异型钢丝生产工艺技术综述

1、第十六篇异型钢丝生产工艺技术第一章概述第一节异型钢丝生产现状异型钢丝亦即非圆断面钢丝，由于其断面形状复杂、尺寸精度高、形状免切削和长度 无限长等特性，因而具有广泛的用途，如机械弹簧和垫圈用方形（或梯形）钢丝、汽车及 摩托车用高档化油器及活塞环钢丝、玻璃升降器与座椅调角器用大规格扁钢丝、纺织行业 用针布钢丝和儿童玩具及钟表用发条钢丝、万吨压力机缠绕用高强度低松弛扁钢丝、航 天、军工用其他特殊合金异型钢丝等。国外20世纪60年代就能生产各种复杂断面异型钢丝，并形成了系列。我国异型钢丝起步较晚，20世纪70年代末和80年代初，仅有陕西钢厂、首钢特钢 厂、江西新余钢厂等几个大厂依靠本单位技术力量组织生

2、产一些简单断面异型钢丝，而且 还存在尺寸公差大、通条性差等问题，材料主要为碳素钢、不锈钢等。年产量多者上千 吨，少者不过几百吨、几十吨。由于其量小、生产难度大、质量差、效益不明显，因此， 没有引起厂家的重视。进入80年代末，由于国民经济发展的需要和市场经济的逐步形成，异型钢丝生产在我国得到迅猛发展，设备引进步伐也在加快，如某厂引进的意大利三 辊冷轧钢丝机组（型号为76/14型）、郑州金属制品研究院从英国引进的四辊滚拉模SGL65等，都为异型钢丝生产的技术进步做出了贡献。异型钢丝形状复杂，品种规格多，我国生产企业采取拉拔、轧制和拉轧结合的方式， 已能生产多种形状的异型钢丝，如图 16 1 1所示

3、。材料也从普碳钢发展为碳素结构钢、碳素弹簧钢、合金工具钢、不锈钢、耐热耐蚀合金钢、高铬轴承钢和有色金属等。 交货状态有退火状态、冷拉状态和油淬火回火状态，有成盘交货，也有直条交货。规格 从0.414mm不等，基本满足了市场的需要，但在钢丝形状尺寸、公差、通条性和表面 处理上仍与国外发达国家有一定差距。 C口 O 乂上二0 口口 QQ日qQ ra災图161 1钢丝截面示意图第二节异型钢丝的特点与分类一、形状特点异型钢丝形状有多种多样，既有方形、矩形，也有三角形、六角形，还有扁形和其他多 边不规则形等，由于其独特的轮廓形状，因而有以下特性：(1) 形状功能性。异型钢丝依形状和用途不同，有密圭寸、定

4、位、导向、稳定、实用等 功能，如机械用的键、卡簧、轴承保持架、半圆销用异型钢丝等就起到很好的定位作用；化 油器针阀、汽车活塞环就有很好的密封稳定性；六角螺母用钢丝、弹簧用方、矩形钢丝等， 很多特殊用途的异型钢丝都有很好的实用性。(2) 免切削和节省材料。现在生产的异型钢丝已能直接用于生产使用，不需要用户再进行机加工，因而能节省材料和减少用户许多麻烦，也降低了成本。(3) 高精度。目前用现代化手段生产的异型钢丝的尺寸精度可达到土 0.2 mm左右，有些可达到0.01mm以下，精度高者甚至可达到微米级，如汽车刮片钢丝，椭圆针布钢丝等。性能特点异型钢丝除了有明显的形状特点外，和圆钢丝一样，还应具有优

5、良的力学性能，如高强 度、高韧性、低松弛、耐腐蚀、耐疲劳、耐磨损等。轿车气门簧用卵型钢丝，不仅抗拉强度 要达到18002000 MPa，还要求疲劳寿命达到107次；再如万吨压力机缠绕用高强度、低 松弛扁钢丝，抗拉强度达到 1800 MPa时，松弛值要低于 2%。这样对异型钢丝生产提出了 更高的要求，只有材料严格把关(如对原料线材表面进行扒皮)，油淬火回火要添加无损探伤工序等新的生产工艺，才能保证一些特殊用途异型钢丝的质量。三、异型钢丝的分类异型钢丝除可按材质、交货状态来分类外，更确切的还是按断面形状进行分类:(1) 双轴对称类，如矩形(图16-1-2a);(2) 单轴对称类，如半圆形(图16-

