論鋼絲繩簾線在乘用和重載子午線輪胎上的應(yīng)用

論鋼絲繩簾線在乘用和重載子午線輪胎上的應(yīng)用

鋼絲繩繩是由多根細(xì)鋼絲繩組成的繩子。自1968年引入胎盤行業(yè)以來，它一直是子午線胎盤的一條帶梁層、重量和工程子午線胎盤的一個新品種和擴(kuò)大。它是目前胎盤行業(yè)中最合適的骨架材料。一條載重子午線輪胎要用40%的鋼絲材料,一條乘用子午線輪胎也要用15%以上的鋼絲材料。2006年全球鋼絲簾線的產(chǎn)量已達(dá)170萬t,超過所有有機(jī)化纖簾線量的總和,占居半壁江山的地位。我國生產(chǎn)使用量現(xiàn)已達(dá)到56萬t,約占世界的1/3,成為全球第一生產(chǎn)使用大戶。鋼絲簾線具有許多優(yōu)越的性能,同有機(jī)化纖簾線相比,破斷強(qiáng)度和模量為其數(shù)倍以上,不僅在拉伸軸向,而且在彎曲、剪切、壓縮等狀態(tài)下也都表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度和剛性。并且它還可通過合股的結(jié)構(gòu)種類,單絲粗度以及捻向角度等方面的變化,對鋼絲簾線的特性加以調(diào)整和控制。除重量之外,鋼絲簾線是各種簾線材料中極具特性的骨架增強(qiáng)材料(見表1)。鋼絲簾線在輪胎上使用的優(yōu)點(diǎn)是高強(qiáng)度、高剛性、高耐熱性、高尺寸穩(wěn)定性和低成本;缺點(diǎn)是重量重、易生銹。因為強(qiáng)度大,可使輪胎胎體和帶束層數(shù)大幅減少;由于尺寸穩(wěn)定性(剛性)好,能有效提高輪胎的均一性,在行駛以后也能抑制其變化。正因如此,鋼絲簾線作為最理想的骨架材料,在乘用和載重子午線輪胎方面得到了廣泛使用。1高剛性nf特性近年來,隨著子午線輪胎的發(fā)展和低滾動阻力輪胎的擴(kuò)大,對其所用簾線的要求也發(fā)生了很大變化:除了直接影響耐久性的三要素,即高強(qiáng)力(保持性)、高耐疲勞性和高粘合耐久性等三大基本特性以外,現(xiàn)在對高剛性也作為一種非常重要的特性指標(biāo)加以提出,并且越來越受到重視。1.1有限元分析的應(yīng)用輪胎的基本功能是將支撐車輛的力(驅(qū)動力和制動力)傳遞到路面,轉(zhuǎn)換或維持方向,吸收和緩和來自路面的沖擊等。而最根本的是用輪胎中鋼絲簾線的強(qiáng)度支撐著車輛,這就是鋼絲簾線必不可少的首要特性。因為輪胎實際上就是一個壓力容器,保持其固有形狀,承受車輛的載荷,行駛時抵抗各種外力的破壞,都要用其骨架來加以保證,要求簾線必須具有足夠的強(qiáng)力。1.2輪胎抗腐蝕疲勞性與輪胎材料的要求并存車輛在行駛時,輪胎要持續(xù)不斷滾動變形,并將載荷加在輪胎上,由靜負(fù)荷變?yōu)閯迂?fù)荷,造成輪胎帶束層和胎體部位承受多次反復(fù)變形,因而要求鋼絲簾線具有極好的耐疲勞性,即耐久性。同時,因為輪胎是在各種氣候環(huán)境下使用,因此還要特別考慮在腐蝕條件下的抗腐蝕疲勞性的問題。另外,為提高耐疲勞性,在鋼絲簾線制造過程中,一定要千方百計在拉拔加工中消除鋼絲的剩余應(yīng)力。1.3提高熱壓的耐久性鋼絲簾線在輪胎中作為骨架材料要與相鄰的橡膠牢固滲透結(jié)合在一起,確保粘著的耐久性才能發(fā)揮其各種優(yōu)越特性。而且還要特別考慮在各種惡劣環(huán)境下的耐熱粘著性、濕熱粘著性等。因此,鋼絲簾線使用的鋼材種類、表面鍍層、合股結(jié)構(gòu),還有橡膠的類別、配方成分等,都對粘著耐久性有著極為重要的影響。1.4絲懲制劑周向,將帶束層成為周向的內(nèi)變形剛性的材料,使周向變形小、內(nèi)變形剛性大鋼絲簾線的剛性對子午線輪胎,特別是行駛速度高的乘用輪胎來講極其重要,這也正是其它有機(jī)纖維材料無法比擬的。輪胎的帶束層部位承受著內(nèi)壓所產(chǎn)生的強(qiáng)力。為發(fā)揮其“箍扎”的效果,周向必須要有很大的剛性。