胎圈钢丝及其生产工艺发展VIP

胎圈钢丝及其生产工艺发展周黄山,张江伟,曹小峰,汤为(上海天懋集团技术中心,上海201405)摘要:介绍胎圈钢丝及其生产工艺的现状和发展趋势。胎圈钢丝正从较细规格、单一品种向粗规格、多品种发展,冷拉胎圈钢丝逐步淘汰,回火胎圈钢丝得到普及,从普通强度胎圈钢丝升级到高强度和超高强度胎圈钢丝。异形断面胎圈钢丝和镀锌胎圈钢丝将成为胎圈钢丝发展趋势。关键词:胎圈钢丝;生产工艺;发展趋势中图分类号:330.38+9文献标识码:文章编号:1006 8171(2010)10 0588 04橡胶工业用骨架材料有纤维和金属材料,纤维骨架材料主要有棉帘线、玻璃丝帘线、人造丝帘线、聚酯帘线和锦纶帘线。目前,棉帘线和玻璃丝帘线已不用或很少用,而主要采用人造丝帘线、聚酯帘线和锦纶帘线。金属骨架材料品种较多,橡胶制品企业根据产品不同,选择的金属骨架材料也不一样。用量比较大的金属骨架材料有胎圈钢丝(包括冷拉胎圈钢丝和回火胎圈钢丝,冷拉胎圈钢丝基本处于淘汰边缘)、钢丝帘线和胶管钢丝等。金属骨架材料的使用比例和用量越来越大,使用范围也越来越广。本文主要介绍胎圈钢丝及其生产工艺的现状和发展趋势。1胎圈钢丝的发展较早生产胎圈钢丝的有比利时贝卡尔特和韩国高丽制钢等公司。我国于20世纪70年代初开始研发胎圈钢丝,当时胎圈钢丝生产技术不够成熟,再加上国际技术壁垒严重,导致我国胎圈钢丝生产工艺水平落后,基本都是冷拉胎圈钢丝。随着改革开放,我国橡胶工业快速发展,特别是20世纪90年代后,子午线轮胎生产飞速发展,胎圈钢丝用量与日俱增,目前我国年生产能力达到万吨的胎圈钢丝生产企业已有10余家。胎圈钢丝规格和结构对其使用性能和生产成本影响较大。胎圈钢丝正从较细规格、单一品种向粗规格、多品种发展,冷拉胎圈钢丝逐步淘汰,回火胎圈钢丝得到普及,从普通强度胎圈钢丝升级到高强度胎圈钢丝,甚至有些企业已经开始生产超高强度回火胎圈钢丝。胎圈钢丝在轮胎中要承受极其复杂的交变负荷和冲击负荷,从而对其性能要求很高。胎圈钢丝不仅要具有较高的强度和良好的耐疲劳性能,还要具有抗冲击、伸长率大、扭转次数高和扭矩低等特性。随着轮胎性能的不断提高,对胎圈钢丝的要求也越来越高,由于胎圈钢丝的材质对其性能起着决定性作用,因此对线材的碳含量和微量元素及纯净度的要求更加苛刻。 胎圈钢丝必须与橡胶具有良好的粘合性能。胎圈钢丝不仅要与橡胶牢固地粘合在一起,而且在使用过程中不能过早分离。光面钢丝与橡胶的粘合性能极差,因此必须在钢丝表面均匀覆盖镀层。镀层品种主要有纯铜、锡青铜、黄铜和纯锌等单金属或二元合金1。胎圈钢丝表面镀层的品种取决于橡胶制品的品种、运行速度、受力状态以及胶料配方,在能够满足橡胶制品使用性能的前提下,通常采用成本较低的镀层。经过不断筛选和优化,同时也根据轮胎企业对产品性能的要求,目前胎圈钢丝镀层主要以青铜为主。 钢丝与橡胶粘合是一门非常复杂的学科,粘合性能是轮胎企业关键控制指标。对于胎圈钢丝生产企业来说,影响胎圈钢丝与橡胶粘合性能的因素很多,如工艺、生产控制和设备等,稍有疏忽就很有可能造成粘合性能不良。胎圈钢丝与橡胶粘合性能的提高主要通过镀层成分、镀层厚度和镀铜方法优化来实现。