冷镦工艺对金属材料的要求

冷镦工艺对金属材料的要求1、冷镦用金属材料的机械性能要求 根据冷镦工艺特点，对钢材机械性能提出如下要求：1) 屈服强度 Re 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。如 不锈钢0C门8Ni9 (SUS304)的曲线斜率最大。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、化学成分的要求碳(C)碳是影响钢材冷塑性变形的最主要元素。含 碳量越高，钢的强度越高，而塑性越低。含碳量每提高 0.1%， 其屈服强度Re提高27.4MPa，抗拉强度Rm提高(58.8-7 8.4MPa)，而伸长率A则降低4.3%,断面收缩率Z降低7. 3%。当钢的含碳量V0.5%、含锰量V 1.2%、断面收缩率Z =80%时，单位冷变形力P与钢材含C、Mn量之间的近似关 系如下：P=1950C+500Mn+1860(MPa)(1)可见，钢中含碳量对于钢材的冷塑性变形性能的影响是 很大的。在实际工艺过程中，冷镦挤压用钢的含碳量大于0. 25%时，要求钢退火成具有最好的塑性组织球状珠光体 组织。对于变形程度为 65%-85%的冷镦紧固件不经过中间 热处理而进行三次镦锻变形，其含碳量不应超过 0.4%。对 当含碳量超过 0.3%-0.5%的碳钢进行镦锻时，就要增加中间 完全退火工序或者采用温镦。锰(Mn)锰在钢的冶炼中与氧化铁作用(Mn+FeO +MnO+Fe)主要为对钢脱氧而加入。锰在钢中与硫化铁作 用(Mn+FeS+MnS+Fe)，能减少硫对钢的有害性。所形成 的硫化锰可改善钢的切削性能。锰使钢的强度有所提高，塑 性有所降低，对于钢的冷塑性变形性能是不利的，但是锰对 变形力的影响仅为碳的四分之一左右。由于成品的特殊性能 要求，允许锰的含量为硫的五倍。除了成品的特殊要求外， 不宜超过 0.9%。硅（Si）硅是钢在冶炼中脱氧剂的残留物。当钢中含 硅量增加0.1%时，会增加13.7mpa。经验表明，含硅量超 过0.17%且含碳量较大时，对钢的塑性的降低有很大影响。 在钢中适当增加硅的含量，对钢的综合机械性能，特别是弹 性极限有利，还可以增强钢的耐蚀性。但是当钢中含硅量超 过0.15%时，使钢急剧形成非金属夹杂物，高硅钢即使退火 也不会软化，急剧降低钢的冷塑性变形性能。如果硅以硅酸 类形式存在于钢中，分散在钢中的细小颗粒会过快地磨损模 具。因此，除了产品高强度的性能要求外，冷镦用钢总是尽 量减少硅的含量。硫（S）硫是有害杂质。钢中的硫在冷镦时会使金属 的结晶颗粒彼此分离引起裂纹。硫的存在还促使钢产生热脆 和生锈。因此含硫量应小于 0 . 06% 。镦制高强度紧固件时， 应控制在 0.04%以下。由于硫、磷和锰的化合物能改善切削 性能，冷镦螺母用钢的含硫量可放宽到0.08%-0.12%，以利 于攻丝。磷（P）磷的固溶强化及加工硬化作用极强，在钢中 偏析严重，增加钢的冷脆性及回火脆性，使钢易受酸的侵蚀。 钢中的磷会恶化冷塑性变形性能，在拉拔中使线材断裂，在 冷镦中使工件开裂。钢中含磷量要求控制在 0.045%以下。其他合金元素铬（Cr）、钼（Mo）、镍（Ni）、钒 （V）、钨（W）等合金元素对钢的冷变形性能的影响远不 及碳那样大。一般来讲，随着钢中合金元素的增加，钢的机 械强度指标、淬透性随之增加，冷变形性能随之降低。3、金相组织要求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。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。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（0.02006） mm；每mm2晶粒 数约为250-2300个；晶粒的平均面积约（400-4000） “血。 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。4、表面质量要求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。 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，在镦锻时会明显地 暴露在产品表面。原材料在轧制中的折叠、耳子、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，螺坯被碾压成两半等。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0.04010mm,更深的缺陷必须避免。钢材在低碳气氛中加热会引起脱碳。虽然脱碳从产品的 外观质量看不出什么，但是工件表面含碳量的任何变化都会 对工件的机械性能产生重大影响。特别对含碳量 0.30%以上 的钢材，表面脱碳对工件的疲劳强度和耐磨性明显有害。为 防止脱碳材料在退火时，应使用保护气体。和脱碳相反的是渗碳。钢在高温高碳环境中会产生渗碳。 尽管渗碳对于成品是相当于在软核上产生硬壳是可以接受 的，有时是需要采用的方法，但是对于冷镦工艺来说是相当 有害的。有渗碳层的钢材表面象蛋壳那样又薄又硬。在材料 改制或者冷镦时，材料表面会产生裂口或者剥离，降低钢材 的冷变形性能。因此，冷镦用钢材应当完全避免脱碳和渗碳。 钢材的脱碳和渗碳情况可采用金相显微镜检查。尺寸精度要求 线材的尺寸精度对于冷镦产品质量及工艺过程有很大 影响。冷镦用线材和模具通常是专业化分别加工的。若线材 直径超出最大允许值，则镦锻时工件头部的金属就过多，将 产生不良飞边或者使工件杆部弯曲。或者因线材直径大于凹 模模孔直径而使进料困难。以及工件杆部被凹模孔拉毛，在 模孔内急剧形成金属瘤。若线材直径小于最小允许值，则在 镦锻时金属不能完全充满模腔，造成工件棱角不清。所以冷 镦用材料要充分接近真圆，直径均匀。冷镦用线材的直径允 差一般为0.20035mm,不圆度允差为直径允差的1/2。