切割钢丝,帘线湿拉

湿拉理论概述
湿拉工序是一个承前（HP）启后（Cord）的工序。

要获得令Cord工序满意的钢丝，不仅要优化湿拉的各项工艺参数，还要掌握HP工序的生产过程，以及盘条的各项性能，并且还要了解钢丝在帘线工序的工艺表现。

只有这样，才能及时准确地解决各种复杂多变的工艺问题，提高产品性能。

湿拉的工艺问题凭肉眼不易观察，需要使用金相观察、化学分析等工具和方法，需要力学、金属材料与热处理、有机化学、机械等多方面的知识。

湿拉的理论需要从微观和抽象的角度去理解。

在这里仅根据生产实际情况对湿拉的工艺理论进行了简要的介绍。

冷拉钢丝是利用金属的塑性，借助拉丝模具并在外力作用下使金属变形，从
而获得所需的形状、尺寸、机械及物理性能的一种金属压力加工方法。

作为其中的一种，湿拉专指把电镀黄铜钢丝拉拔至帘线成品所需的单丝直径的拉拔工艺。

湿拉因其使用润滑液润滑而区别于干式拉拔。

1. 拉拔力
1.1 钢丝的拉拔变形过程
图1， 钢丝应力分析示意图 如图1所示：
钢丝拉拔时，受拉拔力F 、正压力P 和摩擦力W 共同作用，发生塑性变形。

应力状态为两向压应力σr 、一向(轴向)
拉应力σl ，以及周向剪切应力τ。

因此，钢丝从表层到中心，变形程度逐渐
减小。

随着拉丝模入口角、钢丝与拉丝模之间的摩擦系数增大，这种不均匀变形将更加明显。

严重的不均匀变形与钢丝组织缺陷共同作用，将导致中心毛刺（断丝的一种）的产生。

图2，中心毛刺外观（×300倍）
当拉拔应力超过模子出口处钢丝的抗拉强度时，钢丝将发生颈缩而断裂。

由
W
W
F
P 钢丝
σ σ σ
σ τ τ σ
于钢丝内部组织缺陷的存在不可避免，因此钢丝实际的抗拉强度要远低于理论抗拉强度。

这一点在模序设计时必须要考虑。

根据固体变形理论，所有的塑性变形皆在弹性变形之后，并且伴有弹性变形，而在塑性变形之后必然有弹性恢复，即弹性变形。

根据光弹性试验，拉拔变形区内的应力分布如图3所示。

图3，变形区内的应力分布
在钢丝拉拔加工硬化不十分剧烈时，根据应力分析，径向应力σ
从入口向
r
逐渐增大。

此外由于湿拉是滑动式多模拉拔，反出口逐步减少，而轴向应力σ
l
拉力不断波动，引起模子入口处弹性区剧烈波动。

因而模子入口处磨损较快，易出现拉拔圆环。

在钢丝拉拔过程中，晶粒逐渐被拉长拉细，位错密度增加，从而钢丝的抗拉强度也逐渐增加，即发生了“加工硬化”。

当位错密度增大到一定程度，像裂纹这样的组织缺陷开始迅速增加并扩展，断丝的可能性也迅速上升。

因此，钢丝的变形是有一定限度的。

图4，钢丝的“加工硬化”
拉拔过的钢丝在一段时间后，抗拉强度会有一定程度的增加，我们称之为“时
效”（aging）。

这是因为金属中部分小原子在一定温度和时间条件下迁移到位错运动产生的断层中，修补了这些断层，从而提高了钢丝强度。

并且温度越高，时效所需时间越短。

因此既使在多道次拉拔过程中，时效也会不同程度的存在。

在拉拔过程中，由于钢丝的不均匀变形而产生附加应力，在拉拔后产生残余应力。

一般钢丝表面为拉应力，中心为压应力。

残余应力对钢丝机械性能有显著影响，对成品的尺寸稳定性也有不良作用。

图5，钢丝的残余应力
1.2各种因素对拉拔力的影响
- 拉拔力与钢丝的抗拉强度
拉拔力与钢丝的抗拉强度成线性关系，强度越高，所需拉拔力越大。

- 拉拔应力与变形程度
拉拔应力与变形程度成正比关系。

随着压缩率增大，拉拔应力增加。

- 拉丝模的几何形状对拉拔力的影响。

通过前面的应力分析可知，当拉丝模入口角增大，钢丝与模壁接触面积减少，摩擦力降低，但剪切力增加。

