6×19+I WS-3.6航空鋼絲繩未回火疲勞壽命達(dá)標(biāo)的工藝措施

賈寶楠，馮春玲，魯士恒，谷 華

（天津市金鼎線材制品科技開發(fā)有限公司,天津300222）

1 引言

雖然低溫回火方法對(duì)提高航空鋼絲繩疲勞性能有一定功效，但同時(shí)也帶來(lái)一些不利問(wèn)題。低溫回火不僅增加了能源消耗，而且產(chǎn)生的油煙會(huì)污染環(huán)境。較長(zhǎng)的回火時(shí)間會(huì)造成生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)低溫回火的鋼絲繩即使經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間控油，但冷凝后的油脂仍會(huì)大量存在于鋼絲繩內(nèi)部及表面，這一情況在冬季尤為明顯。在儀器儀表、電梯等對(duì)鋼絲繩潔凈度要求較高的領(lǐng)域，油脂不但會(huì)給安裝操作帶來(lái)不便，還有可能對(duì)精密設(shè)備的安全工作造成危害。因此有的用戶要求鋼絲繩表面少油甚至無(wú)油，還要保證耐疲勞。如何在不進(jìn)行低溫回火的情況下，保證航空鋼絲繩的疲勞性能，應(yīng)采取有效的工藝措施。

本文通過(guò)對(duì)6×19+IWS-3.6航空鋼絲繩從原料到成品各工序嚴(yán)格控制的生產(chǎn)實(shí)踐，證明該產(chǎn)品未經(jīng)回火疲勞壽命能夠達(dá)標(biāo)，并為將來(lái)實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)規(guī)格航空鋼絲繩疲勞達(dá)標(biāo)進(jìn)行工藝創(chuàng)新提供參考依據(jù)。

2 航空鋼絲繩疲勞試驗(yàn)原理和條件

2.1 試驗(yàn)方法及原理

鋼絲繩的疲勞試驗(yàn)是鑒別鋼絲繩質(zhì)量和使用壽命的重要檢驗(yàn)方法，不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ谠囼?yàn)方法的要求不同。我國(guó)現(xiàn)行YB/T5197-2005《航空用鋼絲繩》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鋼絲繩疲勞試驗(yàn)按GB12347《鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)方法》中的平面單向彎曲疲勞方法進(jìn)行。即試樣在同一平面內(nèi)通過(guò)彎曲滑輪向一個(gè)方向彎曲一定角度（90°）的疲勞試驗(yàn)，其原理見(jiàn)圖1。疲勞試驗(yàn)的原理是鋼絲繩試樣以一定的包角經(jīng)過(guò)試驗(yàn)輪，并對(duì)其施加張力，以一定的頻率反復(fù)彎曲，考核鋼絲繩承受彎曲疲勞的性能。

2.2 試驗(yàn)條件及判定原則

反復(fù)彎曲試驗(yàn)輪直徑的大小、對(duì)試驗(yàn)繩施加張力的高低以及進(jìn)行反復(fù)彎曲試驗(yàn)頻率的快慢等試驗(yàn)條件，均對(duì)疲勞次數(shù)有很大的影響。6×19+IWS-3.6航空鋼絲繩標(biāo)準(zhǔn)要求：滑輪直徑為Φ35 mm；施加張力88 N；試樣在有效長(zhǎng)度（350 mm）內(nèi)每分鐘平面單向反復(fù)彎曲60次，即彎曲試驗(yàn)頻率為7200次/h。

航空鋼絲繩疲勞試驗(yàn)達(dá)到規(guī)定次數(shù)后，測(cè)定其殘余強(qiáng)度應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。6×19+IWS-3.6航空鋼絲繩的疲勞次數(shù)要求為160000次，疲勞試驗(yàn)后，磨損部位的破斷拉力（勞后破斷）不得小于公稱破斷拉力9.1 kN的60%，即不小于5.46 kN。

