丝材拉拔基础知识
140 160 180 3.2×102 8×10 20-30 240 260 280 5×10-1 2×10-1 8×10-2 380 420 2×10-3 7×10-4 注：试样为含碳0.80%的从Φ1.8mm拉到Φ1.0mm的钢丝。
6.4.2 拉拔时的冷却
（1）模具冷却：拉拔发热的源头在模具变形区，要实现高速、连续拉拔首先要解决模具冷却问题。模具冷却的目标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。日常生产中模具升温最高点也不会超过450℃，模具冷却属于低温传热范畴。按热力学原理，拉拔时的冷却主要靠固体间或固体与液体间的热传导降温，风冷只能起辅助降温作用。
目前，工业生产中的干式拉拔全部选用硬质合金模与脂肪酸皂类润滑剂。在脂肪酸皂类润滑剂中硬脂酸钠皂的耐热性能最好（见表8），是高速拉拔首选润滑剂，但硬脂酸钠皂的软化点偏高，对拉拔初始成膜不利，一般需在润滑剂配入适量的低熔点皂类（短碳链脂肪酸皂）。高速拉拔用润滑剂为提高耐热和耐压性能，通常还配入一定量的极压添加剂，因为硬脂酸的沸点（焦化点）为376℃，润滑剂的使用温度一般不应超过300℃。
表8 硬脂酸皂的种类与性能
品名 硬脂酸钠 硬脂酸钡 硬脂酸锂 硬脂酸钙 硬脂酸铝 硬脂酸镁 硬脂酸锌 软化点/℃ 180 200 145 140 120 熔点/℃ 260 240 220 165 160 140 140 性 能 软化点高，耐热性好，溶于水，易清洗， 软化点高，展性好，不溶于水， 性质像钠皂，润滑性好，但价格贵， 润滑性，延展性良好，不溶于水，用途广泛， 用于软化点调整（光亮用） 用于有展性要求的软化点调整， 软化点低，粘度小，用于调整软化点，
钨-钴硬质合金制作模具耐热、抗磨，膨胀系数低，尺寸稳定性好；但其抗压不如抗拉，抗冲击性能也远不如碳素钢，通常将硬质合金模芯嵌镶在钢质外套中，使模芯处于压应力状态来扬长避短。拉拔时模具局部高温使硬质合金抗磨性能下降，磨损加快；同时因钢质外套的膨胀系数远大于模芯的膨胀系数，造成模芯受力状态改变，容易出现模芯出口处掉肉和模芯碎裂现象，模具冷却是必不可少的工艺措施。
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，这两种冷却方式主要用在直线式连续拉丝上，是生产中、高碳钢丝必备的冷却方式。日本神户制钢1978年曾设计一种模具直接水冷装置，在对模套直接水冷的同时，对拉拔后的钢丝也实施控量水冷，其冷却效果无疑会大幅度提高，不少资料都提及该装置，但30多年过去了，鲜见其在工业生产中使用的实例，估计高速、连续拉拔基本使用钠皂润滑剂，水能溶解钢丝表面残留润滑膜，是该装置难以推广的主要原因。水冷可以降低模套与模芯的温差、改善模具内部温度分布状况，保证润滑剂正常工作，但即使水冷效率出色地好，也只能带走10%左右的热量，无法从根本上解决高速连拔温升太高的难题。
（2）卷筒冷却：拉拔产生的热量80%以上被丝材带走，如何促使丝材自身热量的快速散发成为关键问题。如前所述，低温传热主要靠传导，对流传热只能起辅助作用，丝材拉拔过程中的风冷降温仅
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起辅助作用，降温主要依靠拉丝卷筒的热传导。丝材与拉丝卷筒的接触面积和卷筒表面温度是决定丝材冷却速度的重要控制参数。要增加接触面积需加大拉丝卷的直径、丝材拉拔后应尽可能在拉丝卷筒多缠绕几圈；对拉丝卷筒实施强制冷却才是降低丝材温度的最有效方法。不同拉丝机的冷却效果也有差别，一般说来，单次拉丝机的冷却效果优于积线式滑轮拉丝机，积线式滑轮拉丝机的冷却效果又优于直线式连续拉丝机；拉拔速度越快，卷筒冷却方式的选择越显重要。传统的卷筒冷却方式有：喷淋水冷、溢流水冷和强制水冷，为适应高速拉拔的要求，现代化的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，拉丝卷筒常用冷却方式如图27。
图27 拉丝卷筒冷却方式
