提高硬質(zhì)合金拉絲模壽命的研究進展

劉勛

（九江金鷺硬質(zhì)合金有限公司，江西九江 332000）

在金屬線材、管材拉拔行業(yè)中，拉絲模是實現(xiàn)連續(xù)拉拔、保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工具。拉絲模具材質(zhì)主要包括鋼材、天然金剛石、聚晶金剛石、硬質(zhì)合金和陶瓷等［1］。其中，硬質(zhì)合金拉絲模因其高硬度、低成本、良好的耐磨性以及較好加工等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于拉拔各類金屬線、管材［2］。

硬質(zhì)合金拉絲模通常由WC（硬質(zhì)相）和Co（粘結(jié)劑），經(jīng)高溫燒結(jié)而成。由于金屬Co具有較低的硬度和抗拉強度等缺點，在金屬線材、管材與拉絲模內(nèi)孔壓縮區(qū)域易發(fā)生磨粒磨損以及粘附磨損［3］，導致拉絲模使用壽命較短。硬質(zhì)合金拉絲模使用壽命主要取決于模芯材質(zhì)、內(nèi)孔表面涂層性能、模芯的孔型、加工工藝等因素。因此，本文從基體材質(zhì)優(yōu)化、涂層處理、內(nèi)孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化三個方向，綜述了關(guān)于硬質(zhì)合金拉絲模壽命提升方面的研究進展。

1 改善材質(zhì)

目前，國內(nèi)外采用超細晶工藝、降低粘結(jié)相含量、添加稀土元素以及功能梯度材料等技術(shù)，改善拉絲模材質(zhì)，從而提高拉絲模使用壽命。

1.1 稀土硬質(zhì)合金

20世紀60年代，研究人員開始進行將稀土硬質(zhì)合金的相關(guān)研究［4］。少量添加稀土金屬元素及其氧化物能夠明顯提升硬質(zhì)合金性能并取得一定成果：能夠提高硬質(zhì)合金的硬度、強度以及韌性等物理力學性能，同時減少合金大孔隙，并且能夠細化、均勻化碳化鎢相，凈化合金晶界［5］。

熊繼等［6］研究表明，相較于常規(guī)硬質(zhì)合金(YG8)拉絲模，稀土硬質(zhì)合金（YGR8）的強度、沖擊韌性提高10%以上（見表1），同時耐磨性能提升，使用壽命提高1倍。

表1 添加稀土元素和常規(guī)合金物理力學性能［6］

劉壽榮等［7］通過在8%Co硬質(zhì)合金中混合添加稀土金屬元素（鈮、銫、鑭和鐠）的氧化物，強化粘結(jié)Co相和WC硬質(zhì)相的兩相界面，使合金表面壓應(yīng)力增大，強度提高。

1.2 低鈷超細晶硬質(zhì)合金

成分與微觀組織結(jié)構(gòu)是直接影響硬質(zhì)合金物理力學性能的關(guān)鍵因素。圖1為硬質(zhì)合金硬度與鈷含量和WC平均粒度的對應(yīng)關(guān)系［8-9］。由圖1可知，選擇細顆粒的WC以及降低硬質(zhì)合金鈷含量，能夠有效提升硬質(zhì)合金的硬度。

圖1 鈷含量和WC平均粒度對硬質(zhì)合金硬度的影響

相較于普通硬質(zhì)合金，低鈷超細晶硬質(zhì)合金有以下特點：

（1）在鈷含量相同時，超細晶使硬度和強度同時提高［3］。

（2）在晶粒度相同時，降低鈷含量能夠提高硬度并同時提高抗粘附磨損能力。

目前，我國已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)汽車輪胎鋼簾線用WC-6%Co硬質(zhì)合金拉絲模，通常采用0.4μm的超細晶WC，硬度達到HRA93.5以上，其使用性能與國外拉絲模相媲美。

對國內(nèi)硬質(zhì)合金濕拉模與國外同類產(chǎn)品的材質(zhì)性能進行對比。由表2可知，國內(nèi)A各項性能與國外B相當，國外C牌號硬度在3者中相對較低，晶粒度也較粗，因此其耐磨性將比國內(nèi)A和國外B要差一些，這會降低其在鋼簾線生產(chǎn)過程中的使用壽命。

表2 國內(nèi)與國外不同廠家模芯材質(zhì)性能

1.3 梯度硬質(zhì)合金

梯度硬質(zhì)合金是指成分或微觀組織結(jié)構(gòu)呈規(guī)律分布，從而使得其性能呈梯度變化的硬質(zhì)合金。目前應(yīng)用最廣的兩種功能梯度硬質(zhì)合金為Dual property系列硬質(zhì)合金鑿巖工具（瑞典山特維克公司制造）以及脫β相的涂層硬質(zhì)合金刀片基體（日本鈴木公司首次制造）［10-11］。研究人員通過拉拔3RS17牌號自動焊絲，對比常規(guī)WC-6%Co硬質(zhì)合金拉絲模（HV硬度1750）和功能梯度硬質(zhì)合金拉絲模（靠近工作區(qū)HV硬度為1980，而基體內(nèi)部HV硬度為1340）性能。結(jié)果表明：在鈷含量和WC晶粒度（平均粒度均為1μm）相同的條件下，功能梯度硬質(zhì)合金拉絲模壽命較常規(guī)硬質(zhì)合金拉絲模提高86%［12］。