通过试验发现，最佳入口角约为11º。

图6，拉丝模入口角与拉拔力
- 拉拔速度对拉拔力的影响
在低速（5m/min以下）拉拔时，拉拔应力随拉拔速度的增加而有所增加。

当拉拔速度增加到6~10m/min时，拉拔应力下降，继续增加拉拔速度对拉拔应力影响不大。

开动拉拔设备瞬间，由于产生冲击现象而使拉拔应力显著增大，这也是启动断丝的原因。

- 摩擦与润滑对拉拔力的影响
在湿拉过程中，钢丝与模子之间会产生很大的摩擦力和很多热量，使用润滑液可以在钢丝与模子之间形成一层耐压润滑膜，防止钢丝与模子之间直接接触，从而减少摩擦和磨损，有利于钢丝拉拔。

钢丝湿拉时的润滑方式是介于流体润滑与边界润滑的混合润滑。

另一方面，润滑液有冷却钢丝和拉丝模的作用。

拉拔过程中，钢丝与拉丝模之间的摩擦系数大小对拉拔力有很大的影响。

润滑液的耐压性能、润滑方式、拉丝模材质、拉丝模和钢丝的表面状况对摩擦系数的大小皆有影响。

拉丝模越硬，抛光得越好，钢丝越不容易粘结拉丝模，摩擦力就越小。

在模子入口处改善建立流体动力润滑条件（润滑楔效应），也能降低摩擦系数。

流体动压力越大，润滑效果越好。

流体动压力的大小与润滑楔的角度、润滑液性能、粘度以及拉拔速度有关，润滑楔的角度越小、润滑液粘度越大、拉拔速度越高，则润滑楔效应越显著。

- 反拉力对拉拔力的影响
根据图1的受力分析，随着反拉力的增加，模子所受到的压力近似直线下降，拉拔力P逐渐增加。

但是，在反拉力Q达到临界反拉力Qc之前，对拉拔力并无影
的大小主要与钢丝的弹性极限和拉拔前的预变形程度有关，响。

临界反拉应力σ
Qc
而与该道次的压缩率无关。

弹性极限和预变形程度越大，则临界反拉应力也越大。

这是因为，随着反拉应力的增加，模子入口处的接触弹性变形区逐渐减少（如图3所示）。

同时，钢丝作用于模壁上的压力减少，继而摩擦力也相应减少。

摩擦力的减少值与此时的反拉力值相当，故拉拔力并不增加。

当反拉力超过临界反拉力，将改变塑性变形区内的应力σr、σl的分布，使拉拔力增大。

利用这一点，将反拉应力控制在临界反拉应力值范围以内，可以在不增大拉拔应力和不减少道次压缩率的情况下减少模子入口处金属对模壁的压力磨损，延长模子的使用寿命。

- 振动
在拉拔时对模子施以振动可以显著降低拉拔力。

振动的方式有轴向、径向和周向。

在公司还没有使用这种技术。

1.3拉拔力的理论计算
拉拔力的理论计算方法较多，如平均主应力法、滑移线法、上界法以及有限元法等。

目前应用较为广泛的为主应力法。

根据图1钢丝拉拔中的应力分析示意图。

在变形区内x方向上取一厚度为
dx 的单元体，并根据单元体上作用的x 轴向应力分量，建立平衡微分方程：
dx f D D dD D d n lx lx lx )tan (4
1
))((4122ασππσσσπ+-=++ 略去高阶微量得：
0)1tan (2=+++dD f
dD D n lx lx α
σσσ
当模角α与摩擦系数f 很小时，采用近似塑性条件σlx - σn = σs 。

积分得：
⎰⎰
=+-D
dD
B B d s lx lx 2)1(σσσ
利用边界条件，当反拉应力为σq (<σs )时， c D B B B
s q +=+-0ln 2])1(ln[1
σσ 最终，拉拔应力σL :
B q B s L D D D D B 20
1201)(])(1)[1
1(σσσ+-+
= 式中 σL —— 拉拔应力；
σs —— 钢丝的平均变形抗力； B —— 参数；
D 0 —— 钢丝拉拔前直径； D 1 —— 钢丝拉拔后直径；
σq —— 反拉应力。

