异形钢丝的生产

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　　摘  要：异形钢丝的生产对于国民经济的发展非常重要，该文主要介绍了异形钢丝的分类（按材质分、按供货状态分、按截面形状分）、异型钢丝的特点、对原料的要求、异形钢丝加工成形方法（模拉法、辊拉法、轧制法和轧-拉复合法）、生产工艺控制要点，最后提出未来异形钢丝生产的4点建议。
　　关键词：异形钢丝  拉丝  金属制品  生产工艺
　　中图分类号：TG356.46                            文献标识码：A                         文章编号：1672-3791（2019）03（a）-0062-03
　　钢丝生产是以热轧线材（盘条）为原料，经过表面准备、热处理、拉拔、镀（涂、包覆）层等四大主要工序加工而成，按成品钢丝的不同需要，可能还需进行扒皮、磨光等辅助工序[1]。工业上生产和使用的钢丝绝大多数截面是圆形的，也一部分钢丝的截面是非圆形的异形钢丝。国内企业已经能生产多种截面形状的异形钢丝，但在钢丝尺寸精度、公差、通条性能、外观和表面处理上仍然与国外的先进技术有一定差距。
　　1  异形钢丝的分类
　　1.1 按材质分
　　低碳钢，中碳钢，高碳钢，合金钢，不锈钢等。
　　1.2 按供货状态分
　　冷拉态，退火态，轻拉态，油淬火回火状态。
　　1.3 按截面形状分
　　规则形状和不规则形状。
　　1.3.1 规则形状
　　（1）正方形鋼丝。
　　边长尺寸一般在0.50～8.00mm，交货状态可以是冷拉态、退火态的盘卷或直条。主要用于锁链、工具、结构件或小弹簧等弹性构件。
　　（2）矩形钢丝。
　　长宽尺寸一般在0.5～10.55mm之间，多数为冷拉状态，也有处于退火酸洗状态。主要用于汽车软轴、柴油机轴承大锁簧，高速柴油机止推环、锁环、制动环、活塞环及涡轮叶片锁尖等构件。
　　（3）扁形钢丝。
　　尺寸范围在0.20～10.5mm之间，通常为冷拉状态，或者是冷轧状态。主要用于玻璃升降嚣、雨刷、内燃机组合油环、机械软轴、模具用强力弹簧、螺旋卡圈金属外套等结构件。
　　（4）梯形钢丝。
　　梯形钢丝根据外形可以分为正梯形钢丝和高梯形钢丝。正梯形钢丝主要用于制造如弹簧垫圈、车辆软轴等。高梯形钢丝主要用来制造各类弹簧，广泛用于制造模具簧、电子设备减振簧、武器激发器簧等。
　　（5）六角钢丝。
　　六角钢丝常以冷拉矫直状态供应，主要用来制造螺母、螺栓及其他结构件。
　　（6）扁钢丝。
　　扁钢丝的一个边为直线形，另一边为弧形，也称为“门洞形”，主要用来制造强力弹簧、卡簧等。
　　（7）半圆形钢丝。
　　半圆形钢丝的一边为直线形，另一边为半圆形，主要用于制造开口销。
　　1.3.2 非规则形状
　　除规则形状的异形钢丝外都可归类为非规则形状钢丝。
　　2  异型钢丝的特点
　　2.1 形状特点
　　（1）形状功能性。依形状和用途不同，异型钢丝具有如导向、密封、定位、稳定等功能。
　　（2）免切削和节省材料。通常异形钢丝的截面形状和尺寸与所加工成型的零件相同或相近似，可以实现少切削、无切削加工，减少了金属的消耗。
　　（3）高精度。异型钢丝的尺寸精度现在多数能够达到0.01mm以下，生产控制精度高的甚至可达到微米数量级，如生产的汽车刮片钢丝、椭圆针布钢丝等产品。
　　2.2 力学性能特点
　　异形钢丝具有优异的力学性能，如耐腐蚀、耐疲劳、耐磨损、低松驰、高强度、高韧性等。当然不同用途的异形钢丝所需要具有的力学性能是不同的。
　　3  异形钢丝对原料的要求
　　异形钢丝的原料可以是圆钢丝，也可以是盘条，但绝大多数厂家采用的都是盘条。冶炼过程中，必须采用炉外精炼技术进行精炼处理，使盘条中有害化学成分S、P的含量小于0.03%。生产重要用途异形钢丝的盘条用钢要采用合金化及超纯净冶炼技术，保证异形钢丝性能满足要求。盘条必须是通过高速轧机、控制轧制、控制冷却生产的大盘重盘条，盘条表面没有缺陷，钢中夹杂物要严格控制大小及个数的多少[2]。
