拉拔工艺及模具对钢丝力学性能的影响

拉拔工艺及模具对钢丝力学性能的影响 贵州大学 硕士学位 拉拔工艺及模具对钢丝力学性能的影响 姓名:马明刚 申请学位级别:硕士 专业:材料工程 指导教师:张金柱;黄忠渠 20060601 贵州大学工程硕士研究生毕业论文 拉拔工艺及模具对钢丝力学性能的影响 摘 要 钢丝在冷加工中力学性能的不均匀是普遍存在的问，也是我国与国外钢 丝质量差距中的一个重要方面。影响钢丝力学性能的不均匀性主要有三个方面的因素:盘条 质量的均匀性、拉丝工艺及模具、热处理工艺。一切拉丝工艺条件，如压缩率、模孔工作锥 角度、冷却润滑、拉拔速度、润滑剂等对冷拉后钢丝力学性能的影响，都可以归纳为“热量” 对钢丝的影响。钢丝在拉拔过程中，由于受到变形热及摩擦热的作用而被加热，特别是连续 拉拔时，逐道次热量的不断积累，可使钢丝加热到比较高的温度，从而产生时效，显著影响 钢丝力学性能。 本文主要针对拉拔工艺及模具对钢丝力学性能的影响进行探讨。重点研究中、高碳钢丝 在拉拔中选择不同模具参数、压缩率、冷却条件而造成钢丝的发热、模具及卷筒的散热、钢 丝进模子和出模予时的温度变化的不同对其力学性能的影响。从而得出:,、模具的工作锥角 越大则钢丝拉拔时产生的拉拔力也就越大，钢丝与模子的接触长度越短，其变形越剧烈，钢 丝变形时单位时间内放出的热量也就越多，最终导致钢丝出模子时的温度较高，造成钢丝抗 拉强度、硬度升高而弯曲、扭转值降低。,、模具定径带越长钢丝拉拔后的弹性时效越小，其 定径效果也就越好，但随着定径带的增长钢丝与模具的摩擦增大，从而加剧磨损并造成拉拔 力增大，此时同样使钢丝温度升高，造成抗拉强度与硬度升高，而弯曲、扭转值降低。,、中、 高碳钢在冷拉时模具的最佳工作锥角为,(,,,(,为钢丝直径)定径带长度,(,,,,倍。,、在 中、高碳钢中，随钢丝拉拔时温度升高，时效机理被加快，其结果是钢丝塑性降低，抗拉强 度升高，扭转及弯曲性能下降。(,个卷筒无水冷钢丝可平均提高抗拉强度,,(,,,,，而弯曲 值平均降低,(,次、扭转值平均降低,(,次。而且随着卷筒冷却效果的恶化，其弯、扭值急 剧下降。钢丝采用,个道次的间接水冷可平均提高抗拉强度,,(,,,,,，而弯曲值平均降低,(, 次、扭转值平均降低,(,次)。,、正常拉拔过程中，由于变形和摩擦发热，钢丝表面温度均 在,,,:,以上，而钢丝采用直接冷却拉拔后，其温度可降低到,,,:,以下，平均各道可降,,—,,, ?，而普通冷却装置钢丝温度一般都在,,,:,以上。钢丝采用直接水冷后其力学性能得到改 善，钢丝采用直接水冷后模子使用寿命提高，特别是中间道次的拉丝模寿命提高最显著(普 通冷却拉丝模使用寿命为,吨,只，而采用钢丝直接冷却后拉丝模使用寿命为,吨,只)，故钢 丝在拉拔时其最佳冷却方式为直接水冷、卷筒应采用窄缝式水冷。 关建词: 钢丝力学性能 模具参数压缩率冷却条件 贵州大学工程硕士研究生毕业论文 ,,,,,,;, ,,,,,;,,,,;,,,,,,,,,,;,,,,—,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,？,,,,,,,，,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ？,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,;,,,,;, ,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,:,,,,,,, ？