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（＞10圈）。上述冷却措施完全实施后，即使用较高速度、较大道次减面率拉拔应变时效脆化效应显著的中、高碳钢丝，也能确保成品性能。据有关资料介绍，在7/600连续机上，拉拔65Mn（C=0.63%、Mn=0.5%）控轧控冷盘条，从Φ5.5mm用8个道次拉拔到Φ1.8mm，平均道次压缩率为24.36%，拉拔速度为850m/min。一般冷却条件下的钢丝温度在200℃以上，强化水冷却后的钢丝表面温度可降至150℃以下，每道均降温80～100℃；模具使用寿命也明显提高，特别是中间道次的寿命提高尤为显著，平均寿命值由40t/只提高到50t/只，提高了25%。成品钢丝力学性能改善，抗拉强度虽有下降，塑性、韧性指标明显提高，见表9。温升引发碳素弹簧钢抗拉强度上升最高可达320NPa。
表9 65Mn弹簧钢丝在不同冷却条件下拉拔时的性能变化
牌号 mm 常规冷却 65Mn 1.8 强化冷却 直径 冷却方式 MPa 1830 1695 % 0.8 1.2 % 38.0 44.0 R=2.5mm 7 8 ×100d 31 41 抗拉强度 伸长率 断面收缩率 弯曲值 扭转值 6.5. 拉拔速度
拉拔速度是与丝材生产效率、能源和辅助材料的消耗、产品质量密切相关的重要工艺参数，理所当然成为基础研究的重点，但查历史资料发现，关于拉拔速度对拉拔过程的影响往往给出完全相反的结论。系统分析发现，提高拉拔速度可获得的效果更多地取决于下列因素：丝材的化学成分、显微组织结构、热处理状态、盘卷单重 ；拉拔时的表面处理状况、润滑方式，润滑剂型号、模具材质和形状、冷却条件；拉丝机的种类、速度调控方式、运行阶段等。现代化的拉丝机正在向高速化、连续化、自动化方向发展，实践证明在在拉丝各环节采取相应措施的条件下，提高拉拔速度是可行的，确实可收到节能减耗，提高产品质量的效果。 6.5.1. 拉拔速度与变形速度
拉拔速度是指丝材运动速度。在一定生产条件下，拉拔速度高丝材的变形速度快。变形速度指的
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是丝材单位时间内变形程度，通常用u表示：
u?ln??100 （单位：%/秒） （37） tμ——延伸系数
式中：u——变形速度
t——丝材在变形区内停留时间（秒） 丝材在变形区内停留时间为：
t?do?dK2Sin??1?????1???3? Vcos????dK???1????16V?tan????
?3?dK??2?1??? （38） ?6V?tan?则变形速度为：
u?6V?ln??tan??100 （39）
?3?dK??2?1???式中：V—拉拔速度（mm/sec） dK—拉拔后丝材直径（mm）
从39式可以看出，变形速度（u）随拉拔速度、模孔角度增大而增大，随拉拔后直径和延伸系数的增大而减小。变形速度是与拉拔功耗直接挂钩的工艺参数，变形速度提高将导致：
（1）随变形速度提高拉拔主变功成正比增大，附加变形功稍有增大，而摩擦功取决于润滑状态，与变形速度没有必然关联。所以拉拔速度增大、等于变形速度提高，导致变形效率提高。
（2）模孔角度增大也使变形速度提高，但增大的附加变形功，最终导致变形效率降低。 （3）延伸系数增大（即减面率增大），变形速度随之减小，主变形功也随之减小。意谓消耗同样的功率可以完成更大量丝材的拉拔，因此变形效率得到提高。
（4）同理，拉拔直径较大丝材，变形速度相对较低，主变形功也随之降低，变形效率自然要提高。 （5）生产实践证明，在拉丝设备平稳，润滑状态良好条件下，适当提高拉拔速度，断线几率降低，拉拔安全系数提高。估计因拉拔速度提高，丝材在模具与卷筒之间停留时间短，丝材内部的显微缺陷，在张力下扩展断裂的几率也降低。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。
6.5.2. 拉拔速度对丝材强韧性的影响
提高拉拔速度后丝材力学性能和工艺性能会产生怎样的变化，一直是人们研究的焦点：
加拿大Godfrey用高碳钢（C=0.80%）铅淬火盘条，进行不同拉拔速度对成品抗拉强度影响试验，盘条直径0.35in（8.9mm），用不同道次拉拔到1.790in(4.83mm)，总减面率70%，道次减面率19%～0.27%，拉拔速度350fpm～
900fpm(107m/min～275m/min)，成品钢丝抗拉强度随拉拔速度提高而上升，道次减面率越大（拉拔道
