提高鋼絲抗拉強度穩(wěn)定性的措施

徐鵬飛

摘要：抗拉強度是鋼絲非常關(guān)鍵的一項性能指標(biāo)，其是否合格關(guān)系到鋼絲能否滿足特定的使用要求。在批量化的現(xiàn)代大生產(chǎn)中，一條生產(chǎn)線能同時生產(chǎn)50根左右的鋼絲，使這幾十條鋼絲的強度穩(wěn)定在一個確定的范圍內(nèi)，是一個非常值得探討研究的課題。結(jié)合實際生產(chǎn)，從鋼絲原材料控制、明火爐加熱、水浴冷卻等幾個方面展開論述，探究影響鋼絲強度性能穩(wěn)定性的因素，提出提高鋼絲強度穩(wěn)定性的方法。

關(guān)鍵詞：鋼絲?抗拉強度?元素含量?熱處理?水浴淬火

中圖分類號：TG156??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Measures?for?Improving?the?Stability?of?the?Tensile?Strength?of?Steel?Wires

XU?Pengfei

（Shandong?Daye?Shares?Co.，?Ltd.，?Weifang，?Shandong?Province，?262200?China）

Abstract：?Tensile?strength?is?a?crucial?performance?indicator?of?steel?wires，?and?its?qualification?is?related?to?whether?steel?wires?can?meet?specific?usage?requirements.?In?modern?mass?production，?a?production?line?can?simultaneously?produce?about?50?steel?wires，?and?it?is?a?very?worthwhile?exploring?and?studying?topic?to?ensure?that?the?strength?of?these?dozens?of?steel?wires?remains?stable?within?a?certain?range.?Based?on?actual?production，?this?paper?discusses?several?aspects?such?as?the?control?of?the?raw?material?of?steel?wires，?heating?on?the?open?furnace?and?cooling?in?water?bath，?explores?the?factors?that?affect?the?stability?of?the?strength?performance?of?steel?wires，?and?proposes?methods?to?improve?the?stability?of?the?strength?of?steel?wires.

Key?Words：?Steel?wire;?Tensile?strength;?Element?content;?Heat?treatment;??Quenching?in?water?bath

各種鋼絲的產(chǎn)量在逐年增長，鋼絲及其制品的應(yīng)用領(lǐng)域也是十分廣泛，從國家重點工程到百姓的日常生活起居，鋼絲的使用場景幾乎無處不在?？估瓘姸茸鳛殇摻z的一項關(guān)鍵性能指標(biāo)，表征著鋼絲是否滿足特定的使用要求。在現(xiàn)代工業(yè)化大生產(chǎn)的背景下，鋼絲的生產(chǎn)速度、生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量都有了飛速的發(fā)展和提高，一條熱處理生產(chǎn)線能同時高速生產(chǎn)多根鋼絲，例如32絲、48絲、56絲等，要使這么多鋼絲的抗拉強度穩(wěn)定在一個確定的范圍內(nèi)，必須采取一定的技術(shù)手段才能實現(xiàn)。

1?強度不穩(wěn)定導(dǎo)致的后果

抗拉強度是指鋼絲在靜載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力，常使用單位面積上受到的力（N/mm2）來表示，即鋼絲所承受的最大的力與原始截面積之比[1]。實際工程中多采用MPa作為其單位。

鋼絲抗拉強度不穩(wěn)定主要體現(xiàn)在三個方面：同一批次鋼絲間強度不穩(wěn)定，也就是鋼絲間強度散差大；不同批次間鋼絲強度有較大波動；同一根鋼絲不同位置強度不穩(wěn)定，也可以說是鋼絲的通條性不良。如果鋼絲強度穩(wěn)定性差，產(chǎn)出的鋼絲就會存在較大的質(zhì)量隱患，會給后續(xù)的生產(chǎn)造成許多的困擾，其最終的產(chǎn)品也會大概率存在質(zhì)量不穩(wěn)定的風(fēng)險，嚴(yán)重時不能正常使用，只能做報廢處理，浪費了人力、物力、財力。

