机械制造(冷加工)学科的范畴、研究内容及特点

机械制造（冷加工）学科的范畴、研究内容及特点

（以典型机械产品为例展开论述）

冉伟康

（北京石油化工学院）

摘要：该文介绍了我国金属冷加工行业，特殊钢丝生产现状和钢丝生产主要工艺流程。并通过介绍钢丝在原料表面处理、热处理、拉拔的过程，论述了冷加工的学科范畴、研究内容及特点。

关键词：冷加工钢丝拉拔机械制造表面处理

前言：金属冷加工是钢铁工业生产的一个重要组成部分。金属冷加工的种类较多，例如：钢丝、钢丝绳、钢绞线及其它金属制品等等。

1.1钢丝生产在国民生产中的地位

钢丝生产是以热轧线材(也称盘条)为原料,经冷加工而制成的线材制品"以钢丝为原料再加工而成的钢铁制品。如商品钢丝、钢丝绳等称为二次制品"钢丝生产与其它钢铁生产相比,具有工艺和装备技术较为复杂,产品质量要求较高,生产管理要求严格,生产周期较长等特点,属于技术密集和劳动密集型的钢材生产。因此,钢丝生产的水平,在一定程度上也反映出一个国家的工业规模和制造技术水平。金属制品中的钢丝是国民经济建设重要的基础材料,在国民经济中占着重要地位,其产品广泛应用于冶金、煤炭、石油、交通、通讯、化工、林业、渔业、机械、轻工、建筑等各个部门。因为钢丝具在其它钢材无与伦比的优点,其规格可小达0.00lllun,比头发丝还细10倍,且尺寸精度高,断面形状多样化,应用范围广阔,是国家重点扶持并鼓励发展的行业"我国金属制品材料行业经过五十年的发展,己逐步形成了多种经济成分共存、竞相发展的局面。随着国民经济产业的转型,对金属制品材料行业也提出了新的要求,在中低档次产品供过于求的同时,那些投资大、科技含量高、生产难度大、质量要求严的高档次产品出现了较大缺口。如钢帘线在我国问世已30年,但至今其规模、质量、数量都还不能满足市场的需求,缺口很大；又如汽车专用高级弹簧钢丝、高强度耐疲劳的石油专用钢绳、矿山提升用绳、电梯钢绳等。尽管我国均能生产,但由于品种质量规格等问题,目前仍需进口。挑战的背后就是机遇,因此,金属制品材料企业要发展,要状大必须加大资金投入,致力于产品科技含量和工艺、设备水平的提高。

1.2钢丝生产依据

钢丝生产主要是依据产品标准要求，确定生产方式。产品标准是供方与顾客之间的纽带。根据产品标准，采用合理工艺，实行科学管理，是确保产品合格的基本保证。

在钢丝生产中，同一个钢号（化学成分相同），采用不同标准，生产方式就不同。就T9A为例：当执行GB/T4357-89弹素弹簧钢丝标准时，必须采用连续线生产，产出的成品钢丝可用于制造各种弹簧、编制钢丝绳等。当执行GB/T5952- 86 弹素工具钢丝标准时，就必须采用周期线生产，产出的成品钢丝，可用于制造工具。如：刀具、钻头、制针等。因为，连续线和周期线产出的钢丝显微组织不同、力学性能不同、工艺性能不同，所以，用途不同。

值得阐明的是：不论是连续线生产还是周期线生产，热处理、表面处理、加

工变形，三大要素缺一不可。

2.1 钢丝热处理

热处理是钢丝生产的主要要素之一。曾有业外人士认为："拔丝属冷加工，操作简单，不必热处理，只要有相应模具挤压拉拔就行了"。这是对钢丝生产的一个误解。所谓冷加工，是指加工变形生产过程在常温下进行。而钢丝在加工变形前，必须以热处理手段改善钢材内在质量，达到标准要求的显微组织、同时得到良好的物理缩性和延展性，以便顺利加工变形。这就是热处理的重要所在。

钢丝生产的热处理有四个步骤：它们是原料热处理、中间热处理、成前热处理、成品热处理（不包括冷拉状态交货的产品）。

热处理主要种类有8种：

（1）完全退火：将钢丝加热到完全奥氏体化，缓慢冷却，获得接近平衡状态组织；

（2）不完全退火：将钢丝加热到Ac1~Ac3之间温度，达到不完全奥氏体化，随之缓慢冷却；

（3）球化退火：将钢丝（盘条）加热到Ac1温度之上，使钢的碳化物达到球化状态；

（4）再结晶退火：经冷加工变形的钢丝加热到再结晶温度以上，保温适当时间，使变形晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，消除冷加工硬化；

