提高硬质合金拉丝模寿命的研究进展

刘勋

（九江金鹭硬质合金有限公司，江西九江 332000）

在金属线材、管材拉拔行业中，拉丝模是实现连续拉拔、保证产品质量的关键工具。拉丝模具材质主要包括钢材、天然金刚石、聚晶金刚石、硬质合金和陶瓷等［1］。其中，硬质合金拉丝模因其高硬度、低成本、良好的耐磨性以及较好加工等优势，广泛应用于拉拔各类金属线、管材［2］。

硬质合金拉丝模通常由WC（硬质相）和Co（粘结剂），经高温烧结而成。由于金属Co具有较低的硬度和抗拉强度等缺点，在金属线材、管材与拉丝模内孔压缩区域易发生磨粒磨损以及粘附磨损［3］，导致拉丝模使用寿命较短。硬质合金拉丝模使用寿命主要取决于模芯材质、内孔表面涂层性能、模芯的孔型、加工工艺等因素。因此，本文从基体材质优化、涂层处理、内孔结构优化三个方向，综述了关于硬质合金拉丝模寿命提升方面的研究进展。

1 改善材质

目前，国内外采用超细晶工艺、降低粘结相含量、添加稀土元素以及功能梯度材料等技术，改善拉丝模材质，从而提高拉丝模使用寿命。

1.1 稀土硬质合金

20世纪60年代，研究人员开始进行将稀土硬质合金的相关研究［4］。少量添加稀土金属元素及其氧化物能够明显提升硬质合金性能并取得一定成果：能够提高硬质合金的硬度、强度以及韧性等物理力学性能，同时减少合金大孔隙，并且能够细化、均匀化碳化钨相，净化合金晶界［5］。

熊继等［6］研究表明，相较于常规硬质合金(YG8)拉丝模，稀土硬质合金（YGR8）的强度、冲击韧性提高10%以上（见表1），同时耐磨性能提升，使用寿命提高1倍。

表1 添加稀土元素和常规合金物理力学性能［6］

刘寿荣等［7］通过在8%Co硬质合金中混合添加稀土金属元素（铌、铯、镧和镨）的氧化物，强化粘结Co相和WC硬质相的两相界面，使合金表面压应力增大，强度提高。

1.2 低钴超细晶硬质合金

成分与微观组织结构是直接影响硬质合金物理力学性能的关键因素。图1为硬质合金硬度与钴含量和WC平均粒度的对应关系［8-9］。由图1可知，选择细颗粒的WC以及降低硬质合金钴含量，能够有效提升硬质合金的硬度。

图1 钴含量和WC平均粒度对硬质合金硬度的影响

相较于普通硬质合金，低钴超细晶硬质合金有以下特点：

（1）在钴含量相同时，超细晶使硬度和强度同时提高［3］。

（2）在晶粒度相同时，降低钴含量能够提高硬度并同时提高抗粘附磨损能力。

目前，我国已经工业化生产汽车轮胎钢帘线用WC-6%Co硬质合金拉丝模，通常采用0.4μm的超细晶WC，硬度达到HRA93.5以上，其使用性能与国外拉丝模相媲美。

对国内硬质合金湿拉模与国外同类产品的材质性能进行对比。由表2可知，国内A各项性能与国外B相当，国外C牌号硬度在3者中相对较低，晶粒度也较粗，因此其耐磨性将比国内A和国外B要差一些，这会降低其在钢帘线生产过程中的使用寿命。

表2 国内与国外不同厂家模芯材质性能

1.3 梯度硬质合金

梯度硬质合金是指成分或微观组织结构呈规律分布，从而使得其性能呈梯度变化的硬质合金。目前应用最广的两种功能梯度硬质合金为Dual property系列硬质合金凿岩工具（瑞典山特维克公司制造）以及脱β相的涂层硬质合金刀片基体（日本铃木公司首次制造）［10-11］。研究人员通过拉拔3RS17牌号自动焊丝，对比常规WC-6%Co硬质合金拉丝模（HV硬度1750）和功能梯度硬质合金拉丝模（靠近工作区HV硬度为1980，而基体内部HV硬度为1340）性能。结果表明：在钴含量和WC晶粒度（平均粒度均为1μm）相同的条件下，功能梯度硬质合金拉丝模寿命较常规硬质合金拉丝模提高86%［12］。

