橡膠輪胎和軟管用高強(qiáng)度鋼簾線盤條的研發(fā)

劉湘慧 編譯

(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 22572)

1 引言

鋼簾線是一種高強(qiáng)度鋼材料，在橡膠輪胎和軟管等橡膠制品中作為增強(qiáng)材料。圖1顯示了子午線輪胎的結(jié)構(gòu)示意圖。鋼簾線主要用于輪胎的帶束層和胎體部位。全世界年消費(fèi)量已達(dá)200多萬t。

圖1 子午線輪胎結(jié)構(gòu)圖

作為鋼簾線的主要性能，它們需要足夠高的抗拉強(qiáng)度，以用作增強(qiáng)材料。圖2顯示了鋼簾線抗拉強(qiáng)度的趨勢。70年代抗拉強(qiáng)度約為2 800 MPa，并逐年提高，90年代中期開發(fā)了4 000 MPa高強(qiáng)度鋼簾線，市售鋼材的抗拉強(qiáng)度也同步增高。不過，改善油耗和提高裝載能力的需求仍然強(qiáng)勁。因此，鋼簾線需要更高的強(qiáng)度，以滿足不斷增長的更輕的輪胎、更低的滾動(dòng)阻力和更高的抗負(fù)荷要求。另一方面，隨著鋼絲抗拉強(qiáng)度的提高，鋼絲的可拉拔性和塑性都有所下降。當(dāng)考慮進(jìn)一步提高鋼簾線的抗拉強(qiáng)度時(shí)，需要抑制這種塑性退化。

圖2 鋼簾線高強(qiáng)度發(fā)展趨勢

為了獲得較高的鋼簾線強(qiáng)度，本文研究了提高鋼簾線抗拉強(qiáng)度的方法以及鋼絲拉拔過程中力學(xué)性能和組織轉(zhuǎn)變行為，并介紹了基于過共析鋼研制的高強(qiáng)度鋼簾線。

2 開發(fā)高強(qiáng)度鋼簾線注意事項(xiàng)

2.1 高強(qiáng)度簾線鋼的性能要求

鋼簾線是通過將一根高碳鋼盤條拉拔至一根細(xì)直徑鋼絲，經(jīng)焙燉，再拉至直徑為0.15～0.39 mm的高強(qiáng)度超細(xì)鋼絲，然后將鋼絲捻制成繩（見圖3）而制成。抗拉強(qiáng)度是鋼簾線的主要性能要求。高碳鋼絲獲得高強(qiáng)度的方法主要有三種：（1）在拉絲前焙燉賦予鋼絲高拉伸強(qiáng)度；（2）增加拉絲過程中的壓縮率；（3）強(qiáng)化拉絲過程中加工硬化。通過適當(dāng)?shù)亟M合這些強(qiáng)化機(jī)制，可以獲得高強(qiáng)度的鋼絲。此外，高強(qiáng)度鋼絲也可以通過增加碳含量和添加鉻來實(shí)現(xiàn)。

在這些強(qiáng)化機(jī)制中，拉絲過程中的加工硬化是實(shí)現(xiàn)鋼簾線等超細(xì)鋼絲高抗拉強(qiáng)度的關(guān)鍵。超細(xì)高強(qiáng)度鋼絲強(qiáng)度是通過濕拉過程形成的加工硬化而獲得的，其斷面壓縮率可達(dá)97%或更高的水平。這種加工硬化足以分?jǐn)?5%的總抗拉強(qiáng)度。即為實(shí)現(xiàn)鋼簾線高強(qiáng)度，加工硬化是必不可少的一步。此外，在濕拉后最終捻制和合股過程中，較大的捻制應(yīng)力和彎曲應(yīng)力作用在鋼絲上。另外在第一次干拉中，為了保證焙燉所需細(xì)直徑鋼絲的拉拔，要求鋼絲具有較高的拉拔能力。因此，承受這種制造工藝的塑性是鋼簾線鋼的基本要求。塑性指標(biāo)為：拉伸試驗(yàn)中斷面壓縮率和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中縱向裂紋（分層）的產(chǎn)生。

