金刚石涂层模在高碳钢拉丝中的应用研究*①

邱从怀， 吴建峰， 刘红芳

(1. 国家金属线材制品工程技术研究中心，江苏 江阴 214433； 2. 法尔胜泓昇集团有限公司，江苏 江阴 214433)

引 言

金刚石薄膜具有接近于天然金刚石的优异性能，如极高的热导率、良好的自润滑性和化学稳定性，硬度高、弹性模量大，摩擦系数低、耐磨性强以及表面化学性能稳定等[1-2]。金刚石涂层拉丝模应用于金属材料领域具有极好的优越性。目前金刚石涂层拉丝模在电焊条、有色金属、低碳钢以及低合金钢等材料实际应用中表明其工作寿命比传统硬质合金模具提高10倍，有效降低了模具消耗量，大幅度提高了劳动生产率和经济效益，而且能从根本上保证线径稳定性和改进拉丝质量和光洁度，有效节约原材料[3-5]。而金刚石涂层拉丝模在高碳高强度钢中的运用以及研究较少，缺乏经验与实际数据。本文主要对金刚石涂层拉丝模在高碳钢丝拉拔进行应用研究，探索其在高碳高强钢拉丝领域应用的可行性。

1 实验方法

原料采用80#钢，规格为Φ5.5 mm盘条。材料经表面酸洗硼化后在干式拉丝机中拉丝，分别采用金刚石涂层以及钨钢两种拉丝模将钢丝从Φ5.5 mm拉拔至Φ1.5 mm，记录两种拉丝模在不同拉拔速度(1～10 m/s)拉拔时拉丝机功率，测试同一速度下拉拔钢丝的抗拉强度以及扭转性能。统计拉拔的钢丝吨数，以此来表征拉丝模的使用寿命。记录钢丝的实际直径变化，以此来研究涂层模拉拔钢丝的尺寸稳定性，并密切观察成品钢丝的表面质量。

具体模链为：

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 结果与讨论

2.1 模具摩擦系数的影响

金刚石涂层具有较低的摩擦系数，可减少各道次拉拔钢丝时的拉拔力，理论推测使用该种模具拉丝机功率将相对降低，减少拉丝机能耗。实际检测结果表明，钨钢拉丝模以及金刚石涂层拉丝模在进行1～10 m/s的不同速度拉丝时机械能耗并没有明显差异，如图1所示。

图1 两种模具不同速度下拉丝机功率对比

理论上认为，摩擦系数较低还可减少钢丝与模具产生的热量，降低钢丝拉拔过程中的应变时效，宏观现象上变化为钢丝的强度下降，韧性提高[6]；而实际在两种模具拉拔后钢丝性能检测发现其抗拉强度以及扭转值并没有明显的区别或趋势，如图2所示。干拉中采用润滑粉拉拔，存在于钢丝与模具之间，润滑粉本身的特性以及模具设计的带粉能力更为重要，而模具本身的摩擦系数并不是重要因素。

图2 两种模具拉拔钢丝的力学性能对比

2.2 对使用寿命的影响

图3 不同规格金刚石涂层模具的拉丝量

钨钢拉丝模在高碳钢拉丝领域应用极广，实际运用中单个模具拉拔钢丝产量约为20～60 t。本文中金刚石涂层拉丝模表现出极为优越的拉丝使用寿命，模具内径4.26 mm以及3.70 mm拉丝量高达800 t以上，模具内径为2.03～3.24 mm模子拉丝量约为400 t以上，模具1.65～1.83 mm拉丝量为200 t左右，模具1.50 mm拉丝量为70 t左右，如图3所示。可见金刚石涂层拉丝模具内径为2.0 mm以上的使用寿命有明显的优势，2.0 mm以下的模子使用寿命优势并不明显，一方面直径拉拔到2.0 mm左右钢丝的强度较高，模具所受循环应力较大；另一方面越小的模子工艺越难控制，可能是由于涂层与底基材料的结合力不稳定，导致使用寿命较短。

2.3 对产品尺寸的影响

金刚石涂层模在拉拔低碳以及其他低强度金属过程中表现出优异的尺寸稳定性，本次试验对各模具拉拔后的钢丝进行直径跟踪，根据现场长期跟踪观察模具使用寿命期间内各模具拉拔后钢丝的直径稳定性极好，钢丝直径波动在10 μm左右，如图4所示。

图4 金刚石涂层模具拉拔钢丝直径变化

2.4 对表面质量的影响

金刚石涂层拉丝模具拉拔的成品钢丝表面光亮，而钨钢模拉拔后钢丝表面相对较暗，对该两种模具拉拔后的钢丝进行粗糙度检测，每种样品测试3个点，发现钨钢模拉拔后钢丝表面粗糙度为0.5 μm左右，而金刚石涂层拉丝模拉拔钢丝粗糙度在0.2 μm左右，金刚石涂层拉丝模拉拔钢丝表现出较高的表面质量，如图5所示。

图5 两种模具拉丝产品表面粗糙度对比

钨钢拉丝模在拉拔时失效主要是因为其模具磨损导致钢丝直径超差，而金刚石涂层拉丝模具失效表现为拉拔钢丝表面突然出现大模，成品钢丝直径从Φ1.5 mm突然上升至Φ1.57 mm，钢丝表面出现较深的刮伤，观察模具内孔发现其涂层已经部分脱落。金刚石涂层拉丝模由于表面为金刚石涂层，硬度极高，不易受钢丝磨损，但涂层的底基为钨钢，拉拔钢丝时涂层与基体间由于循环应力的作用，出现疲劳开裂乃至涂层发生脱落所致，如图6所示。

图6 金刚石模具拉拔失效后钢丝表面刮伤现象

3 结束语

金刚石涂层拉丝模摩擦系数低的优势在高碳钢丝干式拉丝中未能明显体现，金刚石涂层拉丝模与钨钢模拉丝后钢丝性能差异以及拉丝机能耗并不明显。金刚石涂层拉丝模(D≥2.03 mm)使用寿命优势极为明显，在拉拔80#时可拉拔400 t以上，在寿命期间内钢丝尺寸稳定性极好，且表面粗糙度较低，模具失效形式为镀层开裂脱落，钢丝表现为突然直径尺寸超差，表面伴有刮伤。