金剛石涂層模在高碳鋼拉絲中的應(yīng)用研究*①

邱從懷， 吳建峰， 劉紅芳

(1. 國(guó)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(tuán)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(rùn)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(qiáng)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(shí)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(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益，而且能從根本上保證線徑穩(wěn)定性和改進(jìn)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(qiáng)度鋼中的運(yùn)用以及研究較少，缺乏經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際數(shù)據(jù)。本文主要對(duì)金剛石涂層拉絲模在高碳鋼絲拉拔進(jìn)行應(yīng)用研究，探索其在高碳高強(qiáng)鋼拉絲領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

原料采用80#鋼，規(guī)格為Φ5.5 mm盤(pán)條。材料經(jīng)表面酸洗硼化后在干式拉絲機(jī)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(shí)拉絲機(jī)功率，測(cè)試同一速度下拉拔鋼絲的抗拉強(qiáng)度以及扭轉(zhuǎn)性能。統(tǒng)計(jì)拉拔的鋼絲噸數(shù)，以此來(lái)表征拉絲模的使用壽命。記錄鋼絲的實(shí)際直徑變化，以此來(lái)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(shí)的拉拔力，理論推測(cè)使用該種模具拉絲機(jī)功率將相對(duì)降低，減少拉絲機(jī)能耗。實(shí)際檢測(cè)結(jié)果表明，鎢鋼拉絲模以及金剛石涂層拉絲模在進(jìn)行1～10 m/s的不同速度拉絲時(shí)機(jī)械能耗并沒(méi)有明顯差異，如圖1所示。

圖1 兩種模具不同速度下拉絲機(jī)功率對(duì)比

理論上認(rèn)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(guò)程中的應(yīng)變時(shí)效，宏觀現(xiàn)象上變化為鋼絲的強(qiáng)度下降，韌性提高[6]；而實(shí)際在兩種模具拉拔后鋼絲性能檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其抗拉強(qiáng)度以及扭轉(zhuǎn)值并沒(méi)有明顯的區(qū)別或趨勢(shì)，如圖2所示。干拉中采用潤(rùn)滑粉拉拔，存在于鋼絲與模具之間，潤(rùn)滑粉本身的特性以及模具設(shè)計(jì)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(duì)比

2.2 對(duì)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(shí)際運(yùn)用中單個(gè)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(dá)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。可見(jiàn)金剛石涂層拉絲模具內(nèi)徑為2.0 mm以上的使用壽命有明顯的優(yōu)勢(shì)，2.0 mm以下的模子使用壽命優(yōu)勢(shì)并不明顯，一方面直徑拉拔到2.0 mm左右鋼絲的強(qiáng)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(duì)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(qiáng)度金屬過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，本次試驗(yàn)對(duì)各模具拉拔后的鋼絲進(jìn)行直徑跟蹤，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)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(dòng)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(duì)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(duì)較暗，對(duì)該兩種模具拉拔后的鋼絲進(jìn)行粗糙度檢測(cè)，每種樣品測(cè)試3個(gè)點(diǎn)，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(duì)比

鎢鋼拉絲模在拉拔時(shí)失效主要是因?yàn)槠淠＞吣p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(shí)涂層與基體間由于循環(huán)應(yīng)力的作用，出現(xiàn)疲勞開(kāi)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(yǔ)

金剛石涂層拉絲模摩擦系數(shù)低的優(yōu)勢(shì)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(jī)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(shì)極為明顯，在拉拔80#時(shí)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(kāi)裂脫落，鋼絲表現(xiàn)為突然直徑尺寸超差，表面伴有刮傷。