鋼絲生產(chǎn)中的硬質(zhì)合金拉絲模

摘 要：拉絲模是實(shí)現(xiàn)鋼絲順利拉拔的主要工具。該文首先介紹了拉絲模的分類。硬質(zhì)合金材料具有優(yōu)良性能，我國(guó)拉拔鋼絲使用的模具主要是硬質(zhì)合金模。為了適應(yīng)高速拉絲，出現(xiàn)了直線型模具，直線型模具有4個(gè)區(qū)：入口區(qū)、工作區(qū)、定徑區(qū)、出口區(qū)，介紹了直線型模具的主要特征和基本尺寸。拉絲模在拉絲過(guò)程中會(huì)不斷磨損，模具的修復(fù)步驟有清凈處理、劃分缺陷、修模。最后提出了提高拉絲模具使用壽命的7種方法和拉絲模的4個(gè)研究方向。

關(guān)鍵詞：模具 硬質(zhì)合金 直線型 鋼絲 拉絲

中圖分類號(hào)：TG135 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）01（c）-0073-03

鋼絲及其制品是鋼鐵產(chǎn)品中重要的一類產(chǎn)品。國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門，如冶金、機(jī)械、國(guó)防、石油、煤炭、電力、航空、鐵道等，幾乎都離不開鋼絲及其制品。

鋼絲生產(chǎn)是鋼材冷加工中最典型的、也是最為繁雜的生產(chǎn)。它是以熱軋線材為原料，經(jīng)過(guò)表面準(zhǔn)備、熱處理、拉拔、鍍（涂）層四大主要工序加工而成。按成品鋼絲的不同需要，可能還要進(jìn)行線材扒皮、鋼絲磨光等輔助工序。

在鋼絲的生產(chǎn)過(guò)程中，拉絲模是實(shí)現(xiàn)鋼絲順利拉拔的主要工具。拉絲模直接影響鋼絲產(chǎn)品的尺寸精度、表面質(zhì)量、力學(xué)性能，而且還關(guān)系到能源消耗、生產(chǎn)效率[1]。

現(xiàn)在我國(guó)拉拔鋼絲使用的模具主要是硬質(zhì)合金模。

1 拉絲模的分類

拉絲模按尺寸分為：微孔拉絲模（內(nèi)孔尺寸在0.2mm以下）、常規(guī)拉絲模。

拉絲模按材質(zhì)分為：硬質(zhì)合金拉絲模、金剛石拉絲模（分為天然金剛石拉絲模、人造聚晶金剛石拉絲模）、涂層拉絲模、陶瓷拉絲模。它們的區(qū)別如表1所示。

拉絲模按結(jié)構(gòu)分為：整體模、拼裝模、組合模。

拉絲模按孔型分為：圓形模、異形模。

拉絲模按拉拔特點(diǎn)分為：滑動(dòng)接觸模、滾動(dòng)接觸模。

2 拉絲模用硬質(zhì)合金

1923年德國(guó)的施勒特爾往碳化鎢粉末中加進(jìn)10%～20%的鈷做粘結(jié)劑，發(fā)明了碳化鎢和鈷的新合金，硬度僅次于金剛石，這是世界上人工制成的第一種硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金可分為鎢鈷類和鎢鈷鈦類。絕大多數(shù)的硬質(zhì)合金拉絲模通常屬于鎢鈷類合金。這些合金是由碳化鎢和鈷等組成。碳化鎢是合金的骨架，起耐磨作用；金屬鈷是粘接劑，能改善合金的韌性。

1927年開始硬質(zhì)合金拉絲模用于拉絲行業(yè)，1940年硬質(zhì)合金拉絲模在拉絲中得到廣泛的使用。

2.1 硬質(zhì)合金材料的優(yōu)良性能

（1）硬度高、耐磨性好，有很好的紅硬性，在500℃以下其硬度可維持不變，室溫硬度可達(dá)86～93HRA，在1000℃～1100℃硬度為73～76HRA，但隨著修模的反復(fù)，模芯工作面硬度將有所降低。

（2）拋光性強(qiáng)，粘附性小，可加工出表面粗糙度0.2以上。

（3）導(dǎo)熱率高，線膨脹系數(shù)小。導(dǎo)熱率為0.14～0.21 cal/（cm·s·℃），可較好地把拉拔時(shí)的熱量傳遞出去。線膨脹系數(shù)低，在拉拔發(fā)熱的惡劣條件下，可保證鋼絲的尺寸精度。

（4）抗腐蝕性能好，可長(zhǎng)期使用，不被氧化腐蝕。

2.2 制造拉絲模的硬質(zhì)合金牌號(hào)