6、1-2b);(3) 不对称类，如直角三角形(图16-1-2C)(a)(b)(c)图16-1-2异型钢丝分类示意图第三节异型钢丝用途及对原材料的要求(1) 异型钢丝用途见表16-1-1。(2) 异型钢丝对原材料的要求：异型钢丝的原材料既可是圆钢丝，也可是盘条，但大 多数厂家采用的都是盘条。生产中为了保证异型钢丝的性能，必须严格控制盘条的质量。一表16-1-1异型钢丝用途序号类别形状常用钢号常用尺寸/mm主要用途1机械弹方形、矩形、梯形、65Mn、70 号、60Si2MnA、50CrVA、55CrSi1 X1、2X2、1.5 3弹簧、弹簧垫圈、钟表发簧类扁形、卵形4X4、8X8、11 14条等2汽

7、车车 身附件扁、矩形、梅花形、 三角形65Mn、50CrVA、1Cr18Ni9、3Cr13、55CrSi2X4、1 X3、3X16、4X4、2.5 &1.5 2.6、0.45 2汽车软轴、玻璃并升降 器、雨刷器、座椅调角 器、活塞环等3标准件类矩形、六角扁形45 号、20Cr、40Cr键、六角螺母、内六方扳 手、三角钉等4针布钢丝三角形、椭圆等55 号、65Mn0.35 0.23、0.405 0.305、0.48 0.355纺织机械地，异型钢丝根据用途不同可分为两类：一类是主要要求形状，对性能不要求或要求不高， 如弹簧垫圈用方钢丝等；一类是形状、性能都要求，但更强调的是力学性能，如高档轿车气

8、门簧用卵形钢丝等。对盘条的要求除按优质碳素钢热轧盘条GB4354-94和不锈钢GB34356-84标准供货外，还要求盘条用钢应尽量采用炉外精炼等先进工艺冶炼，使钢中有害成分P、S的含量小于0.03%，盘条必须是通过高速轧机、控制冷却生产的大盘重盘条。但对有些重要部位用异型钢丝，如高档轿车气门簧用卵形钢丝、汽车、摩托车活塞环用 矩形钢丝，还必须对盘条用钢采用合金化及超纯净冶炼技术，以保证钢丝制品具有超常的性 能。为了获得较细晶粒度与提高钢丝的淬透性，常在碳素钢中加入一些合金元素如Si、Mn、Ni、V、Ti，目的是使铁素体固溶强化并细化晶粒，提高钢丝的淬透性，来保证大规格 异型钢丝淬火时获得马氏体

9、组织。同时，为了使钢丝强度高、塑性韧性好，保证制成品的疲劳寿命，除了采用表面剥皮技 术，以去除钢丝表面裂纹、脱碳等缺陷外，还需严格控制钢中夹杂物，因其大小及个数的多 少，将直接影响钢丝的塑性；要想获得强度高塑性好的钢丝，必须在炼钢和浇铸时采用超洁 净技术，去除有害元素 P、S、0、N等。超洁净钢经常采用的手段有真空熔炼、真空脱气(0、N等)和电磁搅拌，使钢中含氧量 w ( O)小于10X10-6的水平，各种非金属夹杂物要 达到少、小、匀、圆。第四节异型钢丝生产方法传统生产异型钢丝主要用机加工方式进行，如对方形钢丝采用圆丝四面锻或铣的方法 来生产，对扁钢丝则采取带钢先纵剪分条，然后再刨边的方法生

10、产，这样不仅浪费了大量 人力、物力，而且还浪费了材料，加大了成本，有些长度无限长的异型钢丝还无法生产。 而利用钢丝拉拔方式生产异型钢丝，不仅生产效率高，成材率高；而且为异型钢丝的使用 和后序加工如油淬火回火等创造了条件。根据异型钢丝形状对称性和宽厚比的大小，目前，异型钢丝拉（轧）生产方法主要有如下几种：（1）模拉法。即用事先加工成一定几何形状的硬质合金模（或聚晶模）从圆丝开始逐道拉拔，直至拉拔成所需尺寸、形状，每道变形率控制在15%22%,以方钢丝为例，变形过程示意如图16-1-3所示。该方法的优点是设备一次性投资小、产品形状精确、尺寸公差 小、通条性好；缺点是制模难度大、尖角欠充满、表面易划

