钢丝生产中的硬质合金拉丝模

摘 要：拉丝模是实现钢丝顺利拉拔的主要工具。该文首先介绍了拉丝模的分类。硬质合金材料具有优良性能，我国拉拔钢丝使用的模具主要是硬质合金模。为了适应高速拉丝，出现了直线型模具，直线型模具有4个区：入口区、工作区、定径区、出口区，介绍了直线型模具的主要特征和基本尺寸。拉丝模在拉丝过程中会不断磨损，模具的修复步骤有清净处理、划分缺陷、修模。最后提出了提高拉丝模具使用寿命的7种方法和拉丝模的4个研究方向。

关键词：模具 硬质合金 直线型 钢丝 拉丝

中图分类号：TG135 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）01（c）-0073-03

钢丝及其制品是钢铁产品中重要的一类产品。国民经济各部门，如冶金、机械、国防、石油、煤炭、电力、航空、铁道等，几乎都离不开钢丝及其制品。

钢丝生产是钢材冷加工中最典型的、也是最为繁杂的生产。它是以热轧线材为原料，经过表面准备、热处理、拉拔、镀（涂）层四大主要工序加工而成。按成品钢丝的不同需要，可能还要进行线材扒皮、钢丝磨光等辅助工序。

在钢丝的生产过程中，拉丝模是实现钢丝顺利拉拔的主要工具。拉丝模直接影响钢丝产品的尺寸精度、表面质量、力学性能，而且还关系到能源消耗、生产效率[1]。

现在我国拉拔钢丝使用的模具主要是硬质合金模。

1 拉丝模的分类

拉丝模按尺寸分为：微孔拉丝模（内孔尺寸在0.2mm以下）、常规拉丝模。

拉絲模按材质分为：硬质合金拉丝模、金刚石拉丝模（分为天然金刚石拉丝模、人造聚晶金刚石拉丝模）、涂层拉丝模、陶瓷拉丝模。它们的区别如表1所示。

拉丝模按结构分为：整体模、拼装模、组合模。

拉丝模按孔型分为：圆形模、异形模。

拉丝模按拉拔特点分为：滑动接触模、滚动接触模。

2 拉丝模用硬质合金

1923年德国的施勒特尔往碳化钨粉末中加进10%～20%的钴做粘结剂，发明了碳化钨和钴的新合金，硬度仅次于金刚石，这是世界上人工制成的第一种硬质合金。硬质合金可分为钨钴类和钨钴钛类。绝大多数的硬质合金拉丝模通常属于钨钴类合金。这些合金是由碳化钨和钴等组成。碳化钨是合金的骨架，起耐磨作用；金属钴是粘接剂，能改善合金的韧性。

1927年开始硬质合金拉丝模用于拉丝行业，1940年硬质合金拉丝模在拉丝中得到广泛的使用。

2.1 硬质合金材料的优良性能

（1）硬度高、耐磨性好，有很好的红硬性，在500℃以下其硬度可维持不变，室温硬度可达86～93HRA，在1000℃～1100℃硬度为73～76HRA，但随着修模的反复，模芯工作面硬度将有所降低。

（2）抛光性强，粘附性小，可加工出表面粗糙度0.2以上。

（3）导热率高，线膨胀系数小。导热率为0.14～0.21 cal/（cm·s·℃），可较好地把拉拔时的热量传递出去。线膨胀系数低，在拉拔发热的恶劣条件下，可保证钢丝的尺寸精度。

（4）抗腐蚀性能好，可长期使用，不被氧化腐蚀。

2.2 制造拉丝模的硬质合金牌号

制造拉丝模的硬质合金牌号有YG3X、YG3、YG6、YG6X、YG8、YG11、YG15、YG20。

牌号中的数字表示钴的百分含量，X表示细晶粒。模芯推荐采用YG6、YG8、YG15[2]。

3 硬质合金拉丝模的结构

3.1 模套和模芯

硬质合金拉丝模由模套和模芯两部分组成。模套套在模芯外面，主要起保护硬质合金模芯的作用，模套推荐采用45钢，硬度28～32HRC，模套分为Z型和K型。模芯分为A型、B型、C型、D型、E型和F型[2]。