圖3 鋼簾線制造流程

2.2 高強(qiáng)度鋼絲碳含量與塑性的關(guān)系

圖4顯示了碳含量和可拉拔性之間的關(guān)系，其中可拉拔性根據(jù)拉伸試驗(yàn)中的斷面壓縮率（等于或高于35%）和鋼絲扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中斷裂時(shí)達(dá)到的扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)（高于25）來判斷的。隨著碳含量的增加，拉伸性能下降，這意味著拉伸性能會(huì)下降到一個(gè)較低的值。當(dāng)拉拔性能下降時(shí)，干拉鋼絲不可能拉拔到鋼絲所需直徑。因此，需要間歇性的焙燉處理，從而導(dǎo)致生產(chǎn)力下降。此外由于濕拉時(shí)拉伸應(yīng)變不足，高強(qiáng)度鋼絲的拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)缺陷和/或在加捻過程中鋼絲斷裂成為人們關(guān)注的問題。

2.3 高強(qiáng)鋼絲直徑與塑性的關(guān)系

高強(qiáng)度鋼絲的延展性也取決于鋼絲的直徑。圖5顯示了不同直徑的鋼絲被拉拔時(shí)，拉伸強(qiáng)度和斷面壓縮率的轉(zhuǎn)變行為。當(dāng)鋼絲直徑變小時(shí)，斷面壓縮點(diǎn)的拉拔應(yīng)變開始惡化。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中分層的產(chǎn)生也表現(xiàn)出類似的趨勢。據(jù)報(bào)道，隨著鋼絲初始直徑的增大，分層是在較小的拉伸應(yīng)變下發(fā)生的，這就是所謂的尺寸效應(yīng)。雖然其機(jī)理尚未闡明，但細(xì)鋼絲的低應(yīng)變時(shí)效是其中原因之一。細(xì)直徑鋼絲的應(yīng)變時(shí)效降低，是因?yàn)榧?xì)直徑鋼絲的表層組織與中心區(qū)組織的差異很小，由于拉絲工藝的不同（細(xì)直徑鋼絲采用濕拉絲，粗直徑鋼絲采用干拉絲），加工誘發(fā)的發(fā)熱量和放熱率也不同。這意味著在鋼簾線的生產(chǎn)過程中，干拉和濕拉過程中的塑性劣化和組織轉(zhuǎn)變行為是不同的。因此，為了獲得高強(qiáng)度的鋼簾線，必須弄清干拉（第一次拉絲）和濕拉（最后一次拉絲）的力學(xué)性能和顯微組織的轉(zhuǎn)變行為，并在各自的拉拔過程中提高延展性。

圖4 鋼絲極限拉拔與碳含量的關(guān)系

3 拉絲過程中力學(xué)性能和組織轉(zhuǎn)變行為

3.1 珠光體鋼的組織因素與力學(xué)性能

鋼簾線用鋼是具有珠光體組織的高碳鋼。如圖6所示，珠光體鋼具有層狀硬滲碳體層和軟鐵素體層的顯微組織，由珠光體塊組成，其中鐵素體晶向相同。珠光體塊由珠光體聚集體組成，其中滲碳體層的晶向相同。每層滲碳體之間的間距稱為片層間距。在顯微組織與力學(xué)性能的關(guān)系中，均認(rèn)為片層間距影響抗拉強(qiáng)度，珠光體塊尺寸影響塑性（斷面壓縮率）。

圖5 鋼絲直徑對拉伸應(yīng)變力學(xué)性能的影響

圖6 珠光體鋼組織

3.2 提高干拉絲的塑性

3.2.1 干拉鋼絲力學(xué)性能與組織因素的關(guān)系

圖7和圖8顯示了珠光體塊尺寸和層間距對干拉鋼絲拉伸強(qiáng)度和斷面壓縮率的影響。試樣為直徑5.5 mm的SWRH82A盤條和珠光體塊尺寸，片層間距由鉛浴焙燉控制。

珠光體塊尺寸35 μm以上，拉拔鋼絲力學(xué)性能的轉(zhuǎn)變行為有顯著差異。拉伸應(yīng)變（真應(yīng)變）1.0～1.2以上區(qū)域，斷面壓縮率迅速惡化至近10%，加工硬化率同時(shí)惡化。此后，斷面壓縮率呈現(xiàn)低值，拉伸應(yīng)變（真應(yīng)變）2.0以上，拉伸強(qiáng)度也隨之降低。此外，隨著珠光體塊尺寸的粗化，這種趨勢更加顯著。珠光體塊尺寸30μm以下，盡管珠光體塊尺寸對拉伸強(qiáng)度的影響很小，但通過細(xì)化珠光體塊尺寸，可以稍微緩解拉伸應(yīng)變（真應(yīng)變）3.0附近區(qū)域斷面壓縮率的惡化。