,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,, ,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,(,,,,,,, ,,,,,,,,,;,,,,,,, ;,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,，,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,，,,,;,,,,,,,,,,,;,,,,,， ,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,, ;,,,—,,,,,,,，,,,,,,,,,;,,,,,, ,,,,,,,,,,,;,,,,;,,,,,,,,,,;,，,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,”,,,？,,,,,,,,,,,,,” ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,(,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,;,,,，,,,,,,,,, ,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,, 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满足不了市场的需要，主要是商品质的、特殊的品种规格国内还很难生产，每年仍然要从国外 进口,—,万吨钢丝。 从工艺和装备水平来看，国内钢丝制品深加工行业不多，在生产特高强度、高韧性及表面 质量有特殊要求的产品，与国外相比还有一定的差距，工艺技术及工艺控制手段还存在不足。 其中主要体现在,,年代以前的装备上自动化程度较差，工艺控制不稳定。从近几年新投资的 项目来看，其装备水平和产品质量都有较大提高。比如预应力钢丝和钢绞线的工装水平，已达 到国先进水平，全国近,,家厂家，都从国外引进了整套生产作业线，加上中国自身的工艺技 术，某些产品的实物质量已达到国际领先地位【,,，。如桥梁缆索用的镀锌钢丝的钢绞线(从德 国、西班牙、美国、意大利进口的镀锌制品，曾发生质量问题，其实物质量水平有时比国内生 产的还低。该类产品也是目前国内发展较快的产品【,”。钢帘线和回火轮胎胎圈钢丝企业的镀 青铜作业线有三套，并有进一步扩大趋势，产品质量也达到国际先进水平。“,,一,,,,,稀土” 的镀层代替镀锌的起步较晚，对其工艺和机理掌握水平也不高，但装备的设施配套较差，致使 推广受阻，铝包钢丝作为通讯电缆的首选材料，已有几家整套引进国外先进技术和装备，生产 能力已经大于市场需求，尽管前景良好，但市场开发的前期投入较大。 ,(,冷拉钢丝的特点 冷拉钢丝与热轧钢材相比，具有以下特点,,,,: ?钢丝经过一系列的冷拉加工，可以拉成断面直径很小的产品，近代技术水平的进步，现已 能冷拉成最细可达,,(,,,,的合金钢丝和巾,(,,,,,的优质碳素钢丝。而热轧线材目前最小 断面尺寸是由,(,,,。 ?钢丝产品的断面几何形状准确、尺寸偏差小、表面光滑致密、光洁度高，可不再经任何加 工而直接供其它工业部门使用，例如加工要求较高的纺织和机电仪表工业部门。 ?钢丝产品通过冷拉变形，使材料加工硬化而获得较高的抗拉强度及韧性。其强度一般比普 通热轧钢材要高,(,倍。因此，用冷拉钢丝来代替普通线材作某些用途时，据有关资料介绍， 可节约钢材,,,左右。 ?钢丝产品富有良好的弹性及塑性。它能冷弯成形制作各种弹簧，可不经热处理直接使用， 满足某些特殊要求的产品需要。 ?某些钢丝产品强度较低。如低碳钢丝经过成品热处理后，其性能偏软，可适应民用捆扎、 编织等多方面的需要。 ?