3×0.22/9×0.20CCUMT鋼絲簾線的開發

倪自飛，盛榮生

[1.南京工業職業技術大學，江蘇 南京 210023；2.鎮江耐絲新型材料有限公司，江蘇 鎮江 212006；3.盛利維爾（中國）新材料技術股份有限公司，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，從而既節約燃油，又減少二氧化碳的排放[1-4]，因此開發更高強度的鋼絲簾線是實現輪胎產業升級的必由之路。

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企業爭相追逐的目標。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用可以減小鋼絲簾線用量和簾布厚度，實現輪胎輕量化，降低輪胎滾動阻力。現將其開發情況介紹如下。

1 實驗

1.1 主要原材料

采用碳質量分數為0.009 7（簡稱UMT1）和0.010 2（簡稱UMT2）的進口盤條（盤條的化學組分及其質量分數見表1），經過大拉、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 盤條的化學組分及其質量分數

1.2 主要儀器

Zeiss金相顯微鏡，德國蔡司公司產品；萬能拉力試驗機和扭轉測試儀，美國Instron公司產品。

2 產品性能設計

3/9系列是目前在輪胎胎體中應用較為廣泛的一種鋼絲簾線結構。該結構由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，設計3根內層單絲直徑比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效率，同時也有利于調控索氏體化熱處理。

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量分數已由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量分數可達1.000 2。對處于過共析區域的高碳鋼線材，為了能得到優良的冷加工性能，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，形成單一的索氏體組織，而不會出現二次滲碳體相。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，其扭轉性能是決定鋼絲簾線產品性能以及捻制生產效率的重要指標。扭轉性能差的鋼絲，在鋼絲簾線捻制時易產生斷絲，影響生產效率，同時即使不斷絲，也會導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分層已經成為制約高碳鋼絲實現高強度化的最大障礙。通常以扭轉斷裂的圈數以及扭轉斷口形貌來評價鋼絲的韌性[6]。扭轉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力方向，即試樣從最外層沿橫截面發生剪斷產生的平直斷口，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生拉斷而產生的，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 扭轉斷口分類示意

根據UMT1和UMT2進口盤條的特點，設計的拉拔工藝見圖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計標準要求。

4 應用

根據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，鋼絲簾線質量和膠料質量分別減小20%和12%，簾布質量減小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，鋼絲簾線質量和膠料質量則分別減小25%和11%，簾布質量減小18%，從而能夠進一步減小輪胎質量，減少資源消耗。

表5 3種鋼絲簾線及其膠料用量

5 結論

（1）采用UMT1和UMT2進口盤條，設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，且扭轉性能優異。

（2）經設計制得的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量，實現輪胎輕量化。