王曉峰，從善海，彭家健，陶則旭

（鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢科技大學(xué)），武漢430081）

304不銹鋼管滾壓成形圓錐外螺紋組織及性能研究

王曉峰，從善海，彭家健，陶則旭

（鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢科技大學(xué)），武漢430081）

滾壓加工螺紋可以獲得更高的螺紋強(qiáng)度、精度，其在加工效率和環(huán)保性方面的優(yōu)越性不容忽視.同時(shí)，滾壓加工可以解決某些工藝方法不能解決的問(wèn)題，如對(duì)特大型缸體的加工，可以達(dá)到減少機(jī)床和夾具、提高工件加工精度、縮短加工周期和節(jié)約作業(yè)面積的效果.為此，本文采用一種四滾絲輪車床滾壓加工得到了304不銹鋼管圓錐外螺紋.通過(guò)金相分析、掃描電鏡、顯微硬度計(jì)和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等手段，研究了304不銹鋼管滾壓成形圓錐外螺紋的組織及性能，并與傳統(tǒng)的套絲管螺紋進(jìn)行對(duì)比.研究結(jié)果表明，套絲加工的管螺紋，齒表層出現(xiàn)孔洞、金屬組織被切斷，其內(nèi)部顯微組織仍是原有的等軸晶，齒形不完整；而滾壓加工使得螺紋表層組織細(xì)化，形成了沿螺紋齒形連續(xù)分布的纖維組織.套絲加工后304鋼管螺紋硬度有所提高，但幅度不大；與套絲加工相比，滾壓加工后304鋼管螺紋的抗剪拉力和硬度均有大幅提高.

304不銹鋼管；滾壓加工；套絲加工；圓錐外螺紋；顯微組織；力學(xué)性能

螺紋件是機(jī)械工業(yè)中關(guān)鍵的聯(lián)接零部件，其制造工藝和產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，直接影響各類機(jī)械的總成質(zhì)量.隨著國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)、航空航天、石油化工等機(jī)械行業(yè)的迅速發(fā)展，螺紋件需求量日益增加，同時(shí)對(duì)其強(qiáng)度、精度也提出了更高的要求［1－4］.Zhang等［5］對(duì)AZ80鍛造鎂鋁合金進(jìn)行了滾壓試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)其疲勞強(qiáng)度提高了110%.崔鳳奎等［6］對(duì)冷滾打花鍵和銑削加工花鍵的金屬組織變形進(jìn)行了研究，結(jié)果表明相對(duì)于銑削，冷滾打加工改善了花鍵表面金屬組織，硬度和強(qiáng)度有較大提高.Domblesky等［7］對(duì)螺紋滾壓過(guò)程進(jìn)行合理近似，分析了螺紋形式、流動(dòng)應(yīng)力、配料直徑對(duì)有效應(yīng)變和螺紋高度的影響，研究表明，螺紋形式和流動(dòng)應(yīng)力對(duì)螺紋根部和頂部的有效應(yīng)變和成形高度影響最大，而胚料直徑的影響最小.肖大志等［8］通過(guò)有限元模擬了薄壁環(huán)形零件滾壓成形的力學(xué)特征，研究結(jié)果表明采用滾壓成形方法加工薄壁環(huán)形零件是可行的，滾壓成形是局部變形，變形區(qū)壁厚變薄.Hassan等人對(duì)黃銅和Al－Cu鑄造合金進(jìn)行了滾壓加工，研究發(fā)現(xiàn)滾壓可以降低黃銅件和Al－Cu鑄件的表面粗糙度，并提高表面硬度和疲勞強(qiáng)度［9－10］.

加工螺紋的主要方法有切削（車削、套絲、攻絲、磨削）、擠壓、冷搓、滾壓等.目前，管螺紋的研究多集中在加工與連接可靠性等方面［11－12］，而對(duì)其組織與性能方面研究較少.外螺紋滾壓產(chǎn)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著重要的地位，因此，研究不同加工方法下的顯微組織和性能，對(duì)薄壁管螺紋的應(yīng)用至關(guān)重要.本文對(duì)比研究了兩種不同加工方法下304鋼管螺紋組織及性能，特別是滾壓加工對(duì)顯微組織及性能的影響，以期為薄壁鋼管螺紋的推廣應(yīng)用提供參考和理論依據(jù).

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為304不銹鋼管，尺寸為DN15（公稱直徑15 mm），壁厚2.0 mm，圓錐外螺紋采用四滾絲輪車床滾壓成形.采用線切割機(jī)切取齒形完整的部分螺紋，鑲嵌制成金相試樣；齒部硬度梯度分別檢測(cè)齒頂、齒中、齒根和齒底部位由表至里的硬度（圖1），相鄰步長(zhǎng)0.1 mm，載荷500 gf.