成品钢丝可以经过后步工序镀层处理，具有防腐性能、能与橡胶结合、导电等特性，以及 贵州大学工程硕士研究生毕业论文 依照钢丝原料的化学成分不同，可加工成为某些特殊物理性能的产品，如:不锈、耐酸、耐 热、低电阻、低磁浴?浊邢鞯雀炙俊? ,(,影响钢丝拉拔后力学性能的因素 冷拉钢丝生产过程中，原料在拉拔力作用下，形成两压一拉的三向主应力状态，使金属产 生塑性变形得到所需要的产品尺寸:与此同时金属内部的晶粒(渗碳体及铁索体)及晶间物质(杂 质及夹杂物)，沿着变形方向被拉长，以致使金属组织发生改变，形成所谓纤维组织,,?。在显 微镜下可以看到纤维状的程度与冷拉钢丝的总压缩率成正比。钢丝在冷状态下的压力加工，由 于加工硬化的结果使变形金属的力学性能产生显著的变化。即随着拉拔过程的变形量增大，金 属的变形抗力指数(弹性极限屈服有限、强度极限、硬度)有所提高而塑性指数(延伸率、断面收 缩率)有所降低，并使金属某些物理及物理—化学性能(如金属的密度、磁导率、电极电位等) 都有不同程度的改变【,,】。这些性能的变化除了与金属化学成分含量(碳、硅、锰、磷、硫、铬、 镍、铜等)有密切关系外，也与冷拉加工过程所采用的冷加工变形条件有关，例如:模孔参数、 部分压缩率、冷却条件、拉拔速度、润滑条件、总压缩率等。本文主要研究拉丝模模具参数、 拉拔工艺、冷却及润滑对钢丝力学性能的影响，拉丝模按模孔几何形状来分;有圆形、方形、 三角形、椭圆形、异形拉丝模:按模具材料分类:有合金钢模、硬质合金模、金刚石模、人造 聚晶石模等;按模具结构分类:有整体模、组合模、装配模:按工作特点分类:有滑动接触模、 辊式模、旋转模。我们主要研究圆形硬质合装配模、拉拔工艺主要研究总压缩率及部分压缩率 对钢丝力学性能的影响、模盒冷却及卷筒冷却对钢丝力学性能的影响、润滑剂及 拉拔速度对钢 丝力学性能的影响。 ,(,(,模具参数对钢丝力学能的影响 (一)模具相关尺寸的选择 ?,,,,,,;,参数“,”,,, ,,,,年，当,,,,,,;,评述拉丝的基本理论时，他重点强调了模具工作部分几何尺寸的重 要性，并指出参数?是加工生产过程的一个关键系数。如图,所示 贵州大学工程硕士研究生毕业论文 闺?钢丝在摸囊随陶倍跨 他把“?”参数定义为“模具表面中间点的圆弧跨度与模具中钢丝有效接触长度的 比”。中间点的圆弧跨度可以理解为通过钢丝和模具接触面的中间点圆的直径相等。 ?:～竺,塑,,,,口 , ,,—, 利用这个公式计算的一些参数?于表,中 表, 不同压缩率下?值 黪，豢落紫?掺 毫二?手卫,,每鼍?击†??;。专争娑。—————。鼍号搴争„—带„ 、甏窝第壤蘩,:灏露 攀叠篓壤 鎏 ,蠹整(蓦酚疆篓鎏( 爱„ ,爿瞪, 崩, 蓬囊。藤蒸雾瓣 豢嚣一黉 爹(斓, ,二二。。——?———。?,?。?烹曩??哼?????—。, 早期的文献强调指出(参见,,,,,,,和,,,,,,的文章)，拉丝中的变形是均匀一致和非均 匀一致的统一。但通过选择具有小的工作锥角度和大的减面率的模具能够避免拉丝过程中不 均匀变形的产生【?,。,,,,,,,;,强调当“,”?,(,,时不均匀变形过多归因于需要的加工量。 很显然，小的变形量在拉拔的最初几道次特别重要，因为它还限制着钢丝在拉制到指定尺寸 时产生的冷作加工硬化，随着减面率的减小，工作锥角度的增大，模具所受压力也增大了。因 此“?”值增大，模具磨损加剧。 ?钢丝和模具相应的接触长度 贵州大学工程硕士研究生毕业论文 基于多年来对拉丝实践的，,,,,,,,,拟定了一些经验准则，他 的观点是模具和钢 丝之间的接触长度(如图中的,)应该定径带直径的,,—,,,。表,给出了根据这些参数所得的 数值。 表, ,,,,,,,参数的和相应的?值 ,:莓 :鲞藓 矗碍？? :,, ，。 „,薯 粤??毒够 :辫毫舔。 尊:掣棼 、,簿;碜 磐缬喽 „解, 每毛 耄?藓囊爹( (参, ,。二井,, 匀瓣 、,务„ 疆;髓彰: 。