制造拉絲模的硬質(zhì)合金牌號(hào)有YG3X、YG3、YG6、YG6X、YG8、YG11、YG15、YG20。

牌號(hào)中的數(shù)字表示鈷的百分含量，X表示細(xì)晶粒。模芯推薦采用YG6、YG8、YG15[2]。

3 硬質(zhì)合金拉絲模的結(jié)構(gòu)

3.1 模套和模芯

硬質(zhì)合金拉絲模由模套和模芯兩部分組成。模套套在模芯外面，主要起保護(hù)硬質(zhì)合金模芯的作用，模套推薦采用45鋼，硬度28～32HRC，模套分為Z型和K型。模芯分為A型、B型、C型、D型、E型和F型[2]。

3.2 直線型模具的主要特征

20世紀(jì)70年代末至80年代初，隨著拉線速度的提高，拉線模的使用壽命成了突出問(wèn)題。為了適應(yīng)高速拉拔的要求，1978年和1980年，美國(guó)人T.Maxwall和E.G.Kennth先后提出了適應(yīng)高速拉拔的新的孔型理論——直線型理論。

直線型模具的主要特征為以下幾點(diǎn)。

第一，拉絲?？仔透鞑糠值目v剖面線必須是直線，理論要求絕對(duì)不能研磨成弧線。

第二，模具各部分的交接部位絕對(duì)不能“倒棱”，甚至可以是尖銳的。

第三，入口區(qū)和工作區(qū)加長(zhǎng)，以建立較好的潤(rùn)滑壓力。入口區(qū)入口部分的角度可適當(dāng)縮小，幫助改善潤(rùn)滑。加長(zhǎng)工作區(qū)的長(zhǎng)度，當(dāng)壓縮率為30%時(shí)，線材接觸?？椎奈恢檬枪ぷ鲄^(qū)長(zhǎng)度的1/2處。運(yùn)用角度更小的工作區(qū)上半部，靠“楔角效應(yīng)”原理，在線材表面建立更致密的潤(rùn)滑膜，以利高速拉拔。

第四，定徑區(qū)必須平直且長(zhǎng)度合理。

3.3 模具基本尺寸

我國(guó)現(xiàn)行硬質(zhì)臺(tái)金模全部是直線形拉絲模，適應(yīng)高速拉絲。模具有4個(gè)區(qū)：入口區(qū)、工作區(qū)、定徑區(qū)、出口區(qū)。

3.3.1 入口區(qū)

為了順利導(dǎo)入線材及潤(rùn)滑劑，入口處可以有較大的圓弧倒角。干式潤(rùn)滑時(shí)，為了建立線材表面的潤(rùn)滑膜，其角度可適當(dāng)?shù)匦?，一般?0°～40°之間；長(zhǎng)度可以適當(dāng)增加，一般為模坯高度的1/5。濕式拉拔時(shí)，為了便于潤(rùn)滑液順利進(jìn)入工作錐，同時(shí)起到良好的熱交換作用，?？兹肟阱F角應(yīng)比干式拉拔時(shí)大，日本、德國(guó)都在90°～100°之間。

3.3.2 工作區(qū)

將從入口區(qū)已經(jīng)初步建立的潤(rùn)滑膜，進(jìn)一步在工作區(qū)的上半部繼續(xù)擠壓得更為致密；金屬在工作區(qū)的下半部進(jìn)行塑性變形。工作區(qū)角度選擇的一般原則是：含碳量越高，角度越大；拉拔同類材質(zhì)時(shí)，壓縮率越大，角度越大；拉拔線材直徑越大，角度也越大；濕拉又要比干拉同一材質(zhì)時(shí)的角度增加10°～20°。

工作區(qū)要有足夠的長(zhǎng)度，要始終保證線材進(jìn)入工作錐時(shí)，最初接觸點(diǎn)應(yīng)在工作錐總長(zhǎng)度的中間。若靠近工作區(qū)的始端，易造成潤(rùn)滑膜建立不良，變形過(guò)程偏長(zhǎng)，摩擦力增加；若靠近定徑帶，易造成變形過(guò)程偏短，?？妆诘恼龎毫υ龈撸p加快。

3.3.3 定徑區(qū)

定徑區(qū)僅僅起到控制直徑的作用，不能進(jìn)行任何小的壓縮變形。所以對(duì)于定徑區(qū)，一是必須平直，不附帶任何錐度，既不能有正錐角，也不能有倒錐角；二是定徑區(qū)的上下截面必須平行，保證圓周的長(zhǎng)度一致相等；三是工作區(qū)與定徑區(qū)交界處，必須是一條明顯而“尖銳”的交接線，不允許有任何過(guò)渡角。

