閆 晨，李俊岳，胡 亮，徐印輝

（1.江東合金技術(shù)有限公司，江蘇 南通 226000；2.南京工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；3.江蘇省先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211167）

1 拉拔工藝及其特點(diǎn)

拉拔加工是管、棒、線型的主要生產(chǎn)方法，通過拉力作用于金屬材料的前端，使金屬材料在拉力作用下從具有?？仔∮诓牧蠑嗝婷娣e的模具中被逐漸拉出，從而獲得生產(chǎn)加工所需要的尺寸，這種塑性加工的方法便被稱為拉拔。拉拔分為冷拉拔（以下簡稱“冷拔”）和溫拔[1]，冷拔加工一般都在室溫下進(jìn)行，本實(shí)驗(yàn)選用的實(shí)驗(yàn)材料銅絲便是采用冷拔的加工方法，但對于某些合金鋼和鎂、鋅這些在室溫下強(qiáng)度較高但塑性較差的金屬材料，則應(yīng)采用溫拔的加工方法。

在金屬材料拉拔加工過程中，拉拔工藝具有以下特點(diǎn)[2-5]：

（1）拉拔制品的加工尺寸精確，并且表面質(zhì)量較高。由于銅絲強(qiáng)度不足，且耐熱性能較差，所以拉拔一般在室溫條件下進(jìn)行，即采用冷拔。經(jīng)冷拉拔后的銅制品具有較高的尺寸精度，因此使用冷拉拔工藝可以減少銅制品在機(jī)械加工時的加工余量，從而節(jié)約材料。

（2）金屬材料拉拔加工的設(shè)備操作十分簡單，實(shí)驗(yàn)所用銅絲冷拔工藝在萬能拉伸機(jī)上進(jìn)行，用石墨機(jī)油潤滑和氮?dú)獗Ｗo(hù)，并且通過更換不同尺寸?？椎哪＞呒纯缮a(chǎn)出多種規(guī)格的銅線材制品，并且設(shè)備維修方便，所需成本也較低。

（3）拉拔工藝主要適用于生產(chǎn)細(xì)長的金屬線材制品，這些制品一般斷面尺寸很小而長，因此采用拉拔工藝制品的生產(chǎn)率較高。

（4）金屬材料在拉拔過程中隨著變形量的增加，其強(qiáng)度會有所提高，這種強(qiáng)度隨變形量增加而增大的現(xiàn)象即為加工硬化。因此銅絲制品在冷拉拔過程中隨著冷拉拔的程度加大，塑性變形量逐漸增加，其強(qiáng)度也隨之增大。因此，拉拔工藝可以解決金屬制品強(qiáng)度不足的問題，從而改善其力學(xué)性能。

2 銅合金冷拔初始工藝流程

銅合金冷拉拔初始工藝過程如下流程圖1所示。先將銅桿通過機(jī)械加工成實(shí)驗(yàn)樣品，經(jīng)第一次退火后進(jìn)行表面預(yù)處理，使實(shí)驗(yàn)樣品表面光潔以便于后續(xù)的冷拉拔實(shí)驗(yàn)加工。

將冷拉拔制品進(jìn)行擴(kuò)散退火的熱處理工藝，目的在于消除鑄件凝固過程中各元素引起的成分偏析，并且細(xì)化晶粒使組織均勻化。

圖1 初始工藝流程圖

3 銅合金冷拔實(shí)驗(yàn)儀器及主要工藝參數(shù)

（1）萬能拉伸機(jī)：拉拔實(shí)驗(yàn)在萬能拉伸機(jī)上進(jìn)行，在拉拔過程中，由于實(shí)驗(yàn)材料表面與拉伸磨具的接觸面之間存在一定的摩擦力，所以拉拔過程中應(yīng)采用石墨機(jī)油潤滑，氮?dú)獗Ｗo(hù)，從而更容易實(shí)現(xiàn)拉拔。

（2）中溫井式電阻爐：對于銅桿這類細(xì)長工件擴(kuò)散退火的熱處理一般多選擇在中溫井式電阻爐中進(jìn)行，因?yàn)樵诰诫娮锠t中能夠保持工件原有形狀，減少變形。并且與箱式爐相比，井式電阻爐更適用于表面質(zhì)量要求較高的制品，但是裝爐量較少，生產(chǎn)效率不高。

（3）金屬表面清刷機(jī)：樣品經(jīng)第一次退火后進(jìn)行表面預(yù)處理，用濃度為10%～15%的硫酸溶液浸洗5分鐘左右后清水沖洗，再用丙酮清洗，將樣品表面吹干后用清刷機(jī)除去樣品表面的氧化膜層。