3.2 直线型模具的主要特征

20世纪70年代末至80年代初，随着拉线速度的提高，拉线模的使用寿命成了突出问题。为了适应高速拉拔的要求，1978年和1980年，美国人T.Maxwall和E.G.Kennth先后提出了适应高速拉拔的新的孔型理论——直线型理论。

直线型模具的主要特征为以下几点。

第一，拉丝模孔型各部分的纵剖面线必须是直线，理论要求绝对不能研磨成弧线。

第二，模具各部分的交接部位绝对不能“倒棱”，甚至可以是尖锐的。

第三，入口区和工作区加长，以建立较好的润滑压力。入口区入口部分的角度可适当缩小，帮助改善润滑。加长工作区的长度，当压缩率为30%时，线材接触模孔的位置是工作区长度的1/2处。运用角度更小的工作区上半部，靠“楔角效应”原理，在线材表面建立更致密的润滑膜，以利高速拉拔。

第四，定径区必须平直且长度合理。

3.3 模具基本尺寸

我国现行硬质台金模全部是直线形拉丝模，适应高速拉丝。模具有4个区：入口区、工作区、定径区、出口区。

3.3.1 入口区

为了顺利导入线材及润滑剂，入口处可以有较大的圆弧倒角。干式润滑时，为了建立线材表面的润滑膜，其角度可适当地小，一般在30°～40°之间；长度可以适当增加，一般为模坯高度的1/5。湿式拉拔时，为了便于润滑液顺利进入工作锥，同时起到良好的热交换作用，模孔入口锥角应比干式拉拔时大，日本、德国都在90°～100°之间。

3.3.2 工作区

将从入口区已经初步建立的润滑膜，进一步在工作区的上半部继续挤压得更为致密；金属在工作区的下半部进行塑性变形。工作区角度选择的一般原则是：含碳量越高，角度越大；拉拔同类材质时，压缩率越大，角度越大；拉拔线材直径越大，角度也越大；湿拉又要比干拉同一材质时的角度增加10°～20°。

工作区要有足够的长度，要始终保证线材进入工作锥时，最初接触点应在工作锥总长度的中间。若靠近工作区的始端，易造成润滑膜建立不良，变形过程偏长，摩擦力增加；若靠近定径带，易造成变形过程偏短，模孔壁的正压力增高，磨损加快。

3.3.3 定径区

定径区仅仅起到控制直径的作用，不能进行任何小的压缩变形。所以对于定径区，一是必须平直，不附带任何锥度，既不能有正锥角，也不能有倒锥角；二是定径区的上下截面必须平行，保证圆周的长度一致相等；三是工作区与定径区交界处，必须是一条明显而“尖锐”的交接线，不允许有任何过渡角。

定径区的重要参数是长度，选择原则是：拉拔软金属比拉拔硬金属要短；湿拉时比干拉时短；粗直径的定径带系数比细直径的要小。另外定径区表面要平整光洁，表面粗糙度至少应达到0.025。

3.3.4 出口区

出口区主要是为了加固模具出口处的牢度，防止模孔破裂，也可起到不擦伤钢丝表面的作用。出口区角度一般为60°～75°，也有些厂家大至90°；出口区高度直接与其支撑加固的出口角的强度有关，理论上认为高些比短些好，可使模具的受力点向模坯中心移动，同时在多次扩孔修磨后不必重新研磨扩大出口角度。出口区的具体高度各国不一，一般应是模坯高度的1/3～1/5[3]。