2 涂層技術(shù)

在金屬拉絲生產(chǎn)中，拉絲模具內(nèi)孔工作區(qū)域的硬度和耐磨性對使用壽命至關(guān)重要。通過使用化學氣相沉積(CVD)技術(shù)和物理氣相沉積(PVD)技術(shù)，在硬質(zhì)合金拉絲模模芯內(nèi)孔表面沉積硬質(zhì)薄膜（如金剛石或氮化物、碳化物、碳氮化物、氧化物等），能夠明顯降低拉絲模模耗［13］。

2.1 化學氣相沉積法

目前，在工業(yè)上廣泛采用化學氣相沉積技術(shù)沉積碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦和金剛石等薄膜來改善硬質(zhì)合金基體的耐磨性以及壽命。通過涂覆碳化鈦或氮化鈦在硬質(zhì)合金拉絲模內(nèi)孔表面，使其在拉拔不銹鋼絲、高碳鋼絲等過程中使用壽命得到提高［14］。

金剛石具有高硬度、高耐磨性、耐強酸強堿腐蝕以及化學性能穩(wěn)定等優(yōu)勢。從1980年代成功沉積金剛石涂層至今，化學氣相沉積金剛石涂層技術(shù)飛速發(fā)展并獲得巨大突破，其在耐磨涂層方面的應(yīng)用廣泛［15］。20世紀90年代，日本MurakawaM等［16］采用螺旋熱絲化學氣相沉積技術(shù)，成功將金剛石涂層沉積在硬質(zhì)合金拉絲模內(nèi)孔表面。唐慶順等［17］采用熱絲化學氣相沉積技術(shù)，成功將金剛石涂層沉積在YG6硬質(zhì)合金拉絲模（內(nèi)孔孔徑3.8mm）內(nèi)孔表面，并將拉絲模使用壽命提高了8～10倍，同時改善線材表面質(zhì)量。邱從懷等［18］在高碳高強度鋼絲拉拔領(lǐng)域，采用金剛石涂層拉絲模與常規(guī)硬質(zhì)合金拉絲模進行對比分析，結(jié)果表明：金剛石涂層拉絲模（內(nèi)孔≥2.03mm）使用壽命較常規(guī)硬質(zhì)合金拉絲模具有明顯優(yōu)勢(提高5倍以上)。

2.2 物理氣相沉積法

物理氣相沉積技術(shù)是指通過物理方法，在真空環(huán)境中，將固體或液體氣化成氣體，然后在硬質(zhì)合金表面低壓氣相成膜。物理氣相沉積技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀70年代，相較于化學氣相沉積技術(shù)，其具有以下優(yōu)勢：

（1）工藝溫度可控制在500℃以下，對硬質(zhì)合金基體的材質(zhì)影響較??；

（2）涂層內(nèi)部應(yīng)力為壓應(yīng)力；

（3）環(huán)境友好，符合綠色發(fā)展要求；

（4）納米物理氣相沉積涂層具有硬度高、結(jié)合強度高、抗氧化性好以及涂層厚度控制精準等優(yōu)點。

在1980年日本首先采用物理氣相沉積技術(shù)將氮化鈦涂層應(yīng)用在硬質(zhì)合金，提高了刀具的耐磨性以及使用壽命。Panjan P等［19］通過物理氣相沉積技術(shù)，在硬質(zhì)合金拉絲模表面成功沉積氮化鉻涂層，并將拉絲模使用壽命提高了1倍以上。

3 拉絲?？仔蛢?yōu)化

在20世紀80年代以前，國內(nèi)的拉絲模大多沿用蘇聯(lián)50年代孔型設(shè)計，即“弧線形”孔型設(shè)計如圖2a所示。隨著線材、管材拉拔速率的提升，拉絲模磨損過快、壽命不足的問題亟待解決。為此，美國研究者Maxwall T和Kennth E G設(shè)計出“直線型”拉絲?？仔徒Y(jié)構(gòu)［20］，孔型設(shè)計如圖2b所示。相較于“弧線型”模芯內(nèi)孔設(shè)計，“直線型”拉絲模內(nèi)孔設(shè)計具有如下特征：①合并入口區(qū)和潤滑區(qū)；②延長入口區(qū)和壓縮區(qū)的高度；③定徑區(qū)平直且高度合理；④各區(qū)域縱面線均平直。

圖2 “弧線形”（a）和“直線型”（b）拉絲?？仔?/p>

近年來，針對兩種孔型的拉絲模，國內(nèi)研究人員進行廣泛對比研究［21］。蘇瑛琦等認為直線型孔型設(shè)計更優(yōu)，其具有更好的穩(wěn)定性以及更低的模耗［22-23］。而楊學鋒則認為應(yīng)根據(jù)實際拉拔工況，選擇適合的拉絲模孔型設(shè)計［24］。生產(chǎn)廠家及研發(fā)人員應(yīng)綜合考慮拉拔工況以及修模工藝等因素，優(yōu)化拉絲模孔型設(shè)計，提高拉絲模使用壽命。