反拉应力的计算在后面有介绍。

2. 拉拔过程中钢丝的变形与断裂
钢丝在力的作用下，总要或多或少的发生形变。

作用力去除后，立即消失的那部分形变叫弹性形变。

永远残留的那部分形变叫塑性形变。

塑性形变大致可分为两类：冷塑性形变和热塑性形变，以是否高于再结晶温度来区分。

湿拉钢丝过程主要是冷塑性形变。

2.1 钢丝塑性形变在显微组织中的反映
随着钢丝形变的进行，晶粒逐步改变其外形。

在受单向拉伸的情况下，晶粒沿着钢丝拉伸轴的方向逐步伸长，如果不断裂，最后可变为难于分辨的纤维状晶粒。

但是，各晶粒形状的变化并不均匀一致。

从图7中可以看到，总的来说，晶粒都伸长了，但珠光体（黑色，较硬）比铁素体（浅色，较软）的变形小，并且各自间的变化也存在不小的差异。

钢丝中的晶粒的塑性形变是通过切变而进行的，而切变是由于位错运动造成的。

许多试验表明，形变后晶体中的位错数量不是少了，而是显著增多了。

M : 1100 x
ISC wire diameter. 1.24 mm - 0.70 % C
M : 1100 x
Wet wire drawing 1.24 0.25 mm
图7 钢丝晶粒组织在湿拉前后的变化
2.2晶粒大小对塑性形变的影响
由于晶界对形变主要其阻碍作用，在相同外应力作用下，大晶粒的形变有一个晶粒转移到另一个晶粒的机会就要大的多，小晶粒正好相反。

因此晶粒越细，钢丝屈服强度越高。

由于晶粒尺寸大时，形变受晶界影响的区域相对缩小，晶粒内部和晶界附近的相对量相差就相对要大；而细晶粒相反。

并且，晶粒越细，形变的不均匀性越小，引起应力集中的概率也越小，开裂的机会也相应减少，在断裂前可以承受较大的变形，即面缩率或延伸率增大了。

因此，晶粒细的钢丝不仅屈服强度高，塑性和韧性也高。

2.3加工硬化
钢丝拉拔过程中钢丝的工程强度指标σs、σb以及硬度等显著增加，但是塑性指标δ和φ下降，这一现象称之为加工硬化。

位错密度的增加对加工硬化起着决定性的作用。

事实表明，如果位错密度不增加，或增加很少，即使形变量很大，加工硬化也很小。

位错密度越大，位错在滑移过程中相互交割的机会越多，相互间的阻力越大，因而形变抗力增大。

形变抗力增大，表明位错运动阻力越大，位错越易塞集，位错密度的增加也越快。

二者相互作用促使硬度和强度迅速增加。

图8不同碳含量钢丝的应力－应变曲线
2.4钢丝的断裂
钢丝在外力作用下，如果不能用塑性变形，或根本不能以塑性变形来松弛时，若继续增加应力，就会以断裂的形式彻底松弛。

