鋼絲生產中的硬質合金拉絲模

摘 要：拉絲模是實現鋼絲順利拉拔的主要工具。該文首先介紹了拉絲模的分類。硬質合金材料具有優良性能，我國拉拔鋼絲使用的模具主要是硬質合金模。為了適應高速拉絲，出現了直線型模具，直線型模具有4個區：入口區、工作區、定徑區、出口區，介紹了直線型模具的主要特征和基本尺寸。拉絲模在拉絲過程中會不斷磨損，模具的修復步驟有清凈處理、劃分缺陷、修模。最后提出了提高拉絲模具使用壽命的7種方法和拉絲模的4個研究方向。

關鍵詞：模具 硬質合金 直線型 鋼絲 拉絲

中圖分類號：TG135 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（c）-0073-03

鋼絲及其制品是鋼鐵產品中重要的一類產品。國民經濟各部門，如冶金、機械、國防、石油、煤炭、電力、航空、鐵道等，幾乎都離不開鋼絲及其制品。

鋼絲生產是鋼材冷加工中最典型的、也是最為繁雜的生產。它是以熱軋線材為原料，經過表面準備、熱處理、拉拔、鍍（涂）層四大主要工序加工而成。按成品鋼絲的不同需要，可能還要進行線材扒皮、鋼絲磨光等輔助工序。

在鋼絲的生產過程中，拉絲模是實現鋼絲順利拉拔的主要工具。拉絲模直接影響鋼絲產品的尺寸精度、表面質量、力學性能，而且還關系到能源消耗、生產效率[1]。

現在我國拉拔鋼絲使用的模具主要是硬質合金模。

1 拉絲模的分類

拉絲模按尺寸分為：微孔拉絲模（內孔尺寸在0.2mm以下）、常規拉絲模。

拉絲模按材質分為：硬質合金拉絲模、金剛石拉絲模（分為天然金剛石拉絲模、人造聚晶金剛石拉絲模）、涂層拉絲模、陶瓷拉絲模。它們的區別如表1所示。

拉絲模按結構分為：整體模、拼裝模、組合模。

拉絲模按孔型分為：圓形模、異形模。

拉絲模按拉拔特點分為：滑動接觸模、滾動接觸模。

2 拉絲模用硬質合金

1923年德國的施勒特爾往碳化鎢粉末中加進10%～20%的鈷做粘結劑，發明了碳化鎢和鈷的新合金，硬度僅次于金剛石，這是世界上人工制成的第一種硬質合金。硬質合金可分為鎢鈷類和鎢鈷鈦類。絕大多數的硬質合金拉絲模通常屬于鎢鈷類合金。這些合金是由碳化鎢和鈷等組成。碳化鎢是合金的骨架，起耐磨作用；金屬鈷是粘接劑，能改善合金的韌性。

1927年開始硬質合金拉絲模用于拉絲行業，1940年硬質合金拉絲模在拉絲中得到廣泛的使用。

2.1 硬質合金材料的優良性能

（1）硬度高、耐磨性好，有很好的紅硬性，在500℃以下其硬度可維持不變，室溫硬度可達86～93HRA，在1000℃～1100℃硬度為73～76HRA，但隨著修模的反復，模芯工作面硬度將有所降低。

（2）拋光性強，粘附性小，可加工出表面粗糙度0.2以上。

（3）導熱率高，線膨脹系數小。導熱率為0.14～0.21 cal/（cm·s·℃），可較好地把拉拔時的熱量傳遞出去。線膨脹系數低，在拉拔發熱的惡劣條件下，可保證鋼絲的尺寸精度。

（4）抗腐蝕性能好，可長期使用，不被氧化腐蝕。

2.2 制造拉絲模的硬質合金牌號

制造拉絲模的硬質合金牌號有YG3X、YG3、YG6、YG6X、YG8、YG11、YG15、YG20。

牌號中的數字表示鈷的百分含量，X表示細晶粒。模芯推薦采用YG6、YG8、YG15[2]。

3 硬質合金拉絲模的結構

3.1 模套和模芯

硬質合金拉絲模由模套和模芯兩部分組成。模套套在模芯外面，主要起保護硬質合金模芯的作用，模套推薦采用45鋼，硬度28～32HRC，模套分為Z型和K型。模芯分為A型、B型、C型、D型、E型和F型[2]。

3.2 直線型模具的主要特征

20世紀70年代末至80年代初，隨著拉線速度的提高，拉線模的使用壽命成了突出問題。為了適應高速拉拔的要求，1978年和1980年，美國人T.Maxwall和E.G.Kennth先后提出了適應高速拉拔的新的孔型理論——直線型理論。

