SWRCH18A冷鐓鋼鐓制螺釘開裂原因分析

羅新中，林晏民，潘逸飛

(寶鋼集團廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司檢測中心，廣東 韶關(guān) 512123)

SWRCH18A冷鐓鋼鐓制螺釘開裂原因分析

羅新中，林晏民，潘逸飛

(寶鋼集團廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司檢測中心，廣東 韶關(guān) 512123)

使用SWRCH18A冷鐓鋼盤條鐓制螺釘過程中部分螺釘頭出現(xiàn)開裂。對開裂試樣進行宏觀觀察、金相檢測、非金屬夾雜物檢測、電鏡檢測等各種試驗分析，對缺陷部位進行顯微硬度及微區(qū)能譜成分分析，最終確認螺釘頭開裂的主要原因是盤條內(nèi)部近表面區(qū)域存在異金屬夾雜物。異金屬夾雜物產(chǎn)生的主要原因是由于冶煉操作不當(dāng)，補加的硅錳等鐵合金不能全部熔化或擴散不均勻引起的。異金屬夾雜物屬于不允許存在的缺陷，嚴重地破壞了鋼組織的完整性，使材料在后續(xù)軋制、拉拔、冷鐓等加工過程中形成裂紋并開裂。

冷鐓鋼；螺釘；開裂；組織；異金屬夾雜物

0 引言

冷鐓鋼是利用金屬的塑性，采用冷鐓成型加工工藝生產(chǎn)螺栓、螺母、螺釘、銷釘?shù)雀黝惥o固標準件。冷鐓工藝的特點是可節(jié)省原料，降成本，而且通過冷作硬化提高工件的抗拉強度，改善性能。冷鐓鋼在冷加工成型過程中變形量很大，一般為60%～70%，最高可達90%，所承受的變形速率很高，因此要求冷鐓鋼必須具備較好的成型性能和力學(xué)性能，通條性能要好，利于均勻變形。鋼中S、P等雜質(zhì)元素要嚴格控制，對鋼材的表面質(zhì)量要求嚴格[1-2]。

衡量冷鐓鋼品質(zhì)的標準，在緊固件行業(yè)有6個字“不開裂，淬得上”，強調(diào)不開裂是因為冷鐓鋼在冷鐓過程中總會存在開裂，日本的也不例外，只不過是開裂率高低不同，同一時期波動大小不同而已。根據(jù)用戶不完全反饋統(tǒng)計，韓國浦項世亞冷鐓開裂率約為0.8%，臺灣的約為0.7%，日本的可以做到0.6%，國內(nèi)寶鋼股份約為0.8%，同國外差距不大。拉拔后鐓頭開裂是冷鐓鋼常見的一種失效形式，導(dǎo)致鐓頭開裂的原因多種多樣。文獻[3]分析了冷鐓鋼近表面Ca、Al類氧化物夾雜引起的鐓頭開裂情況；文獻[4]分析了拉拔劃傷導(dǎo)致的鐓頭開裂；文獻[5]分析了軋制過程中原材料表面尖銳的“V”形劃傷引起的鐓頭開裂；文獻[6]分析了Si含量偏高，引起材料屈服強度明顯升高，冷加工變形能力差，最終導(dǎo)致材料鐓頭時開裂。文獻[7]則系統(tǒng)地介紹了材料表面及次表面存在的較大尺寸夾雜物及軋制過程中的各種表面劃傷引起的冷頂鍛開裂。但并沒有文獻研究異金屬夾雜物對冷鐓鋼冷鐓過程的影響，本文通過試驗研究，分析SWRCH18A冷鐓鋼中異金屬夾雜物導(dǎo)致的鐓頭開裂。

1 螺釘頭部開裂情況

φ6.5 mm的SWRCH18A加工螺釘?shù)牧鞒淌鞘紫葘ⅵ?.5 mm拉拔到φ2.8 mm，然后進行退火等工藝處理，最后鐓頭加工成螺釘。在某批次加工過程中出現(xiàn)大量鐓頭螺帽開裂，開裂量約400 kg，開裂情況見圖1。

2 試驗過程與結(jié)果

2.1 母材化學(xué)成分及力學(xué)性能

對開裂試樣采用PW440型X射線熒光光譜儀進行化學(xué)成分檢測，化學(xué)成分結(jié)果見表1。對母材試樣按照GB 228.1標準矯直后進行拉伸性能測試，力學(xué)性能結(jié)果見表2。從檢測結(jié)果可知，化學(xué)成分控制比較好，力學(xué)性能也在企業(yè)內(nèi)控范圍內(nèi)。