对于塑性好的钢丝，是塑性变形的结束；对于塑性差的钢丝，是弹性变形或塑性极小的终结。

前者称为韧性断裂，后者称为脆性断裂。

钢丝的断裂通常是由裂纹的生成和长大两个基本过程组成，而裂纹往往在湿拉以前就出现了，甚至在盘条中就已存在。

裂纹的长大在初期是很缓慢的，只在后期才迅速扩展。

研究断丝不仅对湿拉有重要意义，对整个公司的正常生产都有很大作用。

钢丝断裂的基本形式在理论上分为：
（1）解理断裂。

解理断裂是典型的脆性断裂，多发生在温度低、塑性差的情况。

（2）切变断裂
切变断裂简称切断或剪断。

金属晶体切断的形式多样，但无论哪种切断，实际上都和形变过程没有截然分开的界线，都是当钢丝形变到有效受力面积位零时才发
生断裂。

不像解理断裂那样，先在金属内部产生小裂纹，而后裂口扩大，最后导致断裂。

（3）晶界断裂和穿晶断裂
晶界断裂过程一般无明显塑性变形，多属于脆性断裂。

产生条件是，晶界富集溶质元素或晶界析出脆性相。

穿晶断裂的形式多样，即可是韧性，也可以是脆性的。

分析断口形态是研究断裂过程的重要途径之一。

观察断口，除了用肉眼或放大镜进行宏观分析外，还可以借助光学显微镜和电子显微镜进行微观分析。

前者有利于了解整个断面的一般情况，后者有利于深入细致地了解断口各部位地细节。

用一般光镜观察断口，由于其焦距断、景深浅，局限性较大，而电镜正好能弥补光镜的不足。

所以电镜在断口的高倍分析中起了很重要的作用。

可惜，公司至今为止还没有电子显微镜。

断口的结构和形态在理论上可分为：
（1）解理断口
这种断口主要是由于解理断裂产生。

在宏观上表现是断裂前或断裂过程中没有明显的塑性变形，具有粒状结晶组织特征，呈金属光泽。

如改变观察角度时会出现闪光现象，实质是晶体暴露在断口上的解理面。

（2）韧窝断口
这类断口宏观表现是，断裂前钢丝发生过明显的塑性变形，断口呈灰暗色，没有金属光泽，具有纤维状结构特征，无结晶颗粒组织特征。

韧窝的形成，大多都经过塑性变形、形成空洞、空洞扩展、空洞凝聚贯穿形成裂纹、裂纹扩展而导致断裂。

空洞源于微裂纹，而微裂纹最易沿夹杂物或第二相界面产生。

当空洞扩展到一定程度，将会引起应力集中，而加速形变。

（3）晶界断口
晶界断口属于脆性断口，与解理断口类似，但色泽较暗。

引起晶界断口的原因主要是第二相质点沿晶界的分布。

（4）混合型断口
影响断裂的因素很多，如金属的成分、结构、组织、受力状态、变形速度、形变温度、工艺状况等。

但除了纯切变断裂外，无论哪种断裂都是通过裂纹的形成和扩展实现的。

因此，钢丝组织内部有无裂纹，或能否产生裂纹，以及裂纹能否扩展，是决定断裂的基本因素。

在湿拉实际生产过程中，将常见断丝类型按典型特征分类，主要分为4类：（1）颈缩
（2）中心毛刺
（3）表面撕裂
（4）脆断
断丝原因与拉丝模堵塞、镀层不良、钢丝表面滑伤、组织缺陷（夹杂、脱碳、马氏体、焊接质量差等）有关。

实际生产中应当具体情况具体分析。

3.建立稳定的湿拉工艺
3.1建立拉拔的条件
湿拉是一种带滑动多模连续拉拔过程。

滑动是指钢丝会在塔轮表面滑动。

多模是由于湿拉时钢丝的压缩率很大，需要多道次拉拔。

图9显示了钢丝在湿拉机上拉拔时的受力状态。

图9 湿拉过程中钢丝受力示意图
对通过第n 个模子的钢丝建立拉拔力Pn ，需要对钢丝施加拉力Qn 。

Qn 对塔轮产生压力N ，从而产生摩擦力。

Qn 也是第n+1个模子的后张力（反拉力）。

为了不出现钢丝拉细，形成建立稳定湿拉过程的第1个条件：
σL = L
L S P < σS 式中： σL － 钢丝在模子出口断面上的拉拔应力；
P L － 拉拔力；
S L — 钢丝拉拔后截面积；
σS －钢丝拉拔后的屈服强度。

建立稳定湿拉过程的第2个条件：模序延伸率必须大于机器的固有延伸率。

机器固有延伸率Km, 模序延伸率Kn ，有： Km =
11--n n n n R R ωω , Kn = 1-n n S S Kn ≥Km,即：Kn = 1-n n S S ≥ Km = 11--n n n n R R ωω＝1-n n u u =1
122--n n n n R v R v ππ 即滑动系数τn = m
n K K ≥ 1，但τn 不能太大,且τn ≤τn-1。

一般，τn ＝ 1.00 +
min min max Sn Sn Sn - 式中，Snmax 指拉丝模直径正超差；Snmin 指拉丝模直径负超差。

如果滑动系数τn <1，则钢丝在塔轮线速度大于塔轮表面线速度，产生的摩擦力与建立拉拔力所需的摩擦力方向相反，拉拔无法实现；并且意味着钢丝拉拔前的单位体积流量小于拉拔后的单位体积流量，即发生断丝。

