提高鋼絲抗拉強度穩定性的措施

徐鵬飛

摘要：抗拉強度是鋼絲非常關鍵的一項性能指標，其是否合格關系到鋼絲能否滿足特定的使用要求。在批量化的現代大生產中，一條生產線能同時生產50根左右的鋼絲，使這幾十條鋼絲的強度穩定在一個確定的范圍內，是一個非常值得探討研究的課題。結合實際生產，從鋼絲原材料控制、明火爐加熱、水浴冷卻等幾個方面展開論述，探究影響鋼絲強度性能穩定性的因素，提出提高鋼絲強度穩定性的方法。

關鍵詞：鋼絲?抗拉強度?元素含量?熱處理?水浴淬火

中圖分類號：TG156??????文獻標識碼：A

Measures?for?Improving?the?Stability?of?the?Tensile?Strength?of?Steel?Wires

XU?Pengfei

（Shandong?Daye?Shares?Co.，?Ltd.，?Weifang，?Shandong?Province，?262200?China）

Abstract：?Tensile?strength?is?a?crucial?performance?indicator?of?steel?wires，?and?its?qualification?is?related?to?whether?steel?wires?can?meet?specific?usage?requirements.?In?modern?mass?production，?a?production?line?can?simultaneously?produce?about?50?steel?wires，?and?it?is?a?very?worthwhile?exploring?and?studying?topic?to?ensure?that?the?strength?of?these?dozens?of?steel?wires?remains?stable?within?a?certain?range.?Based?on?actual?production，?this?paper?discusses?several?aspects?such?as?the?control?of?the?raw?material?of?steel?wires，?heating?on?the?open?furnace?and?cooling?in?water?bath，?explores?the?factors?that?affect?the?stability?of?the?strength?performance?of?steel?wires，?and?proposes?methods?to?improve?the?stability?of?the?strength?of?steel?wires.

Key?Words：?Steel?wire;?Tensile?strength;?Element?content;?Heat?treatment;??Quenching?in?water?bath

各種鋼絲的產量在逐年增長，鋼絲及其制品的應用領域也是十分廣泛，從國家重點工程到百姓的日常生活起居，鋼絲的使用場景幾乎無處不在。抗拉強度作為鋼絲的一項關鍵性能指標，表征著鋼絲是否滿足特定的使用要求。在現代工業化大生產的背景下，鋼絲的生產速度、生產能力、產品質量都有了飛速的發展和提高，一條熱處理生產線能同時高速生產多根鋼絲，例如32絲、48絲、56絲等，要使這么多鋼絲的抗拉強度穩定在一個確定的范圍內，必須采取一定的技術手段才能實現。

1?強度不穩定導致的后果

抗拉強度是指鋼絲在靜載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力，常使用單位面積上受到的力（N/mm2）來表示，即鋼絲所承受的最大的力與原始截面積之比[1]。實際工程中多采用MPa作為其單位。

鋼絲抗拉強度不穩定主要體現在三個方面：同一批次鋼絲間強度不穩定，也就是鋼絲間強度散差大；不同批次間鋼絲強度有較大波動；同一根鋼絲不同位置強度不穩定，也可以說是鋼絲的通條性不良。如果鋼絲強度穩定性差，產出的鋼絲就會存在較大的質量隱患，會給后續的生產造成許多的困擾，其最終的產品也會大概率存在質量不穩定的風險，嚴重時不能正常使用，只能做報廢處理，浪費了人力、物力、財力。

如果生產的鋼絲抗拉強度出現了比較大的波動，說明整個生產過程出現了一定的問題，須從影響鋼絲強度的因素出發，找出問題所在并解決后才能生產出性能滿足要求的鋼絲。與此同時，已產出的鋼絲也應謹慎對待，必須經過嚴謹科學的技術評判之后才能確定使用流向，避免將存在有質量隱患的鋼絲不受控的投用在正常產品當中。

