冷镦钢丝(Coldheadingwire)又称铆螺钢丝或冷顶锻钢丝，主要用于制造螺栓、螺钉、螺母和铆钉等紧固件，应用范围广，常用规格φ3～40mm圆钢，其中φ16mm以下的钢丝占用量的60%以上。我国生产冷镦用钢(尤其是金属功能材料的冷镦用钢)的厂家也比较少，冷镦用钢实物质量尚不能完全满足标准件行业要求。年我国紧固件产量达到万t,居世界第一，同比增长14.13%。年我国冷镦钢材需求量达到多万t,约占国内线材的12%。年有可能达～万t,市场前景广阔。北京北冶功能材料有限公司(以下简称北冶)生产铁镍定膨胀合金钢丝BYP28,BYP24(即Fe-Ni42合金4J42)常需要进一步冷镦加工，用量较大，主要应用于电子、电讯的电真空工业中，做集成电路引线框架、密封插头、软波封元件、(表面镀银后)瓷封元件、热双金属被动层等方面2]。因该合金不含钴，故价格低，国外已大量用它代替“可伐合金”。冷镦用膨胀合金4J42丝材，是适用于电器元件上与软玻璃或陶瓷匹配封接的铁镍定膨胀封接合金的一种。
然而，冷镦钢丝的生产有许多难点，质量不合格的情况时有发生，质量问题主要原因是冷镦开裂及硬度一致性差。究其原因，冷镦丝对钢的内在质量和表面质量要求苛刻。从冶炼到钢丝生产各环节必须严格工艺操作，才能生产出性能稳定的钢丝。在国外，有针对冷镦丝的问题进行拉拔过程的有限元分析研究，本文试图通过研究冷镦钢丝的拉拔过程，研究冷拔、热处理对其冷镦性能的影响，以求找到提高冷镦性能的生产工艺，为北冶冷镦钢丝市场的进一步扩大创建基础。
1实验程序
整个实验程序主要分为以下几个部分：4J42膨胀合金生产流程、制样分析、力学性能及显微组织结构、冷镦性能测试。
具体实验程序如下：
(1)4J42钢丝生产流程：原料→中频炉冶炼→钢锭→锻造40mm×40mm→热轧φ15mm盘条→拉拔φ8mm→热处理→半成品……→拉拔→热处理→成品；
(2)对冷拔成品及半成品进行拉伸性能、显微硬度等相关力学性能测试及显微组织的观察；
(3)利用北冶的技术优势，进行冷镦性能测试。
1.1拉伸实验
使用室温拉伸仪按照国家标准GB/T一做拉伸实验测抗拉强度、断面收缩率和延伸率。
1.2冷顶锻实验
使用单柱压机做冷顶锻实验，样品是一个圆柱，其高度为直径2倍。冷顶锻变形率为50%。
1.3硬度值的测量
使用显微维氏硬度仪进行测量。将热处理半成品及成品钢丝样品两面由砂纸打磨后，在显微维氏硬度仪上进行硬度测量。根据需要选择载荷为5kg,在实验样品表面1/2半径处，沿圆周均匀取3个点(滞留时间10s),测其硬度值并取其平均值作为硬度值。本文中Hv5为载荷5kg硬度值。
1.4金相组织观察
使用仪器为光学显微镜，先将样品顺次由#粒度砂纸打磨到#,然后用2.5的金刚石抛光膏进行机械抛光。将做好的样品用3%硝酸酒精溶液侵蚀后，在光学显微镜下观察显微组织。
2实验结果及分析
2.1与国外同类材料性能对比分析
2.1.1化学成分
4J42膨胀合金化学成分见表1。其中，YB/T-为中国黑色冶金行业标准，Q/HDBYG-为北冶企业标准。以北冶生产的一炉4J42合金为例，与国外料对比可看出，北冶生产4J42膨胀合金符合冶金行业标准及企业标准的化学成分要求。
碳含量一般按中下限控制，W(C)为0.10%～0.45%。随着碳含量的增加，钢的抗拉强度、硬度增加，但伸长率、断面收缩率显著降低，不利于冷变形；钢中添加适量锰(质量分数为0.3%～0.80%),可改善钢中碳的存在形态和分布，有利于提高钢的冷成型性1]。与国外料对比，北冶料中Si含量较高，容易形成夹杂，国外料Mn含量较高，对碳的形态分布有更好的改善作用。一般来说，磷、硫、硅对钢中夹杂的形态和数量有不良的影响。为了提高4J42膨胀合金的冷镦性能，磷、硫、硅的含量都应严格控制。
