抗微動磨損鋼絲繩

張金利，曹德潤（.天津冶金集團物流有限公司，天津300050；.天津冶金鋼線鋼纜集團有限公司環(huán)鐘分公司，天津300000）

抗微動磨損鋼絲繩

張金利1，曹德潤2
（1.天津冶金集團物流有限公司，天津300050；
2.天津冶金鋼線鋼纜集團有限公司環(huán)鐘分公司，天津300000）

[摘要]起重機械正向高速度、高揚程、高負(fù)載方向發(fā)展，對鋼絲繩耐疲勞性能要求逐漸提高。微動磨損和微動疲勞是鋼絲繩失效的主要原因之一。對制繩用鋼絲進行表面處理，提高表面的耐磨性和降低摩擦系數(shù)是提高鋼絲繩抗微動磨損能力的有效手段。制繩鋼絲經(jīng)錳系耐磨磷化處理，可以提高表面耐磨損、抗腐蝕性能，改善鋼絲表面攜帶潤滑劑的能力，從而有效抑制微動磨損和微動疲勞的發(fā)生，延長鋼絲繩使用壽命。

[關(guān)鍵詞]鋼絲繩；疲勞；磨損；腐蝕；耐磨磷化；微動；表面處理

1　引言

鋼絲繩是起重機械以及其他傳動部位經(jīng)常使用的重要金屬制品。鋼絲繩在使用過程中逐漸失效的主要原因是磨損與疲勞以及腐蝕。使用環(huán)境不同，種類不同，鋼絲繩失效的原因也有明顯的不同。失效鋼絲繩外觀特征包括鋼絲表面發(fā)生氧化，出現(xiàn)棕紅色鐵銹;鋼絲繩因外部發(fā)生磨損造成直徑減?。灰蛭幽p和微動疲勞導(dǎo)致鋼絲繩內(nèi)部鋼絲出現(xiàn)斷裂等。因此，有必要針對鋼絲繩失效的形式分析原因，尋找到適當(dāng)?shù)囊种莆幽p和微動疲勞的方法，延長鋼絲繩的使用壽命。

2　光面鋼絲繩及主要生產(chǎn)工藝流程

2.1光面鋼絲繩

1834年歐洲人奧魯勃特發(fā)明了世界上第一根鋼絲繩（光面鋼絲繩），至今已有180年的生產(chǎn)和使用歷史[1]。1939年建立的天津市第一鋼絲繩廠是我國第一家金屬制品企業(yè)[2]，截至目前，我國已經(jīng)生產(chǎn)和使用光面鋼絲繩70余年。

多數(shù)品種的鋼絲繩是由優(yōu)質(zhì)碳素鋼絲、纖維芯和潤滑脂制造而成，部分品種鋼絲繩使用不銹鋼絲捻制而成。制繩鋼絲以優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼熱軋盤條為原料，冷拉到需要的直徑并得到具有一定物理性能，可滿足對制繩鋼絲性能要求的鋼絲。按上述工藝生產(chǎn)的制繩鋼絲即為光面鋼絲，制繩鋼絲冷拉后不再做任何表面處理，直接用于捻制股繩或鋼芯，用該種股繩捻制的鋼絲繩即為光面鋼絲繩。

制繩鋼絲在拉拔前需要進行表面處理，主要是磷化處理，以提高鋼絲表面的潤滑性能。其表面疏松多孔的磷化膜有利于增加鋼絲冷拉過程中帶入拉絲模潤滑劑的數(shù)量，降低冷拉能耗。在高速連續(xù)冷拉過程中，磷化膜與硬質(zhì)合金拉絲模具發(fā)生劇烈摩擦并逐漸脫落，鋼絲經(jīng)過總壓縮率75%~93%的連續(xù)冷拉，殘余磷化膜膜重一般在1 g/m2左右。干式拉絲過程中，如果鋼絲溫升超過150℃，磷化膜將會因脫水而加速脫落；水箱冷拉過程中，鋼絲與塔輪間有相對滑動，滑動量較大時也會加速鋼絲表面磷化膜脫落。文獻[3]介紹，冷拉前磷化膜膜重4.21~9.67 g/m2，鋼絲由Φ3.6mm冷拉至Φ1.4mm，總壓縮率為84.9%，冷拉后殘余磷化膜為0.6~1.46 g/m2。