定徑區(qū)的重要參數(shù)是長(zhǎng)度，選擇原則是：拉拔軟金屬比拉拔硬金屬要短；濕拉時(shí)比干拉時(shí)短；粗直徑的定徑帶系數(shù)比細(xì)直徑的要小。另外定徑區(qū)表面要平整光潔，表面粗糙度至少應(yīng)達(dá)到0.025。

3.3.4 出口區(qū)

出口區(qū)主要是為了加固模具出口處的牢度，防止?？灼屏眩部善鸬讲徊羵摻z表面的作用。出口區(qū)角度一般為60°～75°，也有些廠家大至90°；出口區(qū)高度直接與其支撐加固的出口角的強(qiáng)度有關(guān)，理論上認(rèn)為高些比短些好，可使模具的受力點(diǎn)向模坯中心移動(dòng)，同時(shí)在多次擴(kuò)孔修磨后不必重新研磨擴(kuò)大出口角度。出口區(qū)的具體高度各國(guó)不一，一般應(yīng)是模坯高度的1/3～1/5[3]。

4 拉絲模修復(fù)步驟

在鋼絲拉拔過(guò)程中，硬質(zhì)合金拉絲模的消耗有破裂和磨損兩種。破裂的模具只能報(bào)廢，磨損的模具可以修復(fù)。修復(fù)主要有3個(gè)步驟。

4.1 清凈處理

磨修前必須把模子上粘附的潤(rùn)滑劑、油污以及模套鐵銹等清除干凈。

4.2 劃分缺陷

用放大鏡進(jìn)行檢查、鑒別、劃分缺陷，把不能擴(kuò)孔的模具剔出。

4.3 修模

修模方法有以下3種。

（1）拋光，模孔拋光面有環(huán)形變粗，定徑帶的公差仍在規(guī)定范圍內(nèi)。

（2）重磨及拋光，出現(xiàn)帶有輕微縱溝的比較顯著的拉絲環(huán)，定徑帶略超出公差范圍。

（3）擴(kuò)孔、重磨及拋光，工作區(qū)嚴(yán)重磨損，定徑帶有明顯拉痕，定徑帶超出公差范圍及嚴(yán)重不圓的拉絲模。

5 提高拉絲模具使用壽命的方法

5.1 使用加工質(zhì)量高的模具

模芯材料晶粒細(xì)、孔型尺寸精度高、孔型表面光潔、裝配精度高的模具使用壽命長(zhǎng)，更換模具次數(shù)少，加工出的鋼絲質(zhì)量高。

5.2 拉絲機(jī)的安裝和使用

（1）拉絲機(jī)的安裝基礎(chǔ)需十分穩(wěn)固，避免在拉拔鋼絲過(guò)程中產(chǎn)生大幅振動(dòng)。

（2）安裝模具時(shí)，要通過(guò)調(diào)試使線材的拉伸軸線與模孔中心線對(duì)稱，使線材和拉模應(yīng)力作用均勻，避免不均勻磨損。

（3）拉絲過(guò)程中避免頻繁地啟動(dòng)和停車，因?yàn)槔纹鸩綍r(shí)的鋼絲和模具間的摩擦比正常拉拔時(shí)的摩擦要大得多，加速模具的磨損。

5.3 線材表面準(zhǔn)備質(zhì)量良好

線材表面準(zhǔn)備包括兩個(gè)主要工作：去除氧化皮和涂覆潤(rùn)滑載體。

鋼絲表面的氧化鐵皮未被完全除去，在拉拔時(shí)因粗糙的表面會(huì)增加與?？妆诘哪Σ?，促進(jìn)拉絲?？椎募铀倌p。所以，鋼絲拉拔前經(jīng)酸洗等處理去除氧化皮，得到潔凈的表面，減小與?？椎哪Σ?。

為保證潤(rùn)滑劑能牢固地粘附在絲材表面，能順利的進(jìn)入拉拔變形區(qū)，達(dá)到預(yù)期的潤(rùn)滑效果，拉拔前要對(duì)絲材進(jìn)行涂覆潤(rùn)滑載體?，F(xiàn)在生產(chǎn)鋼絲中經(jīng)常用到的是磷化。生成磷化膜的成分有磷酸一氫鐵、磷酸鐵、磷酸一氫鋅、磷酸鋅。磷化膜具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如：化學(xué)穩(wěn)定性好，且有防銹能力；與鋼基結(jié)合牢固，且含有微孔，吸附性能好；有良好的延展性，拉絲時(shí)它始終覆蓋在鋼絲表面。

