材料改制

材料改制
一、材料改制的意义
现在制作紧固件的主要工艺方法是冷镦（冷锻）或者称冷挤压和热镦（含温镦）工艺。

我们的原材料主要是线材盘条冷镦用热轧盘条，热（温）镦工艺主要是棒料。

由热轧获得的材料的外圆尺寸、公差、精度、表面状态（氧化皮等）均不适应冷镦工艺的要求。

1、材料外圆尺寸（高速轧机在±0.10的控制范围内；2、尺寸公差可能“失圆”或者粗细的不均匀，影响通过精密的冷镦模具；3、表面氧化皮（尤其是F很薄，颜色发“青”，硬度很高，影响拉丝模的寿命和紧固件冷镦模具的使用寿命。

所以“改制”成“精线”是不可缺少的一步工序。

通过酸洗拉拨后的线材表面光洁，线径精度高（一般在0.000.02这间）通条均匀性强。

但缺点是任何一次拉拨都会使线材的抗拉强度升高，随这升高的还有硬度，这主要是金属材料塑性形变中的“鲍辛格”效应的作用所致。

不同的材料和不同的拉拨压缩比会产生不同的结果，如果拉拨改制后的线材硬度过高会影响冷成型性能，变形困难，表面过硬，降低冷镦模具的使用寿命，那么为避免这些问题，材料改制中要有相应的工序安排，按需要合理安排除锈（剥壳）、辗尖、退火、酸洗、拉拨等工序。

二、材料改制的基本工艺路线
热轧 （盘圆） 除锈、碾尖
酸洗、润滑 冷拨 检验 多置、重复
①除锈（机械除锈、剥壳）酸洗、润滑拉拨
②先进炉退火除锈、剥壳酸洗、润滑拉拨
③除锈酸洗、润滑拉拨退火除锈酸洗拉拨（二拉一退） ④退火除锈酸洗、润滑拉拨退火除锈酸洗拉拨（二拉二退）
A 只用①工艺步骤的俗称“生料拉”，主要用于外六角螺栓等；
B 只用②工艺步骤一退一拉，适用中炭冷镦钢生产螺母大料小变形；
C 用③工艺步骤二拉一退，适用中炭或低合金、内六角螺钉、法兰面螺栓、10级螺母、异型件；
D 用④工艺步骤二拉二退，一般第一拉安排超过25~30%
压缩比，第二拉仅0.2~0.4‟轻拉，主要是合金钢紧固件、法兰面、沉头内六角异型件，及需要在调质前调整好材料基本组织的线材。

㈠剥壳和碾尖
1.剥壳也称为机械除锈，针对氧化皮较厚的线材。

把线材穿过不同按置位置的滚轮（十字、交错、交叉）用机械方法除外表的氧化皮，也可以钢丝刷、喷砂，当然也可以直接进酸洗池。

2.碾尖，也称轧头，将材料在碾尖机中把一定长度的线头碾尖，减小直径尺寸，主要作用是穿过拉拨模的内孔作引导夹紧的线头。

㈡酸洗
除去表面氧化皮最有效的办法是酸洗。

酸洗的用酸主要是硫酸和盐酸。

1.现将这两种酸的使用情况对比如下：
硫酸盐酸
化学反应FeO+H2SO4→F2SO4+H2O
Fe3O4+4H2SO4→Fe3O4+Fe2(SO4)3+
4H2O
Fe2O3+3H2SO4→Fe2(SO4)3+3H2O
Fe+H2SO4→F e SO4+H2↑
FeO+2HCl→F e C12+H2O
Fe3O4+8HC1→F e C12+ 2F e C13+
4H2O
Fe2O3+6HC1→2F e C13+3H2O
Fe+2HC1→F e C1+H2
温度要加热45~60 常温，超过40环境不
宜使用
最佳使用
状态
温度50~60
酸浓度12~14%
温度20
酸浓度18~25%
补液浓度<7%时要加酸浓度<12%时要加酸
更换亚铁>200~300g/L或
酸≤5%要更换报废
亚铁>300g/L或
酸≤5%要更换报废
反应时间和速度酸洗速度慢，应控制在20~25分
钟，表面较粗糙，适合挂石灰浆
酸洗速度快，应控制在8~15
分钟，表面光洁，适合用磷
化工艺
其它浓硫酸>92%可以用钢制溶器盛
装运输
运输必须使用耐酸、封闭性
好的容器
2.特别注意点：
⑴硫酸使用配置时注意安全，必须酸加入水中稀释，新酸液酸可以直接使用。

