冷镦工艺对材料的要求

但红旭

【摘要】根据冷镦工艺的特点，从材料的性能、内部组织结构、表面质量、钢材标准化、材料的改制过程等多方面分析冷镦工艺对材料的要求。并突出说明了对冷镦材料实现怎样的优化才能更加满足冷镦工艺的要求提出实际的措施。

【关键词】冷镦工艺、材料

引言

利用模具在常温下对金属线材镦粗（常为局部镦粗）成形的锻造方法，称之为冷镦成形。冷镦工艺对于大批量生产的汽车、摩托车、自行车、家电、工程机械、钢结构等零件的自动化生产是必不可少的制造方法，同切削加工能工相比，金属纤维（金属流线）沿产品形状呈连续状，晶粒无断开，因而提高了产品强度，特别是机械性优良，且节省了原材料。

1、材料性能要求

根据冷镦工艺特点，对冷镦材料的性能有很高的要求：1）屈服强度以及变形抗力尽可能低，这样可使单位变形力相应减小，以延长模具寿命;2）材料的冷变形性能要好，既材料应有较好的塑性，较低的硬度，在大的变形程度下不致引起开裂。如冷镦高强度螺栓时，即可使用含碳量较高的碳素钢，又可使用含碳量较低的低合金钢。如果增加含碳量，就会使硬度提高，塑性降低，使冷变形性能变坏。但是在含碳量较低的钢中加入少量合金元素（如添加少量硼10B21、10B33钢），即可显著提高钢材强度，从而满足产品的使用性能要求，同时又不损害其冷变形性能;3）材料的加工硬化敏感性能越低越好，这样不致使变形过程中的变形力太大。材料的加工硬化敏感性可用变形抗力--应变曲线的斜率来反映。斜率越大，则加工硬化敏感性越高。这种材料的加工硬化敏感性就比较剧烈，随着变形程度的增加，变形抗力急剧上升。钢材的机械性能不但表现原始坯料的Rm、Re、A、Z及硬度等指标，不但受原材料的化学成分、宏观组织、微观组织等方面的影响，还受到材料准备过程中的拉拔及各道工序之间的热处理影响。

2、材料微观要求

同時，为使钢材能更好地适应冷镦工艺，对于钢的结构、晶粒大小与形式、非金属夹杂物的分布都有一定的要求。1）钢的组织结构：钢中除了铁素体外，还有珠光体。含碳量越高，珠光体数量越多。铁素体是软的基体，在软的基体中嵌有硬的珠光体颗粒。成堆的珠光体分布对于冷变形是不利的，会形成裂纹。钢材的组织要紧密均匀，因此。冷镦用钢要用尽可能均匀分布、球状的晶粒结构。2）晶粒度：金属的变形是由于晶粒的滑移和晶粒本身的变形而发生的。在一定的体积内，细晶粒金属的晶粒数必然比粗晶粒金属的多，塑性变形时位向有利于滑移的晶粒也较多，变形能够较均匀地分散到各个晶粒。相应地细晶粒金属的变形不均匀性和由于变形不均匀性所引起的应力集中均较小，使开裂的机会也小，出现开裂前可承受的塑性变形量增加，对外 反映出塑性较好。晶粒越小，所产生的激发相邻晶粒滑移的应力也越小。为使变形继续进行，必须增大外加的应力，对外反映出变形抗力较大。因此冷镦不宜采用过细晶粒的钢材。晶粒太大，又会使工件表面粗糙，产生明显的伤痕和裂纹。粗晶粒钢的加工硬化敏感性比细晶粒钢大，塑性较差，冷变形性能也差。冷镦用钢的晶粒度要求为4～6级，晶粒的大小规范如下：晶粒平均直径约（0.02-0.06）mm;每mm²晶粒数约为250-2300个;晶粒的平均面积约（400-4000）μm²。3）非金属夹杂物：不管用什么方法冶炼钢材，总会有或多或少的非金属夹杂物。氧化物或硫化物等夹杂物，会使金属紧密的晶体结构发生间断。夹杂物的形式、数量和分布情况不同，对于钢材的冷变形性能的影响也各异。冷镦用线材是热轧钢材经冷拔后使用的，在轧制和冷拔过程中，这些夹杂物已沿着变形方向被拉长。一般说来，细微、均匀分布的夹杂物为害不大。细小且分散的硫化物夹杂物可以较好地随着变形方向变形，因而较其他一些随之变形的夹杂物为害稍小。特别有害的是氧化铝夹杂物。氧化铝微小颗粒不仅极硬，会损伤模具;而且很难与钢的基体结合在一起，常常在剧烈的冷变形中使工件产生撕裂。粗的或者细而局部集中的夹杂物，对钢的冷镦性能影响很大。

