前景廣闊的磷化涂層鋼絲繩

張金利 曹德潤

摘 要：人類從1834年開始生產(chǎn)光面鋼絲繩直至今天，隨著起重機(jī)械向高速度、高揚(yáng)程、高負(fù)載方向發(fā)展，對鋼繩耐疲勞性能要求逐漸提高。磷化鋼絲繩專利技術(shù)，制繩鋼絲經(jīng)過錳系或鋅錳系耐磨磷化處理，提高了制繩鋼絲表面耐磨損、抗腐蝕性能，同時(shí)促進(jìn)鋼絲間發(fā)生滑動，從而有效抑制微動疲勞的發(fā)生，大幅度延長鋼絲繩使用壽命，是光面鋼絲繩的理想替代品。

關(guān)鍵詞：鋼絲繩；疲勞性能；使用壽命；磨損；腐蝕；耐磨磷化

1 鋼絲繩生產(chǎn)簡史及主要工藝流程

1834年歐洲人奧魯勃特發(fā)明了世界上第一根鋼絲繩既光面鋼絲繩，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]，我國已經(jīng)生產(chǎn)和使用光面鋼絲繩七十余年。

多數(shù)品種的鋼絲繩是使用優(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，盤條普遍采用了控制冷卻工藝，其索氏體化率大于80%，索氏體金相組織有利于冷拉的進(jìn)行。盤條經(jīng)表面準(zhǔn)備后冷拉到需要的直徑并得到具有一定物理性能的鋼絲，為了得到高強(qiáng)高韌的制繩鋼絲，制繩鋼絲的總壓縮率一般控制在75-93%之間，常用熱軋盤條直徑為5.5mm或6.5mm，生產(chǎn)小規(guī)格制繩鋼絲時(shí)，需要增加中間熱處理工序以消除加工硬化并得到索氏體金相組織。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。鋼絲拉拔前表面準(zhǔn)備工序形成的磷化膜，可以提高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1g/m2左右。干式拉絲過程中，如果鋼絲溫升超過150℃，磷化膜因脫水而加速脫落，水箱冷拉過程中，鋼絲與塔輪間有相對滑動，滑動量較大時(shí)加速磷化膜脫落。文獻(xiàn)[3]介紹，冷拉前磷化膜膜重4.21-9.67g/m2，鋼絲由3.6mm冷拉至1.4mm，總壓縮率為84.9%，冷拉后殘余磷化膜為0.6-1.46g/m2。

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(yàn)→包裝

目前光面鋼絲繩占鋼絲繩總產(chǎn)量的百分之八十左右，鍍鋅鋼絲繩約占總產(chǎn)量的百分之十幾的份額，其余為涂塑鋼絲繩和不銹鋼絲繩。

2 鋼繩失效過程及延長其使用壽命的技術(shù)措施

檢驗(yàn)報(bào)廢的鋼絲繩，鋼絲表面均發(fā)生嚴(yán)重程度不等的磨損，鋼繩的磨損包括外表面磨損和內(nèi)部鋼絲表面的磨損，相關(guān)文獻(xiàn)中已有諸多關(guān)于鋼絲表面磨損的記載與描述，外表面的磨損是與滑輪槽等物體摩擦所致，繩內(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。

材料表面有一定的粗糙度和波紋度，接觸表面相對滑動時(shí)，實(shí)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(jìn)行的過程，材料變形、黏著及相對運(yùn)動將黏著點(diǎn)撕裂時(shí)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。

鋼絲繩受軸向拉應(yīng)力的作用會發(fā)生伸長變形，鋼絲繩的伸長變形包括彈性伸長、結(jié)構(gòu)性伸長和蠕變伸長等。彈性伸長量的大小主要取決于制繩鋼絲力學(xué)性能、繩結(jié)構(gòu)及捻制參數(shù)、載荷大小等，當(dāng)施加載荷消除后，其彈性伸長可以恢復(fù)。在加載、卸載的過程中必然引起鋼絲繩彈性伸長量的變化，當(dāng)鋼絲繩內(nèi)部相互接觸的兩根鋼絲的彈性伸長變形不同步時(shí)，它們之間將發(fā)生相對滑動，鋼絲表面受摩擦作用而發(fā)生磨損，一般情況下其相對滑動量為微米量級，由此引起的磨損被稱為微動磨損，微動磨損與疲勞的復(fù)合作用即微動疲勞[4]。

鋼絲繩獨(dú)具的某些優(yōu)異特性，如鋼絲繩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[5]。

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(dá)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(kuò)展速率、防止腐蝕等[6]。

3 磷化涂層鋼絲繩專利技術(shù)

將制繩鋼絲磷化處理，磷化膜膜重在3-60g/m2之間，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[7]，制繩用磷化鋼絲優(yōu)先采用錳系和鋅錳系耐磨磷化液[8]，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→錳系或鋅錳系耐磨磷化→水洗→烘干→捻股及鋼芯→合繩→檢驗(yàn)→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、水洗和烘干等工序。

