تأثیر سرعت کشش بر کیفیت سطحی و خواص مکانیکی مفتول
فرآیند کشش مفتول (Wire Drawing) یکی از مهمترین مراحل شکلدهی سرد در تولید انواع سیم و مفتول است. در این فرآیند، مفتول اولیه با عبور از قالبهای کشش، کاهش سطح مقطع یافته و طول آن افزایش پیدا میکند. یکی از پارامترهای بسیار مهم در این عملیات، سرعت کشش (Drawing Speed) است که نقش تعیینکنندهای در کیفیت سطح، ساختار ریزدانه، تنشهای پسماند و خواص مکانیکی نهایی دارد. انتخاب صحیح سرعت کشش نه تنها بازده تولید را افزایش میدهد، بلکه خطر شکست، زبری سطح و ناپایداری مکانیکی را نیز کاهش میدهد.
در این مقاله به بررسی جامع اثر سرعت کشش بر کیفیت سطحی و رفتار مکانیکی مفتول پرداخته میشود.
۱. اهمیت سرعت کشش در فرآیند تولید مفتول
سرعت کشش یکی از متغیرهایی است که مستقیماً بر موارد زیر تأثیر میگذارد:
- میزان اصطکاک بین مفتول و قالب
- توزیع دما در سطح و مغز مفتول
- نرخ کرنش و سختکاری سرد (Strain Hardening)
- کیفیت سطح و احتمال ایجاد ترک
- مصرف روانکار و کارایی آن
- طول عمر قالبهای کشش
در نتیجه، سرعت کشش یک پارامتر کلیدی برای حفظ تعادل میان کیفیت، سرعت تولید و هزینهها محسوب میشود.
۲. تأثیر سرعت کشش بر کیفیت سطحی مفتول
۲.۱. افزایش دما و زبری سطح
افزایش سرعت کشش باعث افزایش اصطکاک و در نتیجه افزایش دمای سطح مفتول میشود. بالا رفتن دما ممکن است منجر به:
- زبری سطح
- سوختن یا تبخیر روانکار
- ایجاد خطوط قالب (Die Marks)
- پوستهپوسته شدن سطح
شود. به همین دلیل در سرعتهای بالا، انتخاب روانکار مناسب و خنککاری مؤثر اهمیت دوچندان دارد.
۲.۲. ایجاد ترکهای سطحی (Surface Cracks)
اگر سرعت کشش بیش از حد افزایش یابد، کرنش در سطح مفتول از حد تحمل ماده فراتر رفته و ترکهای طولی ایجاد میشود. این ترکها معمولاً بهعنوان ترکهای ناشی از کشش سرد شناخته میشوند.
۲.۳. یکنواختی و صافی سطح
سرعت بیش از حد کم نیز با وجود کاهش اصطکاک، میتواند منجر به:
- افت روانکاری
- افزایش چسبندگی بین سطح مفتول و قالب
- ایجاد خطوط نامنظم
شود. بنابراین سرعت کشش باید در یک بازه بهینه حفظ شود.
۳. تأثیر سرعت کشش بر خواص مکانیکی مفتول
سرعت کشش بر اساس اصول متالورژی تغییر شکل پلاستیک، تأثیر مستقیم بر خواص مکانیکی دارد.
۳.۱. افزایش استحکام و سختی
افزایش سرعت کشش، نرخ کرنش (Strain Rate) را افزایش میدهد. این موضوع باعث افزایش سختکاری سرد و در نتیجه:
- افزایش استحکام تسلیم (Yield Strength)
- افزایش استحکام نهایی (UTS)
- افزایش سختی (Hardness)
میشود.
۳.۲. کاهش چقرمگی و انعطافپذیری
در سرعتهای بالا، ماده زمان کافی برای بازآرایی ریزساختار ندارد. نتیجه:
- کاهش چقرمگی
- کاهش ازدیاد طول (Elongation)
- افزایش احتمال شکست ترد
است. برای سیمهایی که نیاز به انعطافپذیری زیاد دارند (مثل مفتولهای ساختمانی یا بستهبندی)، سرعتهای بالا مناسب نیست.
۳.۳. تغییرات تنش پسماند
سرعت کشش بالا باعث توزیع غیریکنواخت تنش پسماند میشود. این موضوع در عملکرد نهایی مهم است زیرا:
- موجب تاببرداشتن مفتول
- کاهش قابلیت خمکاری
- افزایش احتمال ترک در عملیات بعدی
میشود.
۴. اثر سرعت کشش بر ساختار میکروسکوپی
سرعت کشش بر ساختار داخلی مفتول نیز اثر میگذارد:
۴.۱. ریزدانه شدن ساختار (Grain Refinement)
سرعت مناسب موجب ایجاد ریزساختار یکنواختتر و ریزتر میشود.
۴.۲. ایجاد بافت (Texture) شدیدتر
در سرعتهای بالا، بافت کریستالوگرافی جهتگیری بیشتری پیدا میکند و این امر خواص مکانیکی را جهتدار میکند.
۴.۳. افزایش نابجاییها (Dislocation Density)
با افزایش سرعت کشش، چگالی نابجایی افزایش مییابد که منجر به افزایش استحکام میشود.
۵. محدودههای توصیهشده سرعت کشش
محدوده بهینه سرعت به جنس، قطر اولیه، کاهش سطح مقطع و نوع روانکار وابسته است. برخی محدودههای عمومی:
| نوع مفتول | سرعت کشش توصیهشده |
|---|---|
| فولادی کمکربن | ۸–۱۵ متر بر ثانیه |
| فولادی پرکربن | ۵–۱۲ متر بر ثانیه |
| مسی و آلومینیومی | ۱۰–۲۵ متر بر ثانیه |
| مفتول فنری | ۳–۸ متر بر ثانیه |
در صنایع با خطوط مدرن، سرعتهای تا ۳۰ متر بر ثانیه برای سیمهای مسی رایج است.
۶. تکنیکهای کنترل اثر سرعت کشش بر کیفیت مفتول
۶.۱. استفاده از روانکارهای مناسب (پودری و مایع)
روانکارهای با نقطه اشتعال بالا و مقاومت در برابر اصطکاک برای سرعتهای زیاد ضروریاند.
۶.۲. استفاده از قالبهای کاربیدی یا PCD
این قالبها دوام بالا و اصطکاک کمتری دارند.
۶.۳. خنککاری پیوسته در سرعتهای بالا
۶.۴. کنترل نرخ کاهش سطح مقطع در هر پاس
در سرعتهای بالا باید کاهش مقطع در هر مرحله کاهش یابد.
۶.۵. انتخاب تجهیزات پایدار و کملرزش
لرزش در سرعت بالا باعث ایجاد خطوط نامنظم سطحی میشود.
۷. جمعبندی
سرعت کشش یکی از مهمترین پارامترهای تولید مفتول است که بر:
- کیفیت سطحی
- استحکام و سختی
- چقرمگی و انعطافپذیری
- ساختار میکروسکوپی
- تنشهای پسماند
- عمر قالبها
اثر مستقیم دارد. انتخاب سرعت بهینه نیازمند توازن میان کیفیت و سرعت تولید است. صنایع پیشرفته معمولاً با آزمایشهای تجربی و کنترلهای دقیق، سرعت مناسب را برای هر نوع مفتول تعیین میکنند.