1、冷鐓用金屬材料的機械性能要求

    根據(jù)冷鐓工藝特點，對鋼材機械性能提出如下要求：

    1）屈服強度Re以及變形抗力盡可能低，這樣可使單位變形力相應(yīng)減小，以延長模具壽命；

    2）材料的冷變形性能要好，既材料應(yīng)有較好的塑性，較低的硬度，在大的變形程度下不致引起開裂。如冷鐓高強度螺栓時，即可使用含碳量較高的碳素鋼，又可使用含碳量較低的低合金鋼。如果增加含碳量，就會使硬度提高,塑性降低，使冷變形性能變壞。但是在含碳量較低的鋼中加入少量合金元素（如添加少量硼10B21、10B33鋼），即可顯著提高鋼材強度，從而滿足產(chǎn)品的使用性能要求，同時又不損害其冷變形性能；

    3）材料的加工硬化敏感性能越低越好，這樣不致使變形過程中的變形力太大。材料的加工硬化敏感性可用變形抗力--應(yīng)變曲線的斜率來反映。斜率越大，則加工硬化敏感性越高。如不銹鋼0Cr18Ni9（SUS304）的曲線斜率最大。這種材料的加工硬化敏感性就比較劇烈，隨著變形程度的增加，變形抗力急劇上升。

    鋼材的機械性能不但表現(xiàn)原始坯料的Rm、Re、A、Z及硬度等指標(biāo)，不但受原材料的化學(xué)成分、宏觀組織、微觀組織等方面的影響，還受到材料準(zhǔn)備過程中的拉拔及各道工序之間的熱處理影響。

    2、化學(xué)成分的要求

    ⑴碳（C）碳是影響鋼材冷塑性變形的最主要元素。含碳量越高，鋼的強度越高，而塑性越低。含碳量每提高0.1%，其屈服強度Re提高27.4MPa，抗拉強度Rm提高（58.8-78.4MPa），而伸長率A則降低4.3%,斷面收縮率Z降低7.3%。當(dāng)鋼的含碳量＜0.5%、含錳量＜1.2%、斷面收縮率Z=80%時，單位冷變形力P與鋼材含C、Mn量之間的近似關(guān)系如下：

    P=1950C+500Mn+1860（MPa）……………………（1）

    可見，鋼中含碳量對于鋼材的冷塑性變形性能的影響是很大的。在實際工藝過程中，冷鐓擠壓用鋼的含碳量大于0.25%時，要求鋼退火成具有最好的塑性組織——球狀珠光體組織。對于變形程度為65%-85%的冷鐓緊固件不經(jīng)過中間熱處理而進行三次鐓鍛變形，其含碳量不應(yīng)超過0.4%。對當(dāng)含碳量超過0.3%-0.5%的碳鋼進行鐓鍛時，就要增加中間完全退火工序或者采用溫鐓。

    ⑵錳（Mn）錳在鋼的冶煉中與氧化鐵作用（Mn+FeO+MnO+Fe）主要為對鋼脫氧而加入。錳在鋼中與硫化鐵作用（Mn+FeS+MnS+Fe），能減少硫?qū)︿摰挠泻π浴Ｋ纬傻牧蚧i可改善鋼的切削性能。錳使鋼的強度有所提高，塑性有所降低，對于鋼的冷塑性變形性能是不利的，但是錳對變形力的影響僅為碳的四分之一左右。由于成品的特殊性能要求，允許錳的含量為硫的五倍。除了成品的特殊要求外，不宜超過0.9%。

    ⑶硅（Si）硅是鋼在冶煉中脫氧劑的殘留物。當(dāng)鋼中含硅量增加0.1%時，會增加13.7mpa。經(jīng)驗表明，含硅量超過0.17%且含碳量較大時，對鋼的塑性的降低有很大影響。在鋼中適當(dāng)增加硅的含量，對鋼的綜合機械性能，特別是彈性極限有利，還可以增強鋼的耐蝕性。但是當(dāng)鋼中含硅量超過0.15%時，使鋼急劇形成非金屬夾雜物，高硅鋼即使退火也不會軟化，急劇降低鋼的冷塑性變形性能。如果硅以硅酸類形式存在于鋼中，分散在鋼中的細小顆粒會過快地磨損模具。因此，除了產(chǎn)品高強度的性能要求外，冷鐓用鋼總是盡量減少硅的含量。

