影响钢丝质量的主要因素

摘  要：为满足钢丝制品应用领域日益增长的市场需求，提升钢丝质量非常关键。该文总结了影响钢丝质量的10个主要因素：线材、表面处理、热处理、拉丝模与模盒、摩擦与润滑、冷却、拉拔速度、压缩率、对焊接头、拉丝工。其中拉丝工作为一个主要影响因素是首次提出，应该引起钢丝生产企业的高度重视。

关键词：金属制品  钢丝  拉丝  产品质量 影响因素

中图分类号：TG356                                 文獻标识码：A                          文章编号：1672-3791（2019）04（b）-0065-03

钢丝是以热轧线材为原料，经过表面准备、热处理、拉拔、镀（涂、包覆）层四大主要工序加工而成[1]。

我国钢丝制品低端产品居多，高技术含量、高附加值产品的比率仍处于较低水平，现有的产品难以满足应用领域日益增长的市场需求。现在不再是钢丝产品产量的扩张，而是钢丝产品质量的提升，谁在质量上有所作为，谁就会持续发展。影响我国钢丝生产质量的因素很多，通过研究认为有10个主要因素。

1  线材

线材是钢丝生产的主要原料，线材质量的优劣直接影响着钢丝成品的质量。钢丝生产企业要与线材生产企业密切合作，从钢种的研发和线材的品质入手，满足钢丝制品企业产品的技术要求。

高质量的线材要辅以严格的管理，严把原料进厂关，从验收到投料，都要有一整套严密的规章制度，才能在稳定的工艺条件下，生产出高质量的产品。

线材大体分为4类：普通碳素结构钢线材、优质碳素结构钢线材、焊条钢线材、合金钢线材。钢丝生产对线材有很多具体的要求，一般来说主要是尺寸精度、内在质量（内在质量主要指不得有缩孔、气泡、收缩疏松，非金属夹杂、脱碳等缺陷）、表面质量（线材表面应光滑，不得有目视可见的折叠、裂缝、耳子、分层、结疤及夹杂等缺陷）、力学性能（抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、断后伸长率等要求）、大盘重、包装、标志、运输和储存等[2]。

2  表面处理

表面准备的任务和主要目的是去除氧化皮和涂覆润滑载体。

2.1 去除氧化皮

线材表面氧化皮的存在会造成钢丝表面缺陷和模具过早损坏，甚至会阻塞模孔，致使拉拔断裂。去除氧化皮的要求是完全彻底去除。

碳素钢线材表面氧化皮的去除方法有：机械法、化学法、电解酸洗法。合金钢线材表面氧化皮的去除方法有：混合酸洗法、熔融盐处理法、苛性钠高锰酸钾溶液浸洗法等[3]。

2.2 涂覆润滑载体

为保证润滑剂能牢固地粘附在丝材表面，能顺利地进入拉拔变形区，达到预期的润滑效果，拉拔前要对丝材进行涂覆润滑载体。一定粗糙度的润滑载体（涂层）将润滑剂载入模孔内，和润滑剂一起组成足够厚的润滑膜，这就是润滑涂层[3]。

钢丝的涂层种类较多，常用涂层有：磷化、涂硼砂、镀铜、皂化、涂石灰等。目前采用最多、最有代表性的涂覆润滑载体是磷化。磷化主要工艺参数有：总酸度、游离酸度、ZnO含量、HNO3含量、H3PO4含量、温度、时间。在磷化中，酸比是磷化的关键。酸比是指总酸度的点数和游离酸度的点数之比，记为：酸比=总酸度/游离酸度。

3  热处理

钢丝进行热处理主要是为了消除其组织的不均匀性、消除冷加工造成的加工硬化、保证成品钢丝的最终机械性能或物理性能。

热处理方法有：等温淬火处理、退火处理、正火处理、回火处理、调质处理等。钢丝热处理工艺参数主要有：钢丝的加热温度、钢丝的加热时间、淬火介质的温度、淬火时间。

钢丝热处理设备除部分退火炉以外，大多采用连续式热处理炉进行加热。铅锅是钢丝索氏体化处理的重要设备，铅锅结构合理、技术性能良好，对提高钢丝索氏体化处理的质量极为重要，一般采用煤气、天然气、煤或用电管式加热器加热。

