异型钢丝的开发与应用

一、概述

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、航天以及军工用其他特殊合金异型钢丝等。目前国内的异型钢丝在形状、尺寸、公差、通条性和表面处理上仍与发达国家有着较大差距。

异型钢丝截面形状复杂，既有规则形状，如方形、矩形、三角形、六角形、扁形等，也有其他多边不规则形状。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。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，很多普通用途的异型钢丝国内均可生产，并能满足市场需要，但是仍有很大一部分用于高端产品的高质量异型钢丝依赖进口（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）。从整体来讲，国内异型钢丝与国外产品在质量方面差距主要表现在：

1、 尺寸波动大

国内生产的异型钢丝尺寸公差一般为±0.02~±0.03mm，较高精度可达±0.005 ~±0.015mm，而国外同类型异型钢丝公差为±0.003~±0.01mm。

2、 形状不规则

国内生产的异型钢丝形状不规则，尖角不充满，有镰刀弯和钢丝形状扭转等现象，这主要是模具加工技术和金属变形技术还有待提高。如国内某纺织器材厂从比利时进口的椭圆针布钢丝，断面切片投影放大了100倍，与根据椭圆长短轴理论作图比较，两者重合得天衣无缝，确实保证了钢丝的形状特点。

3、 通条性能差

不论是冷拉、软态，还是油淬火回火状态异型钢丝，国内产品都有通条性能差的问题。如同一盘钢丝，国内钢丝强度上下限一般在±100MPa；而国外同类钢丝则可达到±50MPa，有些甚至可达到±10MPa。质量不稳定是国内异型钢丝最大的问题。造成通条性差的主要原因是原材料问题及热处理工艺等。

4、 钢丝综合力学性能差

国内生产的异型钢丝在抗拉强度指标上可以达到国外同类钢丝标准，但其塑、韧性指标往往达不到要求，以至于钢丝使用时常常出问题。如轿车气门簧用卵形钢丝弹簧疲劳次数要达到百万次，而国内有些产品还达不到十万次，这主要是原材料钢质纯净度不够及生产、热处理工艺缺陷造成的。

5、 表面质量

国外进口钢丝表面较洁净，无损伤、沙尘、油土等问题，从外观看，要么是金属原色涂油防绣，要么是表面涂镀层，既美观又防绣。而国内生产的异型钢丝，包装简单，表面大多不进行特别处理，外观视觉差。

随着机械工业、汽车工业的技术进步，对高质量的异型钢丝的要求日益迫切，高质量的异型钢丝不仅形状要求多种多样，更要具有优良的力学性能，如高强度、高韧性、低松弛、耐腐蚀、耐疲劳、耐磨损等。法尔胜集团公司作为中国线材制品行业的领头羊，在线材制品的生产方面已经有了大量的技术储备，因此在通过一段时间的市场调研与试验后，决定以S型钢丝作为切入点，进行异型钢丝的开发与应用。

二、异型钢丝的主要工艺控制点

异型钢丝的生产方法主要分为模拉、轧制、辊拉、轧-拉复合等，以上几种生产方法各有优缺点，如下表对比：

结合选定规格产品的情况，可采用轧制和模拉两种生产方法。主要生产工艺流程如图1。

异型钢丝的主要工艺控制点：

1、宽展及影响因素的确定：宽展是圆丝在轧制前后的宽度变化量。不管是生产简单断面的圆丝、方丝、矩形丝，还是其他复杂断面的异型丝，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，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，因为影响宽展的因素很多，如压下量、摩擦 系数、钢丝材质、辊径等，通过工艺试验，确定这些影响因素跟宽展的关系，制定合理的轧制工艺，合理的估算圆丝半成品直径，控制成品丝尺寸精度。

2、钢丝道次变形率及总变形率的确定：跟圆丝拉拔一样，都需要合理的分配道次变形率以及确定钢丝的总变形率，以保证生产的顺利进行。可以用高度压下量近似的表示，通过试验确定不同强度丝材的道次压下量，进而制定不同规格产品的合理的轧制道次。