《，掺, ;确,簿章鳅 。(:堕。,窑墅:，;，(兰攀雩釜一，薹塑, 一::望壁:一堡鲎( 压缩率大接触长度越短，变形越剧烈，弹性后效越强烈，即接触长度越短压缩率也就越小的 选取原则，进行选择压缩率。,,,,,,,,,相应的“?”值的建议范围为,(,,一,(,,。这可视为 对,,,,,,;,观点在实践中的支持，即“?”值是拉丝过程中的一个重要参数。 图,模子锥角与压缩率的关系 工作锥角为,,度，减面率为,,,,,,,,的模具，可用来生产低碳钢丝。然而在减面率为 ,,,,,,,,时，接触长度减少?值增大，如果变形恰好在钢丝的中心则塑性很好，这种钢丝也能 拉拔，但最后几个拉拔道次最好应减少工作锥角，从而增加接触长度，减少变形不均匀性和弹 性后效的作用增加模具的使用寿命【,,。 现代拉丝生产实践中，提高拉丝速度要求降低工作锥角度，可以提高润滑效果，但同时增 加了钢丝与模具的接触长度，这样减少了不均匀变形，降低了不均匀变形产生的热。所以高速拉 拔过程中，最后两个拉模子锥角尽量选择小些，当拉拔镀锌钢丝时使用小工作锥角的模具更为 重要。 贵州大学工程硕士研究生毕业论文 ?定径带参数的确定 ,,,,、,,,,,,和,,,,分析了拉拔过程中模具几何尺寸对残余应力的影响，他们利用有限 元素分析的，集中分析了定径带长度的过度半径,对性能的影响【,,一列。 拉丝过程中，定 径带的长度影响弹性储存能，定径带,,,,，使弹性储存能稳定但特别大，定径带长度,,,, 弹性储存能稳定，但同时残余应力低，所以对要矫直的钢丝选用较长的定径带，如果定径带从? ,,,,,,,自由变化，就会导致钢丝质量不稳定。同时定径带的长度尺寸对拉丝模的使用寿命、 消耗等影响较大。定径带长度增加使钢丝与模具的摩擦力增大、拉拔力增加、润滑膜破坏，模 具迅速磨损以至出现断丝、竹节现象。定径带过短时拉丝模寿命低，被加工金属尺寸精度低。 锥体和定径带之间的过渡半径极其重要，当其直径与线径之比为,(,,时的残余应力比,(,时要 大得多。故大的半径能改善钢丝的质量。 (二)在合适的工作锥角及减面率的条件下而模具几何尺寸不好时产生的影响,,,,。 尽管小的工作锥角度具有很多的优点，但也会产生长的变形区，如果模具太短，润滑剂孔道 长度就要减少到最低的水平，这时模具的锥体不能完全参与润滑。模具的锥体长度最好是实际 变形区长度的,倍。如图,: 图,一个足够长的锥角(,)与一个短锥角(,)的比较 当模具被加工磨削多次后，为确保,,，的关系控制拉丝模几何尺寸相当重要。 (三)拉丝模参数与断裂,“,】 贵州大学工程硕士研究生毕业论文 ,,,,,,,,和,,,,,,,,,利用有限元素分析的方法研究了模具内材质的弹性行为如图,: 图, 钢丝在模孔内的受力图 从图中可以看出，钢丝在承受载荷时，钢丝内静压力主要由压力(负值)产生，但在图中的两个画 线部分，也有拉应力(正值)的存在。位置在钢丝的轴线和钢丝的表面上。承受载荷时，钢丝内画 线区不希望发生断裂，因为这部分钢丝变形在弹性区外，但如果钢丝的内部存在拉应力，孔隙 长大的危险必比较大，易发生断裂。所以拉丝模参数应该很好的选择以使钢丝的心部出现拉应 力，这就意味参数“?”应该小到足以得到一个大的减速面率和一个小的工作锥角【,,】。 ,(,(,压缩率对钢丝力学性能的影响 (一)总压缩率的影响 几乎所有的碳素钢丝，不论低、中、高碳钢丝的强度都将随总压缩率的增加而升 高。这主 要是由于随着冷变形量的加大，金属内部晶粒不断产生滑移。随着滑移系的减少及晶格产生位 错歪扭，阻止再变形进行，故使钢丝塑性变形抗力增加，金属形成的冷加工硬化现象加剧，因 此导致钢丝的破断拉力加大，即钢丝的抗拉强度升副,,,。而加工硬化的加剧却使钢丝的韧性 (弯曲、扭转值)恶化，严重的会形成脆性材料，其弯曲性能极低。