4  拉丝模与模盒

4.1 模具材质

钢丝生产中应用的拉丝模具按材质分为：硬质台金模、金刚石拉丝模、人造聚晶金刚石拉丝模、涂层拉丝模、陶瓷拉丝模。我国拉拔钢丝现在使用的模具主要是硬质台金模。硬的模具材料可降低拉拨力。用金刚石模比硬质合金模拉拔力减少20%～50%。

4.2 模孔变形区的几何形状

直线型拉丝模具由入口区、工作区、定径带和出口区组成，其特征是模孔孔型的每部分均呈直线形，并且每两条相邻直线交接部分呈折线状。直线形拉丝模适应了高速拉丝的要求。

我国现行硬质台金模全部是直线形拉丝模，硬质合金拉丝模由模芯和模套两部分组成，模芯分为A型、B型、C型、D型、E型和F型，模套分为Z型和K型[4]。

4.3 模孔工作区角度

钢丝压缩率较大时宜采用较大工作区角度，粗规格钢丝道次减面率大，模孔工作区角度多选用14°～16°;中等规格钢丝道次压缩率适中，模孔工作区角度多选用12°～14°;较细规格（小于1.5mm）钢丝道次压缩率小，模孔工作区角度多选用10°～13°。

4.4 模盒

拉丝模盒内装有润滑剂和拉丝模具。一是模盒应保持清洁，要经常清除氧化皮和脏物，如发现拉丝粉受潮或焦化结块应及时更换。二是拉拔前一定要调整模盒的角度，保证“三点一线”。“三点一线”是指钢丝通过模盒入口处，拉丝模孔与拉丝卷筒圆周切点要成一条直线。模盒校准后要紧固，防止摆动。这样钢丝线盘卸线后，就避免出现上翘、散乱、扭劲、螺旋线、“∞”字线等。

5  摩擦与润滑

5.1 摩擦

在拉拔过程中丝材与模具直接接触，不可避免地产生摩擦力，降低摩擦力是提高拉拔效率的最有效途径。

摩擦力大小取决于3要素：正压力、摩擦系数和接触面积。改变摩擦状态才是降低摩擦力的关键举措。按摩擦理论，滑动摩擦有4种状态：干摩擦（干摩擦状态的摩擦系数高达0.7～1.0）;边界润滑摩擦（摩擦系数约为0.10～0.30）;混合润滑摩擦（摩擦系数约为0.005～0.10）;流体动力润滑摩擦（摩擦系数可达0.001～0.005）。拉拔过程中影响摩擦系数的因素有：金属的性质、变形过程的条件、工具与金属相接触表面的状态、接触表面的正压力、所采用的润滑剂。

5.2 润滑方式

润滑对钢丝产品质量影响很大，在拉丝生产中做好润滑非常关键。

拉丝润滑方式可分为干式润滑和湿式润滑两种，湿式润滑又分为油性润滑和水性润滑两种。按冷却效果排列，水性润滑优于油性润滑，湿式润滑优于干式润滑。

（1）干粉润滑。

干式润滑通常选用干粉状皂类润滑剂。干粉状润滑剂的主要成分是脂肪酸与碱金属或碱土金属的化合物，即金属皂。

在润滑剂中添加适量的粘附添加剂（硼砂、元明粉、磷酸盐等）也能有效增加润滑膜的厚度。干粉状润滑剂中有时还含有一定量层状无机物，如滑石、胶体石墨、云母、二硫化钼，以及防锈剂和着色剂等。

（2）油性润滑。

油性润滑剂通常由矿物油、动植物油、合成油、油性改善剂、极压添加剂、粘度改善剂、抗氧化剂、防锈剂，以及消泡剂组成。

（3）水性潤滑。

水性润滑剂可分为乳化液和皂溶液两类。

乳化液是水中加油组成的一种水包油型的乳浊液，通常由矿物油、油性添加剂、乳化剂、防腐剂、抗氧化剂等组成。

皂溶液是由水溶性碱金属皂（钾皂、钠皂），加入防腐剂、消泡剂组成。

6  冷却

在钢丝拉拔生产过程中，钢丝的变形和与模具的摩擦会产生大量热使钢丝温度急剧上升。拉拔发热引起的危害有：润滑剂的润滑失效、模具寿命缩短、钢丝表面质量下降或拉断。冷却是保证钢丝生产的关键因素之一。