如果生產(chǎn)的鋼絲抗拉強度出現(xiàn)了比較大的波動，說明整個生產(chǎn)過程出現(xiàn)了一定的問題，須從影響鋼絲強度的因素出發(fā)，找出問題所在并解決后才能生產(chǎn)出性能滿足要求的鋼絲。與此同時，已產(chǎn)出的鋼絲也應(yīng)謹(jǐn)慎對待，必須經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的技術(shù)評判之后才能確定使用流向，避免將存在有質(zhì)量隱患的鋼絲不受控的投用在正常產(chǎn)品當(dāng)中。

2?原材料的影響

鋼絲生產(chǎn)使用的原材料是線材，以成卷的方式交貨，也稱之為盤條，制絲用的盤條應(yīng)符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。盤條質(zhì)量的提升有力推動了鋼絲行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級，使鋼絲品質(zhì)得到大幅度改善[2]。盤條的質(zhì)量在整個鋼絲生產(chǎn)過程中扮演者非常重要的角色，起到非常重要的作用，高質(zhì)量的原材料是生產(chǎn)高水平鋼絲的基礎(chǔ)，在實際生產(chǎn)中，一定要加強對盤條物理性能、元素含量、表面質(zhì)量等項目檢測、監(jiān)控的力度[3]。

2.1?物理性能

盤條的物理性能通常指的是抗拉強度和斷面收縮率，可以通過拉力試驗機(jī)、輪廓投影儀等設(shè)備進(jìn)行檢驗、計算，檢驗數(shù)據(jù)在符合相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)的同時，亦應(yīng)符合公司的驗收標(biāo)準(zhǔn)。盤條進(jìn)貨驗收時應(yīng)抽樣檢驗其物理性能，通過檢驗數(shù)據(jù)可以判定是否能夠正常使用，也可以大致地判斷出該批次盤條所產(chǎn)鋼絲的強度水平，以有利于確定使用方向。

2.2?五大元素

盤條中含有許多種化學(xué)元素，其中主要的有五種，即碳（C）、錳（Mn）、硅（Si）、硫（S）、磷（P），一般稱之為五大元素。

碳是盤條中最主要的化學(xué)成分，雖然含量不高，只有百分之零點幾，卻決定了線材的軟硬程度和性能指標(biāo)。含碳量高，線材強度就高，但塑性會差；含碳量低，線材強度就低，塑性好；應(yīng)根據(jù)所產(chǎn)鋼絲的用途、性能，選用合適種類及碳含量級別的盤條。

然而，要判斷線材的性能，不只是要看碳元素的含量，還有其他一些元素的影響。錳是煉鋼時使用的脫氧劑和脫硫劑，也是鋼中的重要元素，可以與鐵形成固溶體也可以形成碳化物，能提高線材的強度、硬度、淬透性。硅是煉鋼時的脫氧劑，對線材的均勻致密性起著作用，能提高線材的抗疲勞性能，但是對線材的塑性會有一定的影響。硫是鋼材中極大的有害元素，在鋼材中會形成脆性雜質(zhì)，能降低金屬的塑性及耐磨性，在線材軋制過程中應(yīng)盡量去除。磷對鋼材也是十分不利的，能使金屬塑性惡化并引起鋼材的冷脆性[4]。鉻（Cr）元素能降低索氏體片層的間距，提高鋼絲的強度和加工硬化率。有些對強度數(shù)值有較高要求的鋼絲，可通過適當(dāng)提高盤條鉻元素含量的方式來提高鋼絲的抗拉強度，這樣也可以降低鋼絲拉拔過程中的應(yīng)變量[5-6]。

盤條入廠時要進(jìn)行力學(xué)性能和化學(xué)元素的檢驗，符合標(biāo)準(zhǔn)的才能正常投用，這樣可以從生產(chǎn)源頭上提高強度的穩(wěn)定性。盤條的表面質(zhì)量也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的檢驗，綜合判定后符合標(biāo)準(zhǔn)的盤條才能投入正常使用。