另外,在輪胎轉(zhuǎn)向時帶束層內(nèi)部還要產(chǎn)生剪切、彎曲、移動變形,發(fā)生很大的轉(zhuǎn)向力。只有轉(zhuǎn)向變形小、剛性大的輪胎才能具有良好的駕駛穩(wěn)定性,而鋼絲簾線正是具有周向剛性和內(nèi)變形剛性的最佳材料。當(dāng)然,除了鋼絲簾線本身特性之外,帶束層的結(jié)構(gòu)即簾線交叉層數(shù)、排列密度和角度、配置寬度和差級以及橡膠的剛性、層內(nèi)厚度等,也均為提高剛性的重要因素。帶束層剛性大的輪胎,不僅能發(fā)揮良好的駕駛穩(wěn)定性,同時又因接地面的局部移動小,還可提高輪胎的耐磨性和降低輪胎的滾動阻力,達(dá)到耐久又節(jié)能的目的。1.5生產(chǎn)的構(gòu)成和工藝條件輪胎在生產(chǎn)過程中,特別是在壓延、裁斷、貼合、成型乃至硫化方面,對鋼絲簾線還有許多工藝上的要求。如鋼絲簾線的抗?jié)裥院脱趸兩?、生銹速度、打結(jié)能力和結(jié)扣拉斷強(qiáng)力,直線性和柔順性、彎曲性和彈回性、扭曲強(qiáng)度和次數(shù)、應(yīng)力消除和斷頭松散度等。還有,鋼絲簾線長度的一致性,油污消除程度,生產(chǎn)保存時間和密封性包裝等,也是生產(chǎn)使用前必檢的項目。此外,鋼絲簾線本身的強(qiáng)度偏差大小、粗度(直徑)公差、捻向、捻距、密度、最低纏繞長度以及黃銅鍍層的厚度和均一性等,更是鋼絲簾線生產(chǎn)廠予以保證的?？傊?鋼絲簾線的上述性能,對輪胎廠來說是一項也不可缺少的。2電鍍、絲合股的制備為了滿足輪胎的要求,鋼絲簾線首先必須在原材料、電鍍和拉絲及合股上下功夫,解決制約和支配其特性的各種因素,使之達(dá)到高強(qiáng)度化、柔韌化、輕量化并實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)。2.1超高碳鋼sst輪胎鋼絲簾線用的材料要使用高碳鋼,含碳量一般應(yīng)在0.72%～0.8%范圍內(nèi),分為強(qiáng)力鋼(NT)、高強(qiáng)力鋼(HT)和超強(qiáng)力鋼(ST)三種。近年來,為達(dá)到強(qiáng)力的目的,對于某些特殊規(guī)格要求甚至已開始使用碳量達(dá)到0.9%的超高碳鋼(SST)。這是因為高碳鋼燒結(jié)產(chǎn)生的硬度大,容易得到高拉伸強(qiáng)度(2000N·mm-1以上)的線材。高碳鋼為一種結(jié)晶性組織,是由稱之為珠光體組織的鐵素體(α鐵)與碳化鐵體(Fe3C)呈重疊狀形態(tài)的復(fù)合材料。碳化鐵體非常堅硬,是發(fā)揮鋼絲簾線強(qiáng)力所寄托的部分;而鐵素體比較柔軟,是能寄托發(fā)揮韌性(粘力性)的部分。鋼絲簾線由于在拉拔加工時是徑向擠壓,組織向引伸的軸向排列,形成密度高的纖維狀組織,因而能得到高的強(qiáng)力(軸向單位面積的強(qiáng)力)。因為鋼絲簾線要求高的強(qiáng)力和韌性,所以首先必須選擇無不純物的盤條線材(盤元)。2.2冷拔拉伸工藝為保證高的強(qiáng)力和拉拔處理中不斷絲,要求使用最佳的熱處理條件和最高拉拔加工技術(shù),通常均選用5.5mm的盤元鋼材,使用冷拔拉伸法,經(jīng)過多次拉拔才能擠壓成細(xì)絲。在由粗到細(xì)的拉拔過程中,鋼絲要硬化難以一直拉拔到底,中間須進(jìn)行一次熱處理加以調(diào)節(jié),一般是加熱至950～1000℃,通過熔鉛爐急冷至530～580℃以改變鋼的結(jié)構(gòu)。然后,繼續(xù)拉拔到0.8mm左右的粗度進(jìn)行電鍍,一方面是容易最終拉成0.38～0.15mm的細(xì)度,另一方面又增加了與橡膠的粘接性能。2.3橡膠材料的粘結(jié)機(jī)理目前,線材粗絲選用的鍍層為銅鋅合金的黃銅,先鍍上一層1μm左右的銅,再鍍上0.5μm左右的鋅,然后熱擴(kuò)散使銅鋅分布均勻。為使之能均勻擴(kuò)散,近年來也使用多層熱擴(kuò)散的方法。