第11卷第6期 2016年l2月 失效分析与预防 December。2016 Vo1.11。No.6 SWRCH18A冷镦钢镦制螺钉开裂原因分析 罗新中,林晏民,潘逸飞 (宝铜集团广东韶关钢铁有限公司检测申心,广东韶关512123) 【摘要]使用SWRCH18A冷镦钢盘条镦制螺钉过程巾部分螺钉头蹦现开裂。对开裂试样进行宏观观察、金栩检测、非金 属夹杂物检测、电镜检测等各种试验分析,对缺陷部位进行显徽硬度及徽区能谬成分分析,最终确认螺钉头开裂的主要原因 是盘条内部近表l面区域存在异金属爽杂物。异金属夹杂物产生的主要原因是由于冶炼操作小当.补加的硅锰等铁台金不能 全部熔化或扩散不均匀引起的。异金属夹杂物属于 允许存在的缺陷,严蕊地破坏r钢组织的完整性,使材料在后续轧制、 拉拔、冷镦等加工过程中形成裂纹并开裂。 [关键词】冷镦钢;螺钉;开裂;组织;异会鼹夹杂物 [中围分类号】TGI13 [文献标志码】A doi:10.3969/i.issn.1673-6214.2016.06.OO9 【文章编号】1673-6214(2016)06-0372-05 Cracking Analysis of SWRCH18A Screws in Cold Heading Process l UO Xin.zhong。LIN Yan.min.PAN Yi—fei (Baosteel Group Guangdor ̄g Shaoguan Iron and Steel Co.,Ltd.,Guangdong Shaoguan 5121 23,China) Abstract:Part of the SWRCHI8A SClagWS cracked at heads in the pier process from cold heading stee1 wire rod to screws.Macro— observati on,metllographie examinataion,non-metallic inclusion test and elecmm mien ̄scopy examination,as well as micro hardness test On defective pans and EDS analysis were carried out to find out the failure cause of the screws.Tile results show that the main failure cause is that dissimilar mental inclusion existed neat the SUrface of the internal wire rod.The dissimilar mental inclusion was mainly caused by improper melting operation and extra silicon-manganese alloys,which could not be incompletely molten or unevenly spread.The dissimilar mentl inclausion is not allowa1)le flaw,which destroys the integrity of steel mierostructure and ruptures in the process of sHDsc ̄nent rolling,drawing and cold heading。 Key words:cold heading steel;screw;crack;micmstmcture;dissimilar mental inclusion 个字“不开裂,淬得上”,强调不开裂是因为冷镦 0 引言 冷镦钢是利用金属的赣性,采用冷镦成型加 钢在冷镦过程中总会存在开裂,日本的也不例外, 只不过是开裂率高低不同,同…时期波动大小不 同而已。根据用户不完全反馈统计,韩国浦项世 艺生产螺栓、螺母、螺钉、销钉等各类紧固标 准件。冷镦丁艺的特点是可节省原料,降成本,而 且通过冷作硬化提高T件的抗拉强度,改善性能。 冷镦钢在冷加 成型过程中变形量很大,一般为 亚冷镦开裂率约为0.8%,台湾的约为0.7%,日 本的可以做到0.6%,国内宝钢股份约为0.8%, 同国外差距不大。拉拔后镦头开裂是冷镦钢常见 的一种失效形式,导致镦头开裂的原因多种多样。 60%~70%,最高可达90%,所承受的变形速率 很高,因此要求冷镦钢必须具备较好的成型性能 和力学性能,通条性能要好,利于均匀变形。钢中 S、P等杂质元素要严格控制,对钢材的表面质量 要求严格¨ 。 