11、伤、道次变形率和总变形率小、 生产周期长，有些断面形状的钢丝甚至无法生产。图16-1-3模拉变形示意图模拉按钢丝是否加热又分冷拉和温拉两种。（2）辊拉法。即用辊子组合成孔型，通过辊子从动方式，拉拔异型钢丝。辊拉从辊数上分有两辊辊拉、三辊辊拉、四辊辊拉和六辊辊拉等几种。辊拉单道次变形率可达30%左右,几种代表孔型如图16-1-4。该方法的优点是钢丝道次变形率大，尖角充满，形状精确，可生 产复杂断面和较难变形合金钢、不锈钢等。缺点是模具一次性投资大，生产过程中钢丝尺寸 波动大，生产时需多加注意。（3）轧制法。即通过两辊或四辊主动轧机生产扁钢丝或其他形状钢丝的一种方式，轧制有冷轧和热轧两种方法。冷轧

12、主要解决宽厚比SW4勺异型钢丝生产，特别是扁钢丝、梯形钢丝、半圆钢丝等。图16-1-4辊拉孔型布置图（4）轧-拉复合法。即先用轧机轧制出成品前形状，然而通过拉拔成形来生产异型钢丝 的一种方式，该方法的优点是道次变形率大，可生产宽厚比较大、形状复杂，仅靠拉（或 轧）难以生产的钢丝制品。以上几种方法各有优缺点，生产厂家可根据产品材料、形状、宽厚比、尺寸公差、力学 性能等各种因素综合考虑选用。第五节异型钢丝标准异型钢丝品种规格很多，标准也有国标、行标、企标等，但更多的是根据生产实际供需双方签署技术协议，来保证产品质量、满足用户需要。常用异型钢丝标准汇总见表16-1-2。表16-1-2异型钢丝常用标准

13、标准名称标准代号用途钢号常用规格& 弹簧垫圈用梯形钢丝GB/T5222-85弹簧垫圈65Mn、70 号、50CrVATD0.8、TD1.2、TD2.5、TD3 TD6针布钢丝GB/T347-82棉、麻、毛等纺织 用50、60、65Mn0.43 0.33、0.53 038、0.33 0.23、0.355 00.255汽车车身附件用异型钢丝YB/T5183-93汽车玻璃升降器、 挡圈、雨刷65Mn、50CrVA、 15号、25号、 1Cr18Ni92.5 8、2.15 X10、2.8 16、3 4软轴钢丝YB/T5184-93汽车软轴45号0.6 X1.0、13、3X6六角钢丝YB/T5186-9

14、3标准件45 号、40Cr内燃机用扁钢丝YB/T5185-93活塞环、油环、卡 环65Mn、50CrVA、60Si2MnA1.5 2.6、2.8 3.2、 3 4压力机缠绕用扁钢丝ASTM905-1993万吨压力机缸体及 框架缠绕65Mn、70 号、75号1 X4、1.5 5、1.5 6化油器用异型 钢丝企标汽车化油器针阀3Cr13、LF10 4.2、 5.2、 6.0第二章 异型钢丝辊拉新技术第一节辊模拉（轧）的特点与优越性异型钢丝生产中较多地应用辊拉（轧）来代替传统的固定模拉拔，这除了钢丝断面越 来趣复杂、模拉难以完成等因素外，更重要的原因是辊拉具有很多的优越性，主要有以下 几点：（1）可

15、实现复杂异型断面钢丝生产。这是因为辊模是由多个可自转的辊子叠加而成 的孔型，可单独进行精细车削、磨削加工；而固定模是由碳化钨硬质合金经线切割、研磨 而成。且模内孔形状构成复杂，由入口锥、定径段与出口锥构成，使用时磨损也不一样， 因此固定模寿命非常短，有些拉不到 1t钢丝，模子就已超过了所要求的尺寸公差，模子即 报废，造成成本加大。如汽车、摩托车活塞用油环钢丝，截面如图16-2-1此时仅靠固定模拉拔就无法生产出形状准确、尖角充满的钢丝。这不仅因为制模困难，更重要的是固定模 拉拔中金属受拉力作用，金属只延伸，不宽展；而辊模拉拔金属所受拉力小，既延伸又宽 展，能保证断面尖角的产生。（2）可提高钢丝变

