冷拉拔珠光体钢丝的组织与力学性能

何健

摘 要：随着工业生产的快速发展，钢丝拉拔技术逐渐被广泛应用，逐渐取代高强度钢丝的生产。为了适应大环境下的快速发展，钢丝生产已经开始拓展为大应变的塑性变形问题，因为缺乏深度的理论研究，只靠实际操作过程来总结摸索，因此在生产过程中不同拉拔道次、不同模具工作锥角以及不同温度退火后的力学性能变化是非常值得深入研究。

关键词：拉丝；拉拔变形；珠光体

我国地大物博，铁矿、铜矿熟不盛数，资源非常丰富。原材料可以大规模地采购，并且价格十分地廉价。所以很多企业可以大规模批量生产，通过拉拔技术改变其造型和尺寸，得到其要想的强度和其它性能参数。

1、影响拉拔的主要因素

（1）金属材质。由于被拉拔金属的钢种、组织状态和化学成分不同，金属的塑性变形抗力以及能承受的拉拔应力各不相同。

（2）模具。模具材料、工作锥度对拉拔力有很大影响。并对钢丝力学性能、拉拔功率、表面质量都有的影响。

（3）润滑剂。润滑是一个非常重要的环节，尤其是流体动力润滑能使金属和模具之间形成一层较为厚的润滑膜，减少摩擦。

（4）钢丝表面预处理。为了减少钢丝与模具之间的摩擦，原材料在冷拉之前，先要除去原材料表面的浮锈，再在原材料表面进行磷化或者皂化等表面预处理，从而在材料表面获得一层致密的磷化层或者皂化层，增加润滑效果。

2、生产工艺变化对钢丝性能的影响

（1）拉拔道次对力学性能的影响

抗拉强度和扭转性能是衡量钢丝力学性能好坏的最关键指标，分别用三组某厂生产的82B￠12.5mm高碳钢在总压缩率不变的情况下通过8道次和9道次冷拔生产得到的￠5.03mm，的钢丝作拉拔和扭转试验。得到：8道次生产的钢丝抗拉强度分别为1957.16MPa、1974.56MPa、1984.32MP，平均抗拉强度为1972.01MPa，扭转值為分别22.25.26，平均次数为24.33；9道次生产钢丝的抗拉强度分别为1962.31MPa，1954.78MPa，1951.52MPa，平均抗拉强度为1956.203MPa，扭转次数分别为27、29、30，平均次数为28.6次。

从上结果可以看出：9道次生产的钢丝扭转性能明显好于8道次，在总压缩率不变的情况下，通常增加拉拔道次，采取9道次较小压缩率进行拉拔，这样可以使得钢丝内部不良组织渗碳体片在变形过程中产生适当弯曲并沿钢丝轴向旋转，直到总压缩率很大甚至90%以上时仍可保证原索氏体形态沿拉拔方向伸长，而不会破裂，使成品钢丝具有优良的扭转性能。然而当采用8道次拉拔时，在拉拔初期就可能导致钢丝索氏体内的渗碳体片破碎，总压缩率超过一定值后，渗碳体会大量破碎，致使钢丝脆性发生，使众多高强度钢丝扭裂次数低。同时，也可以看出总压缩一致的情况下，9道次所拉拔出来的强度比8道次的要低，主要原因为在相同的总变形量条件下，增加拉拔道次（提高变形分散度）会使钢丝外层剪切变形增加，在钢丝表面的残余应力有所提高，而这种残余应力的重新分布会导致金属外层较早破坏，抗拉强度有所下降。

（2）模具的工作锥角对钢丝表面裂纹扩展的影响

从理论上得知，如果整个拉拔后钢丝成压缩状态，并且表面轴向压应力越大越不利用裂纹的发生和扩展。本次对某厂第三道模具工艺进行模拟研究，钢丝变形前直径为10.23mm，出口直径为9.14mm，钢丝的密度为 ，弹性模量为 ，泊松比为0.277，模具硬质合金的弹性模量为 ，泊松比为0.3，不考虑摩擦因素。拉拔变形属于非线性大变形接触问题，运用abaqus进行有限元分析，取不同的模具工作区圆锥半角 模拟拉拔后钢丝表面的轴向压应力，从而确定最佳工作锥半角。 分别取 十组数据，分别得到拉拔后钢丝外表面S33应力与 角度关系如下图：

由图可知：该道次的最佳工作锥半角 = ，表面压应力最大，达到1210Mpa。

（3）退火温度对钢丝力学性能的影响

在做温度变化试验过程中发现，温度控制在200℃期间开始退火30min后，不加热，这时候的钢丝强度会持续增加，能够达到1800MPa左右，相比冷拉拔状态下的钢丝强度提高了6%。当把退火的温度控制在300℃以上，这时候的钢丝强度便逐渐降低。检测钢丝此时的强度能有1650左右。随着温度逐渐提高来看，钢丝的延展性也会提高，但是会破坏了承重的力度，性能也会随着降低。主要原因为在温状态下渗碳体的组织表层开始被破坏掉了，钢丝组织的片层结构遭到温度变化的影响，片层横截面不会光洁，也导致弹性降低。

3、拉拔过程中钢丝内部组织的变形分析

（1）珠光体片层形性变化

因为珠光体片中形状变化细微，也导致了钢丝组织变化微小。在显微镜下仔细观察也没有看到珠光体片层形态的改变。相对于附近珠光体钢来看，呈现的各项力学都指向各层面连接紧密，层分形态较密。通过高性能电子显微镜观察得到不同温度下的拉拔对钢丝的珠光体片层形态也产生很大的影响。其中变化的规律十分稳定，丝变逐渐成型时，平面丝拉的力度不会因为垂直轴向变化而产生变化，力学在珠光体片层的影响很微小，珠光体组织变形期间，片层开始向丝轴包围，并且对于珠光体片层排列方向开始进行调整直至基本平行于丝轴。

（2）珠光体钢丝大应变拉拔分析

珠光体钢丝大应变拉拔变动过程中产生的力学影响会导致珠光体片层间距开始变小，铁素包含量也开始不断产生变化，并且开始朝着渗碳体两界面聚拢，这会导致钢丝的组织比重开始增大，拉伸力度在系统显示为自由能显著上升。一方面，由于大量位错在界面附近聚集，界面结构被破坏；另一方面，由于界面能大幅增大，使钢丝组织偏离热力学平衡位置，处于非稳态。进而在后续加工（如热镀锌）和服役过程中（如冶金行业吊装用钢丝绳），由于温度较高（可达数百度），珠光体中渗碳体片层发生球化，破坏大应变量变形钢丝的叠层结构，会引起钢丝强度大幅度下降。

4、结论

冷拉拔珠光体钢丝能够在我国乃至世界被广泛应用，也得益于在大应变过程中珠体的形成向片层方向开始过渡，不仅增加了钢丝整体的柔韧性和强度，也保持了超强的力学应变中能够一直保持不变。所以在拉拔过程中要充分考虑拉拔道次、模具工作锥半角对力学性能的影响，在加热过程中温度的控制可以按照不同用途进行改变，这样能预防渗碳体球化的产生。对于渗碳体球化的控制能够有效避免钢丝的叠层结构遭到大应变量变形的组织破坏从而导致钢丝强度变低的现象。

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（作者单位：湖南湘辉金属制品有限公司）