2.2光面鋼絲繩生產(chǎn)流程

光面鋼絲繩生產(chǎn)流程如下：

盤條→酸洗→水洗→鋅系磷化→水洗→烘干→冷拉→熱處理→酸洗→水洗→鋅系磷化→水洗→烘干→冷拉→制繩鋼絲→捻股及鋼芯→合繩→檢驗→包裝。

目前光面鋼絲繩占鋼絲繩總產(chǎn)量的80%左右，鍍鋅鋼絲繩約占總產(chǎn)量的百分之十幾，其余為涂塑鋼絲繩和不銹鋼絲繩。

3　鋼絲繩失效過程及原因分析

對報廢的鋼絲繩進行檢驗，發(fā)現(xiàn)鋼絲表面均發(fā)生嚴(yán)重程度不等的磨損。鋼絲繩磨損包括外表面磨損和內(nèi)部鋼絲表面的磨損：外表面的磨損是與滑輪槽等物體摩擦所致；內(nèi)部鋼絲表面的磨損是在使用過程中相鄰鋼絲之間發(fā)生相對微動而產(chǎn)生。研究結(jié)果表明[4-8]：鋼絲繩在失效過程中，由于微動磨損在鋼絲及股繩表面形成嚴(yán)重的磨損損傷，進而發(fā)生鋼絲的疲勞斷裂，證明了鋼絲繩內(nèi)部鋼絲表面微動磨損造成的損傷與微動疲勞裂紋萌生、斷裂和擴展的關(guān)聯(lián)性。微動與交變應(yīng)力的共同作用會加速疲勞裂紋萌生與擴展，明顯減少鋼絲繩的使用壽命，因此，微動疲勞是造成鋼絲繩最終失效的主要原因。

材料表面有一定的粗糙度和波紋度，接觸表面相對滑動時，實際是這些凸峰頂端間的接觸，摩擦力即相互嚙合部分被剪切或擠壓變形所需力和接觸部分分子引力的合力。摩擦是黏結(jié)與滑移交替進行的過程，材料變形、黏著及相對運動將黏著點撕裂時產(chǎn)生的材料轉(zhuǎn)移及脫落給材料所造成的損失就是磨損。

鋼絲繩獨具的某些優(yōu)異特性，如具有非常良好的柔韌性以及圍繞滑輪彎曲變形性能等。正是由于鋼繩內(nèi)部的鋼絲間存在著滑動現(xiàn)象，才使鋼繩具有如此特性，所以鋼絲間的滑動是鋼絲繩結(jié)構(gòu)的固有特性，鋼絲繩使用過程中鋼絲間的微動是不可避免的，也不能通過技術(shù)手段消除鋼絲間的微動[9]。

4　微動磨損和微動疲勞

4.1微動磨損的形成

微動的三體理論產(chǎn)生過程包括：（1）磨屑的形成過程：接觸表面粘著和塑性變形，并伴隨強烈的加工硬化；（2）磨屑的演化過程：①接觸表面膜去除，摩擦系數(shù)較低；②第一、二體之間相互作用增加，發(fā)生粘著，摩擦系數(shù)上升，并伴隨材料組織結(jié)構(gòu)變化；（3）磨屑剝落，第三體床形成，二體接觸逐漸變成三體接觸，因第三體的保護作用，粘著受抑制，摩擦系數(shù)降低；（4）磨屑連續(xù)不斷地形成和排除，其成分和接觸表面隨時間改變，形成和排出的磨屑達到平衡，微動磨損進入穩(wěn)定階段[14]。這些過程可看成是連續(xù)和同時發(fā)生的過程。

