自攻螺钉用钢的质量分析

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1、自攻螺钉用钢的质量分析王丽萍/（首钢技术研究院）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＞9

2、5％；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。   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   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

3、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。      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

4、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。      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。   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

5、布不均的帽裂废品。丝径偏大的产品镦裂比例大于小螺钉。   2）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   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。   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

6、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   通过金相和电镜观察螺钉部分空芯试样是由于盘条存在

7、缩孔及疏松缺陷导致。见图3。      图3 缩孔引起的螺钉尖裂空芯形貌   3）热处理的影响   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

8、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