高碳鋼絲拉拔斷裂原因分析

李曉明 賈越 賀磊 王榮海 楊軍

新疆八鋼金屬制品有限公司

一、前言

作為當(dāng)今世界的三大支柱，材料、能源、信息都與我們的生活息息相關(guān)，其中材料也直接影響到國(guó)家的科學(xué)發(fā)展以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)走向。隨著我國(guó)機(jī)械、建筑行業(yè)的高速發(fā)展，也加大了金屬材料的消耗量，推動(dòng)著金屬制品業(yè)的前進(jìn)[1,2]。作為金屬制品中不可或缺的成員，鋼絲的需求量日在益增加，鋼絲生產(chǎn)的主要工藝流程為：原料→清除氧化鐵皮→涂層處理→拉絲→熱處理→鍍層處理。

目前，國(guó)內(nèi)鋼絲普遍存在力學(xué)不穩(wěn)定現(xiàn)象，使鋼絲在連續(xù)拉拔的作業(yè)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，既降低了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)生成本，也為企業(yè)帶來(lái)了不良口碑及質(zhì)量異議等問(wèn)題[3]。而鋼絲斷裂的主要原因分別來(lái)自盤(pán)條質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)工藝兩方面[4]?，F(xiàn)為提高材料性能，減少鋼絲斷裂現(xiàn)象對(duì)企業(yè)造成的影響，現(xiàn)通過(guò)某企業(yè)具體案例的現(xiàn)場(chǎng)工藝、拔絲機(jī)組、配模情況、拉拔溫度及斷口形貌進(jìn)行分析，并提出相關(guān)改進(jìn)措施[5]。

二、拉拔機(jī)組及拉拔規(guī)格

該企業(yè)采購(gòu)一批60#為拉拔鋼絲繩坯料，在各機(jī)組的拉拔過(guò)程中，鋼絲出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象，現(xiàn)就拉拔情況予以分析說(shuō)明（見(jiàn)表1）。

表1 拔絲機(jī)組及成品規(guī)格參數(shù)

（一）17/650水箱拉絲機(jī)組拉拔情況

1.現(xiàn)場(chǎng)工藝

該機(jī)組拉拔的Φ1.95mm鋼絲，使用的磷化沾硼砂工藝對(duì)原料進(jìn)行前處理，其磷化盤(pán)卷表面發(fā)黑，仔細(xì)觀(guān)察可以發(fā)現(xiàn)盤(pán)卷夾縫中存在氧化鐵皮，而且由于烘干效果不佳，導(dǎo)致盤(pán)卷的縱向表面可觀(guān)察到兩道寬15～30mm的表面浮銹，擦拭后可見(jiàn)鋼基體，說(shuō)明該前處理工藝存在洗不凈現(xiàn)象。

2.機(jī)組配模參數(shù)

該水箱機(jī)組為15連拔機(jī)組，具體配模參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 17/650水箱拉絲機(jī)組配模參數(shù)

3.鋼絲斷口形貌及現(xiàn)象分析

該機(jī)組截共拉拔原料約22噸，成品表面黝黑油潤(rùn)，磷化膜連續(xù)完整，僅斷線(xiàn)一次，斷線(xiàn)道次為Φ2.1mm規(guī)格（倒數(shù)第二道）。斷口表現(xiàn)為杯錐狀斷口，斷裂源自鋼絲內(nèi)部，斷口前后使用手鉗彎折并未出現(xiàn)二次斷裂，故判斷斷裂因素與拉絲模角度偏大與壓縮率偏小有關(guān)。在拉拔過(guò)程中，鋼絲中心區(qū)域壓縮不到位，表層金屬變形比芯部大，導(dǎo)致表層金屬產(chǎn)生壓應(yīng)力，芯部產(chǎn)生拉應(yīng)力。鋼絲的中心線(xiàn)上逐漸產(chǎn)生速度不連續(xù)點(diǎn)，導(dǎo)致拉拔過(guò)程的中心區(qū)域與外部區(qū)域流速不一致，在流速分歧處產(chǎn)生“v”型裂紋，斷裂時(shí)斷口呈現(xiàn)杯錐狀。雖然從應(yīng)用上觀(guān)察磷化表面浮銹未對(duì)拉拔造成直接影響，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間拉拔，會(huì)造成模具的快速消耗，若不及時(shí)更換，更會(huì)導(dǎo)致成品鋼絲表面廢。

（二）9/560滑輪拉絲機(jī)組拉拔情況

1.現(xiàn)場(chǎng)工藝

其中3噸原料前處理使用的磷化沾硼砂處理工藝，其磷化盤(pán)卷表面發(fā)黑，拉拔過(guò)程表面有脫膜現(xiàn)象，但拉拔過(guò)程較為連續(xù)，沒(méi)有發(fā)生斷裂情況。

其中21噸原料前處理使用的磷化沾石灰處理工藝，其磷化盤(pán)卷表面發(fā)白，能夠觀(guān)察到磷化層結(jié)晶物，且拉拔過(guò)程中鋼絲表面斑駁，磷化膜出現(xiàn)不完整現(xiàn)象，成品鋼絲發(fā)灰，并出現(xiàn)斷裂情況。

2.機(jī)組配模參數(shù)

該滑輪拉絲機(jī)組具體配模參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 9/560滑輪拉絲機(jī)組配模參數(shù)

3.機(jī)組各道次溫度情況

從現(xiàn)場(chǎng)溫度情況來(lái)看，該機(jī)組冷卻能力不足，導(dǎo)致卷筒溫度過(guò)高，其中第三道、第七道、第八道溫度已嚴(yán)重超出拉絲的正常溫度。各道次具體溫度見(jiàn)表4。