2?原材料的影響

鋼絲生產使用的原材料是線材，以成卷的方式交貨，也稱之為盤條，制絲用的盤條應符合相應的標準。盤條質量的提升有力推動了鋼絲行業的產業升級，使鋼絲品質得到大幅度改善[2]。盤條的質量在整個鋼絲生產過程中扮演者非常重要的角色，起到非常重要的作用，高質量的原材料是生產高水平鋼絲的基礎，在實際生產中，一定要加強對盤條物理性能、元素含量、表面質量等項目檢測、監控的力度[3]。

2.1?物理性能

盤條的物理性能通常指的是抗拉強度和斷面收縮率，可以通過拉力試驗機、輪廓投影儀等設備進行檢驗、計算，檢驗數據在符合相應國家標準的同時，亦應符合公司的驗收標準。盤條進貨驗收時應抽樣檢驗其物理性能，通過檢驗數據可以判定是否能夠正常使用，也可以大致地判斷出該批次盤條所產鋼絲的強度水平，以有利于確定使用方向。

2.2?五大元素

盤條中含有許多種化學元素，其中主要的有五種，即碳（C）、錳（Mn）、硅（Si）、硫（S）、磷（P），一般稱之為五大元素。

碳是盤條中最主要的化學成分，雖然含量不高，只有百分之零點幾，卻決定了線材的軟硬程度和性能指標。含碳量高，線材強度就高，但塑性會差；含碳量低，線材強度就低，塑性好；應根據所產鋼絲的用途、性能，選用合適種類及碳含量級別的盤條。

然而，要判斷線材的性能，不只是要看碳元素的含量，還有其他一些元素的影響。錳是煉鋼時使用的脫氧劑和脫硫劑，也是鋼中的重要元素，可以與鐵形成固溶體也可以形成碳化物，能提高線材的強度、硬度、淬透性。硅是煉鋼時的脫氧劑，對線材的均勻致密性起著作用，能提高線材的抗疲勞性能，但是對線材的塑性會有一定的影響。硫是鋼材中極大的有害元素，在鋼材中會形成脆性雜質，能降低金屬的塑性及耐磨性，在線材軋制過程中應盡量去除。磷對鋼材也是十分不利的，能使金屬塑性惡化并引起鋼材的冷脆性[4]。鉻（Cr）元素能降低索氏體片層的間距，提高鋼絲的強度和加工硬化率。有些對強度數值有較高要求的鋼絲，可通過適當提高盤條鉻元素含量的方式來提高鋼絲的抗拉強度，這樣也可以降低鋼絲拉拔過程中的應變量[5-6]。

盤條入廠時要進行力學性能和化學元素的檢驗，符合標準的才能正常投用，這樣可以從生產源頭上提高強度的穩定性。盤條的表面質量也應進行相應的檢驗，綜合判定后符合標準的盤條才能投入正常使用。

2.3?原材料投用控制

盤條中所含的元素會影響鋼絲的強度性能，尤其以碳、錳兩種元素的影響最為顯著。在生產中體現出，不同供應商中相同碳含量級別的盤條所含的碳、錳元素含量是不同的，而且由于生產工藝存在差異性，其含量可能會相差很多；即使是同一家供應商，不同批次間盤條的元素含量也是有差別的，不過這種差別都有合適的控制范圍。

在同一條生產線同時生產不同供應商或不同碳含量盤條所拉的鋼絲時，抗拉強度就會就會呈現出較大的不穩定性。例如：我司在試驗性投用廠商A和廠商B的70#鋼盤條時，主要元素含量都符合《優質碳素鋼熱軋盤條》（GB/T?4354-2008）國家標準，但是由于其碳、錳元素的含量相差較大，在中絲熱處理時采用了兩種不同的工藝設定，才獲得了所需性能的鋼絲。

為獲得強度性能穩定的鋼絲，我們應該將不同碳含量級別的鋼絲單獨生產，不同供應商盤條拉的鋼絲單獨生產，在做到這樣的生產調配下，鋼絲性能的穩定性會有明顯的提高。在生產同一家供應商相同牌號的鋼絲時，應做到盤條按照爐號投用，盡量做到一種規格的鋼絲使用同一個爐號的盤條生產，盤條間切換時的碳、錳元素含量相差不宜過大。這樣才能從原材料投用上保證鋼絲強度性能不至于有較大的波動。

