金剛石涂層模在高碳鋼拉絲中的應用研究*①

邱從懷， 吳建峰， 劉紅芳

(1. 國家金屬線材制品工程技術研究中心，江蘇 江陰 214433； 2. 法爾勝泓昇集團有限公司，江蘇 江陰 214433)

引 言

金剛石薄膜具有接近于天然金剛石的優異性能，如極高的熱導率、良好的自潤滑性和化學穩定性，硬度高、彈性模量大，摩擦系數低、耐磨性強以及表面化學性能穩定等[1-2]。金剛石涂層拉絲模應用于金屬材料領域具有極好的優越性。目前金剛石涂層拉絲模在電焊條、有色金屬、低碳鋼以及低合金鋼等材料實際應用中表明其工作壽命比傳統硬質合金模具提高10倍，有效降低了模具消耗量，大幅度提高了勞動生產率和經濟效益，而且能從根本上保證線徑穩定性和改進拉絲質量和光潔度，有效節約原材料[3-5]。而金剛石涂層拉絲模在高碳高強度鋼中的運用以及研究較少，缺乏經驗與實際數據。本文主要對金剛石涂層拉絲模在高碳鋼絲拉拔進行應用研究，探索其在高碳高強鋼拉絲領域應用的可行性。

1 實驗方法

原料采用80#鋼，規格為Φ5.5 mm盤條。材料經表面酸洗硼化后在干式拉絲機中拉絲，分別采用金剛石涂層以及鎢鋼兩種拉絲模將鋼絲從Φ5.5 mm拉拔至Φ1.5 mm，記錄兩種拉絲模在不同拉拔速度(1～10 m/s)拉拔時拉絲機功率，測試同一速度下拉拔鋼絲的抗拉強度以及扭轉性能。統計拉拔的鋼絲噸數，以此來表征拉絲模的使用壽命。記錄鋼絲的實際直徑變化，以此來研究涂層模拉拔鋼絲的尺寸穩定性，并密切觀察成品鋼絲的表面質量。

具體模鏈為：

5.50→4.92→4.26→3.70→3.24→2.85→2.53→2.26→2.03→1.83→1.65→1.50(mm)

2 結果與討論

2.1 模具摩擦系數的影響

金剛石涂層具有較低的摩擦系數，可減少各道次拉拔鋼絲時的拉拔力，理論推測使用該種模具拉絲機功率將相對降低，減少拉絲機能耗。實際檢測結果表明，鎢鋼拉絲模以及金剛石涂層拉絲模在進行1～10 m/s的不同速度拉絲時機械能耗并沒有明顯差異，如圖1所示。

圖1 兩種模具不同速度下拉絲機功率對比

理論上認為，摩擦系數較低還可減少鋼絲與模具產生的熱量，降低鋼絲拉拔過程中的應變時效，宏觀現象上變化為鋼絲的強度下降，韌性提高[6]；而實際在兩種模具拉拔后鋼絲性能檢測發現其抗拉強度以及扭轉值并沒有明顯的區別或趨勢，如圖2所示。干拉中采用潤滑粉拉拔，存在于鋼絲與模具之間，潤滑粉本身的特性以及模具設計的帶粉能力更為重要，而模具本身的摩擦系數并不是重要因素。

圖2 兩種模具拉拔鋼絲的力學性能對比

2.2 對使用壽命的影響

圖3 不同規格金剛石涂層模具的拉絲量

鎢鋼拉絲模在高碳鋼拉絲領域應用極廣，實際運用中單個模具拉拔鋼絲產量約為20～60 t。本文中金剛石涂層拉絲模表現出極為優越的拉絲使用壽命，模具內徑4.26 mm以及3.70 mm拉絲量高達800 t以上，模具內徑為2.03～3.24 mm模子拉絲量約為400 t以上，模具1.65～1.83 mm拉絲量為200 t左右，模具1.50 mm拉絲量為70 t左右，如圖3所示。可見金剛石涂層拉絲模具內徑為2.0 mm以上的使用壽命有明顯的優勢，2.0 mm以下的模子使用壽命優勢并不明顯，一方面直徑拉拔到2.0 mm左右鋼絲的強度較高，模具所受循環應力較大；另一方面越小的模子工藝越難控制，可能是由于涂層與底基材料的結合力不穩定，導致使用壽命較短。

2.3 對產品尺寸的影響

金剛石涂層模在拉拔低碳以及其他低強度金屬過程中表現出優異的尺寸穩定性，本次試驗對各模具拉拔后的鋼絲進行直徑跟蹤，根據現場長期跟蹤觀察模具使用壽命期間內各模具拉拔后鋼絲的直徑穩定性極好，鋼絲直徑波動在10 μm左右，如圖4所示。

圖4 金剛石涂層模具拉拔鋼絲直徑變化

2.4 對表面質量的影響

金剛石涂層拉絲模具拉拔的成品鋼絲表面光亮，而鎢鋼模拉拔后鋼絲表面相對較暗，對該兩種模具拉拔后的鋼絲進行粗糙度檢測，每種樣品測試3個點，發現鎢鋼模拉拔后鋼絲表面粗糙度為0.5 μm左右，而金剛石涂層拉絲模拉拔鋼絲粗糙度在0.2 μm左右，金剛石涂層拉絲模拉拔鋼絲表現出較高的表面質量，如圖5所示。

圖5 兩種模具拉絲產品表面粗糙度對比

鎢鋼拉絲模在拉拔時失效主要是因為其模具磨損導致鋼絲直徑超差，而金剛石涂層拉絲模具失效表現為拉拔鋼絲表面突然出現大模，成品鋼絲直徑從Φ1.5 mm突然上升至Φ1.57 mm，鋼絲表面出現較深的刮傷，觀察模具內孔發現其涂層已經部分脫落。金剛石涂層拉絲模由于表面為金剛石涂層，硬度極高，不易受鋼絲磨損，但涂層的底基為鎢鋼，拉拔鋼絲時涂層與基體間由于循環應力的作用，出現疲勞開裂乃至涂層發生脫落所致，如圖6所示。

圖6 金剛石模具拉拔失效后鋼絲表面刮傷現象

3 結束語

金剛石涂層拉絲模摩擦系數低的優勢在高碳鋼絲干式拉絲中未能明顯體現，金剛石涂層拉絲模與鎢鋼模拉絲后鋼絲性能差異以及拉絲機能耗并不明顯。金剛石涂層拉絲模(D≥2.03 mm)使用壽命優勢極為明顯，在拉拔80#時可拉拔400 t以上，在壽命期間內鋼絲尺寸穩定性極好，且表面粗糙度較低，模具失效形式為鍍層開裂脫落，鋼絲表現為突然直徑尺寸超差，表面伴有刮傷。