2.3?原材料投用控制

盤條中所含的元素會影響鋼絲的強度性能，尤其以碳、錳兩種元素的影響最為顯著。在生產(chǎn)中體現(xiàn)出，不同供應(yīng)商中相同碳含量級別的盤條所含的碳、錳元素含量是不同的，而且由于生產(chǎn)工藝存在差異性，其含量可能會相差很多；即使是同一家供應(yīng)商，不同批次間盤條的元素含量也是有差別的，不過這種差別都有合適的控制范圍。

在同一條生產(chǎn)線同時生產(chǎn)不同供應(yīng)商或不同碳含量盤條所拉的鋼絲時，抗拉強度就會就會呈現(xiàn)出較大的不穩(wěn)定性。例如：我司在試驗性投用廠商A和廠商B的70#鋼盤條時，主要元素含量都符合《優(yōu)質(zhì)碳素鋼熱軋盤條》（GB/T?4354-2008）國家標(biāo)準(zhǔn)，但是由于其碳、錳元素的含量相差較大，在中絲熱處理時采用了兩種不同的工藝設(shè)定，才獲得了所需性能的鋼絲。

為獲得強度性能穩(wěn)定的鋼絲，我們應(yīng)該將不同碳含量級別的鋼絲單獨生產(chǎn)，不同供應(yīng)商盤條拉的鋼絲單獨生產(chǎn)，在做到這樣的生產(chǎn)調(diào)配下，鋼絲性能的穩(wěn)定性會有明顯的提高。在生產(chǎn)同一家供應(yīng)商相同牌號的鋼絲時，應(yīng)做到盤條按照爐號投用，盡量做到一種規(guī)格的鋼絲使用同一個爐號的盤條生產(chǎn)，盤條間切換時的碳、錳元素含量相差不宜過大。這樣才能從原材料投用上保證鋼絲強度性能不至于有較大的波動。

3?熱處理工藝的影響

生產(chǎn)鋼絲用的盤條是以索氏體狀態(tài)交貨的，這種組織具有良好的強度和韌性，具有較高的拉拔極限，能夠滿足鋼絲拉拔和機(jī)械性能的要求。經(jīng)過拉拔后，索氏體組織的片層間距減小，其排列方向基本與鋼絲軸向平行，片層狀被拉細(xì)拉長，不能繼續(xù)變形，失去了再加工的能力，需要經(jīng)過熱處理重新索氏體化之后才能再加工[2]。

鋼絲熱處理就是把鋼絲加熱到一定的溫度，保溫一定的時間，然后選用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行冷卻，以獲得所需組織和性能的工藝方法。簡單來說，熱處理有三個階段：加熱、保溫、冷卻，控制好每一階段的工藝條件，就能獲得強度穩(wěn)定、性能優(yōu)異的鋼絲。

3.1?加熱爐的控制

現(xiàn)在眾多的鋼絲生產(chǎn)廠家中，熱處理過程使用較多的是預(yù)混式燃?xì)饷骰鸺訜釥t。這種爐子采取分段式加熱，可根據(jù)實際生產(chǎn)需求對每一區(qū)段的溫度、氣氛進(jìn)行單獨的設(shè)定，燃燒比較穩(wěn)定，溫度比較均勻。爐子各區(qū)段之間既相互獨立又相互影響，能非常好的實現(xiàn)鋼絲的連續(xù)快速加熱。

鋼絲在明火爐中經(jīng)歷加熱、保溫兩個階段，鋼絲在爐內(nèi)受熱過程中會產(chǎn)生應(yīng)力釋放、組織轉(zhuǎn)變以及成分的擴(kuò)散。使用較快的加熱速度和較高的加熱溫度使鋼絲充分受熱，能夠加大原子在奧氏體化過程中的擴(kuò)散速度，使奧氏體晶粒數(shù)目增多、分布更加均勻，進(jìn)而提高了奧氏體的穩(wěn)定性，有利于索氏體的形成，這種條件下生產(chǎn)的鋼絲通條性好，強度波動范圍變窄，穩(wěn)定性提高[7-8]。在生產(chǎn)中，爐膛加熱溫度使用熱電偶測量，采用精確度高、反應(yīng)靈敏的PLC溫控系統(tǒng)自動控制，依據(jù)測量的溫度數(shù)值調(diào)節(jié)進(jìn)氣量的大小，能使?fàn)t內(nèi)溫度波動保持在±5℃范圍內(nèi)，如果自動溫控系統(tǒng)無法滿足工藝要求，應(yīng)進(jìn)行人為干預(yù)調(diào)整。同時，加熱爐內(nèi)的燃燒氣氛設(shè)定要合理，越到加熱爐的后端氣氛應(yīng)越高，否則高溫下會大大加劇鋼絲脫碳、氧化的風(fēng)險，嚴(yán)重時會造成整批次鋼絲質(zhì)量異常[8]。