3?熱處理工藝的影響

生產鋼絲用的盤條是以索氏體狀態交貨的，這種組織具有良好的強度和韌性，具有較高的拉拔極限，能夠滿足鋼絲拉拔和機械性能的要求。經過拉拔后，索氏體組織的片層間距減小，其排列方向基本與鋼絲軸向平行，片層狀被拉細拉長，不能繼續變形，失去了再加工的能力，需要經過熱處理重新索氏體化之后才能再加工[2]。

鋼絲熱處理就是把鋼絲加熱到一定的溫度，保溫一定的時間，然后選用適當的方式進行冷卻，以獲得所需組織和性能的工藝方法。簡單來說，熱處理有三個階段：加熱、保溫、冷卻，控制好每一階段的工藝條件，就能獲得強度穩定、性能優異的鋼絲。

3.1?加熱爐的控制

現在眾多的鋼絲生產廠家中，熱處理過程使用較多的是預混式燃氣明火加熱爐。這種爐子采取分段式加熱，可根據實際生產需求對每一區段的溫度、氣氛進行單獨的設定，燃燒比較穩定，溫度比較均勻。爐子各區段之間既相互獨立又相互影響，能非常好的實現鋼絲的連續快速加熱。

鋼絲在明火爐中經歷加熱、保溫兩個階段，鋼絲在爐內受熱過程中會產生應力釋放、組織轉變以及成分的擴散。使用較快的加熱速度和較高的加熱溫度使鋼絲充分受熱，能夠加大原子在奧氏體化過程中的擴散速度，使奧氏體晶粒數目增多、分布更加均勻，進而提高了奧氏體的穩定性，有利于索氏體的形成，這種條件下生產的鋼絲通條性好，強度波動范圍變窄，穩定性提高[7-8]。在生產中，爐膛加熱溫度使用熱電偶測量，采用精確度高、反應靈敏的PLC溫控系統自動控制，依據測量的溫度數值調節進氣量的大小，能使爐內溫度波動保持在±5℃范圍內，如果自動溫控系統無法滿足工藝要求，應進行人為干預調整。同時，加熱爐內的燃燒氣氛設定要合理，越到加熱爐的后端氣氛應越高，否則高溫下會大大加劇鋼絲脫碳、氧化的風險，嚴重時會造成整批次鋼絲質量異常[8]。

為獲得良好的加熱效果，應該保證所使用天然氣氣源的穩定性。不同廠家天然氣的成分含量、燃燒熱值是不同的，加熱后的效果也不同。當天然氣熱值或供應商發生變化時，應關注鋼絲性能的變化，適時做出調整。

另外，鋼絲直徑變化、生產線收線速度變化會引起鋼絲實際受熱溫度的改變。為了保證鋼絲能夠受熱徹底、轉變完全，當直徑或速度發生變化時，爐溫設定應有相應的調整。

3.2?水浴淬火的控制

由于環保的要求，更是基于對工人身體健康的負責，鉛浴淬火正逐步退出歷史的舞臺，水浴淬火作為一種環保的、無害的淬火方式被大部分生產廠家所接受。水浴是熱處理的冷卻階段，鋼絲在這一階段轉變為適合再生產的索氏體組織。對于過共析鋼而言，鋼絲含碳量越高，在奧氏體化之后越應該嚴格按照生產工藝的要求進行水浴淬火，形成單一、穩定的索氏體組織[9]。

水浴液是一種高分子聚合物的水溶液，鋼絲浸入水浴溶液時，會在表面會形成一層氣泡。由于高分子物質增加了氣泡的表面張力，使其不容易破裂，鋼絲在氣泡中通過蒸汽膜與水溶液進行熱量傳導[10]。根據生產工藝的不同，水浴淬火分為一段式水浴和兩段式水浴。粗規格鋼絲和極細規格鋼絲，例如：直徑＜1.00?mm的鋼絲，適用一段式水浴，所有轉變均在淬火液中進行；細規格鋼絲適用兩段式水浴，通過調整水浴1#槽（WT1）、空氣段、水浴2#槽（WT2）的長度，控制鋼絲相變的時間和溫度，以獲得所需的強度性能[11]。