盐酸溶液新更换时必须要加入旧的酸液才能使用（要保持盐酸亚铁有1~2%的浓度）。

⑵起酸后应流水冲洗，碱性中和。

⑶酸液反应池可以加抑雾剂“若丁”，浓度为0.2%60CC/（若丁：二钾苯硫脲），高温和低气压时，加洗洁净和抑雾剂合用。

⑷厂房敞开，木结构或钢架、水泥梁柱、地面、吊具等涂环氧树脂材料涂复表面。

3.氢脆，在酸洗过程中（不管是用硫酸、盐酸或者是其他酸），均会有大量游离态的氢产生，H+氢原子会被钢中的铁基体所吸收，并且沿着晶格在基体中扩扩散，会使钢的脆性增加，损害钢的冷变形的性能，严重时在拉拨过程中发生断裂，或者在冷镦时发生开裂。

酸洗时间过长，温度过高，碳含量高，钢中其他元素（杂
质）增多，非金属元素C、S、P、Si存在，中间道次冷拨过的材料有内应力存在都会扩大氢脆风险。

防止的方法是，严格掌握工艺规程，尤其是酸洗时间和温度，酸洗液的状态（酸液效力降低要及时加酸，或清理亚铁，或置换新液），注意方法是合理选用酸洗液，硫酸酸洗反应中氢冲出多适合酸洗热轧料（黄锈料），反应中对表层厚的除锈力强。

盐酸的浓度高对退火材料或热轧“发青”的新料（四氧化三铁）溶解性好，退火拉细丝有利。

驱氧可以加热200℃×1小时（有效200~300℃结合烘干），存放一定时间后再拉拨，含碳低的2-3小时，中碳5-6小时，合金钢12小时。

㈢拉拨前的润滑
拉拨前的润滑是非常必要的，可以提高拉拨材表面质量，减少磨损，延长拉拨模使用寿命，保持稳定的尺寸精度，提高拉丝的速度，增加产量，提高效率，防止酸洗后再生锈。

拉拨后的材料中存余的润滑剂在冷镦过程中起到关键的润滑膜作用。

1.润滑方法有：
⑴拉丝模盒装置中放有拉拨粉，拉拨剂，有常压的也有加压的。

拉拨剂有成品可以买到，不需要预涂，比较方便。

液体的耐400~500℃高温，主要成份是氟化硅、聚烯烃，商品名称是塔夫龙（聚四氟乙烯）与树脂混合。

固体有皂粉，
主要成份为碳粉、滑石粉、二硫化钼、云母片粉等等，商品名称是天津1号2号3号等，要与拉丝速度、温度配合好选择。

⑵挂灰处理（动物油—石灰润滑）
挂灰处理成本低，效果好，有粉尘，环境差，粘附性强，能耐温，呈碱性，对酸洗后的残存物有中和作用。

润滑膜有延展性能，带着“微小”颗粒，通过拉丝模残留在表面，防止拉丝膜粘粒，冷镦也有润滑效果，但残留物不易清洗，可能对以后的镀锌有影响。

动物油—石灰润滑剂配方：
序号动物油Kg 石灰肥皂石蜡Kg 水
1 9 100 - 16 适量
2 12 100 0.15×15 1 适量
3 1
4 100 0.15×12 8 适量
3 16 100 0.15×10 - -适量
优质生灰（块灰）加水发热均匀加入，蜡切细、片状，肥皂可改用对应是工业硬脂酸钠，动物油可按季节不同用猪油或牛油混合配比，自然存放半个月（养灰），干燥去水份，使用时取出，加温加水，过滤后搅拌成乳液状，使用温度80℃，浓度约1克/cm。