　　4  异形钢丝的生产方法
　　异形钢丝的生产除冷加工成形之外，其他的生产工序（如热处理、酸洗、涂层、拉拔及涂油包装）与同种圆钢丝基本相同，原则上采用同一工艺。
　　异形钢丝加工成形方法分为：模拉法、辊拉法、轧制法和轧-拉复合法等[3]。
　　4.1 辊拉法
　　辊拉是金属在两个以上的模辊所组成的孔型内，通过拉丝机的牵引使钢丝向前运动，产生变形。在摩擦力的作用下，模辊均匀转动，进入稳定拉拔状态。
　　优点：辊拉变形时，金属表面受到滚动摩擦力小，金属的受力状态有利于金属塑性变形，加工硬化慢，可以提高部分压缩率和总压缩率，从而减少拉拔道次，减少中间环节，不仅降低了成本，而且提高了生产效率。辊模拉拔时，可减少变形能耗与热处理能耗，辊拉时变形金属所受的摩擦为滚动摩擦，模拉时变形金属所受摩擦为滑动摩擦，因此，在同样拉拔条件下，辊拉比模拉所需功小。再加上辊拉时总压缩率大，可减少中间热处理次数，因而可节能降耗，大约可降低能耗25%。辊拉可减少酸洗次数且不用涂层，这是因为辊拉减少了拉拔道次，提高了变形总压缩率，中间热处理次数减少了，提高了成材率。辊拉时所受摩擦为滚动摩擦，摩擦力及变形热小，因而对钢丝表面处理工艺要求也低，生产时碳钢表面不用磷化，不锈钢不用涂层，大大节约了生产时间，降低了成本。 　　缺点：模具的一次性投入资金较大，钢丝的尺寸波动较大。
　　（1）辊拉工艺流程。
　　冷拉圆丝→退火→酸洗→涂层→辊拉→表面尺寸检验→取试样→理化检验→防锈包装→入库。
　　（2）坯料尺寸的选择。
　　如果坯料尺寸过大，那么棱角易起毛刺，损伤模辊;如果坯料尺寸过小，那么坯料在孔型中会充不满。确定坯料尺寸时，我们主要考虑成形的道次、材料的硬度、延伸性能、润滑等因素。
　　4.2 模拉法
　　模拉法是用硬质合金模具把圆形坯料逐道次地进行拉拔，直至拉拔成所需要的形状和尺寸规格。
　　模拉异形钢丝对酸洗和涂层质量要求比较高，通常两道次以上拉拔采用磷化+硼砂涂层。两道次以内拉拔可采用镀铜或硼砂涂层。润滑采取导入或强制导入措施，以减缓不均匀变形。
　　模拉生产异形钢丝的主要优点有：钢丝的尺寸公差范围小;钢丝产品形状精度高;钢丝成品的通条性能好;生产设备投入资金小。
　　模拉生产异形钢丝的主要缺点有：模具的尖角处不容易充满;变形过程中金属表面受到的摩擦力比较大，残余拉应力也比较大，易生产出麻面钢丝，严重时造成钢丝表面划伤;生产周期长;复杂截面无法生产;制造模具的难度大。
　　模拉工艺流程：冷拉圆丝→热处理→酸洗→磷化→涂硼砂→拉拔成形→表面尺寸检验→取试样→理化检验→防锈处理→包装入库。
　　4.3 轧制法
　　异形钢丝轧制法生产的最大特点是钢丝在与轧辊接触的面上只受到径向压力，而不受到纵向拉力，钢丝变形量大，可提高钢丝一次变形率[2]。
　　异形钢丝冷轧，就是在常温下进行钢丝的轧制，主要适用于生产宽厚比≤4的异型钢丝，如梯形钢丝、扁钢丝、半圆形钢丝等。
　　异形钢丝热轧是把钢丝加热到760℃以上进行轧制，其目的主要是增大钢丝的一次压下量，解决宽厚比大于5的大规格钢丝和生产问题。钢丝的加热方式主要根据企业生产设备情况，可以采用感应加热钢丝方式，也可采用电接触加熱钢丝方式。热轧的技术关键是要解决好钢丝的加热和轧辊的冷却。异形钢丝热轧法生产具有的优点有：生产周期短;不进行中间退火降低了能耗;钢丝需要加热的时间短，更不需要中间退火，生成的脱碳层薄。
　　4.4 轧-拉复合法
　　轧-拉复合法是先用轧机轧制出成品前形状，然后通过拉拔成形来生产异形钢丝的一种方法。轧-拉复合法最主要的优点是生产中可以把部分压缩率设定得比较大。轧-拉复合法主要适应于生产形状复杂、宽厚比比较大、利用单一方法又难以生产的异型钢丝。
　　5  生产工艺控制要点
　　5.1 宽展
