钢帘线生产工艺优化及产品性能研究项目计划书

钢帘线生产工艺优化及产品性能研究项目计划书项目编号项目名称钢帘线生产工艺优化及产品性能研究开发周期2010年5月31日至2012年9月30日南京工程学院材料工程学院2010年5月10日项目背景子午线轮胎钢帘线用钢丝是目前强度最高的金属材料之一，从追求钢铁材料极限强度的意义来讲，它是走在最前沿的金属材料。由于子午线轮胎钢帘线用钢丝可提高子午线轮胎的耐磨性和稳定性，降低生产成本和汽车耗油量，目前全世界每年消耗量已超过100万t。子午线轮胎钢帘线一般由2～39根直径为0.15～0．38mm的镀黄铜钢丝绞合而成，而每根钢丝则是由Φ5.5mm的盘条安全、环保和节能是当今世界汽车工业发展的主流，汽车的燃油经济性、排放水平和安全性已成为衡量其技术水平的重要指标。汽车每减重10％，油耗可降低6～8％，其节能和环保效果十分明显，实现汽车的轻量化已越来越为各汽车厂家所重视。汽车材料的高强度化是保证其安全性和实现其轻量化的主要手段，伴随着汽车轻量化的进程，以及节能减排、提高资源利用率及低碳经济和可持续发展的要求，市场对更轻质量轮胎的需求推动着钢帘线用钢丝的强度不断提高。1970年左右，直径为0．2mm的钢帘线用钢丝强度大约为2800MPa，20世纪80年代为3200～3400MPa，20世纪90年代初增加到3600MPa，1998年左右进一步提高到4000MPa，目前4000MPa级钢帘线用钢丝已经商业化并且其强度要求还有进一步提高到5000MPa以上的趋势。具有层片状珠光体组织的钢丝既具备高的加工硬化率，拉拔变形后可获得更高的强度（如图1），同时又有良好的塑性，在大变形量的拉拔过程中不至于断裂。为了获得层片状珠光体组织以使钢帘线用钢丝强度不断提高，钢丝的碳含量分数从0．7的亚共析钢丝提高到碳的质量分数为0.8的共析钢丝，再到碳的质量分数为0.9%的过共析钢丝。国内外子午线轮胎钢帘线用钢丝多以过共析珠光体钢丝为主。钢帘线用钢丝除采用上述形变强化(即通过冷变形促使加工硬化)的方法以外，还主要采用晶界强化(即使珠光体片层间距细化)的方法。根据霍尔一佩奇关系，珠光体强度与其层间距的平方根成反比，铅浴淬火（等温处理）后珠光体片层间距越细小，强度越高，由此对钢丝的最终强度贡献也越大。此外，根据Bailey-Hirsch关系，金属材料的强度与位错密度的平方根成正比，对于加工后的钢帘线用钢丝，珠光体片层间距也会发生细化，其珠光体片间距越细小，位错密度越高（如图2），强度也就越高。目前，提高子午线轮胎钢帘线用钢丝强度的工艺方法主要有：①提高铅浴淬火强度；②提高拉拔加工硬化率；③增加拉拔变形量。然而，随着变形量的增加会导致渗碳体分解引起应变时效，钢丝的韧性降低，从而发生层离断裂；另外，随着变形量增加，钢丝细化，钢中的夹杂物对断丝的影响增大，当其大于钢丝直径的2％时就会导致断丝。因此，如何在铅浴淬火中获得100%的珠光体（无铁素体和游离渗碳体）；如何使钢丝的珠光体片层间距细化；如何提高钢丝的拉拔加工硬化率；如何在提高钢丝强度的同时降低层离断裂、拉拔断裂和合股断裂的发生；如何降低高强度钢丝疲劳性能对缺陷的敏感性，获得稳定的疲劳寿命；原材料关键冶金质量如何影响高强度钢丝的生产和性能，以及如何确定满足生产高强度钢丝要求的原材料关键冶金质量等等，是国内外钢帘线生产厂家所面临和需要研究的主要问题。图1珠光体组织、铁素体—马氏体组织、铁素体组织的钢丝加工硬化曲线图2拉拔变形后珠光体片间距和位错密度的关系研究内容（1）分析研究钢帘线盘条显微组织特征、力学性能、冶金质量（杂物类型、形态、大小以及成份偏析、杂质元素等）对钢帘线拉拔性能、拉拔断丝及合股断丝的影响；（2）分析研究进口钢帘线盘条和主要国产钢帘线盘条的冶金质量水平；（3）分析研究盘条中夹杂物类型、形态、大小以及成份偏析、杂质元素等对钢帘线疲劳性能的影响；（4）研究制订钢帘线盘条质量控制要求及评价方法；（5）分析研究钢帘线在现生产工艺条件下不同