7×7結(jié)構(gòu)超高強(qiáng)度鋼絲簾線破斷力影響因素的探討

姚利麗，王 威，朱晨露，陳長新

（1.江蘇興達(dá)鋼簾線股份有限公司，江蘇 泰州 225721；2.江蘇省結(jié)構(gòu)與功能金屬復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇泰州 225721）

輪胎制造技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)輪胎工業(yè)不斷生產(chǎn)出更節(jié)能、更安全、成本更低、壽命更長的輪胎，開發(fā)高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼絲簾線，既能有效地提高胎體、帶束層的強(qiáng)度和輪胎的安全性能，也能減小輪胎鋼絲簾線的用量，降低生產(chǎn)成本，節(jié)約能源和原材料[1]。羅奕文[2]按ISO 17832：2018鋼絲簾線中鋼絲的強(qiáng)度等級(jí)分類，設(shè)計(jì)使用超高強(qiáng)度（ST）鋼絲簾線代替高強(qiáng)度（HT）鋼絲簾線，可減小輪胎鋼絲簾線和膠料用量。根據(jù)輪胎產(chǎn)品性能的發(fā)展需求，鋼絲簾線向強(qiáng)度4 000 MPa及以上發(fā)展，不僅提高輪胎的安全性，還可減小輪胎鋼絲簾線的用量，降低成本。黃寶等[3]研究表明，高強(qiáng)度鋼絲簾線的疲勞強(qiáng)度明顯比普通強(qiáng)度鋼絲簾線高。隨著輪胎子午化率在新興國家中繼續(xù)增大，綠色輪胎成為全球發(fā)展趨勢，要求低燃油消耗和二氧化碳排放，ST鋼絲簾線已經(jīng)顯著減小了簾布的質(zhì)量，若要進(jìn)一步減小質(zhì)量則可以考慮特高強(qiáng)度（UT）鋼絲簾線[4]。而作為鋼絲簾線產(chǎn)品的一個(gè)分支，工程機(jī)械子午線輪胎用鋼絲簾線更需要向高強(qiáng)度發(fā)展，這是由于工程機(jī)械輪胎的負(fù)荷遠(yuǎn)高于普通載重輪胎，載質(zhì)量高達(dá)400 t，因此傳統(tǒng)的層狀結(jié)構(gòu)鋼絲簾線已經(jīng)不能滿足要求。目前的解決方案一般是把多根傳統(tǒng)鋼絲簾線捻制在一起，形成更大規(guī)格的工程機(jī)械子午線輪胎用鋼絲簾線，其中較流行的鋼絲簾線結(jié)構(gòu)如圖1所示[5-6]。

正是由于工程機(jī)械子午線輪胎用鋼絲簾線的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求較高，在超高強(qiáng)度鋼絲簾線開發(fā)中成品破斷力常達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，有文獻(xiàn)指出鋼絲繩拆股鋼絲抗拉強(qiáng)度和抗扭轉(zhuǎn)性能等均比捻制前鋼絲對應(yīng)性能有一定幅度的降低，這種冷拉鋼絲捻制成鋼絲繩后力學(xué)性能降低的現(xiàn)象稱為鋼絲繩的捻制損失[7]。而鋼絲繩的捻制損失一般情況下與單絲的原始強(qiáng)度、捻距、直徑、抗旋轉(zhuǎn)性能等諸多因素有關(guān)[8-9]。本工作針對7×7Φ2.3 mm超高強(qiáng)度鋼絲簾線開發(fā)過程中出現(xiàn)的設(shè)計(jì)單絲破斷力總和遠(yuǎn)大于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、但最后成品破斷力不達(dá)標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)為大于7 000 N）的問題進(jìn)行研究，探討影響7×7Φ2.3 mm結(jié)構(gòu)超高強(qiáng)度鋼絲簾線破斷力的相關(guān)因素。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)原材料采用含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.92%，0.82%和0.72%的高碳鋼鍍黃銅鋼絲，鋼絲規(guī)格為Φ1.55 mm，Φ1.65 mm，Φ1.35 mm和Φ1.50 mm。不同規(guī)格、不同含碳量的鍍銅鋼絲在TB4型水箱濕式拉絲機(jī)上拉拔成不同規(guī)格單絲，保證拉拔的單絲強(qiáng)度在所需范圍內(nèi)。不同強(qiáng)度的單絲根據(jù)試驗(yàn)要求，經(jīng)過DTU型捻股機(jī)捻制成1＋6結(jié)構(gòu)的股線，最后股線經(jīng)過管式機(jī)合成7×7結(jié)構(gòu)鋼絲簾線，試驗(yàn)對每一步單絲或股線的破斷力進(jìn)行檢測，便于計(jì)算捻制損失。破斷力捻制損失＝（單絲初始破斷力總和－捻制后破斷力）/單絲初始破斷力總和。7×7Φ2.3 mm結(jié)構(gòu)鋼絲簾線的主要性能指標(biāo)為：直徑（2.3±0.05） mm，結(jié) 構(gòu) 0.28＋6×0.26＋6×（0.26＋6×0.24），捻向 Z/S/Z或S/Z/S，捻距 （9.0/11.5/17.5±0.5） mm，破 斷 力＞7 000 N。