2胎圈钢丝基本性能要求胎圈钢丝是一种镀青铜、紫铜或黄铜等,用于加强轮胎胎圈的钢丝。由胎圈钢丝和隔离胶制成的钢丝圈使外胎紧密固定在轮辋上,在轮胎行驶中钢丝圈承受拉伸、压缩、扭转及离心作用力。胎圈钢丝用于各种类型轮胎,包括轿车轮胎、载重轮胎、航空轮胎、摩托车轮胎和自行车轮胎等。随着轮胎产量的不断提高,胎圈钢丝的需求量也越来越大,对其质量要求也越来越严格。2.1物理性能很长一段时间我国主要生产镀紫铜冷拉胎圈钢丝,基本为普通强度胎圈钢丝,极少有高强度胎圈钢丝,后来经过技术革新和新技术逐步渗入国内,胎圈钢丝强度等级发生变化。根据/144502008胎圈用钢丝规定,胎圈钢丝分为普通强度和高强度,目前已开发出超高强度(抗拉强度为2350以上)胎圈钢丝,但目前国内外轮胎企业很少使用超高强度胎圈钢丝2。胎圈钢丝抗拉强度指标如表1所示。提高胎圈钢丝强度可减少胎圈钢丝用量,从而减小轮胎质量,降低滚动阻力,节省能耗,降低轮胎生产成本。 /144501993中规定,胎圈钢丝断裂总伸长率不小于3%,但冷拉胎圈钢丝断裂总伸长率非常小,几乎为零。随着载重子午线轮胎不断发展,3%的断裂总伸长率已远不能满足轮胎性能要求。/144502008中规定,钢丝断裂总伸长率不得小于5%,而国外先进公司标准为不小于6%,甚至有达到8%以上的。断裂总伸长率是胎圈钢丝的一个关键指标,轮胎受力时,钢丝圈最内层钢丝首先变形,然后通过压缩隔离胶依次传递到最外层,钢丝圈层与层之间有一定的压力降,越往外层受力越小,若胎圈钢丝有足够的断裂总伸长率,这种受力差别会逐渐减小,直至趋近于零,从而达到每根钢丝均匀承受作用力;反之,若胎圈钢丝没有足够的断裂总伸长率,其受力主要由内层几根或几层钢丝承担,容易造成钢丝圈由内向外断裂,导致轮胎使用寿命急剧缩短,甚至发生爆破。 早期冷拉胎圈钢丝屈服强度非常高,后来出现电镀紫铜胎圈钢丝,其镀铜作业线基本采用先回火后矫直处理方式,胎圈钢丝屈服强度降低,屈强比基本在70%80%。目前,胎圈钢丝屈强比较大,普通强度不小于80%,高强度不小于85%。胎圈钢丝不仅要求高强度,还要求较高的屈强比,以减小钢丝的蠕变,从而提高轮胎使用寿命。2.2工艺性能胎圈钢丝主要工艺性能要求有平直性和残余扭转。钢丝平直性要求3长的钢丝试样应在两条相距600平行线内保持平整,不得呈“”形(见图1)。目前,国内大多数胎圈钢丝生产企业能够达到平直性要求,部分国外企业实测平直性能够控制在3长的钢丝试样在两条相距200平行线内保持平整,这值得国内企业借鉴。残余扭转要求钢丝在9的长度上围绕自身轴线旋转角度不大于360。残余扭转过大的原因是钢丝内应力未完全去除以及平直性不良。胎圈钢丝工艺性能直接影响轮胎生产,若钢丝平直性或残余扭转不合格,势必造成钢丝圈变形、脱胶和胎圈钢丝刺出等质量缺陷。2.3粘合性能钢丝与橡胶的粘合性能不仅取决于钢丝,与橡胶配方也有着密切关系。胎圈钢丝与橡胶粘合性能好,轮胎质量会相应提高,反之,轮胎在使用过程中胎圈易产生钢丝圈松散、钢丝刺出,甚至会造成胎圈爆破等危害人身财产安全的事故。当橡胶配方一定时,影响粘合性能的主要因素是胎圈钢丝镀层成分和镀层厚度以及表面状况。