圖1 螺紋硬度檢測(cè)部位示意圖Fig.1 Schematic of the tested position about thread hardness

螺紋抗剪拉力試樣是由兩個(gè)圓錐外螺紋件和內(nèi)螺紋管接頭組成，其中一件圓錐外螺紋為完整的螺紋長(zhǎng)度，另一件經(jīng)螺紋磨床磨去多余螺紋只留下單扣螺紋，螺紋硬度檢測(cè)和螺紋抗剪拉力試樣如圖2所示.檢測(cè)數(shù)據(jù)與常規(guī)套絲加工的圓錐外螺紋作對(duì)比.

圖2 單齒螺紋抗剪拉力試驗(yàn)Fig.2 Shear tensile test of single tooth thread

1.2 試驗(yàn)方法

組織分析采用蔡司ZEISS Axioplan2型金相顯微鏡和Nova400－NanoSEM場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，螺紋硬度采用HV－10008型顯微硬度計(jì)，螺紋抗剪拉力試驗(yàn)在CMT5105型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析

2.1 組織分析

滾絲輪在鋼管表面滾壓過(guò)程中，鋼管表層金屬進(jìn)行體積重新分配，被滾壓的金屬沿螺紋齒形方向流動(dòng)，隨著金屬變形量的增大，原來(lái)的等軸晶粒被拉長(zhǎng)、拉細(xì)或壓扁.在晶粒被拉長(zhǎng)的同時(shí)，金屬中的夾雜物和第二相也在沿齒型方向被拉長(zhǎng)或拉碎，當(dāng)變形量達(dá)到一定程度時(shí)，晶界變得模糊不清，最終形成金屬沿流動(dòng)方向緊密排列的連續(xù)纖維組織，見(jiàn)圖3（a）.冷變形時(shí)，隨著變形量的增大，金屬中的胞狀亞結(jié)構(gòu)數(shù)量增多，尺寸減小，胞的外形也沿著齒型方向被拉長(zhǎng)，位錯(cuò)密度迅速提高、晶體產(chǎn)生滑移，形成新的大量排列緊密的亞結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)條纖維組織.各個(gè)晶粒滑移的同時(shí)，晶體取向也由于外界的約束發(fā)生有規(guī)律的轉(zhuǎn)動(dòng)，使原來(lái)任意取向的各個(gè)晶粒位向大體趨于一致，其方向也沿齒形的方向.

在滾壓過(guò)程中，由于鋼管各個(gè)部位所受滾絲輪的滾壓力不同，所形成的螺紋變形量從齒底→齒中徑→齒頂也不同，即金屬的流動(dòng)量不同，其纖維組織的粗細(xì)不同.由圖3（a）可以清楚地看到，齒底的纖維組織最細(xì)，齒中徑次之，過(guò)渡到齒頂最粗.金屬的流動(dòng)量不同，其組織的變化也不同.金屬塑性變形過(guò)程滿足體積不變條件，其在滾壓過(guò)程中的塑性流動(dòng)方向可以應(yīng)用最小阻力定律進(jìn)行判斷.在齒頂區(qū)域金屬流動(dòng)所受阻力最小，近似自由流動(dòng)而形成組織模糊不清、晶粒甚至破碎的齒頂組織；齒中部位所受阻力較大，近似直線流動(dòng)形成齒中；而齒底所受阻力最大，金屬難以流動(dòng)，故形成密集程度最大的纖維組織.圖3（b）為套絲螺紋的顯微組織，其金屬流線組織被切斷，齒芯部的組織和晶粒大小保持與管壁基體一致，同時(shí)可以看出，套絲螺紋的齒形差且螺紋表面凹凸不平.

圖4為滾壓螺紋的SEM形貌，可以看出，不同部位纖維組織的細(xì)小密集程度依次是：齒底＞齒中徑＞齒頂.滾壓螺紋在塑性變形中晶粒被拉長(zhǎng)和細(xì)化，使金屬的變形抗力指標(biāo)（強(qiáng)度極限、硬度、比例極限、彈性極限）隨變形程度的增加而升高.

圖3 304不銹鋼管滾壓螺紋和套絲螺紋的顯微組織Fig.3 Microstructure of the rolling and cutting thread of 304 stain?less steel tube：（a）Rolling thread；（b）Cutting thread

圖4 304不銹鋼管滾壓螺紋的SEM形貌Fig.4 SEM morphologies of the rolling thread of 304 stainless steel tube：（a）Top of the tooth；（b）Middle of the tooth；（c）Bot?tom of the tooth

2.2 硬度分析

金屬表層受滾壓力作用產(chǎn)生變形流動(dòng)成為纖維組織導(dǎo)致硬度提高，即產(chǎn)生加工硬化.變形程度越大、纖維組織越密集，硬度也越高.圖5為滾壓螺紋和套絲螺紋的硬度梯度曲線，由該曲線可以得到如下結(jié)果：

1）套絲螺紋的表面硬度在260～277 HV，螺紋心部硬度在200～238 HV，心部硬度屬于材料的原有硬度，套絲加工后表面硬度略有提高.

