自攻螺钉用钢的质量分析

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自攻螺钉用钢的质量分析
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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。

. M4 a( X5 \2 ?$ V: {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
  @/ s6 M$ v( t: t- l$ N4 Q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。
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图1 氧化物夹杂引起的冷拔断裂形貌

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，Si含量对力学性能的影响数据见图2。随硅的增加，钢的σb、HB的增大与δ、ψ的下降十分显著。
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图2 钢中硅含量对力学性能的影响

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。
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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。
  \$ o. Y2 }' |; ?! z$ @& U2） 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
/ c" S- B; m: J+ I* W) x% p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。
8 E- c! _6 j' Z( [* R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
  l9 V! s3 j3 C. U$ x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。见图3。

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8 W6 N3 d' N& K5 i" h1 Q图3  缩孔引起的螺钉尖裂空芯形貌

3） 热处理的影响
# q* Z- s+ ]9 w; Z- D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。

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4 `4 _* l& d5 o1 u0 X4 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，见图4～6。
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图4 不同晶粒尺寸盘条的室温组织比较

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图5 盘条拉拔退火后钢丝的室温组织比较

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图6 螺钉淬火回火后的室温组织比较

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，可供形核的位置就比较多，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。

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& r2 E% |) ^6 w4 `6 w( V( D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。
' S( H/ h* W+ a& Z3 v- x0 ]. a（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。
2 D8 @/ w9 M7 o. y, s（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。

jochen

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