4.2微動磨損的發(fā)展

微動磨損中，金屬表面微凸體接觸后形成冷焊點，微動往復(fù)式多次反復(fù)運動，使某些冷焊點發(fā)生斷裂，同時出現(xiàn)材料轉(zhuǎn)移，因此磨損率低。同種金屬在一起微動時易發(fā)生粘著，而且兩表面的損傷程度相同。氧化較嚴(yán)重而且氧化膜易碎裂成片，氧化與機械兩種機制的協(xié)同作用加速表面破壞；氧化層致密起減摩作用，如鈦合金、鎳鉻鋁合金在高溫下的微動磨損，氧化作用緩解了機械摩擦導(dǎo)致的損傷。

4.3微動疲勞

微動疲勞是指因微動而萌生裂紋源，并在交變應(yīng)力下裂紋擴展，從而導(dǎo)致疲勞斷裂的破壞形式。只有達到一定的微動循環(huán)次數(shù)時才能導(dǎo)致疲勞強度的降低。低于此值時，微動的影響不明顯。而微動造成疲勞強度明顯下降，并降低于一確定值后，即使微動過程繼續(xù)進行，疲勞強度也不再進—步下降。微動摩擦力和疲勞應(yīng)力的協(xié)同作用將導(dǎo)致裂紋的萌生和加速其擴展。

4.4減少鋼絲繩微動磨損的主要途徑

對于鋼絲繩產(chǎn)品而言，為了延長鋼絲繩使用壽命，在鋼絲間微動不能消除的情況下，只能采取技術(shù)措施防止微動所引起的磨損。摩擦力是產(chǎn)生微動損傷的原因所在，降低鋼絲間摩擦因數(shù)或者使鋼絲表面更耐磨均可減緩、抑制微動損傷的發(fā)生，具體措施包括：通過涂敷潤滑脂降低摩擦因數(shù)、提高鋼絲表面耐磨性、通過涂塑達到物理性隔離的效果、增加鋼絲間接觸面積降低磨損速率、減緩疲勞裂紋萌生與擴展速率、防止腐蝕等[10]。

5　抗微動磨損鋼絲繩表面處理方法選擇

對于鋼絲產(chǎn)品而言，最為常見的表面處理方法是磷化處理。它具有成本低、潤滑效果好，簡便易行的特點，用于鋼絲表面處理的歷史也很長久，工藝技術(shù)成熟。同時，磷化膜還具有良好的電絕緣性能，能夠阻礙在鋼絲表面形成微電池，減少鋼絲表面發(fā)生腐蝕的可能性，是首選的鋼絲表面耐磨處理工藝。金屬的磷化大體可分為鐵系磷化、鋅系磷化、錳系磷化、鋅鈣系磷化、鋅錳系磷化和非晶相鐵系磷化等6類。

在鋼絲冷加工過程中，對于磷化膜的厚度要求不高，磷化膜重量要求≥3 g/m2便可。由于鋅系磷化膜在皂化后可以形成潤滑性很好的硬脂酸鋅層，有利于鋼絲拉拔加工的進行，并且由于鋅系磷化處理可在40~90℃條件下進行，磷化處理時間短，因此鋼絲冷拉加工一般采用鋅系磷化。值得注意的是，鋅系磷酸鹽膜的減摩特性不如錳磷酸鹽膜，減摩要求不太高的場合可采用鋅系磷化膜。

