SWRCH22A冷鐓鋼盤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）

SWRCH22A冷鐓鋼盤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SWRCH22A冷鐓鋼盤條在拉拔過程中發(fā)生斷裂的問題，通過對斷裂試樣化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織等方面進(jìn)行檢測，分析出產(chǎn)生原因是盤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；盤條；魏氏組織

1　引言

冷鐓鋼盤條是緊固件行業(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)、汽車制造業(yè)和建筑工業(yè)。由于其在加工過程中變形速度快、變形量大，容易造成拉拔及冷鐓開裂，所以必須要求冷鐓鋼盤條具有良好的加工性能和力學(xué)性能［1］。SWRCH22A盤條是制作自攻螺釘?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盤條在某生產(chǎn)廠家發(fā)往下游廠家使用過程中出現(xiàn)拉拔斷裂，為查明斷裂原因，本文針對斷裂的SWRCH22A盤條進(jìn)行檢測和分析。

2　盤條使用情況分析

下游廠家使用SWRCH22A盤條生產(chǎn)自攻螺釘?shù)倪^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工序。拉拔工序為6.5mm盤條——機(jī)械剝殼——冷拔（5道次）——Φ3.12mm鋼絲。盤條經(jīng)拉拔在成品道次斷裂2次，對斷裂試樣進(jìn)行觀察：盤條表面光潔，沒有耳子、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，宏觀形貌見圖1。

圖1　斷口宏觀形貌

機(jī)械剝殼受盤條氧化鐵皮厚度、結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)多重因素的影響，對于SWRCH22A盤條，如果氧化鐵皮去除率不高，盤條表面帶潤滑料效果不好，盤條表面不能形成均勻穩(wěn)定的潤滑膜，就會使裸露發(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。下游廠家使用若干壓輪，各壓輪成一定角度，盤條在壓輪上彎曲行走，從而去除氧化鐵皮。經(jīng)現(xiàn)場觀察，盤條機(jī)械剝殼效果基本能夠滿足要求，但還需進(jìn)一步深入分析。

在拉拔過程中，下游廠家反饋盤條較硬，且后幾道過程絲彈性大，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%，道次減面率太大會使盤條產(chǎn)生加工硬化率提高，容易造成拉拔斷裂，此類鋼種減面率一般不超過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　斷裂樣品檢驗和原因分析

3.1化學(xué)成分

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

表1　SWRCH22A斷裂樣化學(xué)成分/%

冷鐓鋼盤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盤條主要化學(xué)成分對其作用影響為：

SWRCH22A盤條中的碳含量升高，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，否則會影響鋁的含量；錳元素含量控制在1.0%以下時，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，但是含量太高會產(chǎn)生氧化鋁夾雜，容易造成冷鐓鋼盤條拉拔和冷鐓開裂，所以要控制好鋁含量。

從表1可以看出，斷裂的SWRCH22A盤條含碳量為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，會使SWRCH22A盤條強(qiáng)度硬度升高，塑韌性變差，拉拔硬化率相對較高，分析認(rèn)為碳含量較高對盤條拉拔斷裂有很大的影響。

3.2金相組織

對SWRCH22A問題盤條進(jìn)行金相組織檢測，如圖2所示。

圖2　盤條金相組織

從圖2（a）可以看出，SWRCH22A盤條金相組織不均勻，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，組織開始回復(fù)和再結(jié)晶，在高溫下，奧氏體晶粒開始長大，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熱的缺陷組織，它降低了鋼的沖擊韌度和塑性，同時提高了鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，使鋼容易發(fā)生脆性斷裂。

經(jīng)了解，該問題盤條吐絲溫度為＞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)了冷鐓鋼盤條在拉拔過程中的形變不均勻性，導(dǎo)致應(yīng)力集中，使冷鐓鋼盤條局部拉應(yīng)力超過了冷鐓鋼盤條的強(qiáng)度極限，使盤條在拉拔過程中發(fā)生斷裂?？梢钥闯?，混晶和魏氏組織是導(dǎo)致盤條在拉拔過程中斷裂的一個原因。