圖1 螺帽鐓頭開裂情況Fig.1 Cracked head of screw

2.2 宏觀檢驗

采用體視顯微鏡對鐓頭開裂螺釘進行低倍觀察，開裂處宏觀形貌見圖2。從圖2可以看出：開裂處較為干凈，沒有明顯渣子，其中螺桿部位有縱向開裂，和鐓頭開裂在一條線上。

表1 母材化學(xué)成分檢測結(jié)果 (質(zhì)量分數(shù) /%)

表2 母材力學(xué)性能檢測結(jié)果

圖2 體視顯微鏡下鐓頭開裂處形貌Fig.2 Macro morphology of crack screw head

2.3 微觀分析

采用KYKY-3800型掃描電鏡對爆頭處及螺釘桿部縱裂處進行高倍觀察。爆頭處微觀形貌見圖3，從圖中可以看出，開裂部位有明顯變形，為塑性開裂，開裂處較為干凈，沒有大尺寸夾雜物。螺釘桿部形貌見圖4，螺桿縱向裂紋較寬，裂紋中沒有明顯夾雜物及渣子。

圖3 螺釘爆頭處電鏡形貌Fig.3 SEM morphology of crack of screw head

圖4 爆頭螺釘螺桿處縱向開裂Fig.4 SEM morphology of longitudinal crack of ruptured screw

2.4 金相檢驗

在爆頭試樣螺桿部位取樣進行金相組織檢測，結(jié)果見圖5、圖6。圖5為心部組織，組織為粒狀珠光體，球化效果較好。圖6為螺桿縱向開裂對應(yīng)的邊緣組織，邊緣有裂紋延伸至內(nèi)部，并在近表面形成一深色腐蝕異常區(qū)，深色腐蝕區(qū)周圍有一定程度脫碳。裂紋最深處距表面0.49 mm。對深色腐蝕異常區(qū)進行顯微硬度檢測，其中異常區(qū)硬度HV0.1230，異常區(qū)附近基體硬度HV0.1163。異常區(qū)金相組織與基體組織有顯著不同，異常區(qū)組織的顏色和構(gòu)成非常均勻，與基體界限分明，因此可推斷異常區(qū)為另一種不同于基體的材料。

取多個爆頭試樣進行夾雜物檢測，夾雜物檢測結(jié)果見表3。從檢測結(jié)果可知，夾雜物含量較少，控制比較好。

圖5 心部金相組織Fig.5 Microstructure of the center

圖6 螺桿縱裂處金相組織Fig.6 Microstructure of longitudinal crack

表3 夾雜物級別檢測結(jié)果

2.5 異常區(qū)能譜分析

對金相試樣組織異常區(qū)進行電鏡掃描及能譜成分分析。形貌圖見圖7，分別在組織異常區(qū)取2點進行能譜掃描，標識為pt1、pt2，在組織異常區(qū)附近基體取1點進行能譜掃描，標識為pt3。忽略C等常見輕元素，3點能譜掃描主要化學(xué)成分見表4。從表4中可以看出，異常區(qū)化學(xué)成分比較接近，其中Si是基體成分2倍，Mn是基體成分3倍，其他元素相差不大。異常區(qū)附近基體的Si、Mn含量正常，接近光譜分析的母材化學(xué)成分，說明組織異常區(qū)Si、Mn含量高。

3 分析與討論

3.1 螺釘鐓頭開裂原因分析

從化學(xué)成分及力學(xué)性能檢測結(jié)果分析，母材盤條化學(xué)成分和力學(xué)性能都控制的比較好。夾雜物較少，只有少量B類和D類夾雜，拉拔到2.8 mm后最大級別為1.5級，在爆頭處也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物，說明非金屬夾雜物不是螺釘爆頭的主要原因。對螺釘金相檢測結(jié)果可知，金相組織為均勻的粒狀珠光體，球化效果比較好，拉拔后熱處理過程也不是螺釘爆頭的主要原因。

圖7 組織異常區(qū)電鏡形貌Fig.7 SEM morphology of anomalous microstructure表4 組織異常區(qū)及附近能譜成分檢測結(jié)果 (質(zhì)量分數(shù) /%)Table 4 EDS results of anomalous microstructure (mass fraction /%)

ElementSiSMnFeNiPt10.270.141.7797.760.06Pt20.240.081.4298.300.05Pt30.120.050.4999.250.14

