胎圈鋼絲及其生產工藝發(fā)展

胎圈鋼絲及其生產工藝發(fā)展周黃山,張江偉,曹小峰,湯為(上海天懋集團技術中心,上海201405)摘要:介紹胎圈鋼絲及其生產工藝的現狀和發(fā)展趨勢。胎圈鋼絲正從較細規(guī)格、單一品種向粗規(guī)格、多品種發(fā)展,冷拉胎圈鋼絲逐步淘汰,回火胎圈鋼絲得到普及,從普通強度胎圈鋼絲升級到高強度和超高強度胎圈鋼絲。異形斷面胎圈鋼絲和鍍鋅胎圈鋼絲將成為胎圈鋼絲發(fā)展趨勢。關鍵詞:胎圈鋼絲;生產工藝;發(fā)展趨勢中圖分類號:330.38+9文獻標識碼:文章編號:1006 8171(2010)10 0588 04橡膠工業(yè)用骨架材料有纖維和金屬材料,纖維骨架材料主要有棉簾線、玻璃絲簾線、人造絲簾線、聚酯簾線和錦綸簾線。目前,棉簾線和玻璃絲簾線已不用或很少用,而主要采用人造絲簾線、聚酯簾線和錦綸簾線。金屬骨架材料品種較多,橡膠制品企業(yè)根據產品不同,選擇的金屬骨架材料也不一樣。用量比較大的金屬骨架材料有胎圈鋼絲(包括冷拉胎圈鋼絲和回火胎圈鋼絲,冷拉胎圈鋼絲基本處于淘汰邊緣)、鋼絲簾線和膠管鋼絲等。金屬骨架材料的使用比例和用量越來越大,使用范圍也越來越廣。本文主要介紹胎圈鋼絲及其生產工藝的現狀和發(fā)展趨勢。1胎圈鋼絲的發(fā)展較早生產胎圈鋼絲的有比利時貝卡爾特和韓國高麗制鋼等公司。我國于20世紀70年代初開始研發(fā)胎圈鋼絲,當時胎圈鋼絲生產技術不夠成熟,再加上國際技術壁壘嚴重,導致我國胎圈鋼絲生產工藝水平落后,基本都是冷拉胎圈鋼絲。隨著改革開放,我國橡膠工業(yè)快速發(fā)展,特別是20世紀90年代后,子午線輪胎生產飛速發(fā)展,胎圈鋼絲用量與日俱增,目前我國年生產能力達到萬噸的胎圈鋼絲生產企業(yè)已有10余家。胎圈鋼絲規(guī)格和結構對其使用性能和生產成本影響較大。胎圈鋼絲正從較細規(guī)格、單一品種向粗規(guī)格、多品種發(fā)展,冷拉胎圈鋼絲逐步淘汰,回火胎圈鋼絲得到普及,從普通強度胎圈鋼絲升級到高強度胎圈鋼絲,甚至有些企業(yè)已經開始生產超高強度回火胎圈鋼絲。胎圈鋼絲在輪胎中要承受極其復雜的交變負荷和沖擊負荷,從而對其性能要求很高。胎圈鋼絲不僅要具有較高的強度和良好的耐疲勞性能,還要具有抗沖擊、伸長率大、扭轉次數高和扭矩低等特性。隨著輪胎性能的不斷提高,對胎圈鋼絲的要求也越來越高,由于胎圈鋼絲的材質對其性能起著決定性作用,因此對線材的碳含量和微量元素及純凈度的要求更加苛刻。 胎圈鋼絲必須與橡膠具有良好的粘合性能。胎圈鋼絲不僅要與橡膠牢固地粘合在一起,而且在使用過程中不能過早分離。光面鋼絲與橡膠的粘合性能極差,因此必須在鋼絲表面均勻覆蓋鍍層。鍍層品種主要有純銅、錫青銅、黃銅和純鋅等單金屬或二元合金1。胎圈鋼絲表面鍍層的品種取決于橡膠制品的品種、運行速度、受力狀態(tài)以及膠料配方,在能夠滿足橡膠制品使用性能的前提下,通常采用成本較低的鍍層。經過不斷篩選和優(yōu)化,同時也根據輪胎企業(yè)對產品性能的要求,目前胎圈鋼絲鍍層主要以青銅為主。 鋼絲與橡膠粘合是一門非常復雜的學科,粘合性能是輪胎企業(yè)關鍵控制指標。對于胎圈鋼絲生產企業(yè)來說,影響胎圈鋼絲與橡膠粘合性能的因素很多,如工藝、生產控制和設備等,稍有疏忽就很有可能造成粘合性能不良。