3.3夾雜物

圖3　夾雜物

影響冷鐓鋼盤條冷鐓開裂的又一個重要因素是冷鐓鋼盤條中非金屬夾雜物含量高、尺寸大，尤其是B類和D類夾雜，它們屬于脆性夾雜物，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。此爐拉拔斷裂盤條夾雜物為D類夾雜物，級別為1.5級，未見其他夾雜（見圖3），在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。因此夾雜物不是導(dǎo)致該盤條斷裂的原因。

3.4氧化鐵皮

冷鐓鋼盤條表面的氧化鐵皮厚度也會影響拉拔的效果，冷鐓鋼盤條氧化鐵皮太薄時，其在拉拔前機(jī)械除磷的過程中粘在盤條表面難以除盡，盤條表面會殘存較多的氧化鐵皮，并在拉拔時刮傷模具和鋼絲表面，潤滑效果不好就會影響模具的壽命，嚴(yán)重時會引起拉拔斷裂。氧化鐵皮太厚時，氧化鐵皮層比較疏松，容易在搬運(yùn)和運(yùn)輸過程中脫落。盤條的損耗增加，在機(jī)械除磷時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對機(jī)械除磷效果比較好，也有利于后續(xù)拉拔。

該問題盤條氧化鐵皮總厚度為20.3～21.6μm（見圖4），厚度適中，易于機(jī)械除磷?？梢钥闯觯趸F皮不是造成盤條拉拔斷裂的原因。

圖4　盤條表面氧化鐵皮

3.5力學(xué)性能

冷鐓鋼盤條由于要進(jìn)行大變形量的拉拔以及快速冷鐓，所以SWRCH22A盤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問題盤條的抗拉強(qiáng)度為520 MPa，處于標(biāo)準(zhǔn)的上限，與盤條中含碳量高相對應(yīng)。有資料表明［4］，客戶希望冷鐓鋼盤條拉拔后不經(jīng)過退火直接可以生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件，所以需要冷鐓鋼盤條盡可能軟，而實現(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。通過降低碳含量可以實現(xiàn)碳素鋼軟化，所以碳含量應(yīng)按中下限控制。

3.6盤條尺寸

對SWRCH22A問題盤條進(jìn)行尺寸檢測，盤條尺寸為6.32～6.64 mm，橢圓度為0.32 mm，小于0.40mm，根據(jù)GB/T 14981-2008國家標(biāo)準(zhǔn)屬于B級精度。

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)橢圓度超過一定限度時，對拉拔工序的危害和影響較大。在同一個斷面相互垂直的方向上變形量不同，會造成“模壓差”，這樣不僅會使?jié)櫥Ч儾?，也會引起模?nèi)直線段各個方向上的磨損不均勻，這將會嚴(yán)重影響制品的成材率和模具的壽命。問題盤條尺寸為6.32～6.64mm，達(dá)到了B級精度的要求，尺寸控制精度稍差?？梢钥闯觯P條的尺寸對拉拔斷裂有一定影響，但不是影響盤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冷鐓鋼盤條拉拔斷裂的因素有以下幾個方面：盤條金相組織存在不利于拉拔的魏氏組織；盤條含碳量處于中上限，造成抗拉強(qiáng)度偏高；盤條尺寸精度控制稍差，但并不是造成盤條斷裂的主要原因。

針對這些情況，建議采取以下措施：

針對冷鐓鋼盤條邊部冷卻快，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，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級精度生產(chǎn)。

5　結(jié)語

本文通過對斷裂試樣化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織等方面進(jìn)行檢測和分析，認(rèn)為造成SWRCH22A冷鐓鋼盤條拉拔斷裂的原因是盤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，造成盤條抗拉強(qiáng)度較高。建議在高線控冷環(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盤條生產(chǎn)工藝開發(fā)［J］.天津冶金，2015（8）：27-29.

［4］唐修昌.SWRCH22A冷鐓鋼的開發(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)品檢驗工作。