2 涂层技术

在金属拉丝生产中，拉丝模具内孔工作区域的硬度和耐磨性对使用寿命至关重要。通过使用化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积(PVD)技术，在硬质合金拉丝模模芯内孔表面沉积硬质薄膜（如金刚石或氮化物、碳化物、碳氮化物、氧化物等），能够明显降低拉丝模模耗［13］。

2.1 化学气相沉积法

目前，在工业上广泛采用化学气相沉积技术沉积碳化钛、氮化钛、碳氮化钛和金刚石等薄膜来改善硬质合金基体的耐磨性以及寿命。通过涂覆碳化钛或氮化钛在硬质合金拉丝模内孔表面，使其在拉拔不锈钢丝、高碳钢丝等过程中使用寿命得到提高［14］。

金刚石具有高硬度、高耐磨性、耐强酸强碱腐蚀以及化学性能稳定等优势。从1980年代成功沉积金刚石涂层至今，化学气相沉积金刚石涂层技术飞速发展并获得巨大突破，其在耐磨涂层方面的应用广泛［15］。20世纪90年代，日本MurakawaM等［16］采用螺旋热丝化学气相沉积技术，成功将金刚石涂层沉积在硬质合金拉丝模内孔表面。唐庆顺等［17］采用热丝化学气相沉积技术，成功将金刚石涂层沉积在YG6硬质合金拉丝模（内孔孔径3.8mm）内孔表面，并将拉丝模使用寿命提高了8～10倍，同时改善线材表面质量。邱从怀等［18］在高碳高强度钢丝拉拔领域，采用金刚石涂层拉丝模与常规硬质合金拉丝模进行对比分析，结果表明：金刚石涂层拉丝模（内孔≥2.03mm）使用寿命较常规硬质合金拉丝模具有明显优势(提高5倍以上)。

2.2 物理气相沉积法

物理气相沉积技术是指通过物理方法，在真空环境中，将固体或液体气化成气体，然后在硬质合金表面低压气相成膜。物理气相沉积技术最早出现于20世纪70年代，相较于化学气相沉积技术，其具有以下优势：

（1）工艺温度可控制在500℃以下，对硬质合金基体的材质影响较小；

（2）涂层内部应力为压应力；

（3）环境友好，符合绿色发展要求；

（4）纳米物理气相沉积涂层具有硬度高、结合强度高、抗氧化性好以及涂层厚度控制精准等优点。

在1980年日本首先采用物理气相沉积技术将氮化钛涂层应用在硬质合金，提高了刀具的耐磨性以及使用寿命。Panjan P等［19］通过物理气相沉积技术，在硬质合金拉丝模表面成功沉积氮化铬涂层，并将拉丝模使用寿命提高了1倍以上。

3 拉丝模孔型优化

在20世纪80年代以前，国内的拉丝模大多沿用苏联50年代孔型设计，即“弧线形”孔型设计如图2a所示。随着线材、管材拉拔速率的提升，拉丝模磨损过快、寿命不足的问题亟待解决。为此，美国研究者Maxwall T和Kennth E G设计出“直线型”拉丝模孔型结构［20］，孔型设计如图2b所示。相较于“弧线型”模芯内孔设计，“直线型”拉丝模内孔设计具有如下特征：①合并入口区和润滑区；②延长入口区和压缩区的高度；③定径区平直且高度合理；④各区域纵面线均平直。

图2 “弧线形”（a）和“直线型”（b）拉丝模孔型

近年来，针对两种孔型的拉丝模，国内研究人员进行广泛对比研究［21］。苏瑛琦等认为直线型孔型设计更优，其具有更好的稳定性以及更低的模耗［22-23］。而杨学锋则认为应根据实际拉拔工况，选择适合的拉丝模孔型设计［24］。生产厂家及研发人员应综合考虑拉拔工况以及修模工艺等因素，优化拉丝模孔型设计，提高拉丝模使用寿命。

