冷鐓鋼加工表面缺陷特征分析

陳占杰　張全剛　楊曉奇

(安陽鋼鐵股份有限公司)

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冷鐓鋼加工表面缺陷特征分析

陳占杰張全剛楊曉奇

(安陽鋼鐵股份有限公司)

針對表面缺陷引起的冷鐓開裂現象，通過熱酸浸、金相組織觀察、硬度檢測試驗對表面缺陷進行分析，對原始盤條所帶表面缺陷和加工過程產生的表面缺陷進行辨別。結果表明，原始盤條所帶表面缺陷形貌細長，深度較深，形狀不規則，退火后缺陷處金相組織發生脫碳和鐵素體異常長大，硬度與基體硬度有明顯差別。用戶拉拔產生的表面缺陷形貌特征寬且淺，為平滑的圓弧形凹坑，保留劃傷原始形貌，缺陷周邊金相組織無異常，硬度與基體硬度相同。

冷鐓鋼加工缺陷劃傷表面缺陷特征

0　引言

冷鐓鋼盤條一般經拉拔、退火、冷鐓、調質處理等加工制作螺栓、螺母和鉚釘等標準件，被廣泛用于汽車、機械設備、電器、航空設備等行業。安陽鋼鐵股份有限公司第一煉軋廠有多年生產冷鐓鋼盤條經驗，其產品鋼質純凈度高、非金屬夾雜物和氧、氮氣體含量低、成分穩定、表面質量好、脫碳層深度較小、用戶使用冷鐓開裂率低、經熱處理后機械性能好等優點，在國內市場有著良好的口碑。下游用戶在使用冷鐓鋼最注重冷鐓開裂情況，文獻表明引起冷墩鋼冷墩開裂的主要原因是鋼材表面缺陷[1，2]。表面缺陷易在盤條軋制生產中及用戶拉拔過程中產生，均會造成后期使用過程冷鐓開裂。而用戶往往以為材料本身原因造成了開裂，對鋼廠失去信心。加工過程中的工序(如拉拔、退火等)會改變表面缺陷，使缺陷具有一定的形貌特征，通過對比分析表面缺陷形貌及缺陷周邊金相組織、硬度等特征情況，確認表面缺陷產生的工序和原因，有利于進一步提升產品質量。

1　試驗材料及方法

試驗材料選取近年來安鋼質量反饋的冷鐓鋼產品，鋼種包含SWRCH35K、ML40Cr和SCM435，所采用的試驗材料均具有明顯的表面缺陷，且部分材料已經過用戶的加工(如拉拔、退火)。試驗方法為系統的應用安鋼技術中心實驗室檢測設備。冷鐓鋼的加工過程一方面能產生新的表面缺陷，另一方面也改變了原有表面缺陷特征。通過對試驗材料進行熱酸浸、金相組織觀察、硬度檢測試驗，觀察表面缺陷形貌特征，收集試驗數據，進行對比和分析，根據結果判定表面缺陷產生原因，以此更好的提出針對性的改進措施。

2　結果與分析

2.1拉拔工序產生的表面缺陷特征

拉拔是用戶在使用冷鐓鋼盤條的必要工序，通過拉拔縮小盤條直徑，一方面使盤條尺寸精度更高，另一方面調整盤條的表面硬度適于退火或冷鐓。拉拔過程盤條產生一定的金屬流變，對盤條表面缺陷產生影響，另拉拔過程也有概率產生新的表面缺陷。試樣熱酸浸后情況如圖1所示。

1#試樣和2#試樣均經過用戶拉拔加工，在后期冷鐓過程中出現不同程度開裂。從圖1可以看出，缺陷均為直線形狀表面缺陷。1#試樣缺陷宏觀形貌細長，觀察不到缺陷底部，深度較深；2#試樣缺陷形貌寬且淺，缺陷底部可見，較為光亮，可以判斷出底部圓滑。根據缺陷形貌特征平滑的圓弧形凹坑[3]，2#試樣缺陷為劃傷缺陷。因缺陷仍保持著原有劃傷缺陷形貌，無任何改變，判斷為在最后一次拉拔過程產生，應在用戶的拉拔中出現尖銳異物劃傷盤條表面所致。而1#試樣，因拉拔過程盤條表層金屬發生流變，缺陷已無劃傷形貌，初步判定為拉拔前已經存在表面缺陷。

在下游用戶使用過程中，出現冷鐓開裂時可以通過熱酸浸后宏觀觀察材料表面缺陷，根據缺陷形貌特征快速分辨缺陷產生的工序，有利于減少廢品率。對表面形貌特征進行宏觀觀察后，可以通過金相組織觀察，進一步分析材料表面缺陷，其缺陷處金相組織如圖2所示。

(a) 1#試樣Φ15.8 mm規格SWRCH35K

(b) 2#試樣Φ7.4 mm規格SWRCH35K

(a) 1#試樣200倍(b) 2#試樣25倍(c) 2#試樣200倍

圖2缺陷處金相組織

從圖2可以看出，1#試樣缺陷深325 μm，呈由表面向內延伸的裂紋，形狀彎曲，缺陷開口處呈不規則狀、無平滑弧形。此類缺陷為冷鐓鋼盤條所帶缺陷，裂紋深，形狀不規則，且因拉拔的影響缺陷開口處無平滑弧形，無固定形狀。圖2(b)為2#試樣的低倍形貌，進一步放大200倍如圖2(c)所示，邊部缺陷寬330 μm，深度144 μm，寬且淺、缺陷形貌為平滑的圓弧形凹坑，與宏觀觀察結果一致，為劃傷缺陷形貌。

