冷镦工艺对金属材料的要求

一、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0Cr18Ni9（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。

二、化学成分的要求

　　1、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（58.8-78.4MPa），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＜0.5%、含锰量＜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。

　　2、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%。

　　3、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。

　　4、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。

　　5、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。

　　6、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。

三、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。

　　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。

四、 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。

　　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0.04-0.10mm,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。

　　2、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0.20-0.35mm，不圆度允差为直径允差的1/2。