拉拔变形状态的显微组织特征和等温处理的显微组织特征，如Fe3C（6）分析研究不同等温处理工艺的组织等温转变特点，对显微组织及拉拔变形等相关性能的影响；（7）研究钢帘线在现生产工艺条件下拉拔断丝及合股断丝的断口微观特征和断裂机制，分析断裂、分层等失效原因；（8）分析研究钢帘线等温处理工艺、拉拔工艺、显微组织，异常组织和表面质量等对钢帘线拉拔断丝及合股断丝的影响；（9）分析研究等温处理工艺、拉拔工艺、显微组织特征和表面质量对钢帘线疲劳性能的影响研究；（10）在上述研究基础上，分析确定最佳显微组织特征及评价方法，优化相关工艺参数，控制原始奥氏体晶粒大小，细化钢丝的珠光体层片间距和珠光体团尺寸，控制铁素体和游离渗碳体含量，以增加等温处理后钢丝的强度和韧性，减少层离断裂和拉拔合股断裂；对盘条进行适量的铬合金化，进一步细化珠光体层片间距和提高钢丝的拉拔加工硬化率；调整拉拔工艺，对各道次拉拔变形量进行优化，通过提高等温处理后钢丝的强度和拉拔加工硬化率来达到最终强度，减少因变形量过大造成的层离断裂和拉拔合股断裂；改善润滑及冷却，降低拉拔变形的不均匀性，控制拉拔过程中渗碳体分解的应变时效现象，保证韧性，减少层离断裂和拉拔合股断裂。技术方案采用金相分析方法，配合扫描电镜分析、化学分析方法，对现生产使用的盘条冶金质量进行分析，并和国外先进盘条冶金质量进行对比；模拟合股时受力方式，对钢丝进行拉伸扭转试验，获取相应断口，与现生产中层离断裂、拉拔断丝及合股断丝的断口进行宏观特征对比分析和用扫描电镜进行微观特征对比分析，找出显微组织、夹杂物等对层离断裂和拉拔合股断裂的影响规律；针对盘条冶金质量存在的相应问题，向冶金厂家提出质量控制和改进要求，如氧、氮、铝、钛、磷、硫和夹杂物类型、大小等控制要求，验证改进效果；根据上述试验分析和验证效果，建立钢帘线盘条质量控制要求及评价方法，以保障甲方物料供应质量控制体系的完善；在现生产工艺条件的基础上，调整加热温度、冷却方式、等温处理温度等，控制原始奥氏体晶粒大小，细化钢丝的珠光体层片间距和珠光体团尺寸，控制铁素体和游离渗碳体含量，以增加等温处理后钢丝的强度和韧性，减少层离断裂和拉拔合股断裂；对盘条进行适量的铬合金化，进一步细化珠光体层片间距和提高钢丝的拉拔加工硬化率；适当调整拉拔工艺，对各道次拉拔变形量进行优化，通过提高等温处理后钢丝的强度和拉拔加工硬化率来达到最终强度，减少因变形量过大造成的层离断裂和拉拔合股断裂；优化拉拔工艺，改善润滑及冷却，降低拉拔变形的不均匀性，控制拉拔过程中渗碳体分解的应变时效现象，保证韧性，减少层离断裂和拉拔合股断裂；采用上述技术方案，同时再进一步控制钢丝表面质量，以改善钢丝的疲劳性能和其稳定性；建立钢帘线黄铜线显微组织控制要求及评价方法，对关键工序的工艺技术参数和控制要求进行优化，并形成技术文本资料，以此稳定和提高钢帘线产品性能，使钢帘线达到国内相关企业标准要求。四、应达到的技术目标通过本项目的研究，优化钢帘线的相关生产工艺，改善钢帘线的显微组织和性能，主要达到以下几个目标：1、建立钢帘线盘条质量控制要求及评价方法。保障甲方物料供应质量控制体系的完善；2、建立钢帘线黄铜线显微组织控制要求及评价方法。以此稳定和提高钢帘线产品性能，使钢帘线达到国内相关企业标准要求；3、实现废丝率均值下降到6.5%以内的水平。通过对原辅材料的控制和对生产过程的优化，达到降低断丝率，减少废丝。4、在双方同意使用该项目相关技术资料、试验数据时，在国内核心期刊上发表论文2篇，申请发明专利1-2项，并争取申报国家及省市级科技计划项目1-2项。