钢丝断口形态及断口组织,,,】 如图,、图,( 图, 钢丝过拉拔产生的断口 图,过拉拔断口处组织 , 贵州大学工程硕士研究生毕业论文 所以在用总压缩率加大提高冷拉钢丝的强度时，一定要防止过大的冷加工硬化，这样虽然 使钢丝的强度上去了，但其韧性(弯曲值、扭转值)会恶化，严重的会形成脆性材料，反复弯曲 值极低。因此总压缩率的选择不仅要考虑产品强度要求，而且要考虑产品韧性指标要求。亦即 钢丝的强度不能单纯靠加大其总压缩率来保证，而要选择适当的原料钢号来保证【,,(,,,。 (二)部分压缩率的影响 部分压缩率包括两个概念:一是拉拔过各中每道次的压缩率，叫部分压缩率:二是在拉拔 过程中，各道次部分压缩率的代数平均值，叫平均部分压缩率。平均部分压缩率和拉拔道次对 钢丝成品强度的影响，一般情况下在相同总压率条件下，部分压缩率提高(即减少拉拔道次) 则成品强度有所提高，但弯曲、扭转值有所下降。根据理论计算低碳钢丝的部分压缩率，一次 可能的最大值约为,,—,,,，但实际生产很少采用高于,,,的部分压缩率，这不仅是为了保证钢 丝具有高强度和高韧性的综合指标要求，同时也为了避免拉拔过度,在钢丝的中心呈现裂纹。 高强度弹簧钢丝，由于其强度要求较高，在增加总压缩率时提高强度的同时，并需考虑表面质 量对扭转性能的影响。为确保韧性，必须根据工艺条件(水冷却、润滑)采用多道次较小的部分 压缩率(如,,—,,,)拉拔。可以使钢丝的索低体内渗碳体片在拉拔过程中能进行塑性弯曲及沿 钢丝轴向旋转，直到,,,时仍可保证原索氏体形态沿拉拔方向伸长，而不会破 裂【,”。若较高的 部分压缩率(如,,,,)进行拉拔时，一开始就可能在钢丝组织内部使渗碳体片破碎，当总压缩率 超过,,,后，渗碳体几乎全部破碎，导致钢丝产生脆性，这是造成高碳弹簧钢丝扭裂的原因 之一。总之，。部分压缩率也要在保证钢丝韧性前提下，按钢丝品种适当选择。其中对于钢丝力 学性能要求不高的低碳钢丝，最大一次部分压缩率可以在,,,:而对于制绳用高碳钢丝，最大 一次部分压缩率在,,,，而对于表面、扭裂要求较高的碳素弹簧钢丝最大一次部分压缩率在 ,,,。 ,(,(,冷却条件对钢丝力学性能的影响 一切拉丝工艺条件，如部分压缩率、拉拔速度、模孔工作锥角度、润滑等对冷拉后钢丝力 学性能的影响，都可以归纳为“热量”对钢丝的影响。 ， 拉拔时对钢丝作的功大约只有,,一,,用于晶体结构的变形，即以加工硬化的方式储存于钢 丝内部，其余,,,一,,,的功全部转化为热量，其中被拉丝模消耗的热量大约只有,,,,,左右， 其余,,,,,,,的热量被钢丝带走【,,。 (一)冷拉钢丝发热机理 消耗于拉拔钢丝上的机械功率(包括主变形功、附加变形功和摩擦功)，在拉丝模孔变形区 , 贵州大学工程硕士研究生毕业论文 内几乎全部(,,哟都转变成了热量，而最多只有,,,的功以潜在能(晶格畸变和加工硬化)存在 于被拉拔后的钢丝中。因此在变形区小小的体积内(约几个立方毫米)要放出大量热【,】。每用去 ,,,的功率产生约为,,,千卡,,时的热量。由此可见，在现代的拉丝机上若每个卷筒的电动 机功率为,,,,的大、中型拉丝机，在模孔变形区内每小时要放出,,,,,千卡的热量。而要散 出如此多的热量是困难的，因此在拉拔过程中钢丝和模具必将因发热量大而升温。但是，在变 形区内钢丝中心和钢丝表面温度值是不同的:我们以变形区内钢丝断面平均温度各变形区内末 端钢丝与模具接触表面温度为代表进行研究。 在拉拔过程中钢丝断面的平均温度迅速升高，并在拉拔后由于钢丝的冷却，然后缓慢降低。 而在拉拔过程中钢丝表面温度迅速上升，然后从模子拉出后，几乎以同样快的速度降低到钢丝 平均温度，此后冷却速度就与拉拔后钢丝的平均温度的降低速度相同,,射。为了保证拉拔过程 的顺利进行和拉拔产品质量，钢丝的平均温度不应超过最大值，即不许超过某一温度允许值。 