通過改變拉絲模的孔型結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以改變拉拔過程中的拉力，并影響拉拔后產(chǎn)品中的殘余應(yīng)力［24］。因此，分析拉絲模各個區(qū)域的作用并進行設(shè)計優(yōu)化很有必要［25-26］。

3.1 潤滑區(qū)設(shè)計優(yōu)化

潤滑區(qū)的作用：金屬線材、管材進入模具潤滑區(qū)時，潤滑液或潤滑粉在線材、管材表面形成薄膜，薄膜被帶入壓縮區(qū)，使薄膜更為致密［3］。

潤滑錐角是直接影響拉拔時潤滑效果的關(guān)鍵參數(shù)［27］。潤滑錐角的大小，需要根據(jù)潤滑劑粘度、金屬絲材質(zhì)尺寸及潤滑區(qū)長度等因素綜合考慮。潤滑錐角通常不宜選擇過小，過小的錐角會使?jié)櫥瑒┎灰琢魅?、流動不暢，造成楔形堵塞。張敏、王永宏等?8-29］研究了拉拔過程潤滑區(qū)錐角對潤滑效果的影響，結(jié)果表明：較大的潤滑錐角可以保證潤滑液順利進入壓縮區(qū)，提高潤滑效果，但潤滑錐角設(shè)計太大不利于流體動壓潤滑，影響潤滑效果。

潤滑區(qū)的高度也是直接影響拉拔時潤滑效果的重要因素，通常延長潤滑區(qū)高度能夠改善拉拔時潤滑效果。

3.2 壓縮區(qū)設(shè)計優(yōu)化

壓縮區(qū)是拉拔金屬線、管材過程中，產(chǎn)品發(fā)生壓縮變形的工作部位。壓縮區(qū)的圓錐半角α是影響拉絲過程模芯受力的關(guān)鍵因素。湯飛［30］針對圓錐半角α對特殊鋼絲拉拔的影響進行研究，實驗表明：α對內(nèi)孔所受的壓力、拉拔應(yīng)力及被拉金屬線材性能（如韌性）有重要影響。Wistreich JG［31］針對不同?？装虢?、不同的壓縮率的拉絲模進行對比分析，得到拉拔應(yīng)力曲線以及最佳半角。針對不同的拉拔工況（潤滑條件、模芯內(nèi)孔加工精度、金屬絲材質(zhì)、粗細等），圓錐半角α取值不同。減小圓錐半角可以提高線材的抗拉強度及韌性［30-33］。在提高拉拔速率時，需要減小拉絲模工作錐角以降低模耗［34-35］。但對于粗規(guī)格金屬絲，金屬絲與壓縮區(qū)接觸面積增加，導致摩擦損耗增大，因而需要增大圓錐半角以提高模具壽命［36］。

壓縮區(qū)高度也是影響模芯受力的重要因素。壓縮區(qū)高度越大，拉絲模的壓縮區(qū)所受壓力越小，導致拉應(yīng)力顯著降低，模具磨損降低。

3.3 定徑區(qū)優(yōu)化

定徑區(qū)是控制金屬線材、管材的截面尺寸的關(guān)鍵區(qū)域。定徑區(qū)的高度應(yīng)根據(jù)拉拔金屬絲的硬度、截面大小和潤滑等拉拔工況確定。張貴彤［37］在拉拔鋼絞線時，通過延長5～8道拉絲模定徑帶高度，使用壽命提高了0.1～5倍。但是定徑區(qū)過長，在拉拔過程中會增加摩擦力，使模具溫度升高，影響模具壽命，同時也會導致拉應(yīng)力增加，拉拔時縮線率、斷線率提高，電耗增大；而過短的定徑區(qū)高度，則會降低線材、管材表面質(zhì)量（產(chǎn)生竹節(jié)形），還會影響金屬絲材、管材尺寸（模具內(nèi)孔過早磨損）［38］。對于不同的拉拔工況，定徑區(qū)設(shè)計高度通常有以下規(guī)律：

（1）相比于軟質(zhì)金屬材料，拉拔硬質(zhì)金屬材料時需要延長定徑區(qū)高度；

（2）相比于大直徑材料，拉拔小直徑材料時需要延長定徑區(qū)高度；

（3）相比于濕式潤滑拉拔，干式潤滑拉拔時需要延長定徑區(qū)高度。

4 結(jié)語

影響硬質(zhì)合金拉絲模壽命的因素很多，除了文中所述的模芯材質(zhì)、涂層處理以及內(nèi)孔孔型以外，還有合金制備工藝、模具加工工藝、拉拔工況等。隨著國內(nèi)外對拉絲模研究的不斷深入，硬質(zhì)合金拉絲模使用壽命將不斷提高，以適應(yīng)不斷提高的拉拔速率，推動金屬線材、管材行業(yè)發(fā)展。