從體視顯微鏡低倍觀察和掃描電鏡觀察可以看出，螺釘表面存在連續(xù)的縱向裂紋，螺釘爆頭是縱向裂紋在冷鐓成過程中擴展導(dǎo)致的。在表面縱向裂紋內(nèi)部發(fā)現(xiàn)組織異常區(qū)，異常區(qū)顯微硬度較基體高HV0.157，化學(xué)成分中Si是基體的2倍，Mn是基體的3倍，異常區(qū)邊界裂紋伴隨有一定程度脫碳。由于組織異常區(qū)與集體正常組織的邊界清晰，通過金相及電鏡能譜結(jié)果可以判斷組織異常區(qū)屬異金屬夾雜物缺陷。異金屬夾雜物是造成表面縱裂的主要原因[8-10]。

異金屬夾雜物成分、性能與基體不同，這種缺陷破壞了材料的均勻性和連續(xù)性，在外力作用下會使材料變形不均勻，尤其是在與基體的接壤處產(chǎn)生應(yīng)力集中，嚴重的應(yīng)力集中造成裂紋萌生[11]。本次發(fā)現(xiàn)的異金屬夾雜物周圍有脫碳，但靠近材料表面的裂紋沒有脫碳，說明異金屬夾雜物周圍的開裂在連鑄過程中已經(jīng)形成，在后續(xù)軋制加熱過程中出現(xiàn)脫碳，而靠近材料表面的裂紋是在后續(xù)過程中形成的。連鑄坯經(jīng)過加熱后軋制及后續(xù)對母材的拉拔加工，直徑由φ170 mm降至φ2.8 mm，材料發(fā)生了大的塑性變形，而異金屬夾雜物處強度硬度較基體高，不易變形，應(yīng)力集中嚴重，導(dǎo)致加工過程中異金屬夾雜物周圍的開裂不斷向外擴展，最終擴展至材料表面，形成表面縱向開裂。

查看母材連鑄生產(chǎn)工藝，主要異常是脫方較嚴重。脫方形成機理是連鑄過程中坯殼4個面或角冷卻不均勻，主要原因是在結(jié)晶器中鑄坯表面發(fā)生了冷卻不均勻的現(xiàn)象，引起不均勻收縮，坯殼厚度差別大，厚坯殼收縮量大，薄坯殼收縮量小，最終導(dǎo)致脫方[12-13]。脫方往往拌有角部裂紋發(fā)生，角裂主要也是鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)冷卻不均勻造成的，所以連鑄過程中的冷卻不均勻也在一定程度上推動了異金屬夾雜物邊界裂紋的萌生[14]。

表面縱裂在拉拔后的成品鋼絲上表現(xiàn)為線缺陷，見圖2中螺桿部位的縱裂。成品鋼絲在鐓制螺釘?shù)哪⒐筋^時要發(fā)生2～3倍壓縮變形，鋼絲表面縱裂壓縮變形中在寬度和深度上都不斷的快速擴展，最終形成嚴重的爆頭缺陷。

3.2 異金屬夾雜物產(chǎn)生的原因

異金屬夾雜物的特點是形狀不規(guī)則，但邊界比較清晰，產(chǎn)生的主要原因一個是澆注過程中掉入模內(nèi)外來金屬以及鋼包水口的冷瘤注入模內(nèi)造成，另一個是補加的硅錳等鐵合金不能全部熔化或擴散不均勻引起的[10]。從本次發(fā)現(xiàn)的異金屬夾雜物的化學(xué)成分看，Si、Mn元素較基體高，并沒有發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)元素，可以確定該異金屬夾雜物產(chǎn)生原因?qū)儆诤笳?，是由于補加的硅錳等合金不能全部熔化或擴散不均勻引起的。異金屬夾雜物在整個煉鋼、連鑄過程中都沒有完全熔化，所以異金屬區(qū)域通常硬度較基體高，組織和基體不同，微觀上表現(xiàn)為異金屬部位組織顏色均勻一致，與基體有明顯界限。該界限和焊縫區(qū)的熔合線性質(zhì)基本一致，是因為異金屬并未熔化而基體是經(jīng)過熔化過程的，異金屬相當(dāng)于母材，而基體相當(dāng)于焊縫區(qū)熔化金屬[8]。

3.3 異金屬夾雜物控制措施

異金屬夾雜物嚴重地破壞了鋼組織的完整性，屬于不允許存在的缺陷。為了避免異金屬夾雜物的產(chǎn)生，應(yīng)該從以下幾點出發(fā)：一是加強對煉鋼所用合金的管控，確保材料符合相關(guān)技術(shù)要求；二是要嚴格執(zhí)行轉(zhuǎn)爐、精煉操作制度，按照要求添加合金并控制合金添加時間，確保合金完全熔化；三是應(yīng)加強對煉鋼、精煉、連鑄的設(shè)備巡檢和維護力度，避免外來金屬進入鋼水中。除此之外，也應(yīng)不斷提高冶煉技術(shù)，使用潔凈的原材料和設(shè)備，連鑄過程采用電磁攪拌、保護澆注等手段[8-9]。