    ⑷硫（S）硫是有害雜質(zhì)。鋼中的硫在冷鐓時會使金屬的結(jié)晶顆粒彼此分離引起裂紋。硫的存在還促使鋼產(chǎn)生熱脆和生銹。因此含硫量應(yīng)小于0.06%。鐓制高強度緊固件時，應(yīng)控制在0.04%以下。由于硫、磷和錳的化合物能改善切削性能，冷鐓螺母用鋼的含硫量可放寬到0.08%-0.12%，以利于攻絲。

    ⑸磷（P）磷的固溶強化及加工硬化作用極強，在鋼中偏析嚴(yán)重，增加鋼的冷脆性及回火脆性，使鋼易受酸的侵蝕。鋼中的磷會惡化冷塑性變形性能，在拉拔中使線材斷裂，在冷鐓中使工件開裂。鋼中含磷量要求控制在0.045%以下。

    ⑹其他合金元素鉻（Cr）、鉬（Mo）、鎳（Ni）、釩（V）、鎢（W）等合金元素對鋼的冷變形性能的影響遠不及碳那樣大。一般來講，隨著鋼中合金元素的增加，鋼的機械強度指標(biāo)、淬透性隨之增加，冷變形性能隨之降低。

    3、金相組織要求

    為使鋼材能更好地適應(yīng)冷鐓工藝，對于鋼的結(jié)構(gòu)、晶粒大小與形式、非金屬夾雜物的分布都有一定的要求。

    ⑴鋼的組織結(jié)構(gòu)

    鋼中除了鐵素體外，還有珠光體。含碳量越高，珠光體數(shù)量越多。鐵素體是軟的基體，在軟的基體中嵌有硬的珠光體顆粒。成堆的珠光體分布對于冷變形是不利的，會形成裂紋。鋼材的組織要緊密均勻，因此。冷鐓用鋼要用盡可能均勻分布、球狀的晶粒結(jié)構(gòu)。

    ⑵晶粒度

    金屬的變形是由于晶粒的滑移和晶粒本身的變形而發(fā)生的。在一定的體積內(nèi)，細晶粒金屬的晶粒數(shù)必然比粗晶粒金屬的多，塑性變形時位向有利于滑移的晶粒也較多，變形能夠較均勻地分散到各個晶粒。相應(yīng)地細晶粒金屬的變形不均勻性和由于變形不均勻性所引起的應(yīng)力集中均較小，使開裂的機會也小，出現(xiàn)開裂前可承受的塑性變形量增加，對外反映出塑性較好。晶粒越小，所產(chǎn)生的激發(fā)相鄰晶粒滑移的應(yīng)力也越小。為使變形繼續(xù)進行，必須增大外加的應(yīng)力，對外反映出變形抗力較大。因此冷鐓不宜采用過細晶粒的鋼材。晶粒太大，又會使工件表面粗糙，產(chǎn)生明顯的傷痕和裂紋。粗晶粒鋼的加工硬化敏感性比細晶粒鋼大，塑性較差，冷變形性能也差。冷鐓用鋼的晶粒度要求為4-6級，晶粒的大小規(guī)范如下：晶粒平均直徑約（0.02-0.06）mm；每mm2晶粒數(shù)約為250-2300個；晶粒的平均面積約（400-4000）μm2。

    ⑶非金屬夾雜物

    不管用什么方法冶煉鋼材，總會有或多或少的非金屬夾雜物。氧化物或硫化物等夾雜物，會使金屬緊密的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生間斷。夾雜物的形式、數(shù)量和分布情況不同，對于鋼材的冷變形性能的影響也各異。冷鐓用線材是熱軋鋼材經(jīng)冷拔后使用的，在軋制和冷拔過程中，這些夾雜物已沿著變形方向被拉長。一般說來，細微、均勻分布的夾雜物為害不大。細小且分散的硫化物夾雜物可以較好地隨著變形方向變形，因而較其他一些隨之變形的夾雜物為害稍小。特別有害的是氧化鋁夾雜物。氧化鋁微小顆粒不僅極硬，會損傷模具；而且很難與鋼的基體結(jié)合在一起，常常在劇烈的冷變形中使工件產(chǎn)生撕裂。粗的或者細而局部集中的夾雜物，對鋼的冷鐓性能影響很大。