胎圈鋼絲與橡膠粘合性能的提高主要通過鍍層成分、鍍層厚度和鍍銅方法優(yōu)化來實現。2胎圈鋼絲基本性能要求胎圈鋼絲是一種鍍青銅、紫銅或黃銅等,用于加強輪胎胎圈的鋼絲。由胎圈鋼絲和隔離膠制成的鋼絲圈使外胎緊密固定在輪輞上,在輪胎行駛中鋼絲圈承受拉伸、壓縮、扭轉及離心作用力。胎圈鋼絲用于各種類型輪胎,包括轎車輪胎、載重輪胎、航空輪胎、摩托車輪胎和自行車輪胎等。隨著輪胎產量的不斷提高,胎圈鋼絲的需求量也越來越大,對其質量要求也越來越嚴格。2.1物理性能很長一段時間我國主要生產鍍紫銅冷拉胎圈鋼絲,基本為普通強度胎圈鋼絲,極少有高強度胎圈鋼絲,后來經過技術革新和新技術逐步滲入國內,胎圈鋼絲強度等級發(fā)生變化。根據/144502008胎圈用鋼絲規(guī)定,胎圈鋼絲分為普通強度和高強度,目前已開發(fā)出超高強度(抗拉強度為2350以上)胎圈鋼絲,但目前國內外輪胎企業(yè)很少使用超高強度胎圈鋼絲2。胎圈鋼絲抗拉強度指標如表1所示。提高胎圈鋼絲強度可減少胎圈鋼絲用量,從而減小輪胎質量,降低滾動阻力,節(jié)省能耗,降低輪胎生產成本。 /144501993中規(guī)定,胎圈鋼絲斷裂總伸長率不小于3%,但冷拉胎圈鋼絲斷裂總伸長率非常小,幾乎為零。隨著載重子午線輪胎不斷發(fā)展,3%的斷裂總伸長率已遠不能滿足輪胎性能要求。/144502008中規(guī)定,鋼絲斷裂總伸長率不得小于5%,而國外先進公司標準為不小于6%,甚至有達到8%以上的。斷裂總伸長率是胎圈鋼絲的一個關鍵指標,輪胎受力時,鋼絲圈最內層鋼絲首先變形,然后通過壓縮隔離膠依次傳遞到最外層,鋼絲圈層與層之間有一定的壓力降,越往外層受力越小,若胎圈鋼絲有足夠的斷裂總伸長率,這種受力差別會逐漸減小,直至趨近于零,從而達到每根鋼絲均勻承受作用力;反之,若胎圈鋼絲沒有足夠的斷裂總伸長率,其受力主要由內層幾根或幾層鋼絲承擔,容易造成鋼絲圈由內向外斷裂,導致輪胎使用壽命急劇縮短,甚至發(fā)生爆破。 早期冷拉胎圈鋼絲屈服強度非常高,后來出現電鍍紫銅胎圈鋼絲,其鍍銅作業(yè)線基本采用先回火后矯直處理方式,胎圈鋼絲屈服強度降低,屈強比基本在70%80%。目前,胎圈鋼絲屈強比較大,普通強度不小于80%,高強度不小于85%。胎圈鋼絲不僅要求高強度,還要求較高的屈強比,以減小鋼絲的蠕變,從而提高輪胎使用壽命。2.2工藝性能胎圈鋼絲主要工藝性能要求有平直性和殘余扭轉。鋼絲平直性要求3長的鋼絲試樣應在兩條相距600平行線內保持平整,不得呈“”形(見圖1)。目前,國內大多數胎圈鋼絲生產企業(yè)能夠達到平直性要求,部分國外企業(yè)實測平直性能夠控制在3長的鋼絲試樣在兩條相距200平行線內保持平整,這值得國內企業(yè)借鑒。殘余扭轉要求鋼絲在9的長度上圍繞自身軸線旋轉角度不大于360。殘余扭轉過大的原因是鋼絲內應力未完全去除以及平直性不良。胎圈鋼絲工藝性能直接影響輪胎生產,若鋼絲平直性或殘余扭轉不合格,勢必造成鋼絲圈變形、脫膠和胎圈鋼絲刺出等質量缺陷。2.3粘合性能鋼絲與橡膠的粘合性能不僅取決于鋼絲,與橡膠配方也有著密切關系。胎圈鋼絲與橡膠粘合性能好,輪胎質量會相應提高,反之,輪胎在使用過程中胎圈易產生鋼絲圈松散、鋼絲刺出,甚至會造成胎圈爆破等危害人身財產安全的事故。當橡膠配方一定時,影響粘合性能的主要因素是胎圈鋼絲鍍層成分和鍍層厚度以及表面狀況。