圖7 珠光體塊尺寸對干拉拉拔應(yīng)力力學(xué)性能的影響

考慮到片層間距對拉絲力學(xué)性能的影響，直至拉拔應(yīng)變（真應(yīng)變）3.0，鋼絲強(qiáng)度繼續(xù)上升，各級加工硬化率幾乎相同，在拉拔應(yīng)變（真應(yīng)變）3.0時(shí)開始惡化。拉伸應(yīng)變（真應(yīng)變）2.5以上，斷面壓縮率迅速惡化，并且隨著片層間距的細(xì)化（拉伸強(qiáng)度上升），斷面壓縮率開始惡化點(diǎn)，拉伸應(yīng)變（真應(yīng)變）減少。

基于這些發(fā)現(xiàn)，為保證珠光體鋼拉拔鋼絲的塑性（斷面壓縮率），珠光體塊尺寸小于30 μm和粗化的片層間距（降低抗拉強(qiáng)度）是有效的。

3.2.2 拉絲早期塑性惡化機(jī)理分析

如圖7所示，拉絲早期階段，珠光體塊尺寸35μm以上，斷面壓縮率迅速惡化。這是由于產(chǎn)生裂紋并隨后裂紋生長造成的。圖9顯示了拉絲中心區(qū)域縱斷面的宏觀觀察結(jié)果。珠光體塊尺寸35μm以上，第一道拉拔的中心區(qū)域產(chǎn)生裂紋（斷面壓縮率17%），隨后生長。圖10顯示了用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察裂紋附近的結(jié)果。

裂紋在與拉伸方向成45°的剪切方向上產(chǎn)生并擴(kuò)展。此外，在裂紋附近，在同一塊中觀察到層狀組織似乎朝著同一方向移動(dòng)的相。在外圍組織中，還觀察到裂紋和移動(dòng)的層狀組織。然而，它們不是均勻形成的，并且確定了其在特定區(qū)域集中形成的相，對裂紋的產(chǎn)生機(jī)理和層狀組織的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了較深入的分析。

圖8 片層間距對干拉拉拔應(yīng)變力學(xué)性能的影響

圖9 中心區(qū)裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展

圖10 裂紋的掃描電鏡圖像

3.2.3 珠光體鋼裂紋的產(chǎn)生與生長機(jī)理

在拉絲過程中，剪應(yīng)力作用于亞表層，拉應(yīng)力作用于中心區(qū)域。因此，為了分析中心區(qū)裂紋的產(chǎn)生機(jī)理，從局部塑性變形狀態(tài)和拉應(yīng)力作用下組織變化兩方面進(jìn)行了分析。

采用數(shù)字圖像相關(guān)分析（DIC）方法觀察了拉應(yīng)力作用下的局部應(yīng)變分布。如圖11所示，局部應(yīng)變是非均勻分布的。此外，即使在同一珠光體塊中，局部應(yīng)變的值也會(huì)發(fā)生變化，并且塑性變形取決于珠光體團(tuán)。

圖11 珠光體局部應(yīng)變分布圖

局部應(yīng)變值的變化受拉伸方向與鐵素體滑移系數(shù)（斯密特因子）的關(guān)系和拉伸方向與片層取向角夾角的影響。如圖12所示，隨著斯密特因子的增加，沿拉伸方向的局部應(yīng)變值趨于增加，局部應(yīng)變分布受鐵素體滑移活動(dòng)程度的影響。此外，即使斯密特因子較高，沿拉伸方向的局部應(yīng)變值也會(huì)隨層狀滲碳體取向角和拉伸方向之間的關(guān)系而變化（圖13）。

圖12 斯密特因子與局部應(yīng)變的關(guān)系

圖13 片層取向與局部應(yīng)變的關(guān)系

結(jié)果表明，當(dāng)層狀滲碳體取向角與拉伸方向成0°或90°夾角時(shí)，沿拉伸方向的局部應(yīng)變值較小，45°夾角時(shí)的局部應(yīng)變值較大。