　　宽展是在轧制前后钢丝的宽度变化量，影响钢丝宽展的因素很多，如压下量、摩擦系数、材质、辊径等，通过工艺试验，确定这些影响因素跟宽展的关系，制定合理的轧制工艺，合理地估算圆丝半成品直径，控制成品丝尺寸精度[4]。
　　5.2 部分压缩率及总压缩率
　　需要合理地分配部分压缩率以及确定钢丝的总压缩率，以保证生产的顺利进行。通过试验确定不同抗拉强度钢丝的部分压缩率，制定不同规格钢丝产品的合理的轧制道次数。
　　5.3 应力
　　在实际生产中应力往往难以达到均匀分布状态，这就需要通过科学的试验研究工作，采用添加去应力装置或者其他方法，达到去除应力的效果。
　　5.4 钢丝的直线性
　　有些钢丝产品，直线性的要求比较严格。但在生产中有时会出现钢丝侧弯的现象。解决钢丝侧弯的主要工艺方法有：严格按照热处理工艺要求进行热处理操作，提高钢丝通条均匀性;适当增加钢丝的直径，钢丝先进行均匀退火，然后进行轻拉工艺，再进行轧制[2]。
　　5.5 钢丝热处理
　　异型钢丝在经过加工变形之后，力学性能会发生相应的变化，如弯曲性和延伸性能降低、抗拉强度上升等。为了满足客户对高性能钢丝的需求，需要采用经济合理的热处理生产工艺，保证钢丝最终成品的高性能。
　　5.6 润滑剂
　　为了降低金属料与模具之间的摩擦系数，减少接触面之间的咬合，需要应用一定量的润滑剂使变形金属与模具之间形成一定厚度的隔离层。但是异型钢丝的生产速度快时产生的变形热很大，设备和钢丝都会处于高温状态，它会严重影响轧制设备的使用寿命和系统精度，同时也影响异型钢丝产品的力学性能。在生产前，可以选用多种润滑剂进行对比试验，认真分析产品质量，从而选择出适应不同材质异型钢丝所需要的最佳的润滑剂。
　　5.7 导卫装置
　　导卫装置的主要作用是正确地将钢丝导入轧辊的孔型，保证异型钢丝在轧辊的孔型中稳定地进行变形，得到几何外形和尺寸符合产品质量要求的钢丝，同时顺利地将异型钢丝从轧辊孔型中导出，防止钢丝缠辊，也可以控制钢丝按照产品设计要求的方向进行扭转或弯曲。导卫装置要根据生产实际情况，如轧辊的孔型形状、尺寸以及轧辊的配置情况，选取经济合理的材料，准确合理地设计导卫装置的形状和尺寸，尽量采用标准化部件，减少机加工量，降低生产成本。
　　6  未来异形钢丝生产的主要建议
　　（1）严格控制盘条质量。因为原料质量的优劣直接影响着钢丝成品的质量，必须从化学成分（尤其是碳、硫、磷）、组织（索氏体组织含量多）、尺寸精度（包括尺寸公差和不圆度）、内在质量（主要指盘条内部不得有缩孔、气泡、收缩疏松，非金属夹杂、脱碳等缺陷）、表面质量（主要指盘条表面应光滑，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（主要指盘条的抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、断后伸长率等）、盘重等方面严格控制盘条质量。
　　（2）加强异形钢丝模具的设计与加工技术的研究工作。模具直接关系到钢丝的性能和质量、生产效率、生产成本，对于异形钢丝的生产具有非常重要的意义和作用。
　　（3）采用计算机进行辅助设计、辅助制造，设计制造出更多更好的异形钢丝来代替现有钢丝。
　　（4）加强大专院校、研究所、生产企业之间的科研合作，进行工艺技术创新。
　　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] 戴宝昌.重要用途线材制品生产新技术[M].北京：冶金工业出版社，2001.
　　[3] 徐效谦，阴绍芬.特殊钢钢丝[M].北京：冶金工业出版社，2005.
　　[4] 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.
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