磷化膜與鋼絲基體結(jié)合牢固且自身非常耐磨，具有良好的抗腐蝕性，磷化膜因其具備高彌散度微孔結(jié)構(gòu)、一定的硬度、吸震性、抗熱性等特點(diǎn)，能有效降低摩擦系數(shù)，防止咬合和擦傷，防止發(fā)生相互粘結(jié)，減小鋼絲間摩擦阻力促進(jìn)滑動，磷化處理后制繩鋼絲表面物理吸附能力增強(qiáng)，潤滑脂可滲入磷化膜孔隙之間，制繩鋼絲表面可儲存更多的潤滑脂，且潤滑脂不容易從鋼絲表面脫落。同時(shí)磷化膜具有非常良好的電絕緣性，可有效抑制鋼絲表面微電池的形成，磷化膜與潤滑脂的共同作用，大幅度提高鋼絲間的潤滑效果及鋼絲的耐腐蝕能力，延緩鋼絲繩微動疲勞與腐蝕疲勞的發(fā)生并延長鋼絲繩使用壽命。

以提高耐磨性、減摩、改善潤滑為主要作用的磷化已廣泛應(yīng)用于輕工、汽車、化工、電器、國防等領(lǐng)域摩擦運(yùn)動承載零件，如齒輪、挺桿、曲軸、凸輪、活塞等的制造，并取得非常優(yōu)異的應(yīng)用效果[9][10]。磷化涂層鋼絲繩專利技術(shù)同樣是利用磷化的耐磨，減摩及防銹的三個(gè)主要功能，而曲軸、凸輪、齒輪等均是在高速轉(zhuǎn)動情況下使用且需傳遞非常大的功率，而鋼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(yuǎn)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，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。

4 磷化鋼絲繩市場前景分析

2013年國內(nèi)鋼絲繩產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到187萬噸，生產(chǎn)規(guī)模已經(jīng)穩(wěn)居世界第一[11]，買方市場已經(jīng)充分形成，用戶選購鋼絲繩時(shí)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(jià)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(jī)械一種不可或缺的配件，隨著各類起重機(jī)械向高速度、高揚(yáng)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(cái)產(chǎn)損失，高質(zhì)量、長壽命的鋼絲繩愈加受到客戶的青睞與歡迎。

2013年德國鋼絲繩出口到中國的鋼絲繩均價(jià)為5565美元/噸[12]，即便其零售價(jià)格已經(jīng)達(dá)到國產(chǎn)鋼絲繩的三倍以上，仍有客戶愿意出高價(jià)購買使用，可見國內(nèi)部分用戶對高品質(zhì)鋼繩的強(qiáng)烈需求。

拉拔前表面準(zhǔn)備使用鋅系磷化液，制繩鋼絲采用錳系或鋅錳系耐磨磷化液，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，在考慮需支付一定專利許可費(fèi)用的情況下，磷化涂層鋼絲繩較同結(jié)構(gòu)光面鋼絲繩而言，假定其生產(chǎn)成本上升幅度為10-15%，而疲勞試驗(yàn)已經(jīng)證明磷化鋼絲繩使用壽命的延長幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過成本上升幅度，擁有非常高的性價(jià)比，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(bào)，磷化鋼絲繩是不僅是光面鋼絲繩的理想替代品，而且完全有能力替代進(jìn)口的鋼絲繩。

5 結(jié)束語

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。微動疲勞、腐蝕疲勞是造成鋼絲繩失效的主要原因。通過強(qiáng)化制繩鋼絲表面功能，特別是提高制繩鋼絲表面的耐磨損、耐腐蝕性能，抑制、減緩鋼絲繩內(nèi)疲勞微裂紋的萌生，從而達(dá)到提高鋼絲繩耐疲勞性能和延長鋼絲繩使用壽命的目的。既通過對制繩鋼絲進(jìn)行表面處理，阻斷摩擦力作用或削弱鋼絲間微動帶來的表面微動損傷，表面處理技術(shù)是延長鋼絲繩使用壽命的一個(gè)新途徑。

光面鋼絲繩目前應(yīng)用范圍非常廣泛，如礦山鋼絲繩、電梯曳引鋼絲繩、起重機(jī)用多股阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩等等。光面鋼絲繩僅依靠涂敷潤滑脂減小摩擦力防護(hù)微動損傷，且冷拉得到的光面制繩鋼絲表面光潔度極高。如果是干式拉絲，鋼絲表面殘余拉絲粉中蠟質(zhì)成分使其難以被潤滑脂浸潤，不利于對潤滑脂的吸附。磷化涂層鋼絲繩是世界鋼絲繩行業(yè)第一次通過采用表面處理技術(shù)來防護(hù)鋼絲的微動損傷，看似簡單的技術(shù)卻是世界首創(chuàng)。磷化鋼絲繩利用的是磷化膜與潤滑脂的復(fù)合作用，磷化膜的存在使鋼絲之間不再互相直接摩擦，防護(hù)微動損傷效果大于磷化膜與潤滑脂單一功能的疊加，因而磷化涂層鋼絲繩比光面鋼絲繩使用壽命更長。磷化技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟且成本低廉，磷化涂層鋼絲繩具有更高的性價(jià)比，磷化涂層鋼絲繩是光面鋼絲繩理想替代品，隨著鋼絲繩制造領(lǐng)域?qū)︿摻z繩失效過程認(rèn)識水平的不斷提高，針對防范失效因素采取的新技術(shù)、新工藝一定會不斷出現(xiàn)，鋼絲繩的使用壽命將會大幅度延長。

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作者簡介：張金利（1963-），天津冶金集團(tuán)物流有限公司總經(jīng)理，工程師。

曹德潤（1964-），天津冶金鋼線鋼纜集團(tuán)有限公司環(huán)鐘分公司工程師。