錳系磷化膜硬度和熱穩(wěn)定性高，減摩潤滑效果好。純錳磷化工藝能夠顯著的降低鋼絲摩擦系數(shù)。純錳磷化不同于常用的鋅錳系、純鋅系、鋅鈣系、鐵系等磷化，純錳系磷化的結(jié)晶是層疊的半球狀，而其它磷化的結(jié)晶是葉狀或者針狀。純錳系磷化膜層具有較大的硬度，承載能力和熱穩(wěn)定性，因此特別適用于處理滑動摩擦件（如齒輪、軸套、汽缸套、活塞環(huán)、凸輪軸、氣門挺桿、兵器部件等），提高滑動摩擦件的耐磨性能和摩擦副的磨合性能。當(dāng)潤滑突然中斷時，磷化膜還能夠吸收一定的機械應(yīng)力，防止零件表面損傷。在制繩鋼絲的表面，半球狀的層疊磷化膜結(jié)晶能夠極好的儲存潤滑油，在經(jīng)受應(yīng)力相互擠壓的過程中，半球狀不會象針狀一樣被輕易拉斷，半球內(nèi)的潤滑油可以保證工件表面一直處于完全的有油潤滑狀態(tài)，其功能相當(dāng)于“膜軸承”。在工作狀態(tài)下，如果制繩鋼絲有晶格缺陷的表面有純錳的磷化膜存在，就可以減緩沖擊和受力強度，顯著延長缺陷晶格失效的時間。因此，制繩鋼絲表面的純錳的磷化膜是解決鋼絲繩微動磨損和微動疲勞問題的有力措施。

將制繩鋼絲磷化處理，磷化膜膜重在3~60 g/ m2，包括碳素鋼絲、合金鋼絲、鍍鋅、鍍鋁、鍍鋅鋁合金等鍍層的鋼絲等[11]，制繩用磷化鋼絲優(yōu)先采用錳系和鋅錳系耐磨磷化液[12]，其生產(chǎn)流程如下：

盤條→酸洗→水洗→鋅系磷化→水洗→烘干→冷拉→熱處理→酸洗→水洗→鋅系磷化→水洗→烘干→冷拉→制繩鋼絲→堿洗→水洗→酸洗→水洗→錳系耐磨磷化→水洗→烘干→捻股及鋼芯→合繩→檢驗→包裝。

與光面鋼絲繩生產(chǎn)流程相比，磷化鋼絲繩生產(chǎn)流程中增加了制繩用鋼絲耐磨磷化處理過程，包括堿洗、酸洗、水洗、錳系耐磨磷化和烘干等工序。

磷化涂層鋼絲繩利用磷化膜的耐磨、減摩及防銹的3個主要功能。鋼絲繩承受的主要是軸向拉應(yīng)力，鋼絲繩受到的徑向壓應(yīng)力遠小于軸向拉應(yīng)力，所以磷化處理對于繩內(nèi)鋼絲表面的耐磨、減摩及防腐蝕效果是有保證的，能夠有效抑制、減緩微動損傷的發(fā)生，使磷化涂層鋼絲繩疲勞壽命比同結(jié)構(gòu)光面鋼絲繩大幅度延長。

6　其它提高鋼絲繩抗微動磨損能力的方法

在制繩鋼絲及捻制工藝相同的情況下，分別使用國產(chǎn)潤滑脂和進口潤滑脂生產(chǎn)電梯鋼絲繩，電梯鋼絲繩疲勞試驗壽命從117萬次提高到152萬次，提高了29．9%。疲勞試驗是對鋼絲繩實際使用工況的一種模擬，因而疲勞試驗壽命的延長即意味著鋼絲繩實際使用壽命的等比例延長[13]。采用優(yōu)質(zhì)鋼絲繩潤滑脂，可以有效地降低制繩鋼絲間的磨損。綜合采用錳系磷化處理和優(yōu)質(zhì)潤滑脂，可以顯著提高鋼絲繩的抗微動磨損和微動疲勞性能，延長鋼絲繩的使用壽命。