否则引起时效硬化作用，使钢丝韧性低。根据测定钢丝的应变时效脆化温度越高，其时效产生 的时间的临界值越低。? (二)拉拔发热所引起的其它危害 根据实测，在一般拉拔条件下，低碳钢丝每拉拔一道次，钢丝平均温度升高约,,—,,?， 而高碳钢丝则达,,,—,,,:,,,,,。故在连续式拉丝机上拉拔，若不采取有效措施控制温度的升高， 则经过多道次拉拔后。钢丝温度累积增加，则在模孔变形区内钢丝与模具间的温度可上升到 ,,,—,,,?。拉拔时所产生的热量虽然大部分被钢丝带走，但是，钢丝与模具表面接触处，由 于热传导的作用，则约有,,—,,,的热量保留在模具之中,】。这些情况，必给拉拔带来了一些 危害及影响: ?引起润滑剂的润滑失效:对于每一种润滑剂，在某一特定的温度界限内，拉拔温度升 高，可以使润滑剂更好的吸附到钢丝表面的微隙中去，提高润滑作用，可以降低拉拔力，提高 变形效率和安全系数，但是温度若超过这一界限值，就能引起润滑剂的化学分解和焦化，或使 润滑膜破裂和消失，而使拉拔力急剧增大，摩擦系数也急剧升高，钢丝不均匀变形程度加剧， 以至有拉断的危险。对于肥皂粉的温度界限(亦称润滑界限)约为,,,:,，故用肥皂粉润滑剂时， 若拉拔温度超过,,,?范围时，会发现润滑膜破裂和拉拔力的急剧增大。 ?引起模具寿命缩短:拉拔时的发热约有,,,热量累积在模具中，若不及时的消除，有 可能使模具温度很高，尽管模芯材料(通常用硬质合金)具有,定的红硬性(即约在,,,:(,以下 有较高的硬度)，但模孔温度分布不均匀，变形区内局部会形成较高温度，由于模子的磨损大 贵州大学工程硕士研究生毕业论文 部分决定拉拔时模子与钢丝接触面上的温度，因而局部高温易于磨损形成模孔磨损不均，影响 模子使用寿命。一般水冷拉丝模，在模子变形区及出口处的局部表层，模子温度升高可达到 ,,,—,,,:;,,,,,,,。此外，若大量的热量积存在模具中，则不仅使模芯升温很高，而且钢套也升 温显著。但由于硬质合金与钢套的膨胀系数相差较大，硬质合金的膨胀系数仅为钢套的,,,， 从而使模芯在模套内有“松动”的可能，压合不够紧密，使模芯易于破裂。 ?引起钢丝表面质量下降。拉拔时的发热，造成钢丝表面温度急剧升高，并且总是高于 钢丝中心温度部分，因而形成残余应力，在高速拉拔时，若润滑不良，往往会产生很大的残余 应力，会引起钢丝表面产生裂纹。或者由于润滑层的破坏而引起钢丝表面发白、刮伤【,,,。 (三)钢丝在拉拔中发热量升高温度的计算: 钢丝在拉拔中的发热量: ,一,? 式中:,一拉拔力 ,一拉拔速度 钢丝升温公式: ,,,?半 式中:,。,,,,, ，,广,每秒拉出来的钢丝质量 嗍丝的比热 计算结果表明:钢丝发热升温与拉拔速度无关，即变形热与变形速度无关，但从另一方面 分析，提高拉拔速度，钢丝通过模孔的秒流量增加，而拉丝模的冷却能力有限，则钢丝带走的 热量增加，从而对拉丝机的冷却能力提出了更高要求。 (四)拉拔中钢丝温度升高的原因 拉拔时钢丝直径越大则发热量增加越大，拉拔前的抗拉强度越高、拉拔速度越快则发热量 越大，钢丝的部分压缩率越大则发热量越大(拉拔时拉丝模、卷筒冷却条件好，钢丝表面涂层、 润滑好，则发热减少)。 (五)钢丝的时效机理 钢丝拉拔过程中，由于变形做功和摩擦做功产生的热使钢丝自身温度升高，通常可使钢丝 温度高达,,,:,左右，因而造成强度增高、塑性下降、拉拔脆断、扭转开裂和变形不均匀，这 ,, 贵州大学工程硕士研究生毕业论文 一现象被称为应变时效机理，它可以用“位错塞积”加以解释。 金属晶体理想状态应该是原子有序而规则的排列，但实际上受加工过程的影响，金属中原 子的排列并不规则，一般存在着点、线、面缺陷，其中线缺陷(位错)对钢丝拉拔和扭转的影响 较大。