挂灰后要有干燥工序。

⑶磷化—皂化
酸洗后的材料放到磷酸盐溶液里，使钢材表面生成一层
均匀的多孔的可变形的磷酸盐膜，然后涂敷金属皂，使之形成润滑膜。

这种润滑膜属于化学反应润滑膜，能随钢材一起变形，并且在冷变形温度范围内能保持化学稳定性。

处理适当的润滑膜在拉拨时，(压缩率为30%时)，金属表面的润滑膜层仍然可以保留78%。

由于磷化-皂化是化学反应膜，已与材料表面结合为一体，所拉所后表面原有的磷酸盐结晶和金属皂一起在后序的冷镦加工中存在于工件表面和模腔内壁之间，保持其润滑性能。

磷化—皂化处理工艺流程：
工序处理液浸清时
间（分）
温度
（℃）
作用及注意事项
酸洗硫酸10%-16% 5-15 40-50 注意季节、温度、材料表面的氧化皮各
类、厚度等综合考虑，酸洗匆过长，防
止氢脆危害
盐酸 5%-10% 5-8 常温
水洗冲洗- - 避免酸液带入磷化池
温水洗浸冲- - 提高材料温度，以免影响磷化反应效果磷化磷酸锌溶液
PH2-3
5-10 60-80
水洗清除磷化液残余对后面工序的影响
中和碱（硼砂）
溶液
2-3 60-80 PH8-10
皂化金属皂溶液3-5 80
干燥风吹，烘干，自干燥促使形成牢固的润滑膜
⑷机械除锈蚀
酸洗、磷化都存在较严重的环境影响问题，生产过程中有废液、废气和固态物的“三废”问题，处理成本较高，但
又急需妥善解决，即使没有法规条文的约束，也必需保护好环境。

固态物集中处理，回收费用约每吨3000元，废液中和过滤做到0排放，水净化后可循环使用，废气要吸收、净化，所以近年来国内外都在研发改进酸洗、拉拨前处理的除锈问题。

处理的基本方向是：一是全封闭、全自动、全电脑无人操作自动生产线。

最成功的是日本玲本公司的酸洗自动线，国内有局部引进，在宝钢特钢事业部（不锈钢固溶、酸洗自动线）。

二是无酸机械除锈。

机械除锈是把线材穿引通过几对交叉或十字排列的滚轮中，当线材穿过时，金属线本身具有塑性，扭、弯后可以恢复，表面氧化层是脆性的，发生破裂，撬起，剥落。

另有钢丝滚刷，抛丸，高压水的喷射等几种组合，可以除锈，清洁度达到95%。

国内外均有按不同材质、不同直径、不同要求专门设计的装置，有日本大同特殊钢制造部，也有江苏无锡的一些拉丝设备厂附带配套生产的机械除锈装置。

（应用实例：重庆风华紧固件公司）
机械除锈的优点：①节水，节能，保护环境；②生产周期短，厂房面积小，减少酸雾和粉尘；③避免氢脆现象的发生。

㈣拉拨
1.拉拨的原理：拉拨是由粗变细的一种加工形式，也俗称拉丝，伸线。

拉拨是塑性形变中的压缩变形。

变形也是由弹性变形开始，当外力作用到达金属内部组织，晶格被迫改变其原有的平衡位置，如果金属所受的外力过大发生了滑动移位，并且在拉拨模的约束下，在没有反拉力的情况下，向一个方向定向改变，那么通过拉拨模的一端尺寸直径就变小，达到预期设定的直径尺寸，就达到了拉拨工序的加工目的。

冷镦钢的拉拨就是利用了它有优良的塑性形变的性能。

2.影响拉拨的一些因素
⑴材料的强度。

含碳量高、含合金元素高的强度大，抗拉能力强，含硅高，冷作硬化率也高。

⑵拉拨模变形区的锥角（一般5°-16°）在压缩率不变的情况下，角度小，接触面积大，阻力大，摩擦阻力应变阻力，拉拨力大。

反之，阻力小，一般粗线12°-16°，中粗10°-12°，细线5°-8°。

⑶定径带的影响
带宽阻力大，工作稳定，耐用度高，但过宽会发热烧坏润滑膜，入口处“结屑”会损坏产品表面光洁度，一般定径带宽度是拉拨尺寸的0.2~0.45d，细丝可以宽一点，粗丝可以窄一点。

