冷拉拔珠光體鋼絲的組織與力學性能

何健

摘 要：隨著工業生產的快速發展，鋼絲拉拔技術逐漸被廣泛應用，逐漸取代高強度鋼絲的生產。為了適應大環境下的快速發展，鋼絲生產已經開始拓展為大應變的塑性變形問題，因為缺乏深度的理論研究，只靠實際操作過程來總結摸索，因此在生產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性能變化是非常值得深入研究。

關鍵詞：拉絲；拉拔變形；珠光體

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

1、影響拉拔的主要因素

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

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

（3）潤滑劑。潤滑是一個非常重要的環節，尤其是流體動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，再在原材料表面進行磷化或者皂化等表面預處理，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、生產工藝變化對鋼絲性能的影響

（1）拉拔道次對力學性能的影響

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

從上結果可以看出：9道次生產的鋼絲扭轉性能明顯好于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道次較小壓縮率進行拉拔，這樣可以使得鋼絲內部不良組織滲碳體片在變形過程中產生適當彎曲并沿鋼絲軸向旋轉，直到總壓縮率很大甚至90%以上時仍可保證原索氏體形態沿拉拔方向伸長，而不會破裂，使成品鋼絲具有優良的扭轉性能。然而當采用8道次拉拔時，在拉拔初期就可能導致鋼絲索氏體內的滲碳體片破碎，總壓縮率超過一定值后，滲碳體會大量破碎，致使鋼絲脆性發生，使眾多高強度鋼絲扭裂次數低。同時，也可以看出總壓縮一致的情況下，9道次所拉拔出來的強度比8道次的要低，主要原因為在相同的總變形量條件下，增加拉拔道次（提高變形分散度）會使鋼絲外層剪切變形增加，在鋼絲表面的殘余應力有所提高，而這種殘余應力的重新分布會導致金屬外層較早破壞，抗拉強度有所下降。

（2）模具的工作錐角對鋼絲表面裂紋擴展的影響

從理論上得知，如果整個拉拔后鋼絲成壓縮狀態，并且表面軸向壓應力越大越不利用裂紋的發生和擴展。本次對某廠第三道模具工藝進行模擬研究，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，運用abaqus進行有限元分析，取不同的模具工作區圓錐半角 模擬拉拔后鋼絲表面的軸向壓應力，從而確定最佳工作錐半角。 分別取 十組數據，分別得到拉拔后鋼絲外表面S33應力與 角度關系如下圖：

由圖可知：該道次的最佳工作錐半角 = ，表面壓應力最大，達到1210Mpa。

（3）退火溫度對鋼絲力學性能的影響

在做溫度變化試驗過程中發現，溫度控制在200℃期間開始退火30min后，不加熱，這時候的鋼絲強度會持續增加，能夠達到1800MPa左右，相比冷拉拔狀態下的鋼絲強度提高了6%。當把退火的溫度控制在300℃以上，這時候的鋼絲強度便逐漸降低。檢測鋼絲此時的強度能有1650左右。隨著溫度逐漸提高來看，鋼絲的延展性也會提高，但是會破壞了承重的力度，性能也會隨著降低。主要原因為在溫狀態下滲碳體的組織表層開始被破壞掉了，鋼絲組織的片層結構遭到溫度變化的影響，片層橫截面不會光潔，也導致彈性降低。

3、拉拔過程中鋼絲內部組織的變形分析

（1）珠光體片層形性變化

因為珠光體片中形狀變化細微，也導致了鋼絲組織變化微小。在顯微鏡下仔細觀察也沒有看到珠光體片層形態的改變。相對于附近珠光體鋼來看，呈現的各項力學都指向各層面連接緊密，層分形態較密。通過高性能電子顯微鏡觀察得到不同溫度下的拉拔對鋼絲的珠光體片層形態也產生很大的影響。其中變化的規律十分穩定，絲變逐漸成型時，平面絲拉的力度不會因為垂直軸向變化而產生變化，力學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，并且對于珠光體片層排列方向開始進行調整直至基本平行于絲軸。

（2）珠光體鋼絲大應變拉拔分析

珠光體鋼絲大應變拉拔變動過程中產生的力學影響會導致珠光體片層間距開始變小，鐵素包含量也開始不斷產生變化，并且開始朝著滲碳體兩界面聚攏，這會導致鋼絲的組織比重開始增大，拉伸力度在系統顯示為自由能顯著上升。一方面，由于大量位錯在界面附近聚集，界面結構被破壞；另一方面，由于界面能大幅增大，使鋼絲組織偏離熱力學平衡位置，處于非穩態。進而在后續加工（如熱鍍鋅）和服役過程中（如冶金行業吊裝用鋼絲繩），由于溫度較高（可達數百度），珠光體中滲碳體片層發生球化，破壞大應變量變形鋼絲的疊層結構，會引起鋼絲強度大幅度下降。

4、結論

冷拉拔珠光體鋼絲能夠在我國乃至世界被廣泛應用，也得益于在大應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度，也保持了超強的力學應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、模具工作錐半角對力學性能的影響，在加熱過程中溫度的控制可以按照不同用途進行改變，這樣能預防滲碳體球化的產生。對于滲碳體球化的控制能夠有效避免鋼絲的疊層結構遭到大應變量變形的組織破壞從而導致鋼絲強度變低的現象。

參考文獻

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（作者單位：湖南湘輝金屬制品有限公司）