6.1 模具冷却

拉拔发热主要发生在模具变形区，要实现高速、连续拉拔首先要解决模具冷却问题。模具冷却的目的是防止润滑剂因温度太高分解、焦化失效;防止模具磨损超标和损坏。

模具冷却方式有间接水冷、自流水冷、强制水冷、直接水冷等。间接水冷是将模具装在冷却水套中，通过水套内的水循环实现模具冷却，单次拉丝机和生产低碳、低合金钢丝的拉丝机多采用这种冷却方式。自流水冷和强制水冷是对模具外套进行直接水冷，自流水冷指将水注入外套四周空间，任其自流回储水槽中的敞开式水冷。强制水冷指将水泵入外套四周空间，让水在压力驱动下流回储水槽中的封闭式水冷。

6.2 卷筒冷却

现在直线式连续拉丝机几乎全部采用薄壁卷筒缝隙强制水冷的方式。薄壁卷筒缝隙水冷通常是多台拉丝机配备一个水循环系统集中供水，冷却水预先进行软化处理，循环过程进行多道次过滤，及时去除油污和杂物，循环压力控制在0.4～0.6MPa，大部分配置冷却水塔或制冷装置。使用中要定期清除卷筒和模具冷却系统水垢，疏通上回管水道，适当加大丝材在卷筒上的缠绕圈数。

7  拉拔速度

拉拔速度是指丝材运动速度。在拉丝设备平稳，润滑状态良好的条件下，适当提高拉拔速度，断线几率降低，拉拔安全系数提高。对水箱式拉丝机，因存在累积滑动问题，高速拉拔断线的可能性比低速要大。

提高拉拔速度给丝材力学性能带来什么样的变化，主要取决于丝材自身特性，如化学成分和组织结构。

8  压缩率

半成品丝材的拉拔总压缩率要根据组织结构、变形能力、用途确定，成品丝材的拉拔总压缩率主要根据产品标准中的各项技术指标确定，无相应标准时根据用途确定。总压缩率的选择原则：既使钢丝强度达到要求，又得到较高的韧性前提下，使中间热处理次数最少，工艺循环周期最短。

道次压缩率的分配需考虑丝材的变形抗力、冷加工强化系数、拉拔润滑和冷却方式、力学性能和工艺性能要求等。道次压缩率的分配原则：从有利于钢丝拉拔中润滑及成品钢丝表面质量出发，目前普遍采用第一道及最后一道的拉拔选取较小部分压缩率，第二道取最大部分压缩率，随后平稳或逐道减小的分配原则。

9  对焊接头

为了实现连续和高速生产，钢丝拉拔过程中，必须通过焊接将线材的端部连接起来，或由于断丝及工艺要求，需要对钢丝进行对焊接头。

电阻对焊原理：是将被焊工件压紧于两电极之间，并施以电流，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。

高碳钢钢丝对焊操作步骤：钢丝夹持→钢丝加热→冲压→空气冷却→回火→焊缝磨光→弯曲法焊接质量检查。

10  拉丝工

拉丝工是使用钢丝生产设备进行拉丝生产的操作人员。拉丝工要团结合作，认真负责，严格遵守工艺文件，规范操作，要做到“三勤”：眼勤（勤量线、避免钢丝在拉拔中直径出现偏差）、手勤（勤搅拌润滑料，以确保钢丝在拉拔中得到充分润滑）、腿勤（勤走、勤看、勤观察设备运行情况，避免发生故障），重视安全、环保，坚持文明生产，保持生产现场环境整洁，保证产品质量。

钢丝生产企业要高度重视拉丝工的职业道德和操作技能的培养，充分发挥拉丝工的主观能动性，那么钢丝质量就会得到可靠保证。

11  结语

影响钢丝生产质量的主要因素有10个：线材、表面处理、热处理、拉丝模与模盒、摩擦与润滑、冷却、拉拔速度、压缩率、对焊接头、拉丝工。当然不同生产企业的钢丝生产设备有差别，拉丝工操作水平有高低，生产工艺更是千差万别，技术管理人员要依据企业实际，灵活调整，严格管控，钢丝产品质量一定会提高到一个新的水平。

参考文献

[1] 张学辉，王鸿利.钢丝生产概述[J].科技资讯，2018，16（12）：117-119.

[2] GB/T 4354-2008，优质碳素钢热轧盘条[S].

[3] 董琦，张学辉.钢丝生产工艺及设备[M].北京：冶金工业出版社，2016.

[4] GB/T 6110-2008，硬质台金拉制模具型式和尺寸[S].

①作者简介：张学辉（1972—），男，汉族，河北迁安人，硕士研究生，讲师，工商管理经济师，从事金属制品加工技术的教学和科研工作。