钢丝拉拔横截面积减小，长度伸长形成塑性变形，势必造成位错滑移，随变形时的增 加，钢丝发热量增大，钢中碳、氮原子激活，能量增加，产生热扩散，至位错中心，塞积位错 空位，形成溶质原子团，钉扎位错使位错不易滑移，反跌在宏观上是金属塑性差了，而实质上 就是所说的时效,,,。据金属学理论和有关资料的研究结果，可将时效分为,个阶段: ?约在,,,:,以下，阿尔法铁中过饱和的微量碳、氮原子向位错中心移动而造成时效应变， 此阶段钢丝性能影响不明显。 ( ?在,,,:,以上(,,,—,,,:,)时，不仅溶质原子跑到位错中心，而且也有部分渗碳体在较高的 温度下被分解，析出的碳原子在位错处偏聚，使位错更加稳定，此时钢丝的强度增加，韧 性显著下降。 ?在,,,:,以上，此时位错中心析出细小的碳化物，同时碳、氮原子受热，能量增加，跑出 位错中心，因此第三阶段时效使钢丝延伸有回复的倾向，但断面收缩率几乎没有恢复。钢 丝的发热时效与拉拔速度、部分压缩率、抗拉强度以及冷却润滑条件有关，如调整不当将 对钢丝力学性能带来不利影响。钢丝拉拔过程的发热是由变形热和摩擦热引起的。连续拉 拔热积累的结果将使钢丝自身温度升高，当钢丝温度高于,,,,,时，将引起应变时效。钢 丝应变时效是温度和时间的函数，要在短时问内散掉钢丝拉拔热，最有效的方法是采用钢 丝直接水冷【”。 (六)强化冷却的措施 钢丝的拉拔速度越高，钢丝所带走的热量较多，因此最大的拉拔散热量应在钢丝与卷筒上散 掉，在现代化拉丝机上，拉丝模所能吸收和带走的热量不大于拉拔时所产生热量的,,，而 当拉拔速度大于,,,,,,,,时，钢丝带走的热量不小于,,,,,,。为 了减少或降低拉拔时钢丝的 发热对钢丝生产及性能的影响，以利于大幅度提高拉拔速度，国内外在这方面作了大量的研 究工作及寻找有效的解决措施。强制冷却措施有: ?窄缝式水冷:其特点是在卷内壁固定一个水套，水套内壁之间有,—,毫米的缝隙，冷 却水进入卷筒底部，再由循环水封进入缝隙，迫使附在壁上热水被挤出，比卷筒内环形管喷水 冷却效果要好。 ?卷筒倾斜的活套式或直进式拉丝机为了提高卷筒冷却的效率，增大钢丝在上述机型卷 贵州大学工程硕士研究生毕业论文 筒上积线量，将该机型卷筒作成倾斜型(倾角约为,,度)，这样来增加卷筒上的绕线圈数(积线 量)，增大钢丝在卷筒上扩散热量。 ?上下双卷简拉丝机其特点是下卷简为拉拔卷筒，上卷筒是积线卷筒。钢丝要在下卷筒 缠绕一定圈数后，经两卷筒间绕线接手(导轮)反向地进入上卷筒，并储存一定积线量后再进入 下一道拉丝模，这样可增加钢丝在卷筒上冷却效果。 ?钢丝直接水冷却:正常拉拔过程中，由于变形和摩擦发热，钢丝表面温度均在,,,。, 以上，而采用直接冷却拉拔后，其温度可降低到,,,:,以下，平均各道可降,,,,,,„,，而普通 冷却装置钢丝温度一般都在,,,:,，,～,,,,,,,,。钢丝采用直接水冷后其力学性能得到改善(由于钢 丝温度降低，避免了应变时效硬化)。钢丝采用直接水冷后模子使用寿命提高，特别是中间道 次的拉丝模寿命提高最显著(普通冷却拉丝模使用寿命为,吨,只，而采用钢丝直接冷却后拉丝 模使用寿命为,吨,只)。( ,(,(,润滑条件与拉拔速度对钢丝力学性能的影响 (,,)润滑剂的性能、种类及对钢丝力学性能的影响: (，)对润滑剂的性能要求 ， ?粘附性能好，能有效地、牢因地粘附在钢丝表面。润滑剂能牢固地附着在钢丝表面， 随钢丝拉拔进入模孔，使金属的两个界面(模孔壁与钢丝表面)有效的分开。采用极性或表面活 性的润滑剂如金属皂、脂肪、脂肪酸、在钢丝表面上的吸附力强。若采用非极性润滑剂，如矿 物油。它不能强力地为金属表面所吸附，就会被挤出，失去润滑作用，出现咬焊、擦伤。 ?耐高压、耐高温，具有一定的热稳定性。钢丝在拉拔过程中产生的压力大约 ,,,,,,,,,,,,,,,。故拉丝润滑剂不仅要求承受如此高的压力，还要求它能承受钢丝在拉拔过程 中由于变形的功转化成的热量，在较高的变形温度情况下仍然保持它的润滑性能连续性，即物 理和化学的稳定性。