3、材料表面质量

还有，材料表面质量要求也对冷镦工艺影响很大，普通热轧钢的表面状态大多数不够好。热轧钢材的表面缺陷经过冷拔（如果压缩比太小）也无法消除，造成冷镦产品的表面缺陷及废品，严重的将无法进行生产。 1）坯料表面缺陷：钢在冶炼时，钢锭留有的气泡、缩孔等缺陷。经过热轧和冷拔，使线材带有比较严重的贯穿性纵裂，在冷镦时会明显地暴露在产品表面。原材料在轧制中的折叠、毛剌、偏析、裂缝等缺陷，在冷镦中会造成严重危害。如：螺栓的断头、螺母的开裂;工件在搓制螺纹时，螺杆直接裂开等。原材料在酸洗中处理不当，在钢材表面产生麻点、锈蚀。如果麻点、锈蚀轻微，经过冷拔，凹坑被拉长，在表面基本上显不出痕迹，冷镦中不致于因此而出现裂纹。如果凹坑严重就会形成裂口;裂口多呈现于工件变形量大的棱角处。材料表面裂缝等缺陷越深，冷变形性能就越差。实验表明：无论冷拔还是冷镦，裂纹的形状对于变形程度的影响不大，但是裂纹深度的影响是很大的。对于变形程度较大的冷镦材料，表面缺陷的临界深度是0.04-0.10mm，更深的缺陷必须避免。

4、材料状态性能

我国紧固件行业发生了较大的变化，国外钢种的引进，材料状态性能都有很大提高，具体表现：1）采用国外钢种牌号如10B22M，10B25LHC，MNB123H等，主要是出口订单上规定要使用的牌号;2）同一牌号的钢种衍生出多个交货状态的品种，如SWRCH35K，有免退火、正火、退火+磷化交货，满足不同用户的需求;3）大量采用合金、低合金钢种，以适合耐高温、耐高压、耐腐蚀的要求，如SNB5-7，SNB16（JIS4107—94），SNB21-24（JIS4108）;4）采用抗延时断裂用钢生产的钢结构用螺栓抗拉强度超过1200MPa。国外一家公司新开发一种低碳低硬度钢种，柔韧性好，便用变形，通过冷镦冷作硬化，硬度性能可以达到12.9级螺栓要求，不经过热处理工序，有效避免了热处理变形，保证紧固件尺寸、形位公差要求。

5、材料工艺要求

冷镦用钢的材料改制过程是冷镦生产工艺流程中的重要组成部分，直接影响到冷镦产品的质量和生产的正常进行。因此，材料改制过程中的优化就显得特别重要。

1）冷镦盘条强度的优化。如果冷镦盘条含碳量较高，强度较高，可在拉拔前对其进行软化退火，使其降低冷镦盘条的硬度，提高塑性和韧性，以便于冷变形加工。如果多道次拉拔使其成品丝中存在残余应力（残余应力是产生应力腐蚀和裂纹的根源），可利用再结晶退火，来消除或减少残余应力，降低冷镦盘条的强度和硬度。

2）减面率及拉拔道次的优化。减面率与拉拔工艺有直接关系，总减面率表明盘条冷拉到什么程度，部分减面率是确定拉拔路线的依据。同一含碳量的冷镦盘条，由于总减面率的不同，就可判断它的性能和工艺之难易。

【结语】随着紧固件工业的迅猛发展，新钢种不断地开发和引进，对外的出口日益增多，汽车、石油、机械各行业的技术进步，对配套的紧固件提出许多新要求，不但是形式尺寸上的，而且是性能与可靠性上的，实际上是对紧固件材料提出更高的要求，相信在不久的未来将有更多优质的材料出现，将更适用于冷镦工艺变形，将更适用于产品性能和尺寸要求。

【参考文献】

1. 上海市机械配件工业公司编.多工位冷镦工艺.机械工业出版社.1975
2. 杨长顺.冷挤压工艺实践.国防工业出版社.1984
3. 龚茂良.紧固件冷挤压技术及应用.社会科学文献出版社.2013