圖1 平面單向彎曲疲勞原理示意圖

3 提高疲勞壽命的主要措施

3.1 精選航空鋼絲繩用料

鋼絲繩用鋼的質(zhì)量，直接影響鋼絲繩的疲勞性能。按照YB/T5197-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，航空用鋼絲繩用鋼應(yīng)符合GB/T699的規(guī)定，也可選用能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求且適用于制繩鋼絲的高碳鋼原料，但硫、磷含量各不大于0.025%[1]。實(shí)際生產(chǎn)中，6×19+IWS-3.6航空用鋼絲繩一般選用寶鋼、首鋼、鞍鋼等國(guó)內(nèi)主要制造商的65#鋼原料，但P、S作為有害元素，必須嚴(yán)格控制。盡管YB/T5197—2005標(biāo)準(zhǔn)中P、S的指標(biāo)已經(jīng)基本達(dá)到GB/T699—1999中特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼的水平，但如果想保證鋼絲繩疲勞性能，應(yīng)選擇P、S實(shí)際含量≤0.015%的盤條。對(duì)于重要產(chǎn)品，應(yīng)選用經(jīng)過(guò)爐外精煉的67A、72A、寶鋼B72LX甚至進(jìn)口原料，其實(shí)際P、S含量一般≤0.010%。據(jù)悉，采用優(yōu)質(zhì)鋼盤條制造的鋼絲繩，其使用壽命比一般用途鋼絲制造的鋼絲繩提高40%～45%。顯然，降低有害雜質(zhì)含量，對(duì)于提高鋼絲繩疲勞強(qiáng)度具有重大的意義。

3.2 嚴(yán)格控制制繩用鋼絲生產(chǎn)工藝

3.2.1 確保電鍍鋼絲技術(shù)要求

耐疲勞航空繩用鋼絲是通過(guò)電鍍鋼絲拉拔而成，通過(guò)嚴(yán)格控制才能獲得鋼絲最佳性能。6×19+IWS-3.6航空鋼絲繩公稱鋼絲直徑為Φ0.24 mm，公稱抗拉強(qiáng)度1770 MPa。實(shí)際生產(chǎn)中一般選用鞍鋼產(chǎn)65#鋼材質(zhì)的Φ1.0 mm電鍍鋅鋼絲作為前道原料，其主要技術(shù)要求如表1所示。

表1 Φ1.0mm電鍍鋅鋼絲主要技術(shù)要求

Φ1.0 mm電鍍鋼絲強(qiáng)度要均勻，盡量控制在1100～1200 MPa，這樣才能保證制繩用Φ0.24 mm強(qiáng)度的均勻，避免早期斷絲情況的發(fā)生。伸長(zhǎng)率代表著鋼絲韌性指標(biāo)，其數(shù)值越高鋼絲韌性越好，有利于拉拔和捻制過(guò)程中不發(fā)生斷絲，成品的疲勞性能也就越好。用于6×19+IWS-3.6不回火繩生產(chǎn)時(shí)，Φ1.0 mm鋼絲的伸長(zhǎng)率至少要保證在8.0%以上。

上鋅量和硫酸銅作為檢測(cè)鋼絲鋅層質(zhì)量的指標(biāo)，其自身與疲勞性能關(guān)系不大，但鋅層厚的鋼絲耐腐蝕性能更好，出現(xiàn)銹蝕的時(shí)間更晚，從而延長(zhǎng)了鋼絲繩的使用壽命。因此，鋅層的重量（上鋅量）和致密度（通過(guò)硫酸銅試驗(yàn)體現(xiàn)）對(duì)航空用鋼絲繩疲勞性能的影響也很大，應(yīng)引起我們的高度重視。

3.2.2 嚴(yán)格控制拉拔條件

（1）控制拉拔速度。目前拉絲機(jī)大多為高速設(shè)備，雖然提高了產(chǎn)量，但會(huì)造成鋼絲在拉拔過(guò)程中產(chǎn)生的熱量加大，從而導(dǎo)致強(qiáng)度升高而韌性下降的現(xiàn)象，對(duì)鋼絲繩疲勞性能不利。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，160型翻轉(zhuǎn)水箱拉絲機(jī)的拉拔線速度控制在8～10 m/s，是生產(chǎn)效率和該產(chǎn)品質(zhì)量的平衡點(diǎn)。

（2）控制潤(rùn)滑劑的濃度和溫度。進(jìn)行水箱拉絲時(shí)要選擇潤(rùn)滑性能良好的專用鈉皂潤(rùn)滑劑，濃度維持在（3±0.5）%為最佳，過(guò)高的濃度會(huì)造成“縮?！保鴿舛冗^(guò)低會(huì)造成潤(rùn)滑不良，對(duì)鋅層和力學(xué)性能造成不良影響。潤(rùn)滑劑循環(huán)要保持良好的散熱和冷卻，溫度保持在25～40℃之間為最佳，以免對(duì)鋼絲性能造成影響。