4 拉丝模修复步骤

在钢丝拉拔过程中，硬质合金拉丝模的消耗有破裂和磨损两种。破裂的模具只能报废，磨损的模具可以修复。修复主要有3个步骤。

4.1 清净处理

磨修前必须把模子上粘附的润滑剂、油污以及模套铁锈等清除干净。

4.2 划分缺陷

用放大镜进行检查、鉴别、划分缺陷，把不能扩孔的模具剔出。

4.3 修模

修模方法有以下3种。

（1）抛光，模孔抛光面有环形变粗，定径带的公差仍在规定范围内。

（2）重磨及抛光，出现带有轻微纵沟的比较显著的拉丝环，定径带略超出公差范围。

（3）扩孔、重磨及抛光，工作区严重磨损，定径带有明显拉痕，定径带超出公差范围及严重不圆的拉丝模。

5 提高拉丝模具使用寿命的方法

5.1 使用加工质量高的模具

模芯材料晶粒细、孔型尺寸精度高、孔型表面光洁、装配精度高的模具使用寿命长，更换模具次数少，加工出的钢丝质量高。

5.2 拉丝机的安装和使用

（1）拉丝机的安装基础需十分稳固，避免在拉拔钢丝过程中产生大幅振动。

（2）安装模具时，要通过调试使线材的拉伸轴线与模孔中心线对称，使线材和拉模应力作用均匀，避免不均匀磨损。

（3）拉丝过程中避免频繁地启动和停车，因为拉拔起步时的钢丝和模具间的摩擦比正常拉拔时的摩擦要大得多，加速模具的磨损。

5.3 线材表面准备质量良好

线材表面准备包括两个主要工作：去除氧化皮和涂覆润滑载体。

钢丝表面的氧化铁皮未被完全除去，在拉拔时因粗糙的表面会增加与模孔壁的摩擦，促进拉丝模孔的加速磨损。所以，钢丝拉拔前经酸洗等处理去除氧化皮，得到洁净的表面，减小与模孔的摩擦。

为保证润滑剂能牢固地粘附在丝材表面，能顺利的进入拉拔变形区，达到预期的润滑效果，拉拔前要对丝材进行涂覆润滑载体。现在生产钢丝中经常用到的是磷化。生成磷化膜的成分有磷酸一氢铁、磷酸铁、磷酸一氢锌、磷酸锌。磷化膜具有很多优点，比如：化学稳定性好，且有防锈能力；与钢基结合牢固，且含有微孔，吸附性能好；有良好的延展性，拉丝时它始终覆盖在钢丝表面。

5.4 部分压缩率设计合理

道次部分压缩率的分配需考虑丝材的变形抗力、冷加工强化系数，拉拔润滑和冷却方式、力学性能和工艺性能要求等。目前道次部分压缩率的分配原则普遍采用：第一道及最后一道的拉拔选取较小部分压缩率，第二道取最大部分压缩率，随后平稳或逐道减小的分配原则。

5.5 使用润滑性能良好的润滑剂

拉丝润滑方式可分为干式润滑和湿式润滑两种，湿式润滑又分为油性润滑和水性润滑两种。如果使用得当，干式润滑的润滑效果优于湿式润滑，油性润滑优于水性润滑。按冷却效果排列，水性润滑优于油性润滑，湿式润滑优于干式润滑。在拉丝生产过程中，润滑剂的质量及润滑剂的供给是否充足都影响着拉线模的使用寿命。在整个生产过程中始终保持最佳的润滑状态，以便形成一层能承受高压力而不被破坏的薄膜，降低工作区的摩擦力，提高模子使用寿命。

5.6 加强对模具的冷却

拉拔发热主要发生在模具变形区，日常生产中模具升温最高不会超过450℃。模具局部高温使硬质合金抗磨性能下降，磨损加快；同时因为钢质模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，自流水冷是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；强制水冷是指将水注入外套四周空间，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。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，减小磨损，提高模具寿命。

5.7 定期保养修磨硬质合金拉丝模具

按照模具的日常保养规范标准，经常对模子进行检修是非常经济合算的事情。一旦模子出现了任何轻微的磨损，及时进行抛光，则使模子恢复到原始抛光状态，所花费时间要短，而且模子的孔型尺寸无明显变化。

6 拉丝模的研究方向

为了适应现代拉丝高速化、连续化和自动化的要求，拉丝模的发展方向是提高拉丝模寿命，提高拉丝生产效率，降低拉丝成本。

（1）对拉丝模的摩擦磨损进行系统研究，为提高拉丝模寿命提供理論支持。

（2）开发与使用复合材料制作模具，延长模具使用寿命。

（3）研究开发新的模具结构形式，快速换模，降低停车时间，提高生产效率。

（4）研发拉丝模先进检测设备，提高模具修复技术，延长模具寿命，降低拉丝生产中模具使用成本。

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] GB/T 6110-2008，硬质台金拉制模具型式和尺寸[S].

[3] 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.