2.1.2冷拉工艺
拉拔是直接利用塑性形变对合金进行加工成形的一种工艺操作。北冶线材加工采用传统轧制成卷空冷技术。
北冶4J42合金冷镦丝材目前生产主要规格有
φ4.9,φ4.6,φ2.9,φ2.6(单位为mm)。以φ2.9为例具体说明其拔丝生产工艺流程。从热轧直径15mm盘条进行拉拔，进行多道次拉拔，由于加工硬化需退火软化，经3个拔程的拉拔，变形率依次为72%,76%,45%,拉拔到成品尺寸φ2.9mm,见图1所示。
2.1.3冷镦性能指标在经再结晶退火后的φ2.9mm成品钢丝上取样，做力学性能测试及显微组织分析，并与国外料对比，如表2所示。表中BYG03JX-为标准要求
表2中，状态S为软态，A%为延伸率，Z%为断面收缩率。
冷镦性能好是指钢丝具有较低的变形抗力，能经受很大程度的变形而不产生裂纹。一般认为，以断面收缩率和屈强比作为衡量冷镦性能的指标比较可靠。即：
K=Z%/m(1)
公式中，K为冷镦性能衡量指标；Z%为断面收缩率；m为屈强比，即屈服强度与抗拉强度之比5。
m=σ0.2/σm(2)
据公式(1),(2)计算，K?=,K?=,K?K?
可见，国外料冷镦性能更好，冷镦性能指标高出20%。用控轧控冷技术生产的线材，晶粒细化，其塑性指标可提高20%以上。
2.1.4显微组织
将北冶4J42合金丝在光学显微镜下观察并拍摄显微组织照片，见图2。
从图2可见，合金的组织为奥氏体，晶界清晰，孪晶多，晶粒较均匀，黑色夹杂物均匀分布，颗粒细小。由表1可知，北冶4J42膨胀合金的晶粒度级别为7级，晶粒较粗大，即试样单位横截面晶粒数量较少。国外料晶粒细小，晶粒度级别8级。晶粒细小有利于保证冷镦后的成品强度，需提高晶粒度级别到8～10级，经增加成品前第三道次的形变量，由45%增加到60%,晶粒度达到8级。由表1可知，北冶4J42合金夹杂物D类，级别为2,是较严重的金属夹杂级别，北冶4J42合金较国外料含硅高，这些夹杂物可能为硅的氧化物。
2.2冷顶锻实验
为了评价钢丝的冷镦性能，进行了冷顶锻对比实验(这种实验在有关国家标准中没有规定)。实验设备见图3。实验样品是高为直径2倍的4J42合金圆柱。
取再结晶退火后直径4.9mm的4J42合金丝制成冷镦样品，实验结果见图4。由于膨胀合金硬度低，生产中易出现产品划伤、蹭伤或微裂纹等缺陷6。样品1为模拟生产中造成的表面划伤的样品，见图4(a),样品2为表面无缺陷样品，见图4(b)。经冷顶锻试验可以看出，样品产生明显的挤压变形，表面轻微橘皮状褶皱，样品1冷顶锻后划伤演变为裂纹，见图4(c),样品2表面质量良好，见图4(d)。
由以上可看出保证产品表面质量的重要性。冷镦丝对钢丝表面质量要求苛刻。从冶炼到钢丝生产的各环节必须严格工艺操作，才能生产出性能稳定的钢丝。国产冷镦钢丝与国外钢丝的主要差距体现在表面质量上[?。标准件厂的统计表明，冷镦开裂80%～85%是由钢丝表面存在折叠、划伤、密集的发纹、局部微裂纹、结疤等缺陷造成的。冶金厂家的实践也证明，0.10mm以上的划伤往往造成冷镦钢丝1/2顶锻开裂，要保证1/3顶锻合格，就要保证局部划伤小于0.07mm,其他B表面缺陷也不应存在
2.3退火工艺