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次越少）效应越强烈，如图28。（1fpm=0.3048m/min，1000psi=6.89MPa。）
德国P·施维尔和C·艾森胡特，在6个不同工厂里，对碳含量0.60%～0.75%的铅淬火钢丝，在不同类型拉丝和不同冷却条件的拉丝机上进行拉拔速度对钢丝性能影响试验，结论是拉拔温升对钢丝性能有决定性的影响：以无冷却或冷却条件相当的单次拉丝机与多道次连续拉丝机相比，单次拉丝机拉拔的钢丝每道次有充分的时间冷却，抗拉强度全部在标准范围之内，弯曲和扭转值也保持在较高水平。在多道次连续拉丝机用相同工艺拉拔的钢丝，其抗拉强度，弹性极限都和屈服强度大幅度升高，断面收缩率、弯曲和扭转性能急剧下降，原因是连续拉拔产生的温度积累使成品钢丝温度升高，产生时效脆化效应，不仅强度升高，韧性下降，各项性能指标的分散度也显著加大。
几乎所有可查到的资料都提出类似事例，证明随着拉拔速度的提高，引起钢丝温度上升，最终导致成品钢丝强度升高，韧性下降，但这种现象仅为一个特例，绝不能认为这是钢丝生产的基本规律，更不能认为是丝材生产的基本规律。实际上，提高拉拔速度给丝材力学性能和工艺性能带来的什么样的变化，主要取决于丝材自身特性（化学成分和组织结构），其次才是拉拔温升，而且温升带来的变化是多向的，有上升，也有下降，当然也包括基本不受影响的。
（1）应变时效脆化效应：前面提到的温升引发应变时效脆化效应的解释是完全正确的，问题是具有应变时效脆化效应的丝材仅占丝材品种的一小部分。笔者认为：应变时效脆化效应主要取决于丝材的化学成分和组织结构，其次才是应变条件。时效脆化与金属材料中的间隙元素在冶炼、热加工过程中的溶解、析出和形态变化密切相关，也与冷加工过程中应力导致间隙元素在金属材料中的再分配有一定的关联。众所周知，冶炼的金属材料不可避免地溶入较大量的间隙元素，在凝固和冷却过程中这些间隙元素的溶解量随温度变化持续下降，特别是在钢从奥氏体转变化铁素体时，C、N和H在钢中的溶解有大幅度的下降，由于冷却条件不同，析出的C、N和H以不同形态存在于钢中，带来钢的性能千变万化。即使冷却到300℃～200℃以下，C和N的析出也未终止，仅仅是被“冻住”，活动范围受到限制，但H的活动可延续到0℃以下。在冷加工过程中由于应力和温升的作用，可将已经冻结的C和N激活，引发C、N和H的再分配。C在时效脆化中的机理所有关热处理和冷加工的资料中都有描述，人们往往忽视了N在时效脆化中的作用，N与C的原子和离子半径、电子层电荷数相近，在钢中溶解和析出行为相当，Fe—N平衡图和Fe—C平衡图的左下角部分极其相似。比较C和N两个间隙元素，在共析温度(727℃)点，C在γ—Fe中的溶解度为0.70%，在α—Fe中的溶解度为0.03%；在共析温度(590℃)点，N在γ—Fe中的溶解度为2.82%，在α—Fe中的溶解度为0.087%，显然在冷却过程中N的溶解量和析出量远大于C。C的化学活性大，在钢中主要以碳化物的形态存在，形体大，其“解冻”温度高得多；N的化学活性小，在碳钢中基本以原子态和不太稳定的氮化物形态存在，其“解冻”温度比C低，活动能力比C大，时效脆化的效应远大于C。H对时效脆化有推波助澜作用，但因其在正常情况下含量微小（≤3ppm），活动能力也强，容易形成H2气,从钢中散发出去，对时效脆化效应的影响远不如N。
（2）目前对应变时效脆化的共识是：冷加工过程中钢丝的内应力和温度升高，导致间隙元素在金属材料中的再分配，C、N和H从相界和晶界转移到位错线上，对已有位错线起“钉扎”作用，对位错的转移和增殖起“堵塞”作用，因而造成钢丝强度升高，韧性下降。根据上述理论描述和实践经验可以导出以下结论：
a. 时效脆化效应与钢中C含量密切相关，低碳钢基本无时效脆化效应（不考虑N的影响），随着C含量增加时效脆化效应越来越强烈，对拉拔过程中的冷却和润滑应予更多的关注。
b. N含量对时效脆化效应有直接影响，低碳钢的轻度时效脆化效应就是N引发的。电炉炼钢时因电弧促使氮气离解，原子N在钢中溶解速度比分子氮高e18倍，电炉钢的N含量要高于转炉钢，前者一般为80～120ppm，后者目前要控制N≤70ppm并不困难，所以电炉钢的时效脆化效应明显比转炉钢显著。
c.奥氏体钢因N的溶解度高，冷却过程无组织转变，N的析出量有限，其C含量也很低，所以不