以前最好的方法是氰化物電鍍,粘著性穩(wěn)定,但因有毒氰化廢水排放處理極為困難,污染環(huán)境,隨之改為非氰化物鍍銅?？墒欠乔杌镌陔婂冞^程中常出現(xiàn)復(fù)雜的絡(luò)合物,使粘著性能不穩(wěn)定,不得已改為熱擴(kuò)散法。鋼絲鍍黃銅有一舉三得的作用:一是增加了與橡膠的粘結(jié)性能,二是可以防止鋼絲生銹,三是保證線材加工時的潤滑,減少斷絲現(xiàn)象。在這里,對鋼絲簾線的使用來說,作為骨架材料與相鄰橡膠材料的粘結(jié)是最大的前提,也是之所以要鍍黃銅的根本原因。銅鋅組成比例對粘結(jié)性能的影響非常大,最好的比例為Cu60%～70%,Zn30%～40%,近年來,為抑制其反應(yīng)性過高而給粘結(jié)帶來不利的影響,主要是由于吸收水分產(chǎn)生的負(fù)面作用,一般均采用薄鍍層和低銅(60%～65%)的作法。鋼絲簾線與橡膠的粘結(jié)機(jī)理,一般認(rèn)為是黃銅鍍層中的Cu與橡膠材料中的S相互結(jié)合,在介面形成CuS。即在硫化時,橡膠中的S不僅起交聯(lián)反應(yīng),同時也起粘結(jié)反應(yīng),并設(shè)法使兩種反應(yīng)達(dá)到平衡的狀態(tài)。如果Cu的成分高時,黃銅鍍層與S的反應(yīng)也隨之相應(yīng)提高。同樣,其成分過高時則反應(yīng)性也過高,形成過度粘結(jié)層,結(jié)果對粘結(jié)的耐久性和加工性都不利。Zn的作用是通過在鋼絲簾線表面形成的ZnS和ZnO調(diào)節(jié)粘結(jié)的反應(yīng)性。然而,Zn容易氧化,且與水的反應(yīng)性也高,因而在輪胎行駛中可與空氣、橡膠中的水分進(jìn)行反應(yīng),過度生成氧化物、氫氧化物,從而成為引起粘結(jié)惡化的主要原因。所以,對Zn在界面上反應(yīng)的控制技術(shù)極為重要。同時,為了從橡膠材料方面提高粘結(jié)性,還必須要在配方中增加必要的S量,增量至少在0.5～1.0份以上。粘結(jié)反應(yīng)助劑對提高橡膠與鋼絲簾線的粘結(jié)力也有幫助,一般可添加0.5～1.0份左右的有機(jī)鈷鹽。例如油酸鈷、硬脂酸鈷、環(huán)烷酸鈷、樹脂酸鈷、癸酸鈷、噻唑類和二硫代氨基甲酸鹽類促進(jìn)劑鈷鹽等。他們都能促進(jìn)CuS層的形成。但是由于在水分存在時也有促進(jìn)生成CuXS、ZnS、ZnO而不利于粘結(jié)的現(xiàn)象,現(xiàn)在大多使用對水穩(wěn)定性好的羧基硼?；?。RHS間甲白體系對增強(qiáng)粘結(jié)有協(xié)同效果,但有腐蝕性,用時要多加以注意。2.4股捻封二圖三鋼絲簾線的粗度一般為0.52～1.62mm,是仿照有機(jī)纖維簾線的結(jié)構(gòu)由3～39根的0.15～0.38mm細(xì)鋼絲合股而成的,合股的結(jié)構(gòu)分為:1.一次合股而成的單捻簾線,一般以1×N表示。2.以中心部為芯,周圍再順次捻合2～3層鋼絲層的層捻簾線,以N+M+L表示。3.合股的鋼絲簾線再進(jìn)一步多根捻合在一起而成的復(fù)捻簾線,以N×M表示。對于層捻簾線來說,中心部第一層稱之為芯層,第二層以下叫覆蓋外層。為使捻合緊密,防止松散,通常還在最外層纏繞一根細(xì)鋼絲,稱為帶螺旋線的鋼絲簾線,以N+M+L+1表示。三種鋼絲簾線的股捻結(jié)構(gòu)如圖1所示。單捻簾線結(jié)構(gòu)簡單,剛性好,最適于用作子午線輪胎的帶束層部位,可以獲得大的箍扎力和高的駕駛穩(wěn)定性。而兩層和兩層以上的層捻簾線主要用于輕卡和載重子午線輪胎,一般按帶束層部位為3～4層,胎體部位為一層來配置。兩層以上的層捻簾線可以保持高充氣壓下載荷輪胎的形狀,并且在行駛時免受各種外界壓力的沖擊破壞。復(fù)捻簾線的強(qiáng)力最大,結(jié)構(gòu)也最復(fù)雜,主要用于大型工程子午線輪胎,簾線粗度從2.1～4.4mm,細(xì)鋼絲根數(shù)可達(dá)49～190根。