（4）拉拔速度及樣品變形量選擇：本實(shí)驗(yàn)所選取的拉拔速度及樣品變形量的確定如表1所示。

表1 不同變形量下的拉拔速度

4 結(jié)果與討論

4.1 銅合金冷拔過程中的組織變化規(guī)律

圖2為銅合金不同工藝?yán)浒魏蟮慕M織變化圖，可以明顯觀察到，拉拔過程中晶粒被明顯拉長變形并有部分破碎，呈現(xiàn)出不均勻性。其原因在于經(jīng)退火工藝后的純銅試樣內(nèi)部晶粒的位向是各不相同的，所以各晶粒的受力方向和大小也就不同，位向與拉拔方向一致的晶粒會首先進(jìn)行滑移發(fā)生變形。因此可以說明晶粒的變形不是同時進(jìn)行的，這就造成了拉拔過程中出現(xiàn)的晶粒不均勻性。變形量為39%時，晶粒中已經(jīng)可以明顯地觀察到纖維條紋的出現(xiàn)，晶界與其他試樣相比也已經(jīng)模糊不清，甚至部分晶粒已經(jīng)發(fā)生了破碎，沿著冷拔方向逐漸釬維化。

4.2 銅合金冷拔過程中的拉拔力變化規(guī)律

圖3為拉拔力隨變形量的變化曲線，由圖3可以明顯地看出，當(dāng)變形量一定，將拉拔速度由0.3mm/s增加到2.2mm/s時，所需的拉拔力呈現(xiàn)出先增加后略有下降，而后又逐漸增大的趨勢。這是因?yàn)樵诶芜^程中拉拔速度的增加而提高了樣品表面的溫度，由于溫度效應(yīng)的存在所以導(dǎo)致樣品的位錯密度減小，運(yùn)動受阻減小，所需的拉拔力也有略有下降。隨后所需拉拔力增加是因?yàn)閼?yīng)變速率的影響要大于溫度效應(yīng)帶來的影響，導(dǎo)致拉拔力又逐漸增加。在同一拉拔速度下，隨著拉拔變形量的增加，所需的拉拔力也呈不斷增加的趨勢。但是拉拔力不應(yīng)大于材料抗拉強(qiáng)度的90%，否則當(dāng)拉拔應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度時，會導(dǎo)致材料的斷裂[6]。

圖3 拉拔力隨變形量的變化曲線

5 拉拔工藝過程中的注意事項

圖2 銅合金不同工藝?yán)浒魏蟮慕M織（a：1#；b：2#；c：3#；d：4#）

在試驗(yàn)樣品進(jìn)行冷拉拔工藝過程中，會存在許多影響因素對拉拔制品的質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)注意以下事項[7]：

（1）不同的金屬應(yīng)選用不同的拉拔方法。金屬絲制品最普遍的拉拔方法一般采用冷拔，但也有部分金屬宜采用溫拔或熱拔工藝，例如鎢、鎂、鋅等這些金屬，其金屬絲在進(jìn)行拉拔加工前需要先進(jìn)行加熱到指定溫度后才可以進(jìn)入?？?。

（2）拉拔過程中應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)樣品不同的變形量選用合適的拉拔速度和拉拔應(yīng)力，避免樣品在拉拔過程中出現(xiàn)斷裂的情況。拉拔應(yīng)力與試驗(yàn)樣品的變形應(yīng)變量成正比關(guān)系，隨著樣品的應(yīng)變量逐漸增大，拉拔應(yīng)力也應(yīng)隨之增大。

（3）在拉拔過程中，由于金屬材料表面與拉拔模具的接觸面間存在著一定的摩擦力，這就需要在拉拔過程中加入合適的潤滑劑來減小拉拔過程中產(chǎn)生的摩擦力。因此在銅絲拉拔過程中，加入潤滑劑可以在銅制品表面形成一層油膜，其作用在于既能加快制品拉拔速度，又能有效地減小制品表面與模具接觸面之間的摩擦力，從減小拉拔過程中的由摩擦引起的損耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

拉拔油作為拉拔工藝中常用的潤滑劑，其選用也十分重要。拉拔油一般分為高、中，低三種粘度。本實(shí)驗(yàn)選用的是石墨機(jī)油這種中粘度拉拔油，原因在于其粘度適中，潤滑效果較好，并且油膜成形力強(qiáng)，熱穩(wěn)定性較高，在拉拔過程中能夠有效地保護(hù)銅絲制品和拉拔模具，減少摩擦損耗，從而提高最終制品的表面質(zhì)量。

6 冷拉拔加工對銅及銅合金的影響

工業(yè)生產(chǎn)中，銅及銅合金的冷加工硬化現(xiàn)象是非常明顯的。一般情況下，隨著拉拔道次的增加和拉拔變形量的增大，銅及銅合金的硬度和力學(xué)性能指標(biāo)也會逐漸提高，但是其延伸率和斷面收縮率則會逐漸下降[8,9]。

在冷拉拔加工過程中，銅制品表面組織的晶界會遭到嚴(yán)重破壞。并且伴隨著各種強(qiáng)化相的出現(xiàn)[10]，銅制品在大加工率的生產(chǎn)情況下容易出現(xiàn)開裂或斷裂的現(xiàn)象。雖然銅制品已經(jīng)經(jīng)過冷拉拔加工，但在拉伸斷裂時其斷裂性質(zhì)仍然還是韌性斷裂。這表明在冷拉拔過程中銅制品的粉末顆粒之間已經(jīng)形成了相當(dāng)充分的粉末冶金化結(jié)合，從而也說明了冷拉拔加工對于銅制品粉末顆粒間的冶金化結(jié)合是有促進(jìn)作用的。