冷鐓鋼盤條在拉拔過程中，由于金屬流變，盤條原有的表面缺陷會發生變形，缺陷開口處形貌表現不規則，發生一定的閉合。而拉拔過程產生的劃傷缺陷，形貌特征較突出，明顯區別于盤條原始表面缺陷，如發現拉拔劃傷缺陷，應及時檢查更換拉拔模具等，減少缺陷的產生。

2.2退火工序對表面缺陷的影響

退火是加工大變形量標準件必須的工序。經退火后得到均勻細小的球化組織可顯著地提高盤條塑性變形的能力。退火過程不會產生表面線性缺陷，但會對表面缺陷的特征產生一定的影響。對試驗材料進行金相組織檢驗，其結果如圖3所示。

(a) 3#試樣 SCM435(b) 4#試樣 ML40Cr(c) 5#試樣SCM435

圖3缺陷試樣退火后金相組織

試樣均經過退火、拉拔加工，在冷鐓過程出現開裂，對開裂試樣進行金相組織觀察。3#、4#試樣表面缺陷深度較深，開口處不規則，在用戶拉拔前已存在的表面缺陷。而5#試樣缺陷寬93 μm，深75 μm，寬且淺，底部光滑，開口處沒有變形，為用戶拉拔劃傷缺陷。

從圖3(a)和圖3(b)可以看出，缺陷周圍金相組織有脫碳、鐵素體異常長大現象。因邊部存在缺陷，在退火過程中，易在密封的腔體內形成高溫，在長時間高溫的情況下易發生脫碳和鐵素體異常長大，甚至產生沿鐵素體晶界擴展的裂紋，如圖3(b)所示。圖3(c)為用戶拉拔劃傷缺陷，通過對劃傷缺陷周邊組織觀察，組織無異常，無氧化脫碳特征，判定為退火后拉拔產生的劃傷缺陷。

根據標準GB/T 4340.1-2009測試基體和缺陷附近的顯微硬度，對所取試樣進行硬度檢測，結果見表1。

表1　維氏硬度(HV0.2)測試結果

由表1可知，3#試樣缺陷處和基體的硬度相差明顯，而5#試樣缺陷處和基體硬度基本相同，且與3#試樣基體硬度相差不大。因退火過程中缺陷處組織異常，有脫碳和鐵素體長大，造成硬度明顯降低。通過硬度測量可以分辨缺陷周邊是否異常，進一步判定缺陷產生的工序。值得注意的是，退火后試樣硬度檢測可分辨出缺陷處組織是否存在異常，而調質處理后試樣因淬火的影響，試樣缺陷處和基體的硬度差別不大[4]。

3　結論

冷鐓鋼加工過程產生的表面缺陷明顯區別于原始盤條所帶表面缺陷，通過試驗得出以下結論：

1)用戶拉拔產生的表面缺陷形貌特征寬且淺，為平滑的圓弧形凹坑，缺陷周邊金相組織無異常，硬度與基體硬度相同。

2) 盤條所帶表面缺陷經用戶加工后，缺陷形貌細長，深度較深，形狀不規則。退火后缺陷處金相組織發生脫碳和鐵素體異常長大，硬度與基體硬度有明顯差別。

3)冷鐓鋼盤條在后續退火、拉拔等加工過程中表面缺陷特征會有相應改變，如缺陷周邊脫碳、拉拔后缺陷開口處不規則等新的特征。

[1]戴寶昌.重要用途線材制品生產新技術[M].北京：冶金工業出版社,2001:61.

[2]李印長,孫汝林,張全剛,等.冷鐓鋼冷鐓開裂影響因素分析及控制[J].河南冶金，2010(5):44-46.

[3]龔桂仙，陳士華，浦紹康,等.鋼鐵產品缺陷與失效實例分析圖譜[M].北京：冶金工業出版社,2012:136-138.

[4]崔忠圻.金屬學與熱處理[M].北京：機械工業出版社,1995:253-258.

ANALYSIS OF SURFACE DEFECTS CHARACTERISTIC FOR COLD HEADING STEEL PROCESSING

Chen ZhanjieZhang QuangangYang Xiaoqi

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

According to the surface defect caused by cold heading cracking phenomenon, analysis of surface defects is carried out through the hot acid leaching, metallographic observation, hardness testing, surface defects on the original wire rod and generated during machining process are discriminated. The results show, surface defects on the original wire rod are elongated, deep and with irregular shape. After annealing microstructure of defect occurs decarburization and ferrite grow up abnormally, there is obvious difference between the hardness and the hardness of the matrix. The surface defects formed by the drawing of the users are characterized by wide and shallow surface defects, which are smooth arc shaped pits, retain the original appearance of scratch, and the microstructure of the defect is not abnormal, and the hardness is the same as the matrix.

cold heading steelprocessing defectsscratchcharacteristics of surface defects

聯系人：陳占杰，工程師,河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司技術中心;2016—4—27