五、工作基础1、项目研究团队人员（南京工程学院）项目负责人姓名职称身份证号工作单位研究专长项目分工王章忠教料工程学院金属材料项目总体负责、组织实施等赵秀明教料工程学院金属材料项目技术负责、研究方案制订等项目参加人员蔡璐副教料工程学院金属材料钢帘线工艺分析、显微组织研究和失效分析方信贤副教料工程学院表面工程复合材料钢帘线工艺分析、材料及性能研究韩冰副教料工程学院高分子材料试验研究工作的协调与沟通周衡志讲料工程学院轻金属材料钢帘线微观结构研究分析贺显聪讲料工程学院轻金属材料钢帘线疲劳性能研究白允强讲料工程学院材料表面处理钢帘线疲劳性能研究皮锦红讲料工程学院金属材料钢帘线工艺和显微组织研究薛亚军讲料工程学院金属材料钢帘线断口观察及分析戴玉明助料工程学院金属材料钢帘线力学性能试验及分析负责人姓名王章忠性别男民族汉出生地安徽省安庆市出生日期1963.11.6党派中共党员工作单位南京工程学院联系电讯地址及邮政编码江苏南京江宁弘景大道1号南京工程学院材料工程学院211167家庭住址/住宅电话/电子信箱zzww@毕业学校合肥工业大学文化程度硕士学位硕士职务、职称教授、院长专业、专长金属材料毕业时间1983-7曾获奖励及荣誉称号情况江苏省“333”新世纪科学技术带头人；江苏省普通高等学校“青蓝工程”中青年学术带头人；江苏省333高层次人才培养工程首批中青年科学技术带头人。参加本项目的起止时间自2010年5月至2012年9月主要学术∧技术∨成果在材料疲劳、结构材料高性能化等方面形成了较稳定的研究方向并取得了一系列成绩。主持或主要参加了包括国家自然科学基金、国家计委重大工程项目在内的各类科研课题22项、教育研究基金课题9项，主要参与研发国家重点新产品1项。主编全国高校规划教材4部，在包括“Int.J.Fatigue”、“金属学报”等国内外重要期刊上发表学术论文60余篇，获“百项国家高技术产业化示范工程”国家级奖、国家重点新产品奖等多项奖励。先后被评为江苏省“333”新世纪科学技术带头人、江苏省普通高等学校“青蓝工程”中青年学术带头人、江苏省333高层次人才培养工程首批中青年科学技术带头人。本人签名：2010年6月日负责人姓名赵秀明性别男民族汉出生地安徽省蚌埠市出生日期1962.11.7党派中共党员工作单位南京工程学院联系电讯地址及邮政编码江苏南京江宁弘景大道1号南京工程学院材料工程学院211167家庭住址江苏省南京市江宁区21世纪现代城住宅电子信箱zzww@毕业学校浙江大学文化程度大学学位学士职务、职称教授专业、专长金属材料毕业时间1983-7曾获奖励及荣誉称号情况机械电子工业部科技进步二等奖；中国汽车工业科技进步三等奖；北京市科学技术奖三等奖；南京市优秀专利新产品二等奖等。参加本项目的起止时间自2010年5月至2012年9月主要学术∧技术∨成果长期从事汽车金属材料的应用研究工作，在高性能结构钢及其应用技术研究方面形成了稳定的研究方向，取得了一系列成果。参与承担国家“七五”攻关项目“微合金化非调质钢的研制应用”课题，参加国家“973”项目“新一代钢铁材料重大基础研究”（G1998061503）中“1500MPa级长寿命合金结构钢”课题、国家“十五”攻关项目“清洁汽车材料及油品技术开发”（2002BA314B）中“新一代高强度螺栓钢研究开发”课题、“十一五”科技支撑计划重点项目“节能微合金非调质钢棒材关键技术开发（2007BAE51B03）”课题、2007年度安徽省科技攻关计划项目“汽车轻量化的少片簧关键工艺技术开发（07010202039）”课题以及产学研等企业课题十多项，所有项目均按计划完成，完成效果良好。“微合金化非调质钢的研制应用”获得机械电子工业部科技进步二等奖、“耐延迟断裂高强度结构钢”获得中国材料研究学会科技进步二等奖、“1300MPa级高强度螺栓”2007年获南京市优秀专利新产品二等奖、“基于汽车轻量化的少片簧关键工艺和材料技术研究”2008年获中国汽车工业科技进步三等奖、“新一代高强度螺栓钢”2008年获北京市科学技术奖三等奖、“1300MPa级以上高强度螺栓的制造工艺”获得发明专利、“轻型客车侧拉门”实用新型专利200620126126、“承受高应力的高强度变截面簧片及其制造方法”发明专利200710132237.5（实质审查）、“一种抗应力松弛的高强度螺栓制造工艺”发明专利200910024458.X（受理），发表相关论文10余篇本人签名：2010年6月日2、研究团队建设（乙方）该项目团队由在科学研究、生产实践方面具有丰富经验的专家构成，具有高级职称以上者五人，在材料应用研究、产品工艺开发等方面多次获得各种成果奖。