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【技术前沿】加工工艺合理化、资源节约|非调质冷锻螺栓钢的开发

  冷锻是可低成本、大量制造高精度的各种机械结构零部件的加工方法。冷锻是在室温下进行的锻造,所以产生的CO2少,环境负荷小。

  在冷锻开始普遍采用的1940年代,由于冷锻技术和冷锻用钢性能的制约,对于复杂形状和要求高尺寸精度的零部件,还需要采用热锻与切削加工组合的方法制造。这种制造方法导致零部件的成材率低下、加工时间过长,并且难于降低零部件的制造成本。从1960年代开始,冷锻的关键技术水平有了提高。特别是冷锻工艺的设计技术、冷锻模具的制造技术以及冷锻用钢的高质量、高性能化,扩大了冷锻加工的应用范围。

  为了获得冷锻用钢的最大效果,在最佳条件下应用最合适的零部件制造技术十分重要。特别是从多种尺寸规格的冷锻用钢钢种中选用最合适的材料,可以获得冷锻用钢的最大效果。冷锻用钢的质量可以分为“常规质量”和“魅力质量”两大类别。常规质量是冷锻时的基本性能:高变形能、无裂纹以及变形抗力低、冷锻模具使用寿命高等性能。魅力质量是在保持常规质量的同时,省略或简化冷锻前后热处理,降低冷锻零部件制造成本和最终零部件高性能化,性能优于传统钢冷锻零部件性能等。

  冷锻的应用范围很广,冷锻用的钢材从碳素钢到合金钢多种多样。冷锻用钢高质量化的方法因冷锻零部件的不同而不同。但就锻造加工的基本要求而言,高变形能、低变形抗力是锻造用钢的共同质量要求。钢的制造技术对锻造用钢的特性影响很大。对于冷锻用钢,全部制造技术,特别是冷锻前的热处理条件的优化、各种合金元素的选定和最佳组合,才能生产出各种高质量的冷锻用钢。

  高质量冷锻用钢可分为两大类别,分别是加工工艺合理化或资源节约型冷锻用钢和具有新功能的冷锻用钢。

  非调质冷锻螺栓钢是上述的(1)类高质量冷锻用钢。使用非调质冷锻螺栓钢线材制造螺栓,可以降低螺栓的制造成本并减少制造过程中的CO2排放。上述的(2)类高质量冷锻用钢,虽然不能直接降低零部件的制造成本,但通过钢的高性能化,可以降低设备单元的整体成本,或使汽车轻量化,实现CO2减排。

  非调质冷锻螺栓钢是加工工艺合理化和资源节约型的冷锻用钢。非调质冷锻螺栓钢在提高了冷锻前的钢丝强度后,赋予钢丝锻造螺栓的冷锻性,所以可省略冷锻前的软化热处理和冷锻后的淬火-回火处理。

  螺栓的强度取决于钢丝的强度。钢丝的强度由轧制线材的强度和线材拔丝产生的加工硬化决定。与进行了软化热处理的中碳钢钢丝相比,非调质冷锻螺栓钢线材的冷锻前强度高,所以,非调质冷锻螺栓钢线材用于法兰螺栓等高加工率零部件,螺栓的强度级别基本是都是8.8级。9.8级以上强度的螺栓使螺栓制造用的模具寿命显著下降,所以,非调质冷锻螺栓钢限定用于9.8级的柱状螺栓和U形螺栓等形状简单的零部件。

  提高非调质冷锻螺栓钢线级螺栓需要解决的课题。为提高线材拔丝模具的寿命,特殊钢厂进行了新型的非调质冷锻螺栓钢线材开发。神户制钢的新型非调质冷锻螺栓钢的化学成分中,降低了Si、N含量,抑制了加工硬化和动态时效导致的变形抗力升高,降低了钢丝镦锻时的变形抗力。并且,通过拔丝加工率的优化,最大限度利用包申格效应,使钢丝镦锻时的变形抗力下降(图1和表1)。神户制钢开发的线材拔丝模具寿命提高到传统型非调质冷锻螺栓钢线C球化退火线材拔丝模具寿命等同。

  可以预计,今后在不断降低各种冷锻零部件的制造成本和推进冷锻零部件制造过程中的CO2减排过程中,非调质冷锻钢的需求会不断增多,高质量钢丝及其零部件的全球化供给体制变的更加重要。此外,为应对零部件小型轻量化的需求,高强度非调质冷锻钢的用量将不断增加。因此需要继续进行非调质冷锻钢新钢种的开发和冷锻技术的完善化。

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