為獲得良好的加熱效果，應(yīng)該保證所使用天然氣氣源的穩(wěn)定性。不同廠家天然氣的成分含量、燃燒熱值是不同的，加熱后的效果也不同。當(dāng)天然氣熱值或供應(yīng)商發(fā)生變化時，應(yīng)關(guān)注鋼絲性能的變化，適時做出調(diào)整。

另外，鋼絲直徑變化、生產(chǎn)線收線速度變化會引起鋼絲實際受熱溫度的改變。為了保證鋼絲能夠受熱徹底、轉(zhuǎn)變完全，當(dāng)直徑或速度發(fā)生變化時，爐溫設(shè)定應(yīng)有相應(yīng)的調(diào)整。

3.2?水浴淬火的控制

由于環(huán)保的要求，更是基于對工人身體健康的負(fù)責(zé)，鉛浴淬火正逐步退出歷史的舞臺，水浴淬火作為一種環(huán)保的、無害的淬火方式被大部分生產(chǎn)廠家所接受。水浴是熱處理的冷卻階段，鋼絲在這一階段轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合再生產(chǎn)的索氏體組織。對于過共析鋼而言，鋼絲含碳量越高，在奧氏體化之后越應(yīng)該嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝的要求進(jìn)行水浴淬火，形成單一、穩(wěn)定的索氏體組織[9]。

水浴液是一種高分子聚合物的水溶液，鋼絲浸入水浴溶液時，會在表面會形成一層氣泡。由于高分子物質(zhì)增加了氣泡的表面張力，使其不容易破裂，鋼絲在氣泡中通過蒸汽膜與水溶液進(jìn)行熱量傳導(dǎo)[10]。根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，水浴淬火分為一段式水浴和兩段式水浴。粗規(guī)格鋼絲和極細(xì)規(guī)格鋼絲，例如：直徑＜1.00?mm的鋼絲，適用一段式水浴，所有轉(zhuǎn)變均在淬火液中進(jìn)行；細(xì)規(guī)格鋼絲適用兩段式水浴，通過調(diào)整水浴1#槽（WT1）、空氣段、水浴2#槽（WT2）的長度，控制鋼絲相變的時間和溫度，以獲得所需的強度性能[11]。

鋼絲在水浴中是發(fā)生冷卻相變的過程，淬火長度是控制鋼絲強度的一個關(guān)鍵點。初次設(shè)定淬火長度時，可根據(jù)冷卻后鋼絲的顏色、轉(zhuǎn)變點長度和鋼絲強度數(shù)據(jù)判斷設(shè)定是否合適。淬火槽可用擋板分成數(shù)個窄槽，根據(jù)鋼絲強度的分布，單獨調(diào)整每個窄槽的淬火長度，以獲得穩(wěn)定的強度性能。

水浴溶液的溫度、濃度對鋼絲強度也有很大的影響。溫度太高時，溶液沸騰，氣泡容易破裂；溫度太低時，鋼絲冷卻速度快，會形成難以變形的上貝氏體甚至馬氏體組織。當(dāng)濃度太低時，不能形成完整的蒸汽膜；濃度太高時，會造成材料的浪費，而且蒸汽膜不易破，冷卻速度會發(fā)生變化。在生產(chǎn)操作中，每隔一段時間應(yīng)定期校正淬火介質(zhì)的濃度，這是因為隨著使用時間的加長，溶液中的雜質(zhì)增多，例如：氧化鐵皮，這會使溶液濃度的檢測數(shù)據(jù)比實際數(shù)據(jù)要高一些。還有一點應(yīng)引起使用者足夠的注意，硼砂會對水浴溶液帶來致命的影響[10]，因此要檢測并控制溶液中硼砂的含量。