⑷速度与温度
速度和温度也是影响拉拨的重要因素，基本规律是，加快速度会改善金属塑性形变的摩擦系数，抵消一部分冷作硬
化的因素。

但温度过高会损坏润滑膜，降低线材性能。

现代拉拨原理要求尽量利用其有利的一面，控制表面高温节结，烧伤。

一般要求因材种而异，不超过250℃-300℃（大规格∅16以上350℃以下）。

⑸拉拨时的设备高速起动和振动
起动时是冷态，静摩擦力变大，润滑膜还未起作用，易断头，进线位置和方向不适宜，模具加工缺陷都会产生振动。

发生低频振动的情况下也易影响拉力和出线的表面质量，并且容易产生断线（超声波振动效应能减小摩擦系数，提高拉拨速度，是一种新技术不在此例范围之内）。

3.拉拨的基本参数和计算方法
⑴压缩率和伸长系数
压缩率表示变形程度，用q= ×100%
其中D—进线直径d—出线直径
伸长系数表示拉拨前后的长度变化特征中，用μ表示。

因为拉拨前后的总体积不变，所以
=
其中—拉前横截面积—拉前长度
—拉后横截面积—拉后长度
μ = = =
⑵拉拨力计算实例
拉拨应力K= P—拉拨力F—拉拨材横截面积
K—拉拨（总应力）
K总=+++ —主形变区域应力分量
=[ e+( 1+ac ) ln μ ]
P—材料平均变形强度值（Kg/）
e—反拉力系数（无反拉系数=0）
a—fcty α（α是引拨角，f是摩擦系数）
e = 1 – c
μ—伸长率
ln—自然对数（ln N = 2.303 ln N）
例：假定中碳材强度为100Kg/，拉拨条件引拨角6°，摩擦系数0.05，延伸率1.3，无反拉力c=0
求主拉应力：
= 100 [ ( 1+0.05cty 6°) × 2.303lg 1.3 ]
=100[ 1.4757 × 0.2623 ]
=38.71 Kg/
求变形区出口处弯曲变形的应力分量
= Ptan α（简化式）
= × 100 tan 6°
= 8.1 Kg/
求变形区附力剪应力的应力分量
= Pc ( f + )
= × 100 × 1( 0.05 +)
= 1.08 Kg/
求拉丝模定径带的摩擦所需应力分量
= 4fP [ c - ( 1 – ac ) lnμ ] 取l定径高度0.3，d定径直径=1 = 4×0.05×100[1-(1+0.05×1)×2.03ly 1.3]×0.3
=3.68 Kg/
总拉拨应力K总= +++
= 38.71 + 8.1 + 1.08 + 3.68
= 51.57 Kg/
一般规律:
I钢丝强度高，冷作硬化高，拉拨应力大；
II拉丝模角度5°-16°，过小会使接触面积大，摩擦阻力大，拉拨应力加大，但角度过小，变形过于急剧，附加应力会增大；
III压缩率大，变形应力也大；
IV摩擦系数大，摩擦力也加大；
V如安装反拉装置（张力轮）可以降低拉应力。

⑶拉拨路线的确定与计算
多道拉拨的情况
每拉一单次的压缩压为，，，……
每拉一单次的剩余截面面积为，，，……
单次剩余率=1-，=1-，=1-，……
总压缩率Q=1-，如果每次压缩率q等值，==，……
那么，== C= =
= 1-= 1-= 1-
计算实例1：有ML08Al∅6.5按→5→4.2→3.4→3→2.5道次拉拨，计算每拉拨的部分压缩率和等压缩率拉拨。