直線型模具的主要特征為以下幾點。

第一，拉絲?？仔透鞑糠值目v剖面線必須是直線，理論要求絕對不能研磨成弧線。

第二，模具各部分的交接部位絕對不能“倒棱”，甚至可以是尖銳的。

第三，入口區和工作區加長，以建立較好的潤滑壓力。入口區入口部分的角度可適當縮小，幫助改善潤滑。加長工作區的長度，當壓縮率為30%時，線材接觸?？椎奈恢檬枪ぷ鲄^長度的1/2處。運用角度更小的工作區上半部，靠“楔角效應”原理，在線材表面建立更致密的潤滑膜，以利高速拉拔。

第四，定徑區必須平直且長度合理。

3.3 模具基本尺寸

我國現行硬質臺金模全部是直線形拉絲模，適應高速拉絲。模具有4個區：入口區、工作區、定徑區、出口區。

3.3.1 入口區

為了順利導入線材及潤滑劑，入口處可以有較大的圓弧倒角。干式潤滑時，為了建立線材表面的潤滑膜，其角度可適當地小，一般在30°～40°之間；長度可以適當增加，一般為模坯高度的1/5。濕式拉拔時，為了便于潤滑液順利進入工作錐，同時起到良好的熱交換作用，?？兹肟阱F角應比干式拉拔時大，日本、德國都在90°～100°之間。

3.3.2 工作區

將從入口區已經初步建立的潤滑膜，進一步在工作區的上半部繼續擠壓得更為致密；金屬在工作區的下半部進行塑性變形。工作區角度選擇的一般原則是：含碳量越高，角度越大；拉拔同類材質時，壓縮率越大，角度越大；拉拔線材直徑越大，角度也越大；濕拉又要比干拉同一材質時的角度增加10°～20°。

工作區要有足夠的長度，要始終保證線材進入工作錐時，最初接觸點應在工作錐總長度的中間。若靠近工作區的始端，易造成潤滑膜建立不良，變形過程偏長，摩擦力增加；若靠近定徑帶，易造成變形過程偏短，?？妆诘恼龎毫υ龈?，磨損加快。

3.3.3 定徑區

定徑區僅僅起到控制直徑的作用，不能進行任何小的壓縮變形。所以對于定徑區，一是必須平直，不附帶任何錐度，既不能有正錐角，也不能有倒錐角；二是定徑區的上下截面必須平行，保證圓周的長度一致相等；三是工作區與定徑區交界處，必須是一條明顯而“尖銳”的交接線，不允許有任何過渡角。

定徑區的重要參數是長度，選擇原則是：拉拔軟金屬比拉拔硬金屬要短；濕拉時比干拉時短；粗直徑的定徑帶系數比細直徑的要小。另外定徑區表面要平整光潔，表面粗糙度至少應達到0.025。

3.3.4 出口區

出口區主要是為了加固模具出口處的牢度，防止?？灼屏?，也可起到不擦傷鋼絲表面的作用。出口區角度一般為60°～75°，也有些廠家大至90°；出口區高度直接與其支撐加固的出口角的強度有關，理論上認為高些比短些好，可使模具的受力點向模坯中心移動，同時在多次擴孔修磨后不必重新研磨擴大出口角度。出口區的具體高度各國不一，一般應是模坯高度的1/3～1/5[3]。

4 拉絲模修復步驟

在鋼絲拉拔過程中，硬質合金拉絲模的消耗有破裂和磨損兩種。破裂的模具只能報廢，磨損的模具可以修復。修復主要有3個步驟。

4.1 清凈處理

磨修前必須把模子上粘附的潤滑劑、油污以及模套鐵銹等清除干凈。

4.2 劃分缺陷

用放大鏡進行檢查、鑒別、劃分缺陷，把不能擴孔的模具剔出。

4.3 修模

修模方法有以下3種。

（1）拋光，?？讙伖饷嬗协h形變粗，定徑帶的公差仍在規定范圍內。

（2）重磨及拋光，出現帶有輕微縱溝的比較顯著的拉絲環，定徑帶略超出公差范圍。

（3）擴孔、重磨及拋光，工作區嚴重磨損，定徑帶有明顯拉痕，定徑帶超出公差范圍及嚴重不圓的拉絲模。

5 提高拉絲模具使用壽命的方法

5.1 使用加工質量高的模具

模芯材料晶粒細、孔型尺寸精度高、孔型表面光潔、裝配精度高的模具使用壽命長，更換模具次數少，加工出的鋼絲質量高。

5.2 拉絲機的安裝和使用

（1）拉絲機的安裝基礎需十分穩固，避免在拉拔鋼絲過程中產生大幅振動。

（2）安裝模具時，要通過調試使線材的拉伸軸線與?？字行木€對稱，使線材和拉模應力作用均勻，避免不均勻磨損。

（3）拉絲過程中避免頻繁地啟動和停車，因為拉拔起步時的鋼絲和模具間的摩擦比正常拉拔時的摩擦要大得多，加速模具的磨損。

5.3 線材表面準備質量良好

線材表面準備包括兩個主要工作：去除氧化皮和涂覆潤滑載體。

鋼絲表面的氧化鐵皮未被完全除去，在拉拔時因粗糙的表面會增加與?？妆诘哪Σ?，促進拉絲?？椎募铀倌p。所以，鋼絲拉拔前經酸洗等處理去除氧化皮，得到潔凈的表面，減小與?？椎哪Σ?。