2）滾壓螺紋的表面硬度從齒頂481 HV到齒底528 HV，平均硬度500 HV左右（相當(dāng)于50 HRC），比套絲螺紋的表面硬度平均提高了232 HV（相當(dāng)于20 HRC），比材料原有硬度提高了1.2倍以上，可見(jiàn)，滾壓成型的螺紋硬度獲得大幅度提高.

3）對(duì)于滾壓螺紋，齒頂處纖維組織較疏松，其硬度也相對(duì)較小，最大硬度約481 HV，見(jiàn)圖5（a）.中徑處的變形量較大，纖維組織比較密集，其硬度也較大，最大值在495 HV左右，見(jiàn)圖5（b）.齒根處是變形量?jī)H次于牙底處的區(qū)域，最大硬度在502 HV左右，見(jiàn)圖5（c）.齒底處變形量最大，纖維組織最密集，硬度也最大，約是528 HV，見(jiàn)圖5（d）.

4）滾壓螺紋的硬度梯度值都遠(yuǎn)高于車削螺紋，高出范圍達(dá)到150～192 HV；滾壓螺紋硬度之所以大幅度提高完全是材料滾壓加工產(chǎn)生的硬化效果.

2.3 抗剪拉力

為了準(zhǔn)確研究滾壓螺紋的抗剪強(qiáng)度，特采用螺紋磨床將一根管螺紋磨去多余的螺紋齒，只留下一扣全齒螺紋，并控制所用試樣的單扣螺紋齒頂直徑誤差在0.10 mm范圍內(nèi).抗剪力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，螺紋損壞形貌見(jiàn)圖6.觀察螺紋損壞形貌，滾壓螺紋主要呈部分螺紋被拉裂，而套絲螺紋則呈整扣螺紋被拉裂.單扣的滾壓螺紋的平均抗拉斷力（42.95 kN）比套絲螺紋（29.45 kN）提高了45.8%.可見(jiàn)，滾壓螺紋齒強(qiáng)度獲得了大幅提高，這種效果完全基于滾壓成形對(duì)螺紋表層特有組織的貢獻(xiàn).

圖5 304不銹鋼管滾壓螺紋和套絲螺紋硬度梯度曲線Fig.5 Hardness gradient curves of the rolling and cutting thread of 304 stainless steel tube：（a）Top of the tooth；（b）Middle of the tooth；（c）Root of the tooth；（d）Bottom of the tooth

表1 304不銹鋼管單扣管螺紋抗拉試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Tensile test results of single thread of 304 stainless steel tube

圖6 304不銹鋼管單扣螺紋拉脫后形貌Fig.6 Morphologies of the single thread of 304 stainless steel tube afterpulling crack：（a） Rolling thread；（b）Cutting thread

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 滾壓螺紋與套絲螺紋精度

普通車床車削螺紋精度通常只能達(dá)到8～9級(jí)［11］，而滾絲機(jī)滾壓螺紋精度可達(dá)4～6級(jí)，被加工表面也能獲得較低的粗糙度（Ra為0.8～0.05 μm）［13］.Klocke［14］等人采用靜水力學(xué)負(fù)載的陶瓷球形滾子對(duì)難車削金屬進(jìn)行滾壓研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其粗糙度降低了30%～50%.王偉［15］等分別采用兩種加工方法進(jìn)行試樣加工：1）車削螺紋；2）車削螺紋＋螺紋滾壓強(qiáng)化，對(duì)比分析兩種工藝對(duì)試樣螺紋表面微觀形貌的影響，研究發(fā)現(xiàn)在車削加工的作用下，螺紋牙底呈現(xiàn)規(guī)則的周向車刀痕，表面粗糙值大；滾壓強(qiáng)化后，螺紋牙底的車刀痕被完全覆蓋，形成一條光亮的滾壓帶，表面粗糙度值更小，表面更光潔.張素穎［16］等使用TaylorHobson表面粗糙度輪廓儀對(duì)滾壓螺紋接觸式測(cè)量，結(jié)果表明其輪廓算術(shù)平均偏差Ra由原來(lái)的（切削）1.281 1 μm降低至0.393 6 μm，表面粗糙度數(shù)值降底1個(gè)等級(jí).陳雪敏［17］等對(duì)高鋼級(jí)高Cr合金鋼偏梯形油井管螺紋車削加工性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)切削螺紋表面出現(xiàn)切削振紋、被加工表面劃傷.綜上分析可知，套絲螺紋表面粗糙值大、表面粗糙、精度低；滾壓螺紋表面粗糙值小、表面更光潔、精度高.由圖3（a）和（b）也可以看出，滾壓螺紋表面比套絲螺紋更光潔，這表明滾壓螺紋精度明顯高于套絲螺紋.

