Förstå kall ritning

Kall ritning är en metallbearbetning process som minskar korsningen av ståltråd genom att dra den genom en serie av progressivt mindre dör vid omgivningstemperatur. Till skillnad från varmt arbete, som sker ovanför stålets återvinningstemperatur, kyla ritning sker under den tröskeln, vanligtvis mellan 20 ° C och 50 ° C. Denna lågtemperaturdeformation tillåter inte dynamisk återvinning, så den inre kornstrukturen blir avlång och tätare, vilket leder till betydande förändringar i mekaniska egenskaper.

Döen själv är en kritisk komponent. Vanligtvis gjord av cementerad karbid eller diamant (för fina ledningar), den har en ingång vinkel, en lager sektion och en utgångszon. Smörjning tillämpas för att minska friktion och värmegenerering; gemensamma smörjmedel inkluderar kalcium stearat, natrium stearat, eller oljebaserade föreningar. Minskningen av tvärsnittsområdet per pass varierar vanligtvis från 15% till 25%, men högre minskningar är möjliga med specialiserad förslning.

Påverkan på Yield Strength

Avkastningsstyrka är den stress där ett material börjar deformera plastiskt, vilket innebär att det inte kommer att återvända till sin ursprungliga form när lasten tas bort. I ståltråd ökar kall ritning av avkastningsstyrkan dramatiskt - ibland med mer än dubbelt det ursprungliga värdet. Denna ökning beror främst på arbete härdning, även känd som stamhärdning. Eftersom tråden dras, dislokationer (linjedefekt i kristallgiten) multiplicera och interage, vilket skapar hinder för ytterligare dislokation rörelse.

Förhållandet mellan dislokation densitet och styrka beskrivs väl av Taylor ekvationen: ]] = αGb ̧ | ]]], där | är skjuvstyrkan, α är en konstant, G är skjuvmodulen, b är Burgers vektorn, och ρ reducerar dislokationstätheten. Cold drawing kan öka ρ från ca 1012 m−2 i annealed stål till 1016 m−2 i tunga dragstyrka.

Faktorer påverkar styrka förbättring

  • Minskningsförhållandet per pass:] En högre minskning ökar dislokationstätheten och därmed ger styrka, men överdriven minskning kan orsaka ytdefekter eller dö slitage.
  • ]Antalet ritningspass: Fler pass tillåter stegvis förstärkning. Flera ljus passerar producerar ofta en mer enhetlig mikrostruktur än en enda kraftig minskning.
  • ]Drawing speed:[] Långsammare hastigheter tillåter bättre smörjning och minskar temperaturökningen, vilket leder till mer konsekvent deformation och mindre risk för adiabatisk mjukning.
  • ]Die vinkel:[] En större ingångsvinkel ökar hydrostatiskt tryck och friktionsvärme, vilket kan påverka graden av arbete härdning. En halvledig vinkel på 6°-10° är typisk för stål.
  • ]Steel komposition:[] legering element som kol, mangan, krom och vanadin påverkar förmågan att arbeta hårdare. Högre kolhalt ger i allmänhet större styrka efter ritning, men ökar också skörhet.
  • ]Lubricering och friktion: Otillräcklig smörjning leder till högre ytfriktion, vilket kan höja temperaturen och ändra materialflödet, ibland minskar den effektiva styrkan.

Fördelar med kall ritning

Kall ritning erbjuder flera olika fördelar jämfört med andra förstärkningsmetoder som värmebehandling eller varmvalsning:

  • Ökad draghållfasthet och avkastningsstyrka utan att lägga till legeringselement eller termisk energi. Tråden blir starkare rent genom mekanisk deformation.
  • Förbättrad yta:] Döerna bränner ytan, vilket minskar grovheten till värden så låga som Ra 0,2 μm. Detta är avgörande för tillämpningar där korrosionsbeständighet eller estetiskt utseende är viktigt.
  • ]Bättre dimensionell noggrannhet:] Kall ritning kan hålla diametertoleranser på ±0,01 mm, vilket gör den idealisk för precisionsdelar.
  • Förbättrad trötthetsresistens:] De kompressiva reststresserna som induceras på ytan under ritningen kan fördröja trötthetssprickinitiering, förbättra trådens prestanda under cyklisk belastning.
  • ] Inget behov av värmebehandling efter processen]] i många fall, vilket minskar energikostnaderna och produktionstiden.