16、形的部分压缩率和总压缩率。固定模拉拔异型丝时，变形金属表 面受滑动摩擦阻力，摩擦力大，金属表面残余拉应力也大，道次部分压缩率大了，表面 易拉出麻口，造成钢丝报废；同时，部分压缩率大了，钢丝变形热及摩擦热很大，表面 润滑膜易被破坏，造成粘模使钢丝表面划伤，拉拔无法正常进行。而辊模拉拔（轧） 时，变形金属的表面受滚动摩擦阻力，摩擦力小，金属的受力状态有利于金属塑性变 形，加工硬化慢，为提高钢丝部分压缩率和总压缩率提供了很大空间。相应地，部分压 缩率和总压缩率提高了，可以减少拉拔道次，减少中间环节，不仅降低了成本，而且提 高了生产效率。该方式特别对难变形金属的生产最有利。由图16-2-2可以看出，在

17、同样的条件下，辊拉比模拉的部分压缩率和总压缩率可分别提高10%左右。一一擾拉St lo 80图16-2-2辊拉与模拉强度对比（3 ）可减少变形能耗与热处理能耗。辊拉时变形金属所受的摩擦为滚动摩擦，模拉 时变形金属所受摩擦为滑动摩擦，因此，在同样拉拔条件下，辊拉比模拉所需功小。再 加上辊拉时总压缩率大，可减少中间热处理次数，因而可节能降耗，根据生产实践数 据，大约可降低能耗！（&。辊拉也可减少酸洗次数且不用涂层，这是因为辊拉减少了拉 拔道次，提高了变形总压缩率，中间热处理次数减少了，故也减少了酸洗次数，提高了 成材率。再加上辊拉时所受摩擦为滚动摩擦，摩擦力及变形热小，因而对钢丝表面处理 工艺要求

18、也低，生产时碳钢表面不用磷化，不锈钢不用涂层，大大节约了生产时间，降 低了成本。（4）可以实现无扭转连轧。异型钢丝对形状有要求，因此拉拔经卷筒收线时，因卷 筒有锥角，钢丝螺旋上升，故钢丝有扭转现象，在进行下一道拉拔时就必须靠导位校正，但残余压力无法消除，这就影响了钢丝质量。而轧制则无此现象，并可实现高速、 无扭轧制。如三辊*型冷轧机组，孔型采用圆一三角一圆一三角?系统，即可实现无扭 转连轧，如图16-2-3所示。（5）辊拉的缺点是模具成本高，钢丝尺寸精度受模具系统误差与钢丝发热等的影响 较大，尺寸公差波动大，要经常检查、校正。图16-2-3三辊&型轧机孔型示意图第二节辊拉工艺的制定辊拉异型钢丝

19、生产工艺流程如图16-2-4图16-2-4辊拉异型钢丝工艺流程注：虚线内工序要根据金属变形总量和产品交货状态决定。一、圆丝半成品直径的估算不管是生产简单断面的扁丝、方丝、矩形丝，还是生产其他复杂断面异型钢丝，都 没有精确地确定圆钢丝直径的方法，因为同一种尺寸的产品，不同的生产方法（拉、轧 或拉轧结合），对圆丝直径要求不一样，而且同一种尺寸产品，同一种生产方法，不同 的生产材料或设备对圆丝直径大小要求也不一样，因为影响材料宽展的因素很多。尽管 如此，生产实践中仍有以下规律可循：（1 ）摩擦系数越小，宽展越小，即光滑的辊面或钢丝和有效的润滑不利于钢丝宽 展，如图16-2-5。（2 ）轧辊辊径越大宽

20、展越大，反之亦然。这是因为辊径越大，变形区加大，纵向阻 力增大，金属更容易向宽度方向流动。0123压 T图16-2-5宽展与压下量和辊面状态关系示意图(3) 道次压下量越大宽展越大，道理如上所述。(4) 钢丝强度越高宽展越明显。(5) 钢丝冷轧(宽厚比 汰5)时，压下量是宽展量的1.051.1倍，轧制后周长是 圆丝周长的1.151.3倍。(6) 钢丝辊拉时，异型丝断面周长是圆丝周长的1.051.2倍。根据以上规律，可得出以下公式：dnn =+ h)td =山 + G = 2(力 + a)式中d圆钢丝直径；b异型钢丝宽度；h异型钢丝厚度；n系数，为1.051.25。因2/( nX近似等于0.5,