5.4 部分壓縮率設(shè)計(jì)合理

道次部分壓縮率的分配需考慮絲材的變形抗力、冷加工強(qiáng)化系數(shù)，拉拔潤(rùn)滑和冷卻方式、力學(xué)性能和工藝性能要求等。目前道次部分壓縮率的分配原則普遍采用：第一道及最后一道的拉拔選取較小部分壓縮率，第二道取最大部分壓縮率，隨后平穩(wěn)或逐道減小的分配原則。

5.5 使用潤(rùn)滑性能良好的潤(rùn)滑劑

拉絲潤(rùn)滑方式可分為干式潤(rùn)滑和濕式潤(rùn)滑兩種，濕式潤(rùn)滑又分為油性潤(rùn)滑和水性潤(rùn)滑兩種。如果使用得當(dāng)，干式潤(rùn)滑的潤(rùn)滑效果優(yōu)于濕式潤(rùn)滑，油性潤(rùn)滑優(yōu)于水性潤(rùn)滑。按冷卻效果排列，水性潤(rùn)滑優(yōu)于油性潤(rùn)滑，濕式潤(rùn)滑優(yōu)于干式潤(rùn)滑。在拉絲生產(chǎn)過(guò)程中，潤(rùn)滑劑的質(zhì)量及潤(rùn)滑劑的供給是否充足都影響著拉線模的使用壽命。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中始終保持最佳的潤(rùn)滑狀態(tài)，以便形成一層能承受高壓力而不被破壞的薄膜，降低工作區(qū)的摩擦力，提高模子使用壽命。

5.6 加強(qiáng)對(duì)模具的冷卻

拉拔發(fā)熱主要發(fā)生在模具變形區(qū)，日常生產(chǎn)中模具升溫最高不會(huì)超過(guò)450℃。模具局部高溫使硬質(zhì)合金抗磨性能下降，磨損加快；同時(shí)因?yàn)殇撡|(zhì)模套的膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于模芯的膨脹系數(shù)，造成模芯受力狀態(tài)改變，容易出現(xiàn)模芯出口處掉肉和模芯碎裂現(xiàn)象。

模具冷卻方式有間接水冷、自流水冷、強(qiáng)制水冷、直接水冷等。間接水冷是將模具裝在冷卻水套中，通過(guò)水套內(nèi)的水循環(huán)實(shí)現(xiàn)模具冷卻，單次拉絲機(jī)和生產(chǎn)低碳、低合金鋼絲的拉絲機(jī)多采用這種冷卻方式。自流水冷和強(qiáng)制水冷是對(duì)模具外套進(jìn)行直接水冷，自流水冷是指將水注入外套四周空間，任其自流回儲(chǔ)水槽中的敞開式水冷；強(qiáng)制水冷是指將水注入外套四周空間，讓水在壓力驅(qū)動(dòng)下流回儲(chǔ)水槽中的封閉式水冷。這兩種冷卻方式主要用在直線式連續(xù)拉絲上，是生產(chǎn)中、高碳鋼絲必備的冷卻方式。水冷可以降低模套與模芯的溫差、改善模具內(nèi)部溫度分布狀況，保證潤(rùn)滑劑正常工作，減小磨損，提高模具壽命。

5.7 定期保養(yǎng)修磨硬質(zhì)合金拉絲模具

按照模具的日常保養(yǎng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)常對(duì)模子進(jìn)行檢修是非常經(jīng)濟(jì)合算的事情。一旦模子出現(xiàn)了任何輕微的磨損，及時(shí)進(jìn)行拋光，則使模子恢復(fù)到原始拋光狀態(tài)，所花費(fèi)時(shí)間要短，而且模子的孔型尺寸無(wú)明顯變化。

6 拉絲模的研究方向

為了適應(yīng)現(xiàn)代拉絲高速化、連續(xù)化和自動(dòng)化的要求，拉絲模的發(fā)展方向是提高拉絲模壽命，提高拉絲生產(chǎn)效率，降低拉絲成本。

（1）對(duì)拉絲模的摩擦磨損進(jìn)行系統(tǒng)研究，為提高拉絲模壽命提供理論支持。

（2）開發(fā)與使用復(fù)合材料制作模具，延長(zhǎng)模具使用壽命。

（3）研究開發(fā)新的模具結(jié)構(gòu)形式，快速換模，降低停車時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

（4）研發(fā)拉絲模先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備，提高模具修復(fù)技術(shù)，延長(zhǎng)模具壽命，降低拉絲生產(chǎn)中模具使用成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 張學(xué)輝，王鴻利.鋼絲生產(chǎn)概述[J].科技資訊，2018，16（12）：117-119.

[2] GB/T 6110-2008，硬質(zhì)臺(tái)金拉制模具型式和尺寸[S].

[3] 董琦，張學(xué)輝.鋼絲生產(chǎn)工藝及設(shè)備[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2016.