鋼絲在水浴中是發生冷卻相變的過程，淬火長度是控制鋼絲強度的一個關鍵點。初次設定淬火長度時，可根據冷卻后鋼絲的顏色、轉變點長度和鋼絲強度數據判斷設定是否合適。淬火槽可用擋板分成數個窄槽，根據鋼絲強度的分布，單獨調整每個窄槽的淬火長度，以獲得穩定的強度性能。

水浴溶液的溫度、濃度對鋼絲強度也有很大的影響。溫度太高時，溶液沸騰，氣泡容易破裂；溫度太低時，鋼絲冷卻速度快，會形成難以變形的上貝氏體甚至馬氏體組織。當濃度太低時，不能形成完整的蒸汽膜；濃度太高時，會造成材料的浪費，而且蒸汽膜不易破，冷卻速度會發生變化。在生產操作中，每隔一段時間應定期校正淬火介質的濃度，這是因為隨著使用時間的加長，溶液中的雜質增多，例如：氧化鐵皮，這會使溶液濃度的檢測數據比實際數據要高一些。還有一點應引起使用者足夠的注意，硼砂會對水浴溶液帶來致命的影響[10]，因此要檢測并控制溶液中硼砂的含量。

在鋼絲冷卻轉變過程中，要避免有風吹到鋼絲上，風吹會改變鋼絲轉變時的溫度，使鋼絲相變時間的差距加大，不同鋼絲間的強度散差會加大，在氣溫比較低的環境下這種散差會更加明顯。水浴槽附近的門窗應關閉，在水浴槽的四周應加裝側拉門，平時側門處于關閉狀態，可以避免這種情況的發生。

4?其他因素對強度的影響

4.1?干拉鋼絲的影響

干拉鋼絲平直度差，會增加明火爐內絞絲并線的概率，加熱爐內絞絲會使鋼絲受熱不充分，難以發揮碳元素對強度的影響，加大了鋼絲強度的不穩定性，嚴重時會造成后續生產出現大批量斷絲。干拉鋼絲的平直度應嚴格控制，不能出現諸如波浪絲、S彎等質量異常，弓高、翹距亦要符合標準的要求，已產生的不合格品須受控處置。要控制干拉鋼絲的平直度重點在人，應加強對一線操作人員、質量檢驗人員的操作技能培訓和質量意識培訓，盡最大程度地做到不合格品少產生、零傳遞。

不同牌號的原材料混用會使鋼絲強度不合格，生產出的產品難以處理，在更換原材料時，應核對來料信息是否完整、準確。對于一些缺少材料信息的盤條，應先確認牌號再受控使用，如果無法確認牌號，應檢測盤條的碳、錳元素含量，根據檢測數據判定生產流向。

4.2?生產設備的影響

生產線的放線方式對強度的穩定性有一定的影響。被動搖臂式放線設備結構比較簡單，使用比較廣泛，是通過收線機將鋼絲拉過整條生產線，搖臂只是將鋼絲從工字輪上放出來。這種放線方式會對鋼絲造成一定的扭轉，影響鋼絲的平直度，隨著生產的持續進行，這種影響會不斷加大，這就使得加熱爐內絞絲并線現象加重。條件允許的情況下，可使用主動放線設備，以緩解這一問題。

加熱爐的構造會對鋼絲加熱有一定的影響，從而影響到鋼絲強度的穩定。例如爐子燒嘴的分布密度，能影響到爐內溫度的均勻性；爐內完整的分線梳能將鋼絲分散開均勻的受熱等等。

5?結語

抗拉強度是金屬材料的一項重要指標，在鋼絲生產過程中，盤條的物理性能、元素含量、熱處理加熱工藝、水浴淬火工藝等多方面的因素都對鋼絲強度穩定性有影響。應綜合采取有效措施，嚴格管控生產過程的每一個工藝控制點，使鋼絲強度處于一個合格且穩定的狀態，避免出現強度不合格或波動大的現象。鋼絲強度的控制不是單一方面的管控，而是一項系統性的工程，需要從原材料采購投用、工藝設計、生產設備、工藝細節管控等多方面的聯合采取行動，才能取得理想的效果。

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