7　抗微動磨損鋼絲繩市場前景分析

2013年國內(nèi)鋼絲繩產(chǎn)量已經(jīng)達到187萬噸，生產(chǎn)規(guī)模已經(jīng)穩(wěn)居世界第一[14]，買方市場已經(jīng)充分形成，用戶選購鋼絲繩時擁有足夠的挑選空間。應(yīng)該注意的是，鋼絲繩用戶挑選鋼繩的觀念在悄悄地改變，由以往的主要關(guān)注銷售價格，逐漸向更加關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量、使用壽命方面轉(zhuǎn)變。鋼絲繩是起重機械一種不可或缺的配件，隨著各類起重機械向高速度、高揚程、高負(fù)載方向發(fā)展，對鋼絲繩的耐疲勞性能的要求越來越高。為了避免鋼絲繩突然斷裂可能造成的財產(chǎn)損失，具有較強抗微動磨損和微動疲勞能力的錳系磷化鋼絲繩一定會因其高質(zhì)量、長壽命而受到客戶的青睞。

2013年德國鋼絲繩出口到中國的鋼絲繩均價為5 565美元/t[15]，即便其零售價格已經(jīng)達到國產(chǎn)鋼絲繩的三倍以上，仍有客戶愿意出高價購買使用，可見國內(nèi)部分用戶對高品質(zhì)鋼繩的強烈需求。

拉拔前表面準(zhǔn)備使用鋅系磷化液，制繩鋼絲采用錳系耐磨磷化液，其生產(chǎn)過程大同小異，僅對生產(chǎn)線作部分調(diào)整改造即可滿足大批量生產(chǎn)制繩用磷化鋼絲的需求。耐磨磷化技術(shù)已經(jīng)非常成熟且成本低廉，磷化涂層鋼絲繩較同結(jié)構(gòu)光面鋼絲繩而言，其生產(chǎn)成本上升幅度大約為10%~15%，而磷化鋼絲繩使用壽命延長獲得的效益與成本的增加相比要高出許多[16-17]，出色的耐疲勞性能可以幫助企業(yè)贏得市場并獲得豐厚的利潤回報，磷化鋼絲繩不僅是光面鋼絲繩的理想替代品，而且完全有能力替代進口的鋼絲繩。

8　結(jié)語

鋼絲繩使用過程中鋼絲間的微動是其特殊結(jié)構(gòu)的固有特性，因而不可避免，只能采取各類技術(shù)措施削弱鋼絲間微動所帶來的危害。微動磨損、腐蝕疲勞是造成鋼絲繩失效的主要原因[18]。通過制繩鋼絲表面強化，采用錳系磷化處理和采用優(yōu)質(zhì)潤滑油脂可以顯著提高鋼絲繩的抗微動磨損和微動疲勞的能力，提高鋼絲繩使用壽命。

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Anti-fretting Wear Steel Wire Rope

ZHANG Jin-li1and CAO De-run2
(1.Tianjin Metallurgy Group Logistics Co., Ltd.,Tianjin 300050,China；
2.Huanzhong Branch, Tianjin Metallurgy Steel Wire and Rope Co., Ltd.，Tianjin 300000,China)

AbstractHoisting machinery is developed along to high running speed, high lift, high load direction, the wire rope fatigue performance requirements gradually increase. Fretting wear and fretting fatigue is one of the main reasons for the failure of wire rope. The surface treatment of steel wire used for steel rope to improve surface wear resistance and lower friction coefficient is an effective method to improve the fretting resistance of the steel wire rope. The manganese phosphating treatment of steel wire for rope can improve the wear resistance, corrosion resistance, surface abrasion resistance, improve the ability of carrying lubricant for the surface of steel wire, thus inhibit the fretting wear and fretting fatigue, prolong the service life of wire rope.

Key wordswire rope, fatigue, wear, corrosion, anti-wear phosphating, fretting, surface treatment

作者簡介：張金利(1963—)，男，工程師，主要從事鋼絲繩方面的研究工作。

收稿日期：2015- 01- 15修回日期：2015- 02- 06