一般来说，金属或合金经形变后，它的显微组织结构会发生变化，其变化程度随着形变量的加大而加大，产生加工硬化，无法继续加工，需要进行退火热处理。
冷塑性变形后的金属或合金热处理时，通常依次发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。退火温度对再结晶有很大的影响。若以再结晶50%的时间to.s来描述退火温度，有如下关系：
式(3)中，C为常数，KB为热力学系数，再结晶的激活能为Q,式(4)表明，ln(to.s)与1/T有线性关系。
Fe-Ni系合金的再结晶退火温度为～℃,因退火中容易发生沿晶界氧化而常在真空或H?,N?等保护气氛下进行。据Fe-Ni合金相图(见图5)可知，退火后组织为γ-Fe,Ni及奥氏体与Ni互溶形成的固溶体。
本次实验研究如下生产过程，φ15mm盘条→拉拔φ8mm→热处理→半成品……→拉拔→热处理→成品。其中多次进行再结晶退火处理，均使用NVSQ-真空高压气淬炉(见图6)退火处理，热处理工艺为～℃保温2～3h。由于多次发生退火后力学性能一致性差的情况，经在工艺要求范围内调整温度、时间后，改善效果不明显。本次实验就最终退火后成品力学性能不一致的原因进行了分析。
NVSQ-真空高压气淬炉的工作原理是通过机械泵抽真空，极限抽气能力为5×10-1Pa,当炉内真空度达到允许加热的程度，由控制系统接通加热调压器，加热到指定温度，对炉内充入惰性气体，进行热交换，冷却。
直径为2.9mm成品，经气淬炉热处理后，按产品装炉上下位置，从上至下随机位置取6处样品，分别做拉伸和硬度实验。性能数据见表3。
由表3可见，按照装炉位置取样，从上到下强度逐渐降低，硬度也有一定下降趋势。分析认为，小尺寸丝材经退火软化相互挤压，相处间距较小，到达热处理温度的时间节点不一致，造成不同的热处理保温时间；充气降温时由外向内，速度一致性较差，外层降温快，内层降温慢，冷却速度不同，造成钢丝力学性能的差异。
热处理均匀程度可依据硬度值进行分析。
硬度平均值E?=(+++++)/6=.5
硬度方差S?=1/6{(-.5)2+···+(-.5)2}=.25
由以上数据分析，硬度值偏差值在Hvs=40以上，较大，说明气淬炉在丝材直径较小时存在处理不均匀的问题。因此，调整气淬炉热处理温度及时间，对力学性能不一致性改善不明显。从而调整生产工艺，改由7m连续光亮退火炉处理，以解决热处理不均匀的问题。热处理后经随机取样分别做拉伸和硬度试验。具体性能数据见表4。
硬度平均值E?=(+++++)/6=.7
硬度方差S?=1/6{(-.7)2+···+(-.7)2}=19.56
图7是分别经气淬炉及连续退火炉退火后丝材的硬度变化趋势图。可见经7m连续退火炉退火后丝材的硬度值相比于气淬炉处理情况总体降低一定幅度，曲线水平度较好，硬度值偏小。综上可看出，成品处理使用7m连续退火炉进行热处理时力学性能一致性较好。
3结论
(1)通过化学成分分析、成品力学性能、显微组织的分析，北京北冶功能材料有限公司生产的4J42冷镦钢丝各项性能指标达到相应标准要求，能满足生产使用需求。与国外料对比，夹杂物含量较多，塑性较差，以致于冷镦性能较低。
(2)北冶料4J42冷镦钢丝晶粒粗大，增加成品前第三道次的形变量后，晶粒减小，晶粒度达到8级，满足用户使用需求。
(3)冷顶锻实验验证了钢丝表面质量对其冷镦性能的重要影响。
(4)使用连续退火炉代替气淬炉进行直径4mm以下冷镦钢丝热处理，能有效地提高力学性能的一致性，进而改善其冷镦性能。