21、有时为方便计算起见，该公式可简化为：16碳素弹 簧扁丝热轧可一次成形，而冷轧，最少 45道次，而且要进行一次以上软化处理。和冷 轧相比，热轧有以下优点：(1) 一次成形，生产周期短；(2) 去掉中间退火，可降低能耗 20%;(3) 钢丝加热时间短(小于30 s),又不需中间退火，脱碳层薄(小于 1% d);(4) 提高成材率3%左右。钢丝的加热方式有感应加热和电接触加热两种，因感应加热设备昂贵，故大多使用电 接触加热。热轧的技术关键是要解决好钢丝的加热和轧辊的冷却，因为电接触钢丝加热时 钢丝表面所产生氧化铁皮，使钢丝和电极的接触不良，造成钢丝加热段温度不均，影响所 轧钢丝的尺寸公差；另外红钢接

22、触轧辊，使轧辊表面升温很快，所以轧辊冷却也是要注意 解决的问题。因为钢丝断面积一般都不大，热容量也有限，一般喷水冷却容易形成水花飞 溅，落到轧制前钢丝上，就可能形成一硬点，影响轧制和尺寸；同样水落到轧后钢丝表面 容易形成淬火马氏体，直接影响钢丝的力学性能，所以轧辊冷却一般为内循环水冷却和外 表面擦拭水冷。郑州金属制品研究院自己设计制作了一条热轧生产线，接触电流1000A，电压40V，可轧 12mm钢丝，产品最薄可轧到1.0 mm，最宽18 mm，生产能力 1000t/a。第四章异型钢丝生产新技术及产品发展动态随着机械工业、汽车工业的技术进步，对高质量异型钢丝的要求日益迫切，明显感到 有三万面变

23、化：一是市场对冷拉或软态供货的异型钢丝提出了更高的要求；二是油淬火回 火异型钢丝逐渐替代冷拉钢丝或软态钢丝，新的油淬火回火技术正在表现出其突出的优 势，有代替传统油淬火回火技术之势；三是异型钢丝断面越来越不规则，如轿车气门簧用 油淬火回火卵形钢丝，目前国内全靠进口；还有细、薄规格油淬火回火异型钢丝（活塞刮 片环等厚度仅0.4 mm左右），国内即便可以生产一些，但质量差距非常大，基本上无法满 足用户正常使用，所以该类产品仍以进口为主。第一节异型钢丝生产新技术发展动态为了保证异型钢丝具有优良的力学性能，除了控制异型钢丝的生产过程外，还要控制 异型钢丝所采用的原材料；为了保证异型钢丝的形状、性能，就

24、要提高模具加工和使用精 度。力学性能和形状是异型钢丝使用的主要技术指标，两者缺一不可，异型钢丝生产新技 术发展也主要体现在这些方面：（1）材料合金化及超洁净技术。即在炼钢时加入一些合金元素如：Si、Mn、Ni、V、Cr等，以利于细化晶粒提高钢的淬透性，来保证钢丝的高强度和高韧性；另外，严格 控制钢中夹杂物和有害元素，以保证钢丝的疲劳性能。（2） 钢丝扒皮技术。即在钢丝表面用扒皮模扒掉一层，约0.2 mm厚，以去除表面裂 纹和脱碳等缺陷，去掉钢丝表面裂纹源，保证钢丝优良的强度、韧性和疲劳性能。（3）钢丝软化技术。钢丝冷加工到一定程度，由于加工硬化的作用，使钢丝无法进 行后序加工，需对钢丝进行软化

25、处理。通常碳素钢采取退火处理，不锈钢（奥氏体型）采 用固溶处理。不管是哪一种热处理，都应严格执行热处理制度，防止过烧和晶粒粗大，同 时应严格控制炉子气氛，尽量采用真空处理或控制气氛（氮气等）使钢丝表面不脱碳、少 脱碳，以保证钢丝的疲劳性和耐磨性。（4）钢丝的铅淬火或油淬火加热新技术。过去钢丝铅淬火、油淬火时钢丝的加热一 般采用的是电阻丝管式炉或燃煤马弗炉等，而且大多无气体保护，这不仅使钢丝加热时间 过长，晶粒粗大，还会使钢丝表面脱碳，为了解决这一问题，常见的新型加热方法有两 种：1）电接触快速加热技术。利用大电流（1000A左右），低电压（60V以下）使钢丝导 电自身发热，如 8 mm钢丝加热

