘存較多的氧化鐵皮，并在拉拔時(shí)刮傷模具和鋼絲表面，潤(rùn)滑效果不好就會(huì)影響模具的壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起拉拔斷裂。氧化鐵皮太厚時(shí)，氧化鐵皮層比較疏松，容易在搬運(yùn)和運(yùn)輸過(guò)程中脫落。盤(pán)條的損耗增加，在機(jī)械除磷時(shí)未除盡的氧化鐵皮容易造成模具損壞。冷鐓鋼氧化鐵皮總厚度控制在15～30μm對(duì)機(jī)械除磷效果比較好，也有利于后續(xù)拉拔。

該問(wèn)題盤(pán)條氧化鐵皮總厚度為20.3～21.6μm（見(jiàn)圖4），厚度適中，易于機(jī)械除磷?？梢钥闯?，氧化鐵皮不是造成盤(pán)條拉拔斷裂的原因。

圖4　盤(pán)條表面氧化鐵皮

3.5力學(xué)性能

冷鐓鋼盤(pán)條由于要進(jìn)行大變形量的拉拔以及快速冷鐓，所以SWRCH22A盤(pán)條既要求有合適的抗拉強(qiáng)度，又要求有良好的塑性和韌性［3］，標(biāo)準(zhǔn)要求盤(pán)條的抗拉強(qiáng)度為480～520 MPa，斷面收縮率大于等于60%。由表2可以看出，SWRCH22A盤(pán)條抗拉強(qiáng)度為520 MPa，雖然合格，但處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限。

表2　SWRCH22A斷裂樣力學(xué)性能

在亞共析鋼中，隨著含碳量的提高，抗拉強(qiáng)度也隨著提高，SWRCH22A問(wèn)題盤(pán)條的抗拉強(qiáng)度為520 MPa，處于標(biāo)準(zhǔn)的上限，與盤(pán)條中含碳量高相對(duì)應(yīng)。有資料表明［4］，客戶(hù)希望冷鐓鋼盤(pán)條拉拔后不經(jīng)過(guò)退火直接可以生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件，所以需要冷鐓鋼盤(pán)條盡可能軟，而實(shí)現(xiàn)碳素鋼軟化的途徑是提高鐵素體的含量，降低鐵素體硬度和加大珠光體片層間距。通過(guò)降低碳含量可以實(shí)現(xiàn)碳素鋼軟化，所以碳含量應(yīng)按中下限控制。

3.6盤(pán)條尺寸

對(duì)SWRCH22A問(wèn)題盤(pán)條進(jìn)行尺寸檢測(cè)，盤(pán)條尺寸為6.32～6.64 mm，橢圓度為0.32 mm，小于0.40mm，根據(jù)GB/T 14981-2008國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)屬于B級(jí)精度。

強(qiáng)十涌［5］指出，節(jié)約鋼材有效的方法之一就是控制鋼材的尺寸，使之有較高的尺寸精度。當(dāng)橢圓度超過(guò)一定限度時(shí)，對(duì)拉拔工序的危害和影響較大。在同一個(gè)斷面相互垂直的方向上變形量不同，會(huì)造成“模壓差”，這樣不僅會(huì)使?jié)櫥Ч儾?，也?huì)引起模內(nèi)直線(xiàn)段各個(gè)方向上的磨損不均勻，這將會(huì)嚴(yán)重影響制品的成材率和模具的壽命。問(wèn)題盤(pán)條尺寸為6.32～6.64mm，達(dá)到了B級(jí)精度的要求，尺寸控制精度稍差?？梢钥闯?，盤(pán)條的尺寸對(duì)拉拔斷裂有一定影響，但不是影響盤(pán)條拉拔斷裂的主要原因。

4　改進(jìn)措施

根據(jù)以上分析，得出影響SWRCH22A冷鐓鋼盤(pán)條拉拔斷裂的因素有以下幾個(gè)方面：盤(pán)條金相組織存在不利于拉拔的魏氏組織；盤(pán)條含碳量處于中上限，造成抗拉強(qiáng)度偏高；盤(pán)條尺寸精度控制稍差，但并不是造成盤(pán)條斷裂的主要原因。

針對(duì)這些情況，建議采取以下措施：

針對(duì)冷鐓鋼盤(pán)條邊部冷卻快，心部冷卻慢造成的混晶現(xiàn)象，尤其是出現(xiàn)魏氏組織的情況，應(yīng)加強(qiáng)加熱制度、嚴(yán)格控溫，優(yōu)化控冷工藝。建議吐絲溫度降低至950℃以下，輥道速度降低至0.25 m/s以下。

嚴(yán)格控制冶煉成分，減少化學(xué)元素的波動(dòng)，碳含量要按中下限，可控制在0.18%～0.19%范圍內(nèi)。

嚴(yán)格控制盤(pán)條尺寸，要控制好溫度、張力、孔型、導(dǎo)衛(wèi)等能影響尺寸精度的因素，成品尺寸公差按C級(jí)精度生產(chǎn)。

5　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)斷裂試樣化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織等方面進(jìn)行檢測(cè)和分析，認(rèn)為造成SWRCH22A冷鐓鋼盤(pán)條拉拔斷裂的原因是盤(pán)條金相組織存在混晶和具有不利于拉拔的魏氏組織；鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，造成盤(pán)條抗拉強(qiáng)度較高。建議在高線(xiàn)控冷環(huán)節(jié)，進(jìn)一步降低吐絲溫度和輥道速度；在化學(xué)成分控制環(huán)節(jié)，應(yīng)控制碳含量在中下限。

［1］吳瑞祥.影響冷鐓鋼質(zhì)量的主要因素及控制措施研究［J］.湖南冶金，2002（2）：22-24.

［2］崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理［M］，機(jī)械工業(yè)出版社，2008：264-265.

［3］耿曉東.冷鐓鋼SWRCH22A盤(pán)條生產(chǎn)工藝開(kāi)發(fā)［J］.天津冶金，2015（8）：27-29.

［4］唐修昌.SWRCH22A冷鐓鋼的開(kāi)發(fā)［J］.江西冶金，2009（2）：3-4.

［5］強(qiáng)十涌，喬德庸，李曼云.高速軋機(jī)線(xiàn)材生產(chǎn)［M］.2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2009（6）：390-391.

Analysis on Causes of Fracture occurred in Draw ing of SWRCH 22A Cold Heading W ire Rod

XU Qian and XU Zhuang
（Technology Center of Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）

Through sample inspection in terms of chemical composition，mechanical properties and metallographic structure，the causes for the fracture of SWRCH22A cold heading wire rod during drawing was analyzed and defined asmixed crystal and widmanstatten structure which was detrimental to drawing in metallographic structure.Carbonmass fraction in steelwas as high as 0.21%，which induced the high drawing strength of wire rod.Therefore，the authors put forward the improvementmeasures of controlling laying temperature under 950℃，roller table speed under 0.25 m/s and carbon content withinmedium and lower limits.

cold heading steel；drawing；wire rod；widmanstatten structure

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.009

2016-03-08

2016-04-07

徐倩（1985—），女，遼寧鞍山人，碩士，工程師，主要從事產(chǎn)品檢驗(yàn)工作。