课题组成员具有较宽的专业知识，较强的科研能力和丰富的实践经验。项目负责人之一王章忠，在材料疲劳、结构材料高性能化等方面形成了较稳定的研究方向并取得了一系列成绩。主持或主要参加了包括国家自然科学基金、国家计委重大工程项目在内的各类科研课题22项、教育研究基金课题9项，主要参与研发国家重点新产品1项。主编全国高校规划教材4部，在包括“Int.J.Fatigue”、“金属学报”等国内外重要期刊上发表学术论文60余篇，获“百项国家高技术产业化示范工程”国家级奖、国家重点新产品奖等多项奖励。先后被评为江苏省“333”新世纪科学技术带头人、江苏省普通高等学校“青蓝工程”中青年学术带头人、江苏省333高层次人才培养工程首批中青年科学技术带头人。项目负责人之一赵秀明，长期从事汽车材料的应用研究工作，参与承担国家“七五”攻关项目“微合金化非调质钢的研制应用”课题，参加国家“973”项目“新一代钢铁材料重大基础研究”（G1998061503）中“1500MPa级长寿命合金结构钢”课题、国家“十五”攻关项目“清洁汽车材料及油品技术开发”（2002BA314B）中“新一代高强度螺栓钢研究开发”课题、“十一五”科技支撑计划重点项目“节能微合金非调质钢棒材关键技术开发（2007BAE51B03）”课题、2007年度安徽省科技攻关计划项目“汽车轻量化的少片簧关键工艺技术开发（07010202039）”课题以及产学研等企业课题十多项，所有项目均按计划完成，完成效果良好。“微合金化非调质钢的研制应用”获得机械电子工业部科技进步二等奖、“耐延迟断裂高强度结构钢”获得中国材料研究学会科技进步二等奖、“1300MPa级高强度螺栓”2007年获南京市优秀专利新产品二等奖、“基于汽车轻量化的少片簧关键工艺和材料技术研究”2008年获中国汽车工业科技进步三等奖、“新一代高强度螺栓钢”2008年获北京市科学技术奖三等奖、“1300MPa级以上高强度螺栓的制造工艺”获得发明专利、“轻型客车侧拉门”实用新型专利200620126126、“承受高应力的高强度变截面簧片及其制造方法”发明专利200710132237.5（实质审查）、“一种抗应力松弛的高强度螺栓制造工艺”发明专利200910024458.X（受理），发表相关论文10余篇。3、项目研究的硬件条件（仪器、设备等）南京工程学院是江苏省省属的以工学为主的高等工程应用型本科院校，学校设有机械工程学院、材料工程学院等16个院、系和3个工程中心。材料工程学院现有材料试验仪器与设备资产约900多万元，实验室面积1200M2，包括材料试样处理与制备实验室、材料显微分析实验室（光学金相观察及组织图像分析室、扫描电镜与能谱仪室）、材料力学性能测试实验室（疲劳试验机室、万能试验机室、磨损试验机室、硬度计室）、材料表面工程实验室等，拥有扫描电子显微镜、X射线能谱议、光学显微分析图像系统与设备、材料试样制备仪器（注射成型机、高频感应熔炼炉等）、材料改性处理（离子镀膜机、渗碳炉）、电子拉伸试验机、疲劳试验机及力学性能检测设备等，可完成材料成分分析、材料改性处理、材料组织观察及材料性能测试等工作，具备开展本项目工作的试验和分析条件。张家港市骏马钢帘线有限公司是一家以生产轮胎骨架材料为主业的大型企业，具有专业生产钢帘线的整套生产装备和相应检测手段，产品市场广阔，年产量达6万吨，具有丰富的生产管理经验和完备的质量体系认证，具备开展本项目研究开发的硬件条件和管理能力。4、项目研究的合作方式项目由南京工程学院和张家港市骏马钢帘线有限公司双方组建项目团队共同进行合作开发。张家港市骏马钢帘线有限公司提供试验场地和中试试验设备等钢帘线相关生产试验条件和相应的产品检测手段，南京工程学院提出具体技术方案和试验方案，并利用学院实验室的试验