    4、表面質(zhì)量要求

    普通熱軋鋼的表面狀態(tài)大多數(shù)不夠好。熱軋鋼材的表面缺陷經(jīng)過冷拔（如果壓縮比太小）也無法消除，造成冷鐓產(chǎn)品的表面缺陷及廢品，嚴(yán)重的將無法進行生產(chǎn)。

    ⑴坯料表面缺陷

    鋼在冶煉時，鋼錠留有的氣泡、縮孔等缺陷。經(jīng)過熱軋和冷拔，使線材帶有比較嚴(yán)重的貫穿性縱裂，在鐓鍛時會明顯地暴露在產(chǎn)品表面。原材料在軋制中的折疊、耳子、偏析、裂縫等缺陷，在冷鐓中會造成嚴(yán)重危害。如：螺栓的斷頭、螺母的開裂；工件在搓制螺紋時，螺坯被碾壓成兩半等。原材料在酸洗中處理不當(dāng)，在鋼材表面產(chǎn)生麻點、銹蝕。如果麻點、銹蝕輕微，經(jīng)過冷拔，凹坑被拉長，在表面基本上顯不出痕跡，冷鐓中不致于因此而出現(xiàn)裂紋。如果凹坑嚴(yán)重就會形成裂口；裂口多呈現(xiàn)于工件變形量大的棱角處。材料表面裂縫等缺陷越深，冷變形性能就越差。實驗表明：無論冷拔還是冷鐓，裂紋的形狀對于變形程度的影響不大，但是裂紋深度的影響是很大的。對于變形程度較大的冷鐓材料，表面缺陷的臨界深度是0.04-0.10mm,更深的缺陷必須避免。

    鋼材在低碳氣氛中加熱會引起脫碳。雖然脫碳從產(chǎn)品的外觀質(zhì)量看不出什么，但是工件表面含碳量的任何變化都會對工件的機械性能產(chǎn)生重大影響。特別對含碳量0.30%以上的鋼材，表面脫碳對工件的疲勞強度和耐磨性明顯有害。為防止脫碳材料在退火時，應(yīng)使用保護氣體。

    和脫碳相反的是滲碳。鋼在高溫高碳環(huán)境中會產(chǎn)生滲碳。盡管滲碳對于成品是相當(dāng)于在軟核上產(chǎn)生硬殼是可以接受的，有時是需要采用的方法，但是對于冷鐓工藝來說是相當(dāng)有害的。有滲碳層的鋼材表面象蛋殼那樣又薄又硬。在材料改制或者冷鐓時，材料表面會產(chǎn)生裂口或者剝離，降低鋼材的冷變形性能。因此，冷鐓用鋼材應(yīng)當(dāng)完全避免脫碳和滲碳。鋼材的脫碳和滲碳情況可采用金相顯微鏡檢查。

    ⑵尺寸精度要求

    線材的尺寸精度對于冷鐓產(chǎn)品質(zhì)量及工藝過程有很大影響。冷鐓用線材和模具通常是專業(yè)化分別加工的。若線材直徑超出最大允許值，則鐓鍛時工件頭部的金屬就過多，將產(chǎn)生不良飛邊或者使工件桿部彎曲。或者因線材直徑大于凹模模孔直徑而使進料困難。以及工件桿部被凹模孔拉毛，在模孔內(nèi)急劇形成金屬瘤。若線材直徑小于最小允許值，則在鐓鍛時金屬不能完全充滿模腔，造成工件棱角不清。所以冷鐓用材料要充分接近真圓，直徑均勻。冷鐓用線材的直徑允差一般為0.20-0.35mm，不圓度允差為直徑允差的1/2。