建立稳定湿拉过程的第3个条件：钢丝绕在塔轮上必须有足够的圈数来建立拉拔所需的摩擦力。

否则，过大的反拉力增加断丝的风险。

根据柔性物体绕圆柱表面摩擦定律得，反拉力为：
Qn =mf e
Pn 2 式中：m —绕线圈数，湿拉生产中一般为2～4圈；
f —摩擦系数，取0.1。

对于成品模K 以及中间任一个道次n ,有：
Vn = Sn
S V k k < u n = ωn R n = 2πv n ×Rn
其中，V k ，v n 为常量 (v 塔轮转速)，如图10所示。

图10 成品道次与中间道次
当S k 变大或S n 变小（换新模） 将导致 V n 变大，当V n >u n 时，将导致钢丝拉断。

因此，产生建立湿拉过程的第4个条件：拉丝模直径超差必须在一定范围内。

3.2 焊接
要实现湿拉的连续高效生产，ISC 钢丝必须首尾焊接在一起。

如果钢丝焊接质量达不到要求，焊接点将无法通过所有的拉拔道次和后工序的生产。

因此，良好的焊接工艺对生产的稳定十分重要。

电阻对焊是最常用的方法。

对焊操作有以下四个步骤：（1）钢丝端头准备，
（2）通电加热、顶锻，（3）通电回火，（4）清除焊疤。

公司用钢丝为高碳钢，对焊接头的金相组织十分复杂。

通电开始时，以接触电阻为主。

随着温度的升高在挤压力作用下，钢丝的接触端面趋向平贴，接触电阻减少，逐步过渡到以钢丝自身电阻为主。

其温度分布是接口区高，然后向两侧陡降。

加热到一定温度（>1000ºC ），顶锻应快，在瞬间将接触面附近的高温金属（过烧）和氧化物夹杂挤出。

但此时金相组织是球化组织，而不是片状珠光体组织。

在临界点AC 1温度以上，球状珠光体向奥氏体转变，同时奥氏体晶粒逐渐长
大。

对焊接后的冷却过程，冷却速度较快，焊缝附近在冷却过程中形成各种不平衡组织。

从焊缝向两侧依次为“贝氏体+屈氏体+索氏体”、“贝氏体+马氏体+残余奥氏体”、“索氏体+碳化物”、“索氏体+碳化物+铁素体”。

此时焊接区脆性严重，
需要高温回火处理。

由于加热时间短，回火温度应偏高（700～750ºC ），如果回火温度过高，会重新产生部分奥氏体。

当加热时间足够，焊接区的组织会趋于均匀，大体为索氏体+碳化物组织。

3.3 润滑
在钢丝拉拔过程中，钢丝与拉模间会产生很高的摩擦力和热量，使用润滑剂可以在钢丝和拉模之间形成一层耐压润滑膜，防止钢丝与模子直接接触，从而减少摩擦和磨损，有利于钢丝拉拔。

湿拉润滑液一方面具有润滑作用，另一方面具有冷却和清洗钢丝表面作用，并且经过拉拔，润滑液中的部分成分残留在钢丝表面，调整钢丝表面状态，减小钢丝在捻制时的摩擦力，并且不能降低钢丝与橡胶的粘合力。

公司现在使用的是Variol 润滑剂与Trepalbe 皂片按4：1重量比为主配制而成的乳化液，主要成分为硬脂酸盐和一些耐压耐高温添加剂。

使用中还要添加磷酸、磷酸锌，NaOH 、软水，共同形成合适的润滑剂，并循环使用。

图11 润滑循环示意图
影响润滑剂效果的因素有：
有效润滑成分在拉拔中不断消耗，Cu 粒子由于钢丝镀层磨损不断增加，使得润滑液的润滑特性不断变坏，因此需要对各种乳化液参数进行监控调整，使之控制在较稳定的范围内，从而保证润滑性能的稳定。

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有机磷酸锌颗粒大小 有机磷酸锌浓度 Cu 浓度 机器上润滑剂温度 脂肪酸和表面剂浓度 润滑 作用 磷化作用 润滑剂效果。