文献[3]分析了冷镦钢近表蕊ca、Al类氧化物夹 杂引起的镦头开裂情况;文献[4]分析了拉拔划 伤导致的镦头开裂;文献[5]分析了轧制过程中 原材料表面尖锐的“V”形划伤引起的镦头开裂; 衡量冷镦钢品质的标准,在紧固件行业有6 [收稿日期]2Ol6年9月3日 文献[6]分析了si含量偏高,引起材料屈服强度 明 升高,冷加一r变形能力差,最终导致材料镦头 [修订日期l 2016年l1月30 lJ [作者简介]罗新巾(1990年一),男,T程师,主要从事金属材料物理检测、产品失效分析等方面的研究。 第6期 罗新『f1,林晏民,潘逸飞:SWRCHI8A冷镦钢镦制螺钉,f:裂原 分析 373 时开裂。文献[7]则系统地介绍了材料表面及次 表面存在的较大尺寸夹杂物及轧制过程中的各种 表面划伤引起的冷顶锻开裂。但并没有文献研究 异金属夹杂物对冷镦钢冷镦过程的影响,本文通 过试验研究,分析SWRCHl8A冷镦钢中异金属夹 杂物导致的镦头开裂。 试,力学性能结果见表2。从检测结果可知,化学 成分控制比较好,力学性能也在企业内控范匍内。 1 螺钉头部开裂情况 西6.5 mm的SWRCtI 18A加。’I 螺钉的流程是 首先将 .5 mm拉拔到咖2.8 mm,然后进行退火 等 艺处理,最后镦头加I 成螺钉。在菜批次加 丁过程中出现人量镦头螺帽开裂,开裂量约 4OO kg,开裂情况见图l。 图1 螺帽镦头开裂情况 2试验过程与结果 2.1 母材化学成分及力学性能 对开裂试样采用PW440型X射线荧光光谱仪 进行化学成分检测,化学成分结果见表1。对母材 试样按照GB228.1标准矫直后进行拉伸性能测 Fig.1 Cracked head of. ̄sClgeW 2.2宏观检验 采用体视显微镜对镦头开裂螺钉进行低倍观 察,开裂处宏观形貌见图2。从图2可以看出:开 裂处较为十净,没有明显渣子,其中螺杆部位有纵 向开裂,和镦头开裂在一条线上。 表1母材化学成分检测结果(质量分敷/%) Table 1 ResuIts of chemical eoml: ̄s[tion tests of base mental(mass fraction/%) 表2母材力学性能检测结果 2.3微观分析 采用KYKY一3800型扫描电镜对爆头处及 螺钉杆部纵裂处进行高倍观察。爆头处微观形貌 见图3,从图中可以看}}J,开裂部位有明显变形, 为甥性开裂,开裂处较为干净,没有大尺寸夹杂 物。螺钉杆部形貌见图4,螺杆纵向裂纹较宽,裂 纹中没有明显夹杂物及渣子。 图2体视显微镜下镦头开裂处彤貌 Fig 2 Macro morphology of crack ̄Cl?ew head 围3螺钉爆头处电镜形貌 Fig.3 SEM morphology of crack of scfew head 374 失效分析与预防 第11卷 图4爆头螺钉螺轩处纵向开裂 Fig.4 SEM morphology of longitudinal crack of ruptured scTew 圈5心部金相组织 Fig.5 Microstmcture of the center 2.4金相检验 在爆头试样螺杆部位取样进行金相组织检 测,结果见图5、图6。图5为心部组织,组织为粒 状珠光体,球化效果较好。图6为螺杆纵向开裂 对应的边缘组织,边缘有裂纹延伸至内部,并在近 表面形成一深色腐蚀异常区,深色腐蚀区周嗣有 一定程度脱碳。裂纹最深处距表面0.49 mm。对 深色腐蚀异常区进行显微硬度检测,其中异常区 硬度HV。。230,异常区附近基体硬度HV。,163。 异常区金相组织与基体组织有显著不同,异常区 组织的颜色和构成非常均匀,与基体界限分明,因 此可推断异常区为另一种不同于基体的材料。 取多个爆头试样进行夹杂物检测,夹杂物检 测结果见表3。从检测结果可知,夹杂物含量较 少,控制比较好。 图6螺杆纵裂处金相组织 Fig.6 Micrestmetureoflortigtudinat crack 表3夹杂物级别检测结果 Tabk 3 Results of inclusions examinalion Class A I em …Class B Class C 一Class D Thin series Thiek series Thin series Thiek series Tlain series Thick seris e1'IIin seris Thieck series 2.5异常区能谱分析 明组织异常区Si、Mn含量高。 对金相试样组织异常区进行电镜扫描及能谱 成分分析。形貌图见图7,分别在组织异常区取2 点进行能谱扫描,标识为ptl、pt2,在组织异常区 3分析与讨论 3.1 螺钉镦头开裂原因分析 从化学成分及力学性能检测结果分析,母材 附近基体取1点进行能谱扫描,标识为pt3。忽略 C等常见轻元素,3点能谱扫描主要化学成分见 表4。从表4中可以看出,异常区化学成分比较 盘条化学成分和力学性能都控制的比较好。夹杂 物较少,只有少量B类和D类夹杂,拉拔到 2.8 mm后最大级别为1.5级,在爆头处也没有发 现明显的夹杂物,说明非金属夹杂物不是螺钉爆 接近,其中Si是基体成分2倍,Mn是基体成分 3倍,其他元素相差不人。