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

2、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。   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％

3、。   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。      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，

4、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。      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。

5、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。   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

6、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

7、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

8、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