润滑剂不出现焦化、变质和结块。润滑是影响拉拔温度的重要因素，主要 体现在润滑剂的成膜厚度和均匀性。体现在润滑剂的极性和化学结合性。 ?良好的延展性及润滑性。要求润滑膜不仅能牢固地吸附在钢丝表面，而且还能随钢丝 一起延伸变形，而不致破裂，有利于减少钢丝与拉丝模壁的接触。从润滑膜的分子结构来分析， 层状结构的润滑膜，每层内分子结合力强，各层之间分子结合力弱。钢丝在模内的相对运动， 促使润滑膜的分子，分层产生滑移，这样多层分子渐渐减少，因而，润滑膜具有良好的抗拉强 度。 ?化学稳定性好，易于消除。润滑膜的成分不能与钢丝基体发生化学反应，生成影响钢 ,, 贵州大学工程硕士研究生毕业论文 丝性能的化合物，无腐蚀。并且，当后续工艺要求钢丝减少残留油污及膜时，能够便于清洗。 ?不会污染环境，对人体无害。 (,)润滑剂的种类 ?金属皂(肥皂粉)钢丝拉拔所用的皂粉可分为两类:钠皂和钙皂，可以形成较厚的，而 且延伸性较大的的润滑膜。能够承受大的压缩率和较高的拉拔速度和温度。肥皂润滑所形成的 润滑膜，可在多道次连续拉拔中，保持不破裂，是一种较好的润滑剂。 ?添加剂。为适应钢丝高速拉拔，提高其润滑效果及单独满足某些特殊性能要求，往往 需要通过在润滑剂中加少量添加剂，来补充其缺乏的性质。要求添加剂分子与金属表面较易生 成极性基，容易吸附，并能与金属表面快速生成极性膜，具有较高的熔点、塑性、极压膜稳定。 ?拉丝粉。干式润滑剂除上述各种金属皂，近些年来在天津、营口、常熟等地润滑剂专 业厂或石化厂生产出各种拉丝粉，它分为钙系和钠系。钙系拉丝粉是指其中碱的 成分氢氧化钙， 其特点不溶于水，适用于干拉，对钢丝表面附着力强，不易清除。因而不不适用于镀层前的钢 丝拉拔。适用于低、中碳钢丝拉拔，或拉丝速度较低的高碳钢丝拉拔(拉拔速度为,,,,,,米, 分)洲。钠系拉丝粉是指碱的成分为氢氧化钠。其特点是润滑性能好，溶于水，既可作固体润 滑剂，也可作液体润滑剂。残留在钢丝表面的润滑膜易于清洗，适用于镀层前的钢丝拉拔。但 它容易吸潮，影响润滑性能。 ?液体润滑剂:用于拉制碳素钢丝的液体润滑剂主要有两种:一是肥皂液，它一般是单纯 的钠皂或钾皂溶于水中配成。也可在该皂液中添加脂肪或游离脂肪酸及适量的极性基添加剂溶 于水配成。皂液的浓度为,(,,,(,,【笠,。它广泛用于各种细规格碳素钢丝拉拔的水箱拉丝机中， 可起润滑、冷却及清洁钢丝表面作用。二是乳化剂，以可溶性油。即矿物油和水，加入适量的 乳化剂配成。一般可溶性油内有石油磺化酸、合成脂肪酸，也可用可溶性焦油加入适量耐压 性化合物形成可溶性混合物。三是镀铜钢丝拉拔专用润滑剂。由于轮胎帘线用镀铜丝和轮胎边 缘用镀铜钢丝的拉拔，若采用一般的脂肪酸钠作润滑剂，会使钢丝表面积聚油污，表面质量 得不到应有的保证，降低了钢丝与橡胶的粘合力，直接影响轮ナ褂檬倜,庇捎谡庵秩蠡? 剂润滑性能差，会造成模子耗损率高，引起钢丝表而铜层损失大，影响到拉拔速度低，一般均 在,,,米,分左右。 ( (,)润滑载体及润滑剂对钢丝力学性能的影响 润滑载体的作用是以尽可能薄的润滑剂薄膜，顺利地带入拉丝模孔内。润滑不允许间断， 否则钢丝就成了模子的磨损件，即钢丝在拉丝模孔内发生粘附现象，并且拉拔温度自动升高。 贵，,,大学工程硕士研究生毕业论文 当润滑膜破裂时，对于碳量大于,(,,,的钢丝会产生边缘马氏体，而对于低碳钢丝边缘被强烈 加工硬化，但不形成马氏体。而当弯曲变形时，在边缘区会产生一种细裂纹。此外，润滑载体 还有这种性能，即在一定情况下在规定的时间内起防腐涂层作用。润滑载体层对拉拔时钢丝的 力学性能无直接影响，但是它可以通过润滑作用和钢丝的租糙度间接地影响拉拔温度，并因此 影响钢丝力学性能。而润滑剂在流体动力润滑时，拉丝模孔内矿物膜厚度和皂膜厚度与拉拔速