邱從懷， 吳建峰， 劉紅芳

(1. 國家金屬線材制品工程技術(shù)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(yōu)異性能，如極高的熱導(dǎo)率、良好的自潤滑性和化學(xué)穩(wěn)定性，硬度高、彈性模量大，摩擦系數(shù)低、耐磨性強以及表面化學(xué)性能穩(wěn)定等[1-2]。金剛石涂層拉絲模應(yīng)用于金屬材料領(lǐng)域具有極好的優(yōu)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(yīng)用中表明其工作壽命比傳統(tǒng)硬質(zhì)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(chǎn)率和經(jīng)濟效益，而且能從根本上保證線徑穩(wěn)定性和改進拉絲質(zhì)量和光潔度，有效節(jié)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(jīng)驗與實際數(shù)據(jù)。本文主要對金剛石涂層拉絲模在高碳鋼絲拉拔進行應(yīng)用研究，探索其在高碳高強鋼拉絲領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

1 實驗方法

原料采用80#鋼，規(guī)格為Φ5.5 mm盤條。材料經(jīng)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(zhuǎn)性能。統(tǒng)計拉拔的鋼絲噸數(shù)，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(wěn)定性，并密切觀察成品鋼絲的表面質(zhì)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(jié)果與討論

2.1 模具摩擦系數(shù)的影響

金剛石涂層具有較低的摩擦系數(shù)，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(jié)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(shù)較低還可減少鋼絲與模具產(chǎn)生的熱量，降低鋼絲拉拔過程中的應(yīng)變時效，宏觀現(xiàn)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(fā)現(xiàn)其抗拉強度以及扭轉(zhuǎn)值并沒有明顯的區(qū)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(shè)計的帶粉能力更為重要，而模具本身的摩擦系數(shù)并不是重要因素。

圖2 兩種模具拉拔鋼絲的力學(xué)性能對比

2.2 對使用壽命的影響

圖3 不同規(guī)格金剛石涂層模具的拉絲量

鎢鋼拉絲模在高碳鋼拉絲領(lǐng)域應(yīng)用極廣，實際運用中單個模具拉拔鋼絲產(chǎn)量約為20～60 t。本文中金剛石涂層拉絲模表現(xiàn)出極為優(yōu)越的拉絲使用壽命，模具內(nèi)徑4.26 mm以及3.70 mm拉絲量高達800 t以上，模具內(nèi)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?？梢娊饎偸繉永z模具內(nèi)徑為2.0 mm以上的使用壽命有明顯的優(yōu)勢，2.0 mm以下的模子使用壽命優(yōu)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(huán)應(yīng)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(jié)合力不穩(wěn)定，導(dǎo)致使用壽命較短。

2.3 對產(chǎn)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(xiàn)出優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，本次試驗對各模具拉拔后的鋼絲進行直徑跟蹤，根據(jù)現(xiàn)場長期跟蹤觀察模具使用壽命期間內(nèi)各模具拉拔后鋼絲的直徑穩(wěn)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(zhì)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)出較高的表面質(zhì)量，如圖5所示。

圖5 兩種模具拉絲產(chǎn)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(dǎo)致鋼絲直徑超差，而金剛石涂層拉絲模具失效表現(xiàn)為拉拔鋼絲表面突然出現(xiàn)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(xiàn)較深的刮傷，觀察模具內(nèi)孔發(fā)現(xiàn)其涂層已經(jīng)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(huán)應(yīng)力的作用，出現(xiàn)疲勞開裂乃至涂層發(fā)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(xiàn)象

3 結(jié)束語

金剛石涂層拉絲模摩擦系數(shù)低的優(yōu)勢在高碳鋼絲干式拉絲中未能明顯體現(xiàn)，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(yōu)勢極為明顯，在拉拔80#時可拉拔400 t以上，在壽命期間內(nèi)鋼絲尺寸穩(wěn)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(xiàn)為突然直徑尺寸超差，表面伴有刮傷。