表4 各道次溫度具體參數(shù)

4.鋼絲斷口形貌及現(xiàn)象分析

該機(jī)組拉拔Φ2.7mm鋼絲，使用原料約44噸，共發(fā)生斷裂3次，斷裂位置分別為Φ2.94mm兩次、Φ3.24mm一次。斷樣呈斜劈裂斷口，斷裂源產(chǎn)生于鋼絲表面，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)存在拉絲模具角度偏離卷筒切線(xiàn)的問(wèn)題，造成鋼絲靠卷筒側(cè)變形大且溫度高，易造成鋼絲從靠卷筒內(nèi)測(cè)斷裂。其次，在拉拔的過(guò)程中，操作工更換模具不及時(shí)，可觀(guān)察到第四道次及第五道次間的鋼絲表面存在可見(jiàn)縱向拉痕，其表面發(fā)亮，磷化膜破裂，但操作工不更換模具，造成3次鋼絲斷裂情況。在該機(jī)組模具全部更換后，連續(xù)拉拔約20噸未再發(fā)生斷線(xiàn)現(xiàn)象。

（三）8/560滑輪拉絲機(jī)組拉拔情況

1.現(xiàn)場(chǎng)工藝

該機(jī)組拉拔的Φ2.7鋼絲，原料前處理使用的磷化沾石灰處理工藝，其磷化盤(pán)卷表面發(fā)白，能夠觀(guān)察道磷化層結(jié)晶物，在拉拔的過(guò)程中其鋼絲表面斑駁，出現(xiàn)磷化膜不完整現(xiàn)象，成品鋼絲發(fā)灰，并出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

2.機(jī)組配模參數(shù)

該滑輪拉絲機(jī)組具體配模參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 8/560滑輪拉絲機(jī)組配模參數(shù)

3.機(jī)組各道次溫度情況

從現(xiàn)場(chǎng)溫度情況來(lái)看，該機(jī)組存在冷卻能力不足現(xiàn)象，導(dǎo)致卷筒溫度過(guò)高。各道次具體溫度見(jiàn)表6。

表6 各道次溫度具體參數(shù)

4.鋼絲斷口形貌及現(xiàn)象分析

該滑輪拉絲機(jī)組拉拔Φ2.7mm鋼絲，使用原料約16噸，共發(fā)生斷裂5次，斷裂位置分別為Φ3.01mm三次、Φ3.35mm兩次。斷樣呈斜劈裂斷口，斷裂源產(chǎn)生于鋼絲表面。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)存在拉絲模具角度偏離卷筒切線(xiàn)的問(wèn)題，造成鋼絲靠卷筒側(cè)變形大、溫度高，易造成鋼絲從靠卷筒內(nèi)測(cè)斷裂情況。該機(jī)組在更換模具后，連續(xù)拉拔6噸時(shí)發(fā)生了一次斷線(xiàn)，隨著生產(chǎn)時(shí)間的增加，模具磨損情況加劇，斷絲率也不斷提高，斷線(xiàn)次數(shù)逐漸增多。

三、斷裂情況分析及改進(jìn)措施

（一）前處理對(duì)比分析

通過(guò)表1可看出，滑輪機(jī)組斷線(xiàn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水箱機(jī)組，主要因素在于機(jī)組卷筒冷卻效果不佳與潤(rùn)滑不良的疊加效果。也反映了前處理過(guò)程采用磷化沾石灰處理工藝的潤(rùn)滑效果不如磷化沾硼砂處理工藝，也造成了拉拔過(guò)程中的鋼絲的溫度提升，進(jìn)一步促使拉絲模具角度偏離卷筒切線(xiàn)的情況發(fā)生，拉拔過(guò)程中的鋼絲局部溫度提升。同時(shí)，操作工不及時(shí)換模具，也會(huì)加劇鋼絲拉拔溫度的提升。

（二）潤(rùn)滑效果分析

當(dāng)鋼絲潤(rùn)滑不良時(shí)，鋼絲與模具之間的劇烈摩擦，能使鋼絲表面溫度迅速升高到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度之上，鋼絲良好的導(dǎo)熱性能在表層形成較大的溫度梯度，為馬氏體相變提供所需的過(guò)冷度，而且鋼絲表面的壓應(yīng)力狀態(tài)能使奧氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)下移，這些因素都促使鋼絲表面潤(rùn)滑不良發(fā)生馬氏體相變，表層馬氏體硬化層在拉拔時(shí)形成顯微裂紋，隨著拉拔道次增加，該區(qū)域?qū)⑿纬蓴嗔言础?/p>

（三）原料分析

該批原料錳含量偏高平均達(dá)到0.68%，導(dǎo)致盤(pán)條強(qiáng)度較高。同時(shí)錳的含量對(duì)鋼絲的導(dǎo)熱性有較大影響，在拉拔的過(guò)程中對(duì)溫度的提升較為敏感，并且拉絲卷筒降溫不良，導(dǎo)致拉拔鋼絲的斷線(xiàn)率提升。

四、結(jié)論

通過(guò)對(duì)本案例現(xiàn)場(chǎng)拉拔情況進(jìn)行分析研究后，針對(duì)此類(lèi)斷裂問(wèn)題，可通過(guò)提高磷化酸洗工藝質(zhì)量、縮短模具更換周期、調(diào)整拉絲模具進(jìn)線(xiàn)角度和選用低錳含量原料等幾個(gè)方面，可有效降低鋼絲的斷裂次數(shù)。