冷拉拔珠光體鋼絲的組織與力學(xué)性能

何健

摘 要：隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，鋼絲拉拔技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用，逐漸取代高強(qiáng)度鋼絲的生產(chǎn)。為了適應(yīng)大環(huán)境下的快速發(fā)展，鋼絲生產(chǎn)已經(jīng)開始拓展為大應(yīng)變的塑性變形問題，因?yàn)槿狈ι疃鹊睦碚撗芯?，只靠?shí)際操作過程來總結(jié)摸索，因此在生產(chǎn)過程中不同拉拔道次、不同模具工作錐角以及不同溫度退火后的力學(xué)性能變化是非常值得深入研究。

關(guān)鍵詞：拉絲；拉拔變形；珠光體

我國地大物博，鐵礦、銅礦熟不盛數(shù)，資源非常豐富。原材料可以大規(guī)模地采購，并且價(jià)格十分地廉價(jià)。所以很多企業(yè)可以大規(guī)模批量生產(chǎn)，通過拉拔技術(shù)改變其造型和尺寸，得到其要想的強(qiáng)度和其它性能參數(shù)。

1、影響拉拔的主要因素

（1）金屬材質(zhì)。由于被拉拔金屬的鋼種、組織狀態(tài)和化學(xué)成分不同，金屬的塑性變形抗力以及能承受的拉拔應(yīng)力各不相同。

（2）模具。模具材料、工作錐度對(duì)拉拔力有很大影響。并對(duì)鋼絲力學(xué)性能、拉拔功率、表面質(zhì)量都有的影響。

（3）潤滑劑。潤滑是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，尤其是流體動(dòng)力潤滑能使金屬和模具之間形成一層較為厚的潤滑膜，減少摩擦。

（4）鋼絲表面預(yù)處理。為了減少鋼絲與模具之間的摩擦，原材料在冷拉之前，先要除去原材料表面的浮銹，再在原材料表面進(jìn)行磷化或者皂化等表面預(yù)處理，從而在材料表面獲得一層致密的磷化層或者皂化層，增加潤滑效果。

2、生產(chǎn)工藝變化對(duì)鋼絲性能的影響

（1）拉拔道次對(duì)力學(xué)性能的影響

抗拉強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)性能是衡量鋼絲力學(xué)性能好壞的最關(guān)鍵指標(biāo)，分別用三組某廠生產(chǎn)的82B￠12.5mm高碳鋼在總壓縮率不變的情況下通過8道次和9道次冷拔生產(chǎn)得到的￠5.03mm，的鋼絲作拉拔和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。得到：8道次生產(chǎn)的鋼絲抗拉強(qiáng)度分別為1957.16MPa、1974.56MPa、1984.32MP，平均抗拉強(qiáng)度為1972.01MPa，扭轉(zhuǎn)值為分別22.25.26，平均次數(shù)為24.33；9道次生產(chǎn)鋼絲的抗拉強(qiáng)度分別為1962.31MPa，1954.78MPa，1951.52MPa，平均抗拉強(qiáng)度為1956.203MPa，扭轉(zhuǎn)次數(shù)分別為27、29、30，平均次數(shù)為28.6次。

從上結(jié)果可以看出：9道次生產(chǎn)的鋼絲扭轉(zhuǎn)性能明顯好于8道次，在總壓縮率不變的情況下，通常增加拉拔道次，采取9道次較小壓縮率進(jìn)行拉拔，這樣可以使得鋼絲內(nèi)部不良組織滲碳體片在變形過程中產(chǎn)生適當(dāng)彎曲并沿鋼絲軸向旋轉(zhuǎn)，直到總壓縮率很大甚至90%以上時(shí)仍可保證原索氏體形態(tài)沿拉拔方向伸長，而不會(huì)破裂，使成品鋼絲具有優(yōu)良的扭轉(zhuǎn)性能。然而當(dāng)采用8道次拉拔時(shí)，在拉拔初期就可能導(dǎo)致鋼絲索氏體內(nèi)的滲碳體片破碎，總壓縮率超過一定值后，滲碳體會(huì)大量破碎，致使鋼絲脆性發(fā)生，使眾多高強(qiáng)度鋼絲扭裂次數(shù)低。同時(shí)，也可以看出總壓縮一致的情況下，9道次所拉拔出來的強(qiáng)度比8道次的要低，主要原因?yàn)樵谙嗤目傋冃瘟織l件下，增加拉拔道次（提高變形分散度）會(huì)使鋼絲外層剪切變形增加，在鋼絲表面的殘余應(yīng)力有所提高，而這種殘余應(yīng)力的重新分布會(huì)導(dǎo)致金屬外層較早破壞，抗拉強(qiáng)度有所下降。

