3×0.22/9×0.20CCUMT鋼絲簾線的開發(fā)

倪自飛，盛榮生

[1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，江蘇 南京 210023；2.鎮(zhèn)江耐絲新型材料有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212006；3.盛利維爾（中國）新材料技術(shù)股份有限公司，江蘇 常州 213200]

鋼絲簾線具有強度高、韌性好、耐疲勞等優(yōu)點，是子午線輪胎重要的骨架材料，在推動綠色低滾動阻力輪胎發(fā)展的進程中起著重要作用。更高強度的鋼絲簾線可以在滿足簾布強度的情況下，減小鋼絲簾線用量，降低輪胎滾動阻力，從而既節(jié)約燃油，又減少二氧化碳的排放[1-4]，因此開發(fā)更高強度的鋼絲簾線是實現(xiàn)輪胎產(chǎn)業(yè)升級的必由之路。

隨著歐盟輪胎標簽法的頒布，鋼絲簾線的強度要求進一步提高，特別是單絲強度大于4 000 MPa的鋼絲簾線，逐漸成為各大鋼絲簾線生產(chǎn)企業(yè)爭相追逐的目標。目前UT鋼絲簾線的單絲強度已達到3 800 MPa（0.20 mm），而鮮有鋼絲簾線單絲強度超過4 000 MPa（0.20 mm）的報道[5]。

3×0.22/9×0.20CCUMT鋼絲簾線的單絲強度大于4 000 MPa，比3×0.22/9×0.20CCUT鋼絲簾線高，比3×0.24/9×0.225CCHT鋼絲簾線的直徑小，破斷力高，因此在輪胎胎體中應(yīng)用可以減小鋼絲簾線用量和簾布厚度，實現(xiàn)輪胎輕量化，降低輪胎滾動阻力?，F(xiàn)將其開發(fā)情況介紹如下。

1 實驗

1.1 主要原材料

采用碳質(zhì)量分數(shù)為0.009 7（簡稱UMT1）和0.010 2（簡稱UMT2）的進口盤條（盤條的化學(xué)組分及其質(zhì)量分數(shù)見表1），經(jīng)過大拉、中拉、熱處理和濕拉等工序拉拔成所需直徑的單絲，最后捻制成鋼絲簾線。

表1 盤條的化學(xué)組分及其質(zhì)量分數(shù)

1.2 主要儀器

Zeiss金相顯微鏡，德國蔡司公司產(chǎn)品；萬能拉力試驗機和扭轉(zhuǎn)測試儀，美國Instron公司產(chǎn)品。

2 產(chǎn)品性能設(shè)計

3/9系列是目前在輪胎胎體中應(yīng)用較為廣泛的一種鋼絲簾線結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由12根單絲組成，按照相同捻向與捻距一次捻制而成，其中3根大直徑的單絲組成芯線，9根小直徑的單絲組成面線，其截面近似于三角形，如圖1所示。

圖1 3/9系列鋼絲簾線截面示意

3/9系列鋼絲簾線中的鋼絲與鋼絲之間為線接觸，可減小單絲之間的接觸摩擦，提高鋼絲簾線的耐疲勞性能，同時利用組成鋼絲簾線的12根單絲直徑間的差異，設(shè)計3根內(nèi)層單絲直徑比9根外層單絲直徑大，這樣有利于提高鋼絲簾線的滲膠性能。

3×0.22/9×0.20CCUMT，3×0.22/9×0.20 CCUT和3×0.24/9×0.225CCHT鋼絲簾線的性能指標如表2所示，具體的公差范圍參照GB/T 11181—2016《子午線輪胎用鋼簾線》要求執(zhí)行。

表2 3種鋼絲簾線的性能指標

從表2可以看出：與3×0.24/9×0.225CCHT鋼絲簾線相比，3×0.22/9×0.20CCUT鋼絲簾線的破斷力相同，但簾線直徑和線密度分別減小了9.6%和19.5%；3×0.22/9×0.20CCUMT鋼 絲簾線的簾線直徑和線密度均與3×0.22/9×0.20 CCUT鋼絲簾線相同，但破斷力提高了7.3%。

3 工藝設(shè)計

3.1 單絲工藝

（1）0.20UMT工藝路線：先將UMT1進口盤條拉拔至直徑為1.40 mm，然后進行電鍍熱處理，再經(jīng)濕式拉拔至直徑為0.20 mm。

（2）0.22UMT工藝路線：先將UMT2進口盤條拉拔至直徑為1.40 mm，然后進行電鍍熱處理，再經(jīng)濕式拉拔至直徑為0.22 mm。

采用兩種不同碳含量的進口盤條制備上述兩種單絲，旨在使其半成品直徑相同，有利于提高大拉和中拉的生產(chǎn)效率，同時也有利于調(diào)控索氏體化熱處理。

3.2 半成品熱處理

隨著市場對更高強度鋼絲簾線需求的進一步提高，鋼絲簾線盤條的碳質(zhì)量分數(shù)已由0.007 2和0.008 2增大至0.009 2，而下一代鋼絲簾線用盤條碳質(zhì)量分數(shù)可達1.000 2。對處于過共析區(qū)域的高碳鋼線材，為了能得到優(yōu)良的冷加工性能，必須獲得有利于拉拔的索氏體金相組織。碳含量越大，其偽共析熱處理工藝的控制難度就越大，在加熱到奧氏體化后，必須控制好水淬火工藝，使高碳線材能快速穿越兩相區(qū)，形成單一的索氏體組織，而不會出現(xiàn)二次滲碳體相。圖2所示為兩種直徑為1.40 mm的半成品熱處理后的金相組織。