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锈钢丝（如1Cr18Ni9）拉拔中毫无时效脆化效应。相反，对不稳定奥氏体不锈弹簧钢丝，因为Md30点相对不变，拉拔引发钢丝温度升高时，其抗拉强度反而明显下降。所以在拉拔和润滑条件不变的情况下，夏季拉拔碳素弹簧钢丝应适当降低总减面率，拉拔不锈弹簧钢丝应适当增大总减面率。
d. H对时效脆化有推波助澜作用，而且对C含量偏高的钢应更加关注H的影响。尽管C含量增高不会导致钢中H含量增加，但冷加工酸洗时钢的氢脆敏感性会急剧加大，酸洗浓度高、酸洗时间长、酸洗后除氢烘烤不充分，往往使钢丝失去拉拔塑性。即使能拉拔到成品，高的H含量为高强度钢的延迟断裂埋下祸根。
e. 时效脆化效应是随拉拔总减面率的加大而加大的，生产中应根据实际用途合理选择牌号，不宜盲目使用加大减面率的方法，满足高强度的要求，这点对钢绳用钢丝尤其为重要。
f. 合金化是改善钢丝时效脆化倾向的有效途径，一般说来，添加强碳化物和强氮化物形成元素Ti、Nb、Al、V、W和Cr等，将C和N固定在化合物中均能改善钢丝低温时效脆化倾向。Mn能加大N在奥氏体和铁素体中的溶解度，因此Mn含量偏高的碳素钢比一般碳素钢的时效脆化效应弱。 6.5.3. 拉拔速度对拉拔力的影响
提高拉拔速度后拉拔力如何变化是人们关注的第二个焦点：
俄国И·Л·Перлин在3 m/min～360 m/min速度范围内拉拔直径0.23mm铜质丝，随速度的提高拉拔力仅提高4%～7%。Бернгефт在180m/min～800m/min速度范围内拉拔退火铜质丝，随速度的提高拉拔力有所下降（3%～4%）。
俄国Л·Д·Соколов在0.06m/min～6 m/min速度范围内拉拔直径5.0mm钢丝，随速度的提高拉拔力提高30%～40%。И·Н·Недовизий在3 m/min～12 m/min速度范围内拉拔直径1.0mm的低碳钢丝，随速度的提高拉拔力降低。В·Ф·Мосеев以接近1500m/min的高速拉拔直径0.9mm的低碳钢丝，与普通拉拔速度相比，其拉拔力下降15%～17%。
俄国Н·Г·Решетников在实验室中拉拔铝及铝合金丝，拉拔速度在0.5m/min～3 m/min范围内，随速度的提高拉拔力稍有下降。Б·З·Жилкин在拉拔钛丝时，发现拉拔力不受拉拔速度的影响。
孙金茂选用45铅浴钢丝，从2.13mm拉拔到2.0mm，只有在拉拔速度小于6m/min范围内，拉拔力随速度增加而增加。拉拔速度大于6m/min时，拉拔力随速度增加而减小。当拉拔速度在6～50m/min范围内增加时，拉拔力减少较显著（约30%～40%），在50～400米/分范围内减少较缓慢（约5%～10%）。
显然，如按上述事例评价拉拔速度对拉拔力的影响，会得出不同的结论，经分析笔者认为：提高拉拔速度后拉拔力如何变化主要取决于丝材变形抗力和摩擦状态的变化趋势，可从以下几个方面理解：
（1）一般说来拉拔速度的提高会带来丝材温度的上升，对于低熔点材料和低强度材料，如铝、铜和低碳钢丝，即使温度仅上升100℃，也会带来变形抗力的明显下降，变形抗力下降，拉拔力自然下降。像钛丝，不锈钢丝等，丝材温度升高100℃～200℃对变形抗力基本无影响的品种，其拉拔力也基本不变。
（2）干式拉拔的润滑状态通常为混合润滑状态，即由边界润滑与流体动力润滑组成的润滑状态，流体动力润滑所占比例越大，摩擦系数越低。而建立流体动力润滑状态必须在模具变形区前形成一个高压区，阻止润滑剂回流，同时适当高的温度使润滑剂处于流动状态也是必要条件。提高拉拔速度可以同时创造这两个条件，因而可以改善润滑状态，降低摩擦系数，拉拔力随之下降。
（3）对于应变时效脆化效应显著的钢种，如前所述，提高拉拔速度导致钢丝屈服强度提高，拉拔力也随之提高。
（4）拉拔速度提高，必然导致拉拔功耗增加，丝材温升增大，这是不可改变的规律。冷却条件改善是有极限的，润滑剂能承受的温度也是有限的，因此拉拔速度也是有限的。
（5）不同品种丝材的拉拔速度极限也不相同，在拉拔方式、冷却和润滑条件固定情况下，变形抗力高，冷加工强度快的丝材，拉拔速度极限相应较低。 6.5.4. 高速拉拔用拉丝机
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