鍍紫銅胎圈鋼絲較鍍青銅胎圈鋼絲的粘合力要低20%,冷拉胎圈鋼絲粘合力更低,不足鍍青銅胎圈鋼絲的50%,這是由于冷拉胎圈鋼絲是采用先鍍后拉工藝,即半成品鋼絲經鍍銅后再拉拔至成品,鋼絲表面較臟,殘留的潤滑粉較多,從而影響其粘合性能。青銅鍍層不僅粘合性能好,而且耐腐蝕,附膠率保持較高。目前,青銅鍍層胎圈鋼絲有低錫(質量分數為0.0030.03)和高錫(質量分數0.030.20)兩種,這兩種青銅鍍層胎圈鋼絲粘合性能的優(yōu)劣取決于橡膠配方。此外,胎圈鋼絲表面鍍層厚度對粘合性能也起著關鍵作用,鍍層過厚或過薄對粘合性能均不利。3胎圈鋼絲類型胎圈鋼絲按生產工藝可分為冷拉胎圈鋼絲和回火胎圈鋼絲,從強度等級上分為普通強度胎圈鋼絲和高強度胎圈鋼絲,從鍍層方式分為化鍍胎圈鋼絲和電鍍胎圈鋼絲等。 長期以來,冷拉胎圈鋼絲主要以0.96和1.00規(guī)格為主,基本為普通強度鋼絲,性能較差。自20世紀80年代我國大力引進子午線輪胎技術后,冷拉胎圈鋼絲已不能滿足子午線輪胎性能要求。由于子午線輪胎胎圈部位受力比同規(guī)格斜交輪胎要高30%50%,因此子午線輪胎必須使用物理性能、工藝性能和粘合性能更好的回火胎圈鋼絲。目前,胎圈鋼絲已發(fā)展成系列化,細規(guī)格有0.78,0.89,0.90,0.95,0.96和1.00等,粗規(guī)格有1.20,1.30,1.55,1.65和1.83等,發(fā)展多規(guī)格鍍青銅回火胎圈鋼絲已是大勢所趨,這對改變我國胎圈鋼絲生產滯后狀況有積極意義。4胎圈鋼絲生產工藝4.1工藝流程國外知名公司生產1.30以上胎圈鋼絲通常從經預處理的5.5盤條連續(xù)拉拔至成品,再回火鍍銅。而對于1.30規(guī)格以下的胎圈鋼絲,通常經過第一道粗拉拔,然后進行中間熱處理,再二次拉拔至成品。4.2盤條預處理和粗拉拔老工藝盤條預處理作業(yè)線與拉絲機是分開的,盤條表面處理基本采用間歇式處理,此工藝處理時間長,效率低,還有可能引起鋼絲氫脆現象,產品質量存在較大隱患。目前,盤條預處理作業(yè)線與粗拉絲機連接,實行流水線生產作業(yè),速度快,生產效率高,半成品質量穩(wěn)定。盤條表面處理工藝有電解酸洗和鹽酸處理等,還可采用磷化處理,潤滑載體可采用硼砂。4.3中間熱處理和拉拔20世紀80年代,中間熱處理通常采用馬弗爐和電卡爐,馬弗爐處理鋼絲容易掛鉛并堵塞洞孔,質量不穩(wěn)定,而電卡爐功率大、能耗大;冷卻方式基本采用水管冷卻,熱處理后的鋼絲強度低。20世紀90年代,主要采用燃氣爐和明火爐進行中間熱處理,這兩種加熱爐控制穩(wěn)定,勞動強度低;冷卻方式主要采用鉛浴淬火,鉛浴淬火能獲得均勻細致的索氏體組織。在同等條件下,與一般冷卻工藝相比,采用鉛浴淬火鋼絲強度可提高100200。 早期采用的滑輪式拉絲機拉拔速度慢,產量低,噪聲大,鋼絲在拉拔過程中容易扭曲,經常出現“反元寶”現象,導致在后道工序很難矯直。目前,中間拉拔基本采用直進式拉絲機,實現無扭拉拔,這是消除殘余扭轉的一個關鍵。在最后卷筒與工字輪收線機的排線器前后各配備一組矯直器,進一步消除鋼絲殘余應力,并保持平直性。對于胎圈鋼絲殘余扭轉和平直性的要求應在拉拔工序解決90%,不能留給鍍銅作業(yè)線處理,這是由于鍍銅作業(yè)線的矯直器是用來對鋼絲殘余扭轉和平直性進行最后微調精整。4.4回火和鍍銅回火胎圈鋼絲的另一關鍵工藝是應力釋放,又叫回火,回火與鍍銅作業(yè)線組成聯合作業(yè)線?