圖2 兩種半成品金相組織

從圖2可以看出，經(jīng)過高分子水浴處理后，兩種高碳盤條金相組織均以索氏體為主，未觀察到有先共析相和未溶的碳化物相。兩種半成品的性能如表3所示。

表3 兩種半成品的性能

3.3 濕式拉拔工藝

對于依靠冷拔大變形獲得特高強度的鋼絲，其扭轉(zhuǎn)性能是決定鋼絲簾線產(chǎn)品性能以及捻制生產(chǎn)效率的重要指標。扭轉(zhuǎn)性能差的鋼絲，在鋼絲簾線捻制時易產(chǎn)生斷絲，影響生產(chǎn)效率，同時即使不斷絲，也會導(dǎo)致鋼絲簾線的耐疲勞性能較差，給輪胎的行駛安全帶來隱患。因此大變形高強度鋼絲的扭轉(zhuǎn)分層已經(jīng)成為制約高碳鋼絲實現(xiàn)高強度化的最大障礙。通常以扭轉(zhuǎn)斷裂的圈數(shù)以及扭轉(zhuǎn)斷口形貌來評價鋼絲的韌性[6]。扭轉(zhuǎn)試驗斷口主要有兩種形狀，第1種為平斷口[見圖3（a）]，對于剪切強度低于拉伸強度的韌性材料，其斷裂是在最大剪切應(yīng)力方向，即試樣從最外層沿橫截面發(fā)生剪斷產(chǎn)生的平直斷口，斷口平滑且垂直于線材軸線（或稍微傾斜）。而對于拉伸強度低于剪切強度的脆性材料，其斷裂是由試樣的最外層沿與軸線約成45°傾角的螺旋形曲面發(fā)生拉斷而產(chǎn)生的，形成螺旋斷口，即分層斷口[見圖3（b）]。分層斷口無論呈何種形狀，試樣外表面全長或大部分長度上都有螺旋形裂紋。

圖3 扭轉(zhuǎn)斷口分類示意

根據(jù)UMT1和UMT2進口盤條的特點，設(shè)計的拉拔工藝見圖4，鋼絲性能見表4。

圖4 兩種鋼絲的拉拔工藝

從表4可以看出，兩種鋼絲的抗拉強度均大于4 000 MPa，扭轉(zhuǎn)測試顯示其具備良好的韌性。

表4 兩種鋼絲的性能

3.4 捻制工藝

將試制鋼絲捻制成3×0.22/9×0.20CCUMT鋼絲簾線，其性能如下：捻距 12.7 mm，捻向 S，簾線直徑 0.852 mm，線密度 3.18 g·m-1，破斷力 1 580 N。對比表2可知，本試制鋼絲簾線的性能滿足設(shè)計標準要求。

4 應(yīng)用

根據(jù)簾布等強度替換原則，采用3×0.22/9×0.20CCUMT和3×0.22/9×0.20CCUT鋼絲簾線替代3×0.24/9×0.225CCHT鋼絲簾線，3種鋼絲簾線及其膠料用量如表5所示。

從表5可以看出：采用3×0.22/9×0.20CCUT鋼 絲 簾 線 替 代3×0.24/9×0.225CCHT鋼 絲簾線，鋼絲簾線質(zhì)量和膠料質(zhì)量分別減小20%和12%，簾布質(zhì)量減小16%；而采用更高強度的3×0.22/9×0.20CCUMT鋼 絲 簾 線 替 代3×0.24/9×0.225CCHT鋼絲簾線，鋼絲簾線質(zhì)量和膠料質(zhì)量則分別減小25%和11%，簾布質(zhì)量減小18%，從而能夠進一步減小輪胎質(zhì)量，減少資源消耗。

表5 3種鋼絲簾線及其膠料用量

5 結(jié)論

（1）采用UMT1和UMT2進口盤條，設(shè)計了相同的半成品直徑，所制鋼絲簾線用鋼絲的抗拉強度均大于4 000 MPa，且扭轉(zhuǎn)性能優(yōu)異。

（2）經(jīng)設(shè)計制得的3×0.22/9×0.20CCUMT鋼絲簾線的破斷力達到1 580 N，滿足設(shè)計要求。

（3）采用3×0.22/9×0.20CCUT鋼絲簾線替代3×0.24/9×0.225CCHT鋼絲簾線，可降低鋼絲簾線和膠料的用量，減小簾布質(zhì)量；而采用更高強度的3×0.22/9×0.20CCUMT鋼絲簾線可進一步減小簾布質(zhì)量，實現(xiàn)輪胎輕量化。