（2）模具的工作錐角對(duì)鋼絲表面裂紋擴(kuò)展的影響

從理論上得知，如果整個(gè)拉拔后鋼絲成壓縮狀態(tài)，并且表面軸向壓應(yīng)力越大越不利用裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展。本次對(duì)某廠第三道模具工藝進(jìn)行模擬研究，鋼絲變形前直徑為10.23mm，出口直徑為9.14mm，鋼絲的密度為 ，彈性模量為 ，泊松比為0.277，模具硬質(zhì)合金的彈性模量為 ，泊松比為0.3，不考慮摩擦因素。拉拔變形屬于非線性大變形接觸問題，運(yùn)用abaqus進(jìn)行有限元分析，取不同的模具工作區(qū)圓錐半角 模擬拉拔后鋼絲表面的軸向壓應(yīng)力，從而確定最佳工作錐半角。 分別取 十組數(shù)據(jù)，分別得到拉拔后鋼絲外表面S33應(yīng)力與 角度關(guān)系如下圖：

由圖可知：該道次的最佳工作錐半角 = ，表面壓應(yīng)力最大，達(dá)到1210Mpa。

（3）退火溫度對(duì)鋼絲力學(xué)性能的影響

在做溫度變化試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，溫度控制在200℃期間開始退火30min后，不加熱，這時(shí)候的鋼絲強(qiáng)度會(huì)持續(xù)增加，能夠達(dá)到1800MPa左右，相比冷拉拔狀態(tài)下的鋼絲強(qiáng)度提高了6%。當(dāng)把退火的溫度控制在300℃以上，這時(shí)候的鋼絲強(qiáng)度便逐漸降低。檢測鋼絲此時(shí)的強(qiáng)度能有1650左右。隨著溫度逐漸提高來看，鋼絲的延展性也會(huì)提高，但是會(huì)破壞了承重的力度，性能也會(huì)隨著降低。主要原因?yàn)樵跍貭顟B(tài)下滲碳體的組織表層開始被破壞掉了，鋼絲組織的片層結(jié)構(gòu)遭到溫度變化的影響，片層橫截面不會(huì)光潔，也導(dǎo)致彈性降低。

3、拉拔過程中鋼絲內(nèi)部組織的變形分析

（1）珠光體片層形性變化

因?yàn)橹楣怏w片中形狀變化細(xì)微，也導(dǎo)致了鋼絲組織變化微小。在顯微鏡下仔細(xì)觀察也沒有看到珠光體片層形態(tài)的改變。相對(duì)于附近珠光體鋼來看，呈現(xiàn)的各項(xiàng)力學(xué)都指向各層面連接緊密，層分形態(tài)較密。通過高性能電子顯微鏡觀察得到不同溫度下的拉拔對(duì)鋼絲的珠光體片層形態(tài)也產(chǎn)生很大的影響。其中變化的規(guī)律十分穩(wěn)定，絲變逐漸成型時(shí)，平面絲拉的力度不會(huì)因?yàn)榇怪陛S向變化而產(chǎn)生變化，力學(xué)在珠光體片層的影響很微小，珠光體組織變形期間，片層開始向絲軸包圍，并且對(duì)于珠光體片層排列方向開始進(jìn)行調(diào)整直至基本平行于絲軸。

（2）珠光體鋼絲大應(yīng)變拉拔分析

珠光體鋼絲大應(yīng)變拉拔變動(dòng)過程中產(chǎn)生的力學(xué)影響會(huì)導(dǎo)致珠光體片層間距開始變小，鐵素包含量也開始不斷產(chǎn)生變化，并且開始朝著滲碳體兩界面聚攏，這會(huì)導(dǎo)致鋼絲的組織比重開始增大，拉伸力度在系統(tǒng)顯示為自由能顯著上升。一方面，由于大量位錯(cuò)在界面附近聚集，界面結(jié)構(gòu)被破壞；另一方面，由于界面能大幅增大，使鋼絲組織偏離熱力學(xué)平衡位置，處于非穩(wěn)態(tài)。進(jìn)而在后續(xù)加工（如熱鍍鋅）和服役過程中（如冶金行業(yè)吊裝用鋼絲繩），由于溫度較高（可達(dá)數(shù)百度），珠光體中滲碳體片層發(fā)生球化，破壞大應(yīng)變量變形鋼絲的疊層結(jié)構(gòu)，會(huì)引起鋼絲強(qiáng)度大幅度下降。

4、結(jié)論

冷拉拔珠光體鋼絲能夠在我國乃至世界被廣泛應(yīng)用，也得益于在大應(yīng)變過程中珠體的形成向片層方向開始過渡，不僅增加了鋼絲整體的柔韌性和強(qiáng)度，也保持了超強(qiáng)的力學(xué)應(yīng)變中能夠一直保持不變。所以在拉拔過程中要充分考慮拉拔道次、模具工作錐半角對(duì)力學(xué)性能的影響，在加熱過程中溫度的控制可以按照不同用途進(jìn)行改變，這樣能預(yù)防滲碳體球化的產(chǎn)生。對(duì)于滲碳體球化的控制能夠有效避免鋼絲的疊層結(jié)構(gòu)遭到大應(yīng)變量變形的組織破壞從而導(dǎo)致鋼絲強(qiáng)度變低的現(xiàn)象。

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（作者單位：湖南湘輝金屬制品有限公司）