=×100%=40.83% 剩余=1-59.17%
=×100%=29.40% 剩余=1-70.60%
=×100%=34.46% 剩余=1-65.54%
=×100%=22.13% 剩余=1-77.87%
=×100%=30.56% 剩余=1-69.44%
C=
=59.17×70.60×65.54×77.87×69.44
=14.80%
Q=100-14.80%=85.20%
计算实例2：如果等压缩拉拨计算，∅6.5通过得次拉到2.5，求每次压缩率和模孔直径。

=1-=1-=1-0.6825=0.3175=31.75%
=1-=1-0.3175=0.6825
= =
==5.37 ==4.44
==3.67 ==3.03
==2.52
⑷拉拨道次的计算
公式n= = n—道次—伸长系数
计算实例：线径∅5，拉拨到∅2，设定次数n=8，求。

= = = 1.257（平均拉拨系数）
求n = = = 7.89 = 8
一般低碳钢压缩率可取15-20%，中碳钢和合金钢取10-15%，在中间道次2-3道可取25-35%，总压缩率分别<90%和<70-80%。

㈤退火
1.退火工序的目的和意义
金属和合金加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以获得接近平衡状态组织结构的热处理工艺称为退火。

退火工艺又可以分为两类。

第一类退火，有均匀化退火，再结晶退火，去应力和去氧退火。

主要是通过加热、保温，改变冷热加工过程中出现的不平衡状态（如偏析，加工硬化，内应力薄）得到改变，使之达到平衡。

这类工艺的特点，材料加热到一定温度，保
温停留较长时间，使其靠浓度梯度、应力梯度、界面能量等，自发由非平衡态过渡到平衡态，整个过程中加热与冷却速度的变化对改变这种状态不起主导作用。

第二类退火，通过控制加热温度、保温时间及冷却速度来改变其组织与性能，完全通火、不完全退火、球化退火属于这一类。

要借助于相变重结晶，以扩散规律做为制作工艺的依据，达到改变钢中的珠光体、铁素体、碳化物的形态和分布，从而改变其性能，降低硬度，提高塑性，消除内应力，细化晶粒，改善加工性。

2.钢的性质急剧变化叫做相变。

几个主要的相变点：
210°也称居里点（强磁性消失的临界温度）
730°共析转变点奥氏体⇆珠光体
910°铁的同素异形转变（α铁⇆g铁）
730-1145°过共析钢的渗碳体固溶与析出平衡
⑴加热的相变：
珠光体→奥氏体
铁素体固溶于奥氏体
溶碳体固溶于奥氏体
⑵冷却的相变
奥氏体珠光体
铁素体从奥氏体中析出
奥氏体珠光体（微细，中）
奥氏体马氏体的转化
奥氏体马氏体的起点
奥氏体马氏体的终点
3.退火的设备
⑴带保护气体的井式炉
装炉是8t~20t，很大。

保护气体的种类是（甲醇裂解气体）++。

特点是工艺简单，投资小，维护费用小，节约电、燃气等能源。

⑵SCT炉
大型炉，可处理60t~80t/天，自动化程度高，可以全连续式生产，产量极高，温度控制略差。

特点是一次性投大，车间成败利钝大，也加有保护气体。

⑶钟罩炉
大、小各有，90t、50t、20t多种规格。

电、热效率高，分别加热分别冷却，控冷温度精确，有风冷和水冷两种方式，？可以用作为还原性气体保护，热体异7：1。

控温、升温炉，2#保温下风机进风口控升温，3#冷却测温，1#炉壁作记录。

4.退火的典型工艺
⑴在以上进行完全退火，扩散退火；
⑵在附近的温度退火，球化退火、不完全退火和再结晶退火。

冷镦前的退火，目的一般是降低硬度，提高塑性为主，主要采用⑵方法。

⑶几种常用材料的退火工艺
钢种升温
时间
温度
保温
时间
降温再保温温度
退火后
硬度
ML08A1
8A,15A
1.5-2/h 650-680℃ 1.5-2 冷却500℃随冷HRB<70 35K,45K 2-
2.5/h 720-740℃3-4 650-780℃4-7 550℃随冷HRB≤75 35CrMo
SCM435
2-3/h 740-760℃4-5 700-720℃5-8 550℃随冷HRB≤85
⑴⑵⑶
㈠㈡㈢㈣㈤。