3、应力控制：由于各种因素如摩擦、温度不均匀或轧辊变形等造成扁丝变形不均匀时，在金属内部就会引起内应力，这种内应力称为附加应力；在轧制后残存在金属内部的附加应力成为残余应力。无论是附加应力还是残余应力，其中各自都包含拉应力和压应力，二者同时存在，且互相平衡。其中拉应力更为有害，当其值超过强度极限时，扁丝就会产生裂纹。因此在实际生产中，力求变形和应力均匀分布，以减少附加应力和残余应力。但是实际生产时往往难以控制，因此需要通过试验，合理的去除应力，添加去应力装置或者其他方法。

4、成品丝线性：轧制时容易出现侧弯现象，侧弯的成因是由于钢丝通条性能不均或退火后钢丝本身产生的硬弯所致。拟解决的工艺试验：提高热处理退火的均匀性；适当增加圆丝直径，退火后先轻拉，再进行轧制。

5、热处理工艺试验：一般客户对异型钢丝都有一定的力学性能要求，如弯曲、延伸等。钢丝在经过轧制等冷加工变形之后这些力学性能就会相应的变化，弯曲和延伸性能降低，强度上升等。这些技术指标在很大程度上制约着国内产品的竞争，因此需要相应的热处理工艺试验，摸索生产工艺，进行高性能产品的生产，满足高端客户的需求。

6、润滑液：异型钢丝的润滑跟圆丝的润滑基本上一样，但是异型钢丝的生产速度快时变形热很大，直接影响轧制系统的精度，也影响异型丝的尺寸精度，因此异型钢丝对润滑剂的要求更高。拟选用几种润滑剂进行试验对比选择，确定不同材质异型丝所需要的最佳的润滑液。

7、导卫装置：导卫的作用是正确地将丝材导人轧辊孔型，保证异型丝在孔型中稳定变形，并得到所要求的几何形状和尺寸；同时又顺利、正确的将异型丝从孔型中导出，防止缠辊，还可以控制或强制丝材扭转或弯曲，并按照一定的方向运动。因此导卫装置应具有合理的结构、坚固耐磨、装卸方便安全、调整灵活等特点。因而要根据孔型形状、尺寸以及在轧辊上的配置使用情况，正确设计导卫装置的形状和尺寸，以保证导卫装置实现其作用。并根据生产实际选取合适的材质，并尽量使其常用部件标准化，减少机械加工量，减少备件储备。

三、大桥缆索主索缠绕用S 型钢丝的开发与应用

1、 S型钢丝用途

悬索桥主索的工作质量直接影响到全桥的使用寿命，其中耐久防腐性能是其中的重要指标。传统的防腐方法是防腐涂层+外缠圆型镀锌钢丝+外涂防水，但是在对主索年检过程中，发现主缆钢丝仍然出现锈蚀，因此润扬长江大桥悬索主索首次引进了日本新日铁公司研制的S型镀锌钢丝。S型钢丝（见图2、图3）相对于圆型缠绕钢丝最大的优势就是，S型钢丝作为主缆缠丝，缠绕后相互压扣为一体，密封效果良好，可以有效地阻挡雨水和海雾凝结水的侵入，以减少酸性介质对塔桥主缆的腐蚀，提高缆索的使用寿命，是大桥主缆缠丝的发展方向。

2、 S型钢丝主要性能

S型钢丝质量特性

3、 S型钢丝的生产工艺

模拉具有较高的尺寸精度，但模拉和操作投入较大，因此S型钢丝的成型采用了轧制与模拉相结合的工艺生产。其主要生产、工艺为： 盘条一一半成品圆丝拉拔一一多道次轧制一一热镀锌一一模拉一一收线。

S型钢丝是带有沟槽的异型钢丝，钢丝热镀锌时轴向旋转会严重影响钢丝尺寸和形状的变化，因而必须有合适的导向装置，并要防止已成形的钢丝被刮伤。尤其是沟槽中助镀剂要充分干燥，否则液体进入锌槽，汽化后锌液四溅，造成安全隐患。

四、结语

由于异型钢丝形状复杂、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，因此对异形钢丝的研发势在必行。但是异型钢丝的研发难度很大，针对不同用途和形状的异型钢丝需采用不同的方法进行生产，而且必须加强控制好每一个工艺控制点。

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