在此基礎(chǔ)上，研究了珠光體鋼在拉應(yīng)力作用下的塑性變形。當(dāng)斯密特因子較高，片層取向角與拉伸方向夾角為45°時(shí)，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)不受限制。因此，塑性變形值變大，滲碳體和/或鐵素體晶體發(fā)生變形和/或旋轉(zhuǎn)。另一方面，在高斯密特因子和片層取向角與拉伸方向成0°或90°夾角的情況下，鐵素體中形成的位錯(cuò)在滲碳體邊界處受到抑制，塑性變形不發(fā)生。因此，滲碳體和/或鐵素體不會(huì)發(fā)生晶體旋轉(zhuǎn)。層狀組織沿共享方向的運(yùn)動(dòng)和裂紋的產(chǎn)生被認(rèn)為是按以下方式發(fā)展的：當(dāng)進(jìn)一步施加拉應(yīng)力時(shí)，滲碳體界面位錯(cuò)的累積量增加。當(dāng)拉伸方向與層狀滲碳體排列平行時(shí)，滲碳體受到較高的拉應(yīng)力，并與累積的位錯(cuò)結(jié)合，滲碳體在滑移線上斷裂，再次結(jié)合。在拉絲過程中，中心區(qū)域也會(huì)出現(xiàn)類似的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生裂紋。

此外，珠光體塊尺寸對沿拉伸方向局部應(yīng)變值的影響如圖14所示。隨著珠光體塊尺寸的粗化，沿拉伸方向的局部應(yīng)變值在片層取向?yàn)?5°時(shí)增大。但細(xì)珠光體塊尺寸的局部應(yīng)變值小，散射少。這意味著，隨著珠光體塊尺寸的粗化，局部應(yīng)變分布的不均勻性增加。由于局部應(yīng)變的不均勻性增加，局部拉應(yīng)力的不均勻性也隨之增加，并促進(jìn)上述機(jī)制，故認(rèn)為粗珠光體塊尺寸中會(huì)產(chǎn)生裂紋。

3.3 提高濕拉鋼絲的塑性

3.3.1 影響高強(qiáng)鋼絲塑性的因素

高強(qiáng)度鋼絲的塑性劣化表現(xiàn)為在扭轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的斷面收縮率和/或縱向裂紋（分層）的劣化。片狀滲碳體分解引起的局部應(yīng)變時(shí)效脆化是影響塑性的主要因素之一。

圖14 片層間距，局部應(yīng)變和珠光體塊尺寸之間的關(guān)系

圖15顯示了直徑0.20 mm濕拉和時(shí)效處理后的SWRS92A超細(xì)超強(qiáng)鋼絲的機(jī)械性能變化（拉伸應(yīng)變ε=4.16）。在150 ℃下進(jìn)行時(shí)效處理，拉伸強(qiáng)度增加。然而，斷面壓縮率會(huì)惡化，并且扭轉(zhuǎn)特性扭轉(zhuǎn)值（斷裂處達(dá)到的扭轉(zhuǎn)總數(shù)）也會(huì)因分層的產(chǎn)生而惡化。

圖15 力學(xué)性能與時(shí)效的關(guān)系

高橋等人關(guān)于時(shí)效處理引起的組織變化研究報(bào)告如下：利用三維原子探針（3D-AP）分析了碳元素的分布狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)碳元素在拉絲過程中保持層狀狀態(tài)。然而，滲碳體在150 ℃時(shí)效處理后分解，碳元素均勻地分散在鐵素體中。如圖15所示機(jī)械性能的變化也是由于滲碳體分解產(chǎn)生的。

3.3.2 提高高強(qiáng)度鋼絲塑性的方法

提出應(yīng)變時(shí)效是由于碳對位錯(cuò)的高親和力，使碳在鐵素體中轉(zhuǎn)移并黏附到位錯(cuò)上而形成的滲碳體分解機(jī)制。假設(shè)局部滲碳體分解導(dǎo)致碳在位錯(cuò)中的偏析，則減少位錯(cuò)（拉伸應(yīng)變）和/或減少加工產(chǎn)生的熱量被認(rèn)為是有效的抑制措施。

為了降低拉拔應(yīng)變值，提高焙燉鋼絲的抗拉強(qiáng)度和增加加工硬化量是有效的。Tarui等人研究報(bào)告為提高焙燉鋼絲的抗拉強(qiáng)度和增加加工硬化量，C和/或Cr元素是有效的（圖16，圖17）。另一方面，由于碳含量的增加，拉拔性能下降，形成先共析滲碳體，因此需要特別注意。

圖16 C和Cr含量對焙燉鋼絲強(qiáng)度的影響

圖17 C和Cr含量對加工硬化程度的影響

關(guān)于減少加工產(chǎn)生的熱量，Tashiro等人從模具設(shè)計(jì)、潤滑膜、模鏈、后張力等方面進(jìn)行了二次加工的對策研究，并指出通過提高潤滑性能和降低模具接近角可以提高鋼絲的塑性。