；鼗鹛幚聿煌诖慊鸹蛘鹛幚?回火處理是深度冷變形鋼絲在較高溫度下(400460)組織發(fā)生回復或局部再結晶,適當調整位錯密度,并使部分破碎的晶粒重新集合的過程?；鼗鹛幚砘颈３至死渥冃蔚募庸び不?強度下降2%4%,扭轉次數降低15%20%,塑性顯著提高,斷裂總伸長率提高到5%以上,彈性屈服強度提高12%以上。早期回火主要采用明火爐,燃料為重油,這種爐子溫度偏差大,爐內氣氛不易控制,如今多采用電加熱鉛浴或燃氣鉛浴回火,這種工藝具有溫度點均勻、易控制、鋼絲物理性能穩(wěn)定等優(yōu)點。鉛溫和鋼絲在鉛時間等工藝條件應根據產品要求(規(guī)格、工作速度和強度等)進行控制,鋼絲在鉛時間對鋼絲塑性和韌性有非常大的影響。 對于鍍青銅,國內外很多企業(yè)采用以金屬化學置換反應獲得鋼絲表面鍍層的先進工藝,也稱為化鍍?；瘜W鍍銅的鍍液成分簡單,主要成分是硫酸銅和硫酸亞錫。為了保證鍍層與鋼絲之間結合力,提高鍍液的穩(wěn)定性,鍍液配方內通常添加穩(wěn)定劑?；瘜W鍍銅工藝具有生產效率高、鍍層色澤均勻、與橡膠粘合性能好和防銹能力強等優(yōu)點3?；兒碗婂兲ト︿摻z粘合性能優(yōu)劣取決一系列條件,沒有嚴格意義上的區(qū)別。 在鍍銅作業(yè)線上,鍍銅前鋼絲表面處理主要有電解硫酸、鹽酸和超聲波等方式,鍍槽有單槽和多槽,鍍液溫度有高有低,這主要取決于鋼絲鍍層質量、在槽時間和鋼絲工作速度。目前多數胎圈鋼絲生產企業(yè)采用較薄鍍層,/144502008對青銅鍍層做了詳細規(guī)定,具體如下:鍍層厚度(0.120.07),鍍層參考質量(0.5480.320)/-1。 早期鍍紫銅速度緩慢,通常不超過130-1,目前有些胎圈鋼絲生產企業(yè)細規(guī)格鋼絲鍍銅運行速度高達350400-1?；瘜W鍍銅可實現低高溫鍍銅,打破了原有在環(huán)境溫度或低溫下鍍青銅的工藝限制。4.5包裝 胎圈鋼絲采用標準包裝,抽真空并加入干燥劑,以保證胎圈鋼絲在儲存和運輸過程以及使用前不生銹。每兩盤胎圈鋼絲放在一個托盤上進行運輸包裝,包裝形式可以不同,但必須保證在運輸過程中不破損。在一盤胎圈鋼絲中允許有一定數量的接頭,但接頭必須對焊并打磨,接頭最小破斷力應達到鋼絲最小破斷力的50%,這是保證鋼絲圈正常生產的基本要求。 目前,胎圈鋼絲主要采用線軸包裝,內包裝采用熱塑封鋁塑薄膜真空包裝,內置袋狀干燥劑,外包裝采用瓦楞紙箱,用帶打包,底部采用木底托。整個包裝流程為流水線作業(yè),效率較以前簡易包裝和工字輪包裝有很大提高。5胎圈鋼絲發(fā)展趨勢目前,胎圈鋼絲以圓斷面為主,但國外一些特殊用途輪胎已采用扁平帶鋼以及梯形、扇形等異形斷面胎圈鋼絲。與采用圓斷面胎圈鋼絲制作的胎圈相比,采用異形鋼絲制作的胎圈耐疲勞性能好,壽命長4。目前,國內一些廠家正在對異形斷面胎圈鋼絲生產工藝進行試驗研究。 現階段,胎圈鋼絲的鍍層仍以銅為主(主要為青銅),但以米其林為代表的一些輪胎公司已開始采用鍍鋅鋼絲5,這值得國內輪胎企業(yè)注意。鍍鋅鋼絲可以提高鋼絲的耐腐蝕性,但同時需要先進的粘合技術相配合。6結語 隨著輪胎技術的不斷發(fā)展,對胎圈鋼絲不斷提出新的要求,而胎圈鋼絲技術進步又對輪胎技術的發(fā)展起到推動作用。目前,國內外胎圈鋼絲生產工藝基本類似,但在工藝控制穩(wěn)定性上,我國與國外相比