試驗(yàn)采用德國Zwick公司的CMT6103型拉伸試驗(yàn)機(jī)對單絲破斷力進(jìn)行檢測；采用上海量具廠的130型數(shù)顯千分尺對單絲直徑進(jìn)行檢測；采用德國Zwick公司的010型拉伸試驗(yàn)機(jī)對股線或成品鋼絲簾線破斷力進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 各階段破斷力捻制損失分析

根據(jù)7×7Φ2.3 mm鋼絲簾線破斷力要求，使用DTU型捻股機(jī)捻制股線，最后股線經(jīng)過管式機(jī)合成鋼絲簾線。1.55ST鍍銅鋼絲拉拔單絲的檢測結(jié)果如表1所示。

表1 1.55ST鍍銅鋼絲拉拔單絲的檢測結(jié)果

表1中單絲強(qiáng)度按ISO 17832：2018標(biāo)準(zhǔn)分類均已達(dá)到超高強(qiáng)度級(jí)別。

1.55ST鍍銅鋼絲拉拔生產(chǎn)的鋼絲簾線的檢測結(jié)果為：直徑 2.259 mm，捻向 Z/S/Z，捻距17.78 mm，破斷力 6 153 N。

由此可以看出，雖然鋼絲簾線直徑、捻距均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但破斷力只有6 153 N，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的大于7 000 N。

在初期試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，單絲破斷力總和遠(yuǎn)大于簾線所需要的破斷力，對每一步捻制單絲或股線的破斷力進(jìn)行檢測，計(jì)算每一步的捻制損失，如圖2所示。

從圖2可以看出，單絲的破斷力總和為8 731 N，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求的7 000 N，但最后簾線的破斷力只有6 153 N，整個(gè)簾線捻制過程中的破斷力損失為29.5%。從捻制過程的每一步進(jìn)行分析，可以看出拉拔的單絲不論是捻制芯股還是捻制面股，破斷力的捻制損失均不大，分別是2.2%和3.2%，但在使用股線捻制簾線時(shí)破斷力捻制損失急劇增大，達(dá)到27.3%，可以明顯看出破斷力的捻制損失主要產(chǎn)生在股線合成簾線階段。

2.2 不同強(qiáng)度芯股對破斷力捻制損失的影響

鋼絲繩的強(qiáng)度損失與鋼絲的結(jié)構(gòu)、捻角及鋼絲的原始強(qiáng)度不均勻性有關(guān)，鋼絲的扭曲越大，股中鋼絲的同心層越多，則鋼絲繩的強(qiáng)度損失就越大[10]。從這方面考慮分析，7×7結(jié)構(gòu)鋼絲簾線由1根芯股和6根面股捻制而成，在捻制過程中面股相當(dāng)于經(jīng)過了兩次捻制，合成工序破斷力的捻制損失確實(shí)會(huì)增大。保證面股使用的單絲不變，使用不同含碳量和直徑的鍍銅鋼絲得到不同破斷力的芯股單絲，相同面股搭配不同強(qiáng)度芯股鋼絲簾線的破斷力捻制損失如表2所示。