26、时间不超过 30 s,由于时间短，可使钢丝热处理后获得 超细晶粒组织。2）高频感应加热技术。利用高频技术，使钢丝感应产生电涡流发热，加热时间更短，一般在20 s内，日本已推出多项这方面的专利，采用34次循环感应加热技术，来获得超细晶粒钢。值得一提的是，钢丝的回火技术，特别是油淬火回火技术也有所发展，现在有些厂家 采用的沸腾粒子回火炉，不仅钢丝受热均匀，避免了铅污染，而且钢丝通过炉子不需要像 铅回火时那样打弯，因而钢丝无弯曲残余应力，弹直性能良好。（5）钢丝的形变热处理技术。形变热处理是将钢丝加热到奥氏体化温度区，然后冷 却至变形温度，将钢丝变形，然后淬火、回火，这一工艺过程有高温形变热处理和低

27、温形 变热处理两种，如图16-4-1。高温形变因有再结晶过程，应力有所消除因而强化效果小 些，但韧性和塑性较好；而低温形变热处理，在低于再结晶温度进行，强化效果好，但塑 性、韧性差些。形变的目的是细化晶粒，提高钢丝强度。强化的原理是形变强化与相变强 化的结合。研究表明：1）铬钒钢（如50CRV等）形变量每增加1 %，屈服强度增加约50 N/mm;2） 铬硅钢（如55CrSi钢）经低温形变热处理后的强度比未形变热处理强度高150 250 MPa,而塑性不降低；3） 相同钢种形变热处理比未变形热处理晶粒可细化12级。图16-4-1形变热处理工艺曲线示意图（6）异型钢丝模具加工及检验技术。异型钢丝模

28、具加工是异型钢丝生产的主要工 序，是保证异型钢丝形状及尺寸精度的基础。虽然辊模拉（轧）相比固定模拉拔有许多优 点，但在尺寸稳定性上就不如固定模，因此，辊模与固定模在生产中并存使用。随着技术 的进步，电火花技术、线切割技术、高速射流技术及电解抛光技术被应用在固定模成形、 抛光，超细粉末合金技术、高速变频磨削技术，被应用在辊模成形、加工、抛光上，固定 模孔型测量仪放大、投影、磨削，微电脑万能曲线磨床，应用在孔型加工测量、检验。所 有这些都能提高模具加工效率和精度。第二节异型钢丝新产品动态（1）钢丝断面形状越来越不规则，向多种规则形状组合的方向发展，这主要考虑钢丝成品轻型化和受力状态等因素，如图16

29、-4-2中的卵形钢丝断面就是由半圆、半椭圆和其他直线形状组合而成。（2） 尺寸规格向两个极端发展，市场对较大规格（单边尺寸大于10 mm）和较小规 格（单边尺寸小于1 mm）的需求量急剧增加，如模具簧用油淬火梯形钢丝，最大到14mm 13m m,钢丝螺母套用不锈菱形钢丝最小 0.5m m,针布钢丝尺寸一般也是 0.4mm左 右。（3）油淬火回火钢丝以其具有优良的力学性能和节材、降耗、高效等优点，在异型 钢丝中有异军突起之势。第五章 异型钢丝质量国内外差别与改进第一节 我国异型钢丝与国外的主要差距目前，国内厂家生产的异型钢丝规格多、品种全，除部分高质量异型钢丝需进口外(如：轿车气门簧用卵形丝、纺织器材用椭圆针布钢丝及活塞气环、油环、刮片环用 异型钢丝等)，大部分国内都可解决，并满足了市场需要。但从整体来讲，质量方面与国 外还有不少差距，主要表现在：(1) 尺寸波动大。国内生产的异型钢丝尺寸公差一般为土 0.02mm土 0.03mm,较高 精度可达土 0.005mm土 0.0015mm，而 国外 同 类型异型钢丝公差为土 0.003mm土 0.01mm。如国内某汽配厂进口的瑞典加非腾公司的刮片环