异常 附近基体的Si、 Mn含量正常,接近光谱分析的母材化学成分,说 第6期 罗新巾,林晏民,潘逸飞:SWRCHI8A冷镦钢镦制螺钉歼裂原 分析 375 头的t要原凶。对螺钉金相检测结果可知,金相 组织为均匀的粒状珠光体,球化效果比较好,拉拔 后热处理过程也不是螺钉爆头的主要原因。 4,2.8 mlTl,材料发生r大的塑性变形,而异金属夹 杂物处强度硬度较基体高,不易变形,应力集中严 重,导致加r过程中异金属火杂物周隔的开裂不 断向外扩展,最终扩展至材料表面,形成表面纵阳 开裂。 看{:{材连铸生产一 艺,主要异常是脱方较 严重。脱方形成机理是连铸过程中坯壳4个『自f或 角冷却不均匀,t要原因是在结晶器中铸坯表面 发生了冷却不均匀的现象,引起不均匀收缩,坯壳 厚度差别大,厚坯壳收缩量大,薄坯壳收缩量小, 最终导致脱方¨。。 。脱方往往拌有角部裂纹发 生,角裂主要也是铸坯在结晶器内冷却不均匀造 成的,所以连铸过程中的冷却不均匀也在一定程 度上推动了异金属夹杂物边界裂纹的胡生 。 表面纵裂在拉拔后的成品钢丝卜表现为线缺 陷,见 2中螺杆部位的纵裂。成品钢丝住镦制 图7组织异常区电镜形貌 Fig.7 SEM morphology of anomalous micrt ̄tructur 螺钉的蘑菇头时要发生2~3倍压缩变形,钢丝表 面纵裂压缩变形巾在宽度和深度上都不断的快速 扩展,最终形成严重的爆头缺陷。 3.2异金属夹杂物产生的原因 异金属夹杂物的特点是形状不规则,但边界 比较清晰,产生的主要原因一个是浇注过程中掉 入模内外来金属以及钢包水口的冷瘤注入模内造 袁4组织异常区及附近能谱成分检测结果(质量分数/%) 山le4 EDS results of anomalous micro ̄tructure(ma8s fraction/%) Element PIl Pt2 P13 Si O.27 0.24 0,l2 S O.14 0.08 0.05 btn 1.77 1.42 0.49 Fe 97.76 98 30 99.25 Ni 0.06 0.05 0.14 成,另一个是 ̄l,/Jn的硅锰等铁合金不能令部熔化 从体视 微镜低倍观察和扫描电镜观察ir以 看}¨,螺钉表面存在连续的纵向裂纹,螺钉爆头是 纵向裂纹在冷镦成过程中扩脖导致的。在表 纵 或扩散不均匀引起的¨”。从本次发现的异金属 夹杂物的化学成分看,Si、Mn无素较基体高,并没 有发现其他杂质元素,可以确定该异金属央杂物 向裂纹内部发现组织异常区,异常区显微硬度较 产生原因属于后者,是F}1于 ̄f,JJil的硅锰等合金不 能全部熔化或扩散不均匀引起的。异金属夹杂物 基体高I—IV。 57,化学成分中sj是基体的2倍, Mn是基体的3倍,异常区边界裂纹伴随有・定程 度脱碳。由于组织异常区与集体正常组织的边界 清晰,通过金相及电镜能谱结果可以判断组织异 常区属舁金属夹杂物缺陷。异金属夹杂物是造成 表面纵裂的主要原因 。。 异金属夹杂物成分、性能 基体不同,这种缺 在整个炼钢、连铸过程巾都没有完全熔化,所以异 金属区域通常硬度较基体高,组织和基体 同,微 观E表现为异金属部位组织颜色均匀一致,与基 体有明显界限。该界限和焊缝区的熔合线性质基 本一致,是因为异金属并未熔化而基体是经过熔 化过程的,异金属相当于母材,而基体相当于焊缝 Ⅸ熔化金属‘ 。 陷破坏_rl材料的均匀性和连续性,在外力作用下 会使材料变形 均匀,尤其是在与基体的接壤处 产生应力集中,严重的应力集中造成裂纹萌 生¨’。小次发现的异金属夹杂物周同有脱碳,但 3.3异金属夹杂物控制措施 译金属央杂物严重地破坏了钢组织的完整 性,属于小允许存在的缺陷。为了避免异金属火 杂物的产生,应该从以下几点}}l发:…一是加强对炼 靠近材料表面的裂纹没有脱碳,说明异金属夹杂 物周同的开裂在连铸过程中已经形成,在后续轧 制加热过程中}十{现脱碳,而靠近材料表面的裂纹 是在后续过程巾形成的。连铸坯经过加热后轧制 及后续对母材的拉拔lJJll1 ,直径由咖170 mill降 钢所用合金的管控,确保材料符合相关技术要求; 一是要严格执行转炉、精炼操作制度,按照要求添 加合金并控制合金添加时间,确保合金完全熔化; 一是应加强对炼钢、精炼、连铸的设备巡检和维护 376 失效分析与预防 会,2008,36(2):43—45. 第11卷 力度,避免外来金属进人钢水中。除此之外,也应 不断提高冶炼技术,使用洁净的原材料和设备,连 铸过程采用电磁搅拌、保护浇注等手段 j。 [4]胡 石.SWRM10盘条替代SWRCH10A生产玲顶锻钢丝工 岂研究[Jj.金属制品,2(X)O,26(5):13一l7. 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