2.5用橡膠滲膠型絲絲紗線解決罪犯在青蝦系統(tǒng)下的拉轉(zhuǎn)當(dāng)輪胎在使用中受到外傷而從胎面貫穿到內(nèi)層時,外來的水氣往往會傳到鋼絲簾線的表面,繼而侵入結(jié)構(gòu)內(nèi)部,從而導(dǎo)致鋼絲簾線發(fā)生黑化、銹蝕,使強(qiáng)力急劇下降。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生,現(xiàn)在更多地使用橡膠滲透性好的鋼絲簾線。這種滲膠型鋼絲簾線的結(jié)構(gòu)能使橡膠材料充分地滲透到鋼絲簾線的空隙之間,把每根鋼絲用的橡膠完全包覆起來。這樣,即使輪胎因外傷而使水氣侵入到鋼絲簾線處,由于有橡膠的保護(hù)也不會出現(xiàn)銹蝕,無損于輪胎的耐久性。這種鋼絲簾線多為開放型,橡膠可以直接滲透到每一個部位,多用于帶束層,有T型、開放型、異徑線型、空松型、非緊密型等(見圖2)。3大絲束鋼墻線,現(xiàn)有絲絲線,有以下三種輪胎鋼絲簾線在鋼絲繩行業(yè)中屬于新興的金屬纖維制造業(yè),總共不過50多年的歷史。為了不斷滿足子午線輪胎的發(fā)展要求,目前的規(guī)格品種已達(dá)50多個,其產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)歷了三代。1950～1970年的最初一代鋼絲簾線,主要是法國米其林輪胎公司開發(fā)使用的N+M+L+1的層捻鋼絲簾線。規(guī)格為3+9+9×3×0.15+0.15,粗度為1.15mm(帶螺旋線為1.45),破壞強(qiáng)力為1650N,同時并盡可能模仿有機(jī)層簾線的粗度和柔軟性,方便輪胎的成型使用。而后,又相繼出現(xiàn)了粗度為1.6mm和2.4mm鋼絲簾線,單絲直徑為0.175和0.25,強(qiáng)力為3300N和5000N的粗徑鋼絲簾線,主要用于重型載重子午線輪胎。1970～1990年,為提高鋼絲簾線的生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,出現(xiàn)了單絲較粗,結(jié)構(gòu)略為簡單的第二代產(chǎn)品。歐洲以貝卡爾特為代表的有7×4×0.175+0.15,粗度1.49mm,強(qiáng)力1690N。日美以東京制鋼為代表的有3+5×7×0.15+0.15,粗度和強(qiáng)力同上述大體相同。而后單絲粗度增至0.175～0.22。同時,胎體與帶束層使用不同規(guī)格的簾線,出現(xiàn)了帶束層專用的剛度更大、結(jié)構(gòu)更為簡單的鋼絲簾線。例如載重子午線輪胎專用的7×3×0.15、7×3×0.15+0.15、3×0.2+6×0.38、3+9×0.22+0.15。乘用子午線輪胎專用的4×0.2+0.15、2×0.22+0.15。為使生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低,生產(chǎn)效率繼續(xù)提高和功能多樣化,現(xiàn)行的第三代鋼絲簾線在單絲直徑、合股結(jié)構(gòu)以及鋼材使用上都出現(xiàn)了一些新的變化,并向第四代發(fā)展。首先在鋼材選用上,除常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)力(NT)之外,更多的開始使用高強(qiáng)力(HT)和超強(qiáng)力(ST)以及超高強(qiáng)力(SST)的鋼絲線材,有的稱為SHT級、UHT級鋼絲簾線。其次是制造工藝簡單、成本很低的緊密型鋼絲簾線(CC)問世,如3×0.22/9×0.2CC(粗度0.88,強(qiáng)力1270N)、0.22+18×0.2CC(粗度1.02、強(qiáng)力1945N),可用在一般的載重子午線輪胎的胎體上面。再有,帶束層除普遍采用滲膠型鋼絲簾線之外,在功能上又分成兩種類型,頂層使用適于易伸張的高伸張鋼絲簾線(HE),伸長率可由原來的1.7%提高到7.5%以上。底層用耐沖擊鋼絲簾線(HI),