Begränsningar och överväganden

Trots dessa fördelar är kall ritning inte utan nackdelar. Den viktigaste begränsningen är utvecklingen av restriktioner ]. Trådens yta kan lämnas i komprimering medan kärnan är i spänning, vilket kan orsaka varning, fördröjd sprickning eller stresskorrosion sprickning i aggressiva miljöer. Om ritningen är alltför aggressiv kan tråden bli så arbetsskada att den förlorar kanalitet och beter sig på ett språngt sätt.

För att mildra dessa problem, tillverkare ofta införliva en stressavfallsförtätning ]] steg efter den slutliga dragningen. Denna lågtemperatur värmebehandling (vanligtvis 200 ° C-400 ° C) minskar restriktioner utan signifikant sänkning av av avkastningsstyrkan. I vissa fall kan en fullständig anneal behövas för att återställa ductility för efterföljande bildningsoperationer, men det kommer att avväga styrka.

Jämförelse med andra förstärkande metoder

Kall ritning är bara ett tillvägagångssätt för att stärka ståltråden. Andra metoder inkluderar:

  • ]Hot rolling:[] Utförd ovanför återfallstemperaturen. Den ger lägre styrka eftersom dislokationer förintas under återkrystallisering. Men, varmvalsning ger högre duktilitet och lägre reststresser.
  • Quenching and tempering:]] En värmebehandling som kan uppnå avkastningsstyrkor jämförbara med eller högre än kall ritning, men det kräver exakt kontroll av temperatur och kylhastigheter, och kan orsaka förvrängning. Kall ritning är mer kostnadseffektivt för långa trådlängder.
  • ]Strain aging:[] Används ofta i kombination med ritning. Lågkolstål kan åldras efter att ha dragit för att öka avkastningsstyrkan med 10–20 % genom stiftning av dislokationer. Detta utnyttjas i produktionen av höghållfasta betongförstärkare.
  • Patenting:[] Används för högkolstålsledningar (t.ex. för däcksladd) är tråden uppvärmd i austenitfasen och sedan kyld i ett smält bly eller saltbad för att bilda en fin pearlitestruktur, vilket ger en utmärkt kombination av styrka och duktilitet innan du ritar. Efterföljande kall ritning förfinar ytterligare pearlite lamelle, producerar de högsta kända styrkorna för ståltråd (upp till 5 GPa i vissa speciella).

Varje metod har sin egen kostnad, energi och fastighetsavvägning. Kall ritning gynnas när hög styrka, täta toleranser och bra yta är nödvändiga till måttlig kostnad.

Ansökningar om kallt draget ståltråd

Den ökade avkastningsstyrkan från kall ritning gör detta material oumbärligt i många branscher:

  • Konstruktion:[ Förbestryktade betongsträngar, trådnät för förstärkning, och sliptrådar förlitar sig på kallt draget tråd för hög dragkapacitet.
  • ]Automotive:[] Ventilfjädrar, kopplingsfjädrar och suspensionskomponenter är gjorda av kalldragen tråd härdade genom att rita och ofta härda.
  • Industriella maskiner:[] Trådrep för kranar, hisskablar och gruvdrift använder flera kalla dragna strängar vridna tillsammans för att uppnå både styrka och flexibilitet.
  • ]Fasteners: Naglar, skruvar och bultar som produceras av dragna trådar dra nytta av ökad styrka utan extra kostnad.
  • ] Konsumentvaror:[ Musikinstrumentsträngar, paraplyband och även pappersklämmor använder dragna trådar för att upprätthålla form och hållbarhet.

I många av dessa tillämpningar är avkastningsstyrkan det primära designkriteriet. Till exempel anger ASTM A1060 minimiavkastningsstyrkor på 1 500 MPa för kalldragen förbearbetning av ståltråd. Sådana höga värden kan endast uppnås genom kontrollerade kylprocesser.

Slutsats

Den kalla dragna processen påverkar djupt avkastningsstyrkan av ståltråd genom att införa arbete härdning och spannmål förfining. Genom att noggrant välja die geometri, reduktionsscheman, smörjning och sammansättning, kan ingenjörer skräddarsy de mekaniska egenskaperna för att möta krävande specifikationer. Medan restspänningar och potentiella sprödhet kräver lindring genom stressavlastning eller efterföljande värmebehandling, den övergripande balansen av, precision och kostnad gör att kallt ritning en hörnsten av modern tråd.

För vidare läsning, se ] omfattande guide om kall ritning av stål ] av AZoM, eller ]ScienceDirect ämnessidan på kall ritning ]. Tekniska detaljer om arbetshärdning kan hittas i Wikipedia artikeln om arbete härdning .