（3）拉拔模具精度保證。拉拔過(guò)程中要根據(jù)工藝要求選擇高質(zhì)量的拉絲模具，其角度、定徑帶尺寸以及表面粗糙度必須得到保證。拉絲模具通常采用WC-Co類硬質(zhì)合金，也可采用硬度更高、使用更耐久的鉆石模生產(chǎn)。YB/T5197-2005標(biāo)準(zhǔn)要求Φ0.24 mm鋼絲直徑公差為，內(nèi)控可規(guī)定到±0.010 mm，但考慮到鋼絲直徑均勻性對(duì)鋼絲繩質(zhì)量的影響，建議模具直徑公差控制到±0.005 mm。

3.2.3 確保制繩用絲性能要求

制繩用鋼絲的直徑公差、強(qiáng)度范圍、韌性級(jí)別、表面光潔度及拉拔應(yīng)力的大小均對(duì)鋼絲繩疲勞性能有影響。試驗(yàn)證明：用公差控制嚴(yán)格且表面光潔度高的鋼絲所捻制的鋼絲繩，表面光滑平整，其耐疲勞性能比普通鋼絲捻制的鋼絲繩提高20%～25%[3]，鋼絲抗拉強(qiáng)度不均勻及韌性級(jí)別低等情況會(huì)大幅降低鋼絲繩疲勞性能。針對(duì)用于6×19+IWS-3.6航空鋼絲繩半成品鋼絲性能試驗(yàn)數(shù)值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 半成品鋼絲性能試驗(yàn)數(shù)值一覽表

表2中公稱打結(jié)率是指鋼絲打結(jié)拉力與公稱強(qiáng)度（1770 MPa）對(duì)應(yīng)拉力的比值，不能具體反映鋼絲韌性的好壞。在過(guò)程控制中，可以考核實(shí)際打結(jié)率，即打結(jié)拉力與實(shí)際拉力的比值，這樣更能具體體現(xiàn)出鋼絲韌性的真實(shí)水平。顯然表2的數(shù)值是高于YB/T5197-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的。

3.3 嚴(yán)格控制捻股合繩工藝

捻股合繩是鋼絲繩生產(chǎn)最重要的環(huán)節(jié)，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)確定不需改變的情況下，只有通過(guò)加強(qiáng)過(guò)程管理才能夠?qū)崿F(xiàn)既定目標(biāo)。

3.3.1 嚴(yán)格控制配絲的均勻性

捻股上軸前，挑選直徑、強(qiáng)度、韌性等指標(biāo)相當(dāng)?shù)匿摻z是非常重要的。鋼絲繩經(jīng)過(guò)滑輪時(shí)，繩內(nèi)鋼絲之間會(huì)產(chǎn)生相互錯(cuò)位，如果鋼絲的直徑或性能存在較大差異，則可能過(guò)早出現(xiàn)個(gè)別鋼絲的損傷和斷裂，從而影響到鋼絲繩使用壽命。

3.3.2 嚴(yán)格控制股繩捻距

捻距是鋼絲繩生產(chǎn)的重要參數(shù)，捻距較大時(shí)，生產(chǎn)效率高，捻制損失小，承載能力大，承載后伸長(zhǎng)小；捻距較小時(shí)，鋼絲繩柔軟性好，不易松散，耐疲勞性能好，耐磨性能有提高，使用壽命增加[3]。由于我們重點(diǎn)要保證6×19+IWS-3.6的疲勞性能，而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的捻距范圍過(guò)于寬泛，所以本產(chǎn)品繩捻距選定6.3～6.7倍繩徑，股捻距上、下捻分別為11～11.4倍股徑和9.5～10倍股徑，并且通條捻距幅度控制在±3%以內(nèi)。

3.3.3 合理選用工裝模具

（1）壓線模用于股繩成型和定徑，對(duì)保證股繩直徑和結(jié)構(gòu)緊密具有重要作用。為了保證股繩表面不受損傷，應(yīng)盡量選擇膠木材質(zhì)的壓線模用于對(duì)疲勞性能要求較高的產(chǎn)品。但由于膠木耐磨性較差，需要經(jīng)常更換，給操作人員帶來(lái)不便，也增加了產(chǎn)品成本?，F(xiàn)在多數(shù)企業(yè)使用鋼模，但應(yīng)嚴(yán)格控制使用部位的倒圓和光潔度，壓線模一旦刮線將會(huì)直接影響鋼絲繩疲勞性能。