在鋼絲冷卻轉(zhuǎn)變過程中，要避免有風(fēng)吹到鋼絲上，風(fēng)吹會改變鋼絲轉(zhuǎn)變時的溫度，使鋼絲相變時間的差距加大，不同鋼絲間的強度散差會加大，在氣溫比較低的環(huán)境下這種散差會更加明顯。水浴槽附近的門窗應(yīng)關(guān)閉，在水浴槽的四周應(yīng)加裝側(cè)拉門，平時側(cè)門處于關(guān)閉狀態(tài)，可以避免這種情況的發(fā)生。

4?其他因素對強度的影響

4.1?干拉鋼絲的影響

干拉鋼絲平直度差，會增加明火爐內(nèi)絞絲并線的概率，加熱爐內(nèi)絞絲會使鋼絲受熱不充分，難以發(fā)揮碳元素對強度的影響，加大了鋼絲強度的不穩(wěn)定性，嚴(yán)重時會造成后續(xù)生產(chǎn)出現(xiàn)大批量斷絲。干拉鋼絲的平直度應(yīng)嚴(yán)格控制，不能出現(xiàn)諸如波浪絲、S彎等質(zhì)量異常，弓高、翹距亦要符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，已產(chǎn)生的不合格品須受控處置。要控制干拉鋼絲的平直度重點在人，應(yīng)加強對一線操作人員、質(zhì)量檢驗人員的操作技能培訓(xùn)和質(zhì)量意識培訓(xùn)，盡最大程度地做到不合格品少產(chǎn)生、零傳遞。

不同牌號的原材料混用會使鋼絲強度不合格，生產(chǎn)出的產(chǎn)品難以處理，在更換原材料時，應(yīng)核對來料信息是否完整、準(zhǔn)確。對于一些缺少材料信息的盤條，應(yīng)先確認(rèn)牌號再受控使用，如果無法確認(rèn)牌號，應(yīng)檢測盤條的碳、錳元素含量，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)判定生產(chǎn)流向。

4.2?生產(chǎn)設(shè)備的影響

生產(chǎn)線的放線方式對強度的穩(wěn)定性有一定的影響。被動搖臂式放線設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡單，使用比較廣泛，是通過收線機(jī)將鋼絲拉過整條生產(chǎn)線，搖臂只是將鋼絲從工字輪上放出來。這種放線方式會對鋼絲造成一定的扭轉(zhuǎn)，影響鋼絲的平直度，隨著生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，這種影響會不斷加大，這就使得加熱爐內(nèi)絞絲并線現(xiàn)象加重。條件允許的情況下，可使用主動放線設(shè)備，以緩解這一問題。

加熱爐的構(gòu)造會對鋼絲加熱有一定的影響，從而影響到鋼絲強度的穩(wěn)定。例如爐子燒嘴的分布密度，能影響到爐內(nèi)溫度的均勻性；爐內(nèi)完整的分線梳能將鋼絲分散開均勻的受熱等等。

5?結(jié)語

抗拉強度是金屬材料的一項重要指標(biāo)，在鋼絲生產(chǎn)過程中，盤條的物理性能、元素含量、熱處理加熱工藝、水浴淬火工藝等多方面的因素都對鋼絲強度穩(wěn)定性有影響。應(yīng)綜合采取有效措施，嚴(yán)格管控生產(chǎn)過程的每一個工藝控制點，使鋼絲強度處于一個合格且穩(wěn)定的狀態(tài)，避免出現(xiàn)強度不合格或波動大的現(xiàn)象。鋼絲強度的控制不是單一方面的管控，而是一項系統(tǒng)性的工程，需要從原材料采購?fù)队谩⒐に囋O(shè)計、生產(chǎn)設(shè)備、工藝細(xì)節(jié)管控等多方面的聯(lián)合采取行動，才能取得理想的效果。

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