但是，如果過多的抑制滲碳體的分解，則抗拉強(qiáng)度會(huì)惡化。圖18顯示了拉絲速度與鋼絲力學(xué)性能之間的關(guān)系。隨著拉絲速度的降低，斷面壓縮率提高，分層現(xiàn)象得到抑制，從而提高了塑性。但在低于100m/min的拉伸速度下，塑性沒有得到改善，抗拉強(qiáng)度下降。考慮拉絲速度變化時(shí)，加工生熱和動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的變化引起滲碳體分解狀態(tài)的變化，從而引起力學(xué)性能的改變。

圖18 拉拔速度和鋼絲力學(xué)性能之間的關(guān)系

因此，從結(jié)果看，滲碳體分解不需要以任何方式被抑制，并且認(rèn)為存在優(yōu)化的條件。Tarui等人假設(shè)當(dāng)鐵素體中的碳含量超過1%時(shí)滲碳體分解過程中產(chǎn)生分層（圖19）。

圖19 鐵素體中碳濃度與拉拔應(yīng)變及分層的關(guān)系

迄今為止，為了獲得抗拉強(qiáng)度和塑性均優(yōu)良的高強(qiáng)度鋼絲，通過優(yōu)化拉絲條件，將滲碳體分解控制在一定范圍內(nèi)是非常必要的。然而，隨著鋼絲強(qiáng)度的提高，拉拔過程中加工生熱也隨之升高，應(yīng)變時(shí)效更容易進(jìn)行。因此應(yīng)根據(jù)鋼材的類型，采用不同的二次加工優(yōu)化工藝。也就是說，為了提高鋼簾線的強(qiáng)度，不僅要開發(fā)鋼材，還要開發(fā)二次加工工藝。

4 過共析鋼高強(qiáng)度鋼簾線的研制

如表1所示，用于高強(qiáng)度鋼簾線碳含量高于0.90%過共析鋼的開發(fā)正在進(jìn)行中。采用過共析鋼與二次加工工藝相結(jié)合的方法，對高強(qiáng)度鋼絲進(jìn)行了試制。圖20顯示了各種類型鋼的拉伸強(qiáng)度與拉伸應(yīng)變之間的關(guān)系。確定焙燉鋼絲的直徑，以便共同獲得所有高強(qiáng)度鋼絲的最終成品鋼絲直徑都為0.20 mm，即使在拉伸應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)。在任何類型的鋼中，均獲得了抗拉強(qiáng)度超過4 000 MPa且具有良好塑性的高強(qiáng)度鋼絲，且無分層現(xiàn)象。

表1 開發(fā)高強(qiáng)度鋼簾線用鋼的化學(xué)組分 (wt.%)

隨著C含量和Cr含量的增加，產(chǎn)生分層的拉伸應(yīng)變降低，但產(chǎn)生分層的抗拉強(qiáng)度水平提高，抗拉強(qiáng)度與塑性之間的平衡得到改善。因此，盡管基于實(shí)驗(yàn)室條件，通過使用102C+Cr鋼，在不產(chǎn)生分層的情況下獲得了抗拉強(qiáng)度為4 400 MPa的高強(qiáng)度鋼絲。

圖20 高強(qiáng)度鋼簾線用鋼開發(fā)的試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

在詳細(xì)分析高強(qiáng)度鋼絲拉拔過程中的力學(xué)性能和微觀組織的基礎(chǔ)上，介紹了高強(qiáng)度鋼絲的力學(xué)性能轉(zhuǎn)變行為，以及提高其塑性的途徑。

介紹了以過共析鋼為基體的高強(qiáng)度簾線鋼。結(jié)果表明，采用C含量超過1.0%的過共析鋼，通過優(yōu)化二次加工工藝，雖然在實(shí)驗(yàn)室條件，可以在不產(chǎn)生分層的情況下，制備出4 400 MPa的高強(qiáng)度鋼絲，然而諸如分層引起塑性惡化的機(jī)理尚未闡明。因此，為了獲得更高的抗拉強(qiáng)度，闡明塑性劣化的機(jī)理和建立抑制塑性劣化的技術(shù)至關(guān)重要。近年來，分析技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了納米級微結(jié)構(gòu)分析和變化觀測。今后，我們將充分利用這些分析技術(shù)，對鋼簾線的塑性劣化機(jī)理進(jìn)行研究，努力進(jìn)一步提高鋼簾線目前的高強(qiáng)度、高塑性等性能。