4 結(jié)論

1)SWRCH22A鐓制螺釘頭部開裂是由于螺釘表面的縱向裂紋在冷鐓成型過程中擴展導(dǎo)致的。

2)造成表面縱裂的主要原因是母材近表面的異金屬夾雜物，次要原因是連鑄過程冷卻不均勻，兩者共同推動了異金屬夾雜物周圍裂紋萌生，最終異金屬夾雜物周圍的裂紋在后續(xù)加工過程中擴展到螺釘表面形成連續(xù)縱向開裂。

[1] 先越蓉. 冷鐓鋼的生產(chǎn)和發(fā)展[J]. 特殊鋼,2005,26(3):31-34.

[2] 張先鳴. 我國冷鐓鋼的現(xiàn)狀和發(fā)展[J]. 金屬制品,2009,35(2):43-47.

[3] 陳孔旺. ML08Al產(chǎn)品質(zhì)量問題的分析與控制[J]. 江蘇冶金,2008,36(2):43-45.

[4] 胡堅石. SWRM10盤條替代SWRCH10A生產(chǎn)冷頂鍛鋼絲工藝研究[J]. 金屬制品,2000,26(5):13-17.

[5] 帥習(xí)元,葉巍,仇東麗,等. 含硼冷鐓鋼10B21冷鐓開裂原因分析[J]. 鋼鐵研究,2014,42(6):40-42.

[6] 艾星輝,宋海武. 1022冷鐓鋼鐓頭開裂分析[J]. 河北理工學(xué)院學(xué)報,2000,22(2):18-20.

[7] 黃暉,黃樂枧,殷兵,等. 冷鐓鋼冷頂鍛裂紋研究[J]. 失效分析與預(yù)防,2014,9(3):167-171.

[8] 丁禮權(quán),梁正寶,張帆,等. 20Cr齒輪鋼異金屬夾雜的分析研究[C]. 第十屆中國鋼鐵年會暨第六屆寶鋼學(xué)術(shù)年會論文集,2015:1439-1443.

[9] 孫林,魏煥軍,高志平,等. 對硬線盤條中異金屬夾雜的研究[J]. 金屬制品,2004,30(3):30-31.

[10] 姜錫山. 連鑄鋼缺陷分析與對策[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2011:268-269.

[11] 高漢文. 金相分析技術(shù)[M]. 上海:上海科學(xué)技術(shù)文獻出版社,1987:66.

[12] 盛愛華,彭勇生. 連鑄小方坯脫方原因與預(yù)防措施[J]. 浙江冶金,2005,5(2):13-14.

[13] 付福旗. 龍鋼連鑄方坯缺陷成因及控制[D]. 西安:西安建筑科技大學(xué),2007:12.

[14] 王建新,薛民,孫建江. 連鑄坯脫方、角裂原因研究及對策[J]. 江蘇冶金,1997(3):16-18.

Cracking Analysis of SWRCH18A Screws in Cold Heading Process

LUO Xin-zhong，LIN Yan-min，PAN Yi-fei

(BaosteelGroupGuangdongShaoguanIronandSteelCo.,Ltd.,GuangdongShaoguan512123,China)

Part of the SWRCH18A screws cracked at heads in the pier process from cold heading steel wire rod to screws. Macro-observation, metallographic examination, non-metallic inclusion test and electron microscopy examination, as well as micro hardness test on defective parts and EDS analysis were carried out to find out the failure cause of the screws. The results show that the main failure cause is that dissimilar mental inclusion existed near the surface of the internal wire rod. The dissimilar mental inclusion was mainly caused by improper melting operation and extra silicon-manganese alloys, which could not be incompletely molten or unevenly spread. The dissimilar mental inclusion is not allowable flaw, which destroys the integrity of steel microstructure and ruptures in the process of subsequent rolling, drawing and cold heading.

cold heading steel；screw；crack；microstructure；dissimilar mental inclusion

2016年9月3日

2016年11月30日

羅新中(1990年-)，男，工程師，主要從事金屬材料物理檢測、產(chǎn)品失效分析等方面的研究。

TG113

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.06.009

1673-6214(2016)06-0372-05