镀紫铜胎圈钢丝较镀青铜胎圈钢丝的粘合力要低20%,冷拉胎圈钢丝粘合力更低,不足镀青铜胎圈钢丝的50%,这是由于冷拉胎圈钢丝是采用先镀后拉工艺,即半成品钢丝经镀铜后再拉拔至成品,钢丝表面较脏,残留的润滑粉较多,从而影响其粘合性能。青铜镀层不仅粘合性能好,而且耐腐蚀,附胶率保持较高。目前,青铜镀层胎圈钢丝有低锡(质量分数为0.0030.03)和高锡(质量分数0.030.20)两种,这两种青铜镀层胎圈钢丝粘合性能的优劣取决于橡胶配方。此外,胎圈钢丝表面镀层厚度对粘合性能也起着关键作用,镀层过厚或过薄对粘合性能均不利。3胎圈钢丝类型胎圈钢丝按生产工艺可分为冷拉胎圈钢丝和回火胎圈钢丝,从强度等级上分为普通强度胎圈钢丝和高强度胎圈钢丝,从镀层方式分为化镀胎圈钢丝和电镀胎圈钢丝等。 长期以来,冷拉胎圈钢丝主要以0.96和1.00规格为主,基本为普通强度钢丝,性能较差。自20世纪80年代我国大力引进子午线轮胎技术后,冷拉胎圈钢丝已不能满足子午线轮胎性能要求。由于子午线轮胎胎圈部位受力比同规格斜交轮胎要高30%50%,因此子午线轮胎必须使用物理性能、工艺性能和粘合性能更好的回火胎圈钢丝。目前,胎圈钢丝已发展成系列化,细规格有0.78,0.89,0.90,0.95,0.96和1.00等,粗规格有1.20,1.30,1.55,1.65和1.83等,发展多规格镀青铜回火胎圈钢丝已是大势所趋,这对改变我国胎圈钢丝生产滞后状况有积极意义。4胎圈钢丝生产工艺4.1工艺流程国外知名公司生产1.30以上胎圈钢丝通常从经预处理的5.5盘条连续拉拔至成品,再回火镀铜。而对于1.30规格以下的胎圈钢丝,通常经过第一道粗拉拔,然后进行中间热处理,再二次拉拔至成品。4.2盘条预处理和粗拉拔老工艺盘条预处理作业线与拉丝机是分开的,盘条表面处理基本采用间歇式处理,此工艺处理时间长,效率低,还有可能引起钢丝氢脆现象,产品质量存在较大隐患。目前,盘条预处理作业线与粗拉丝机连接,实行流水线生产作业,速度快,生产效率高,半成品质量稳定。盘条表面处理工艺有电解酸洗和盐酸处理等,还可采用磷化处理,润滑载体可采用硼砂。4.3中间热处理和拉拔20世纪80年代,中间热处理通常采用马弗炉和电卡炉,马弗炉处理钢丝容易挂铅并堵塞洞孔,质量不稳定,而电卡炉功率大、能耗大;冷却方式基本采用水管冷却,热处理后的钢丝强度低。20世纪90年代,主要采用燃气炉和明火炉进行中间热处理,这两种加热炉控制稳定,劳动强度低;冷却方式主要采用铅浴淬火,铅浴淬火能获得均匀细致的索氏体组织。在同等条件下,与一般冷却工艺相比,采用铅浴淬火钢丝强度可提高100200。 早期采用的滑轮式拉丝机拉拔速度慢,产量低,噪声大,钢丝在拉拔过程中容易扭曲,经常出现“反元宝”现象,导致在后道工序很难矫直。目前,中间拉拔基本采用直进式拉丝机,实现无扭拉拔,这是消除残余扭转的一个关键。在最后卷筒与工字轮收线机的排线器前后各配备一组矫直器,进一步消除钢丝残余应力,并保持平直性。对于胎圈钢丝残余扭转和平直性的要求应在拉拔工序解决90%,不能留给镀铜作业线处理,这是由于镀铜作业线的矫直器是用来对钢丝残余扭转和平直性进行最后微调精整。4.4回火和镀铜回火胎圈钢丝的另一关键工艺是应力释放,又叫回火,回火与镀铜作业线组成联合作业线。