通过改变拉丝模的孔型结构设计，可以改变拉拔过程中的拉力，并影响拉拔后产品中的残余应力［24］。因此，分析拉丝模各个区域的作用并进行设计优化很有必要［25-26］。

3.1 润滑区设计优化

润滑区的作用：金属线材、管材进入模具润滑区时，润滑液或润滑粉在线材、管材表面形成薄膜，薄膜被带入压缩区，使薄膜更为致密［3］。

润滑锥角是直接影响拉拔时润滑效果的关键参数［27］。润滑锥角的大小，需要根据润滑剂粘度、金属丝材质尺寸及润滑区长度等因素综合考虑。润滑锥角通常不宜选择过小，过小的锥角会使润滑剂不易流入、流动不畅，造成楔形堵塞。张敏、王永宏等［28-29］研究了拉拔过程润滑区锥角对润滑效果的影响，结果表明：较大的润滑锥角可以保证润滑液顺利进入压缩区，提高润滑效果，但润滑锥角设计太大不利于流体动压润滑，影响润滑效果。

润滑区的高度也是直接影响拉拔时润滑效果的重要因素，通常延长润滑区高度能够改善拉拔时润滑效果。

3.2 压缩区设计优化

压缩区是拉拔金属线、管材过程中，产品发生压缩变形的工作部位。压缩区的圆锥半角α是影响拉丝过程模芯受力的关键因素。汤飞［30］针对圆锥半角α对特殊钢丝拉拔的影响进行研究，实验表明：α对内孔所受的压力、拉拔应力及被拉金属线材性能（如韧性）有重要影响。Wistreich JG［31］针对不同模孔半角、不同的压缩率的拉丝模进行对比分析，得到拉拔应力曲线以及最佳半角。针对不同的拉拔工况（润滑条件、模芯内孔加工精度、金属丝材质、粗细等），圆锥半角α取值不同。减小圆锥半角可以提高线材的抗拉强度及韧性［30-33］。在提高拉拔速率时，需要减小拉丝模工作锥角以降低模耗［34-35］。但对于粗规格金属丝，金属丝与压缩区接触面积增加，导致摩擦损耗增大，因而需要增大圆锥半角以提高模具寿命［36］。

压缩区高度也是影响模芯受力的重要因素。压缩区高度越大，拉丝模的压缩区所受压力越小，导致拉应力显著降低，模具磨损降低。

3.3 定径区优化

定径区是控制金属线材、管材的截面尺寸的关键区域。定径区的高度应根据拉拔金属丝的硬度、截面大小和润滑等拉拔工况确定。张贵彤［37］在拉拔钢绞线时，通过延长5～8道拉丝模定径带高度，使用寿命提高了0.1～5倍。但是定径区过长，在拉拔过程中会增加摩擦力，使模具温度升高，影响模具寿命，同时也会导致拉应力增加，拉拔时缩线率、断线率提高，电耗增大；而过短的定径区高度，则会降低线材、管材表面质量（产生竹节形），还会影响金属丝材、管材尺寸（模具内孔过早磨损）［38］。对于不同的拉拔工况，定径区设计高度通常有以下规律：

（1）相比于软质金属材料，拉拔硬质金属材料时需要延长定径区高度；

（2）相比于大直径材料，拉拔小直径材料时需要延长定径区高度；

（3）相比于湿式润滑拉拔，干式润滑拉拔时需要延长定径区高度。

4 结语

影响硬质合金拉丝模寿命的因素很多，除了文中所述的模芯材质、涂层处理以及内孔孔型以外，还有合金制备工艺、模具加工工艺、拉拔工况等。随着国内外对拉丝模研究的不断深入，硬质合金拉丝模使用寿命将不断提高，以适应不断提高的拉拔速率，推动金属线材、管材行业发展。