為保證潤滑劑能牢固地粘附在絲材表面，能順利的進入拉拔變形區，達到預期的潤滑效果，拉拔前要對絲材進行涂覆潤滑載體?，F在生產鋼絲中經常用到的是磷化。生成磷化膜的成分有磷酸一氫鐵、磷酸鐵、磷酸一氫鋅、磷酸鋅。磷化膜具有很多優點，比如：化學穩定性好，且有防銹能力；與鋼基結合牢固，且含有微孔，吸附性能好；有良好的延展性，拉絲時它始終覆蓋在鋼絲表面。

5.4 部分壓縮率設計合理

道次部分壓縮率的分配需考慮絲材的變形抗力、冷加工強化系數，拉拔潤滑和冷卻方式、力學性能和工藝性能要求等。目前道次部分壓縮率的分配原則普遍采用：第一道及最后一道的拉拔選取較小部分壓縮率，第二道取最大部分壓縮率，隨后平穩或逐道減小的分配原則。

5.5 使用潤滑性能良好的潤滑劑

拉絲潤滑方式可分為干式潤滑和濕式潤滑兩種，濕式潤滑又分為油性潤滑和水性潤滑兩種。如果使用得當，干式潤滑的潤滑效果優于濕式潤滑，油性潤滑優于水性潤滑。按冷卻效果排列，水性潤滑優于油性潤滑，濕式潤滑優于干式潤滑。在拉絲生產過程中，潤滑劑的質量及潤滑劑的供給是否充足都影響著拉線模的使用壽命。在整個生產過程中始終保持最佳的潤滑狀態，以便形成一層能承受高壓力而不被破壞的薄膜，降低工作區的摩擦力，提高模子使用壽命。

5.6 加強對模具的冷卻

拉拔發熱主要發生在模具變形區，日常生產中模具升溫最高不會超過450℃。模具局部高溫使硬質合金抗磨性能下降，磨損加快；同時因為鋼質模套的膨脹系數遠大于模芯的膨脹系數，造成模芯受力狀態改變，容易出現模芯出口處掉肉和模芯碎裂現象。

模具冷卻方式有間接水冷、自流水冷、強制水冷、直接水冷等。間接水冷是將模具裝在冷卻水套中，通過水套內的水循環實現模具冷卻，單次拉絲機和生產低碳、低合金鋼絲的拉絲機多采用這種冷卻方式。自流水冷和強制水冷是對模具外套進行直接水冷，自流水冷是指將水注入外套四周空間，任其自流回儲水槽中的敞開式水冷；強制水冷是指將水注入外套四周空間，讓水在壓力驅動下流回儲水槽中的封閉式水冷。這兩種冷卻方式主要用在直線式連續拉絲上，是生產中、高碳鋼絲必備的冷卻方式。水冷可以降低模套與模芯的溫差、改善模具內部溫度分布狀況，保證潤滑劑正常工作，減小磨損，提高模具壽命。

5.7 定期保養修磨硬質合金拉絲模具

按照模具的日常保養規范標準，經常對模子進行檢修是非常經濟合算的事情。一旦模子出現了任何輕微的磨損，及時進行拋光，則使模子恢復到原始拋光狀態，所花費時間要短，而且模子的孔型尺寸無明顯變化。

6 拉絲模的研究方向

為了適應現代拉絲高速化、連續化和自動化的要求，拉絲模的發展方向是提高拉絲模壽命，提高拉絲生產效率，降低拉絲成本。

（1）對拉絲模的摩擦磨損進行系統研究，為提高拉絲模壽命提供理論支持。

（2）開發與使用復合材料制作模具，延長模具使用壽命。

（3）研究開發新的模具結構形式，快速換模，降低停車時間，提高生產效率。

（4）研發拉絲模先進檢測設備，提高模具修復技術，延長模具壽命，降低拉絲生產中模具使用成本。

參考文獻

[1] 張學輝，王鴻利.鋼絲生產概述[J].科技資訊，2018，16（12）：117-119.

[2] GB/T 6110-2008，硬質臺金拉制模具型式和尺寸[S].

[3] 董琦，張學輝.鋼絲生產工藝及設備[M].北京：冶金工業出版社，2016.