從表2可以看出，芯股單絲強(qiáng)度在2 242～3 660 MPa范圍內(nèi)，芯股破斷力捻制損失較小，在6.0%以內(nèi)，單絲強(qiáng)度等級(jí)基本覆蓋了從NT到ST的范圍。相同面股與不同強(qiáng)度單絲捻制的芯股合成簾線這一步的破斷力損失基本在20.0%以上但波動(dòng)范圍較小，說明破斷力的捻制損失主要產(chǎn)生在合成簾線階段，芯股的破斷力捻制損失相對較小，成品簾線的破斷力捻制損失主要受面股影響。

表2 相同面股搭配不同強(qiáng)度芯股鋼絲簾線破斷力捻制損失

2.3 不同強(qiáng)度面股對破斷力捻制損失的影響

針對面股單絲強(qiáng)度對簾線破斷力的影響，進(jìn)行進(jìn)一步研究。

試驗(yàn)保證芯股不變，使用不同含碳量和直徑的鍍銅鋼絲得到不同破斷力的面股單絲，相同芯股搭配不同強(qiáng)度面股鋼絲簾線的破斷力捻制損失如表3所示。

從表3可以看出，面股單絲強(qiáng)度在2 500～3 750 MPa范圍內(nèi)，面股破斷力捻制損失較小，在7%以內(nèi)，單絲強(qiáng)度等級(jí)覆蓋了從NT到ST的范圍。相同芯股與不同強(qiáng)度單絲捻制的面股合成簾線這一步的破斷力損失波動(dòng)范圍較大，從7.0%到26.2%，并且可以清楚地看出，隨著面股單絲強(qiáng)度的增大，合成簾線破斷力的捻制損失也增大，特別是當(dāng)面股單絲強(qiáng)度超過3 500 MPa時(shí)，合成簾線破斷力捻制損失急劇提升，由15.0%提升到24.3%以上，說明合成簾線破斷力的捻制損失還受面股單絲強(qiáng)度的影響，面股單絲強(qiáng)度越高，合成簾線時(shí)破斷力捻制損失越大，而面股破斷力捻制損失與芯股一樣均較小。

從表3還可以看出，隨著面股單絲強(qiáng)度的增大，面股破斷力呈增大趨勢，但合成簾線的破斷力并不是一直增大，而是在面股單絲強(qiáng)度超過3 500 MPa后下降，主要原因是合成簾線時(shí)的破斷力捻制損失增大，說明并不是單絲的強(qiáng)度越大，得到的成品簾線強(qiáng)度就越大。提高面股單絲強(qiáng)度會(huì)提高面股的破斷力，但過大的面股破斷力又會(huì)增大合成鋼絲簾線的捻制損失，這其中存在單絲強(qiáng)度與捻制損失的平衡問題。

表3 相同芯股搭配不同強(qiáng)度面股鋼絲簾線的破斷力捻制損失

2.4 簾線結(jié)構(gòu)對破斷力捻制損失的影響

在開發(fā)7×7結(jié)構(gòu)鋼絲簾線中遇到合成簾線時(shí)破斷力損失較大的情況，有文獻(xiàn)指出隨著單位長度上鋼絲順時(shí)針與逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)變形次數(shù)的增加，鋼絲簾線的捻制損失逐漸增大[11]。7×7結(jié)構(gòu)鋼絲簾線面股單絲就是經(jīng)過了多次變形，只是超高強(qiáng)度的單絲在經(jīng)過多次變形后破斷力的損失更大，這也就是當(dāng)面股單絲強(qiáng)度超過3 500 MPa后合成簾線破斷力損失較大的原因。

使用同樣強(qiáng)度（3 390 MPa）的單絲（規(guī)格為0.28），分別捻制0328單股結(jié)構(gòu)、1＋6＋12層狀結(jié)構(gòu)及7×7繩狀結(jié)構(gòu)鋼絲簾線的總破斷力捻制損失分別為1.4%，2.1%和20.0%。