（5）光亮退火：钢丝在保护气氛或真空中退火，以防止氧化，保持钢丝表面光亮；

（6）正火：将钢丝加热到Ac3以上30~50℃，保温适当时间，再进行冷却；

（7）索氏体化处理（派登脱处理）：将中碳或高碳钢丝奥氏体化后，迅速移在Ar1以下适当温度（约500℃左右）的热溶中等温或空气中冷却，以获得索氏体组织；

（8）时效处理：钢丝经过固溶处理或冷缩性变形后，在室温或一定温度保温，以达到沉淀硬化目的（1）。

根据钢丝生产的具体情况，如：钢丝状态-- 原料、半成品、成品前、成品;产品标准要求；确定热处理种类，非常重要。当然，加热方式直接影响热处理质量。目前为止，我国冷加工的热处理加热方式较多，各有所长。

2.1.1 加热方式

加热方式有五种：

（1）燃煤加热；

（2）燃煤--土法煤气发生加热；

（3）天然气加热；

（4）管道煤气加热；

（5）电加热。

第一种加热方式成本较低，但，炉温不易稳定，钢丝表面易产生脱碳；第二种加热方式较第一种方式略占优势；第三种和第四种加热方式较优越，炉温较稳定；第五种加热方式是最理想的，虽然成本较高，但，无污染、炉温稳定、加热均匀、产品内在质量将大大提高，是生产高品位钢丝的最明智选择。

2.1.2 热处理主要目的

对盘条（原料）或钢丝加热主要目的有四种：

一是索氏体化（细化晶粒），提高抗拉强度，增加韧性和延展性；

二是球化退火，得到合理的显微组织，增加缩性和延展性，；

三是再结晶退火，使变形晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，消除冷加工硬化，有利于再次冷加工；

四是软化退火，无显微组织变化，仅仅是消除加工应力，满足力学要求（多用于成品钢丝）。

钢丝热处理按照它在钢丝生产工艺流程中的位置和作用,可分为预先热处理、中间热处理和最终热处理三种,它的目的和作用在于:

(1)为了提高热轧线材的塑性和消除其组织的不均匀性,要进行拉拔前的预先热处理,是指钢丝原料一线材所进行的热处理。亦称坯料热处理对于经轧制后采用控制冷却索氏体化处理的线材,由于其组织均匀冷拉性能良好,低碳钢线材均不需要预先热处理。

(2)为了消除拉拔过程中所造成的冷加工硬化现象,恢复钢丝的塑性,要进一步继续冷加工的中间热处理。一般末说中间热处理在钢丝生产过程中是必不可少的,例如钢丝在拉拔过程中的完全退火、中高碳钢丝的正火等。

(3)为了确保成品钢丝的机械性能和最终热处理,一般若成品钢丝要求热处理状态交货,那么在成品钢丝拉拔后,对成品钢丝进行的热处理称为最终热处理。若为使拉拔后具有高综合机械性能的成品钢丝,而其半成品钢丝所进行的热处理"若拉拔制绳用钢丝或轮胎钢丝,对成品钢丝的坯料所进行的铅淬火索氏体化处理,使其具有高强度和良好的韧性。所以,预先热处理!中间热处理和最终热处理在具体的某种钢丝生产工艺过程中是否全需要或者部分需要及中间热处理要进行几次,这就要根据线材状况、采用的工艺和设备以及产品的性能和要求而定。

2.2 表面处理作用

表面处理是钢丝生产的第二大要素。表面处理有四个程序：一是去除热处理产生的氧化皮（氧化膜）；二是中和，目的是防止残留酸性物质对钢的基体产生腐蚀；三是涂层，为增加载体保证润滑，有利于冷加工变形，确保钢丝表面质量；四是去除表面有害杂质（包括去涂层），确保钢丝无腐蚀，表面光滑洁净。

3.1 冷加工变形（拉拔）

冷加工变形（以下简称拉拔）是钢丝生产的第三大要素，也是最直观的一个要素。该要素是钢丝生产的主要过程。

拉拔生产要点有三：

一是拉拔总减面率的确定。拉拔减面率的大小，直接影响产品质量。根据钢丝品种不同、状态不同、一般拉拔道次减面率，应控制在9%~34%之间。合金钢类，拉拔总减面率一般不大于58%，碳素钢类一般不大于90%。

二是模具的选择。模具是钢丝拉拔生产唯一的缩性变形硬件。模具的质量如：尺寸精度、角度、光洁度等，直接影响钢丝拉拔的质量。模具的合理选择，关系到是否满足钢丝拉拔的要求。

三是润滑剂的选择。润滑剂是拉拔钢丝不可缺少的辅助材料，根据钢丝种类不同、状态不同、合理的选择润滑剂，是保证钢丝拉拔质量，生产顺利进行的必备条件。

钢丝拉拔过程实际上是钢丝塑性变形产生热量的过程,因此引起钢丝在拉拔时发热的原因主要有:原料表面的表面酸洗、表面润滑涂层、原料热处理、拉丝模具、摩擦、拉拔速度、压缩率等都是产生的过程,它产生的热量将对拉拔成品的强度和韧性产生影响。它的危害表现在:

（1）引起润滑剂的润滑失效,使润滑膜破坏。

（2）引起模具寿命的缩短:拉拔时的发热约有20%热量累积在模具中,若不及时