3.2 滾壓加工成本及效率

管螺紋滾壓加工機(jī)床屬于專用高效的特殊機(jī)床，通常是進(jìn)口機(jī)床，價(jià)格較昂貴［11］.目前市場(chǎng)上對(duì)高硬度大截面螺紋滾壓模需求量不斷增加，但滾壓模在使用期間卻過(guò)早的發(fā)生失效［13］.

文獻(xiàn)［18］發(fā)現(xiàn)，滾壓加工工藝可以選用小規(guī)格金屬材料加工，節(jié)省材料，降低材料費(fèi)用；滾壓加工效率高，僅需要幾秒鐘，效率是切削螺紋加工的幾十倍，甚至上百倍，適用于批量生產(chǎn).并且，滾壓加工能解決目前某些工藝方法不能解決的問(wèn)題，如對(duì)特大型缸體的加工，可以達(dá)到減少機(jī)床和夾具，提高工件加工精度，縮短加工周期和節(jié)約作業(yè)面積的效果.此外，滾絲輪的安裝也比較方便，調(diào)整也較容易［13］.齊會(huì)萍［2］等研究發(fā)現(xiàn)，在滾絲輪壓下量相同時(shí)，三滾絲輪是兩滾絲輪生產(chǎn)效率的1.5倍.對(duì)于四滾絲輪與三滾絲輪生產(chǎn)效率的高低，還有待后續(xù)的研究.

4 結(jié) 論

1）滾壓螺紋是金屬在塑性變形過(guò)程的體積重新分配和流動(dòng)成形的，其表面等軸晶粒被拉長(zhǎng)、拉細(xì)或壓扁，形成大量的沿螺紋齒形連續(xù)分布的纖維組織，纖維組織的密集程度呈齒底最大，齒中部次之，齒頂最小，而套絲螺紋的組織狀態(tài)沒(méi)有變化.

2）滾壓螺紋的表面硬度從齒頂?shù)烬X底的平均硬度達(dá)500 HV左右，比套絲螺紋的表面硬度提高了232 HV，比材料原有硬度提高了1.2倍以上，即滾壓加工使螺紋硬度大幅提高，而套絲螺紋硬與材料加工前的變化不大.

3）單扣滾壓螺紋的平均抗拉斷力達(dá)42.95 kN，比套絲螺紋（29.45 kN）提高了45.8%，即滾壓加工使螺紋強(qiáng)度大幅提高，而套絲螺紋強(qiáng)度與加工前相比無(wú)變化.故滾壓加工明顯優(yōu)于套絲加工.

4）滾壓加工設(shè)備雖然較昂貴，但無(wú)論從加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率還是加工成本來(lái)看，滾壓加工都是一種比較優(yōu)越的加工方法，滾壓加工所獲得的產(chǎn)品性價(jià)比更高.

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（編輯 呂雪梅）

Microstructure and properties of external tapered thread obtained by rolling forming of 304 stainless steel tube

WANG Xiaofeng，CONG Shanhai，PENG Jiajian，TAO Zexu
（Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education（Wuhan University of Science and Technology），Wuhan 430081，China）

Rolling processing is effective to get higher strength and precision of thread，which shows superiorities in processing efficiency and environmental protection.Besides，rolling processing can handle the oversize cylinder which cannot be processed by the traditional technology，and the rolling processing possesses outstanding advantages in reducing machine and fixture tools，improving the machining accuracy of workpieces，shorting machining period and saving operating area.In this work，the tapered external thread was obtained by rolling 304 stainless steel tube using a four?wheel rolling lathe.By metallographic analysis，scanning electron microscopy（SEM），micro?hardness tester and universal testing machine，the microstructures and properties of external taper screw thread of 304 stainless steel tube were investigated，and the thread obtained by traditional cutting thread was also studied for comparison.The results show that，for the pipe thread obtained by cutting process，the holes appear on the surface of the pipe thread′s tooth accompanying with the destruction of metal microstructure，and the original isometric crystal is still remained as well as the incomplete tooth shape for the thread.However，for the pipe thread obtained by the rolling process，continuous distributing fibrous tissue along the screw thread teeth，which is related to the refined surface microstructures，can be observed.The hardness of 304 steel pipe threads is improved after cutting process with a very small increase.Compared with the thread obtained by cutting process，the shear strain and hardness of 304 steel pipe thread has been increased significantly after rolling process.

304 steel pipe；rolling process；cutting process；external tapered thread；microstructure；mechanical property

TG113

A

1005－0299（2016）06－0039－06

2016－06－07.

王曉峰（1989—），男，碩士研究生.

從善海，E?mail：congshanhai＠126.com.

10.11951/j.issn.1005－0299.20160607