由此可見，在使用相同強(qiáng)度單絲捻制單股結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)簾線時(shí)破斷力捻制損失相對較小，捻制7×7繩狀結(jié)構(gòu)鋼絲簾線時(shí)破斷力捻制損失急劇增大，說明破斷力的捻制損失與簾線結(jié)構(gòu)也有較大的關(guān)系，這種復(fù)雜繩狀結(jié)構(gòu)的簾線捻制時(shí)破斷力損失較大。

2.5 捻距對破斷力捻制損失的影響

捻距是鋼絲簾線生產(chǎn)的重要參數(shù)，一般認(rèn)為捻距越小，鋼絲強(qiáng)度損失越大[12]，而中心股捻距越小，其相對伸長就越大，可以延遲中心股的斷裂，對鋼絲簾線起到整體支撐作用，從而提升鋼絲簾線破斷力[13]。雖然在7×7結(jié)構(gòu)鋼絲簾線產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中成品捻距已確定為17.5 mm，為進(jìn)行深入研究，在保證芯股和面股不變的前提下，在最后捻制成品簾線階段以捻距為變量，計(jì)算不同捻距下合成簾線的破斷力捻制損失，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，在芯股和面股均相同的前提下，隨著合成簾線時(shí)的捻距增大，破斷力的捻制損失基本呈線性減小。

2.6 放線張力穩(wěn)定性對破斷力捻制損失的影響

鋼絲簾線捻制過程中放線張力穩(wěn)定性直接決定了產(chǎn)品的質(zhì)量，在生產(chǎn)過程中應(yīng)保證各個(gè)放線輪張力穩(wěn)定。如果張力控制不穩(wěn)定，造成單絲在股中或者股在鋼絲簾線中松緊不一致，在破斷力試驗(yàn)時(shí)各股或單絲之間受力不均勻，受力大的超過極限強(qiáng)度而斷裂，測試值降低[14-15]。任意選擇5組股線，保證其他工藝參數(shù)相同，分別在放線張力穩(wěn)定和相對不穩(wěn)定的機(jī)床上進(jìn)行簾線捻制，兩種張力狀態(tài)下合成簾線的破斷力捻制損失對比如圖4所示。

從圖4可以看出，5組樣品均是在穩(wěn)定張力下破斷力捻制損失較小，張力穩(wěn)定狀態(tài)下簾線破斷力捻制損失比張力不穩(wěn)定狀態(tài)下平均小4.0%左右，說明在7×7結(jié)構(gòu)鋼絲簾線生產(chǎn)中通過穩(wěn)定放線張力的方法可以有效減小合成簾線階段的破斷力捻制損失。

3 結(jié)論

（1）在7×7結(jié)構(gòu)超高強(qiáng)度鋼絲簾線生產(chǎn)中，芯股和面股的破斷力捻制損失相對較小，基本在7.0%以內(nèi)，破斷力捻制損失主要產(chǎn)生在合成簾線階段，這一步的破斷力捻制損失基本在20.0%以上，成品簾線的破斷力捻制損失主要受面股影響。

（2）合成簾線時(shí)破斷力捻制損失還受面股單絲強(qiáng)度的影響，面股單絲強(qiáng)度越大，合成簾線時(shí)捻制損失越大，當(dāng)單絲強(qiáng)度超過3 500 MPa時(shí)破斷力捻制損失急劇增大，導(dǎo)致并不是單絲強(qiáng)度越大，成品簾線破斷力就越大，提高面股單絲強(qiáng)度會(huì)提高面股的破斷力，但過高的面股破斷力又會(huì)增大合成鋼絲簾線時(shí)的破斷力捻制損失，這其中存在單絲強(qiáng)度與捻制損失的平衡問題。

（3）成品簾線破斷力捻制損失與簾線結(jié)構(gòu)也有較大的關(guān)系，復(fù)雜繩狀結(jié)構(gòu)的簾線捻制時(shí)由于單絲經(jīng)過多次扭轉(zhuǎn)變形，破斷力捻制損失較大，簡單的單股結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)鋼絲簾線的破斷力捻制損失較小。

（4）捻距和放線張力穩(wěn)定性也是影響破斷力捻制損失的兩個(gè)重要因素。隨著合成簾線的捻距增大，破斷力捻制損失基本呈線性減?。环€(wěn)定放線張力可以有效減小合成簾線階段的破斷力捻制損失。