回火处理不同于淬火或正火处理,回火处理是深度冷变形钢丝在较高温度下(400460)组织发生回复或局部再结晶,适当调整位错密度,并使部分破碎的晶粒重新集合的过程。回火处理基本保持了冷变形的加工硬化,强度下降2%4%,扭转次数降低15%20%,塑性显著提高,断裂总伸长率提高到5%以上,弹性屈服强度提高12%以上。早期回火主要采用明火炉,燃料为重油,这种炉子温度偏差大,炉内气氛不易控制,如今多采用电加热铅浴或燃气铅浴回火,这种工艺具有温度点均匀、易控制、钢丝物理性能稳定等优点。铅温和钢丝在铅时间等工艺条件应根据产品要求(规格、工作速度和强度等)进行控制,钢丝在铅时间对钢丝塑性和韧性有非常大的影响。 对于镀青铜,国内外很多企业采用以金属化学置换反应获得钢丝表面镀层的先进工艺,也称为化镀。化学镀铜的镀液成分简单,主要成分是硫酸铜和硫酸亚锡。为了保证镀层与钢丝之间结合力,提高镀液的稳定性,镀液配方内通常添加稳定剂。化学镀铜工艺具有生产效率高、镀层色泽均匀、与橡胶粘合性能好和防锈能力强等优点3。化镀和电镀胎圈钢丝粘合性能优劣取决一系列条件,没有严格意义上的区别。 在镀铜作业线上,镀铜前钢丝表面处理主要有电解硫酸、盐酸和超声波等方式,镀槽有单槽和多槽,镀液温度有高有低,这主要取决于钢丝镀层质量、在槽时间和钢丝工作速度。目前多数胎圈钢丝生产企业采用较薄镀层,/144502008对青铜镀层做了详细规定,具体如下:镀层厚度(0.120.07),镀层参考质量(0.5480.320)/-1。 早期镀紫铜速度缓慢,通常不超过130-1,目前有些胎圈钢丝生产企业细规格钢丝镀铜运行速度高达350400-1。化学镀铜可实现低高温镀铜,打破了原有在环境温度或低温下镀青铜的工艺限制。4.5包装 胎圈钢丝采用标准包装,抽真空并加入干燥剂,以保证胎圈钢丝在储存和运输过程以及使用前不生锈。每两盘胎圈钢丝放在一个托盘上进行运输包装,包装形式可以不同,但必须保证在运输过程中不破损。在一盘胎圈钢丝中允许有一定数量的接头,但接头必须对焊并打磨,接头最小破断力应达到钢丝最小破断力的50%,这是保证钢丝圈正常生产的基本要求。 目前,胎圈钢丝主要采用线轴包装,内包装采用热塑封铝塑薄膜真空包装,内置袋状干燥剂,外包装采用瓦楞纸箱,用带打包,底部采用木底托。整个包装流程为流水线作业,效率较以前简易包装和工字轮包装有很大提高。5胎圈钢丝发展趋势目前,胎圈钢丝以圆断面为主,但国外一些特殊用途轮胎已采用扁平带钢以及梯形、扇形等异形断面胎圈钢丝。与采用圆断面胎圈钢丝制作的胎圈相比,采用异形钢丝制作的胎圈耐疲劳性能好,寿命长4。目前,国内一些厂家正在对异形断面胎圈钢丝生产工艺进行试验研究。 现阶段,胎圈钢丝的镀层仍以铜为主(主要为青铜),但以米其林为代表的一些轮胎公司已开始采用镀锌钢丝5,这值得国内轮胎企业注意。镀锌钢丝可以提高钢丝的耐腐蚀性,但同时需要先进的粘合技术相配合。6结语 随着轮胎技术的不断发展,对胎圈钢丝不断提出新的要求,而胎圈钢丝技术进步又对轮胎技术的发展起到推动作用。目前,国内外胎圈钢丝生产工艺基本类似,但在工艺控制稳定性上,我国与国外相比