（2）捻股時(shí)應(yīng)加后調(diào)直器去除捻制應(yīng)力，但不使用預(yù)變形器，否則容易造成合繩時(shí)起“燈籠”。合繩時(shí)應(yīng)加后調(diào)直器和預(yù)變形器。航空用鋼絲繩的預(yù)變形器一般采用臥式（錐式）預(yù)變形器，輪距一般為捻距的90%～95%，變形器輪采用“零彎”。這樣的數(shù)值與捻距最為匹配，否則成品容易出現(xiàn)波浪、吐芯和松散等問(wèn)題。后調(diào)直器應(yīng)選用多組縱橫排列的輥輪彎曲式，輪距為輪徑的2.2倍，壓彎量為繩徑的0.6～1.2倍，實(shí)踐效果很好。

3.3.4 有效消除捻制應(yīng)力

帶有殘余應(yīng)力的鋼絲繩會(huì)降低疲勞壽命，過(guò)捻勻直或預(yù)張拉方法是替代低溫回火消除捻制應(yīng)力的有效方法。過(guò)捻勻直是將捻制后的鋼絲繩進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)捻器，通過(guò)先上捻、后破捻的結(jié)構(gòu)平衡，起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、消除捻制應(yīng)力的目的。預(yù)張拉是對(duì)捻制后的鋼絲繩施加約50%破斷拉力的高負(fù)荷拉伸，使繩消除結(jié)構(gòu)性伸長(zhǎng)。6×19+IWS-3.6鋼絲繩經(jīng)過(guò)預(yù)張拉后，確實(shí)有效地改善了鋼絲繩松緊度不一致的現(xiàn)象，使股繩結(jié)構(gòu)更加緊密，減少伸長(zhǎng)和內(nèi)應(yīng)力，提高承載能力和使用壽命。

3.4 嚴(yán)格檢查試樣質(zhì)量

完成捻制后，檢驗(yàn)、試驗(yàn)的取樣工作雖然簡(jiǎn)單，卻往往最容易被忽視。剛開始合繩時(shí)，松緊度尚在調(diào)整中，鋼絲繩未達(dá)到最佳狀態(tài)。合繩最后20～30 m，由于繩股接近到頭，使原本保持一致的張力失去或不均，從而造成鋼絲繩端部松緊度無(wú)法控制。由此可以看出，鋼絲繩兩端的質(zhì)量可能一定程度上與中間部位的鋼絲繩存在差異，在設(shè)備精度較低的情況下更加明顯。這種差異在拆股試驗(yàn)中可能體現(xiàn)不出來(lái)，但對(duì)破斷拉力特別是疲勞性能的影響卻非常大。應(yīng)在距繩端部20～30 m后檢查繩表面質(zhì)量，合格后方可進(jìn)行取樣試驗(yàn)。如果繩頭去除不凈，也易造成用戶質(zhì)量投訴，因此必須高度重視。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

6×19+IWS-3.6航繩回火后樣品與加強(qiáng)工藝控制后未回火樣品的各項(xiàng)性能實(shí)測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

從表3可以看出，經(jīng)過(guò)加強(qiáng)工藝控制后不進(jìn)行低溫回火樣品各項(xiàng)性能指標(biāo)與低溫回火樣品相比，質(zhì)量水平基本相當(dāng)，說(shuō)明相關(guān)措施有效。鑒于不進(jìn)行低溫回火產(chǎn)品在成本、潔凈度和用戶要求符合性等方面的優(yōu)勢(shì)，該工藝具有一定的推廣價(jià)值。

表3 回火及不回火樣品性能實(shí)測(cè)對(duì)比表

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，6×19+IWS-3.6航空鋼絲繩經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的工藝控制后，能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)不進(jìn)行低溫回火疲勞性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的目標(biāo)，這是對(duì)航空用鋼絲繩傳統(tǒng)工藝的創(chuàng)新和改進(jìn)。通過(guò)采用新工藝，能夠在保證產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，有效提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。提高航空用鋼絲繩質(zhì)量面臨的課題還有很多，只有持續(xù)改進(jìn)工藝方法，以滿足用戶個(gè)性化要求為目標(biāo)，才能使航空鋼絲繩的技術(shù)水平和實(shí)物質(zhì)量不斷提高。

[1]Y B/T 5197-2005航空用鋼絲繩[S].

[2]冶金工業(yè)部工資司.鋼絲繩生產(chǎn) (中級(jí)本)[M].北京：冶金工業(yè)部，1985:123.

[3]沈奧.鋼絲繩生產(chǎn)[M].北京：中國(guó)言實(shí)出版社，1996：35.