鋼絲增強液壓膠管鋼絲的銹蝕分析

王寶星，劉敬平，羅奕文

[貝卡爾特（中國）技術(shù)研發(fā)有限公司，江蘇 江陰 214434]

作為液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，膠管的生產(chǎn)工藝隨著環(huán)保和應(yīng)用要求的不斷提高而改進，其性能的主要影響因素包括環(huán)境溫度、液體壓力、彎曲半徑、爆破壓力和脈沖壽命等[1]。應(yīng)用于工程機械或汽車液壓系統(tǒng)的SAE（美國汽車工程師協(xié)會）系列鋼絲增強液壓膠管性能要求更是越來越高[2]。

膠管外膠層常暴露在大氣環(huán)境中并與不同介質(zhì)接觸，且經(jīng)常因膠管被拖拽而受摩擦，因此需要具有優(yōu)良的耐臭氧、耐天候以及一定的耐油性和耐磨性能，目前膠管外膠層膠種多采用氯丁橡膠（CR），考慮價格因素，也常采用CR與氯化聚乙烯（CPE）、丁腈橡膠（NBR）、丁苯橡膠（SBR）等并用[3]。

原材料品質(zhì)[4]、配方設(shè)計[5]和生產(chǎn)工藝控制[6-9]對保證膠管質(zhì)量非常關(guān)鍵。本工作對鋼絲增強液壓膠管進行失效分析，并重點研究其鋼絲骨架材料在不同環(huán)境條件下的表面變化情況。

1 實驗

1.1 膠管樣品

膠管樣品為低脈沖周期失效鋼絲增強液壓膠管，其所用鋼絲為0.295HT鋼絲（江陰貝卡爾特鋼絲制品有限公司產(chǎn)品）。

1.2 試驗儀器

Axiophot型光學(xué)顯微鏡（OM）、SUPRA40型場發(fā)射電子顯微鏡（SEM）和X射線能量色散光譜儀（EDX），德國ZEISS集團產(chǎn)品；SZX7型體式顯微鏡，日本OLYMPUS集團產(chǎn)品；vkx150型共聚焦顯微鏡，日本基恩士集團產(chǎn)品；KTHA-010THS型恒溫恒濕箱，昆山慶生電子科技有限公司產(chǎn)品。

1.3 測試分析

從失效膠管中取出非爆口區(qū)域鋼絲，分別采用OM和SEM進行表面觀察，用EDX進行化學(xué)元素測試。膠管原料鋼絲試驗有4種組合條件，條件1：溫度 26 ℃，濕度 50%；條件2：溫度 32 ℃，濕度 50%；條件3：溫度 26 ℃，濕度 80%；條件4：溫度 32 ℃，濕度 80%[10]。鋼絲在濕熱老化箱中進行老化，間隔一定時間取樣，在OM下觀察表面顏色變化和銹蝕情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 失效膠管分析

圖1所示為膠管的失效區(qū)域形貌。由圖1可見，失效區(qū)域右向和左向均有大量斷口，斷口處鋼絲銹蝕現(xiàn)象嚴重。為了避免膠管失效后鋼絲銹蝕對分析問題的判斷，故取遠離失效區(qū)域鋼絲進行后續(xù)觀察測試。

在膠管遠離失效爆口的橡膠包覆良好區(qū)域，去除橡膠后，也可以看到大量的鋼絲斷口，取出一定數(shù)量的鋼絲，用OM觀察，如圖2所示。圖2中可以看到鋼絲表面已經(jīng)產(chǎn)生一定的銹蝕。

在共聚焦顯微鏡下可以更清楚地看到鋼絲表面的銹蝕形貌（見圖3）。在此成像系統(tǒng)中，采用激光點光源照射鋼絲，具有特征信息的光被點探測器收集，最后利用橫向和軸向掃描技術(shù)獲得整個鋼絲的三維彩色圖像。由圖3可以清楚看到，鋼絲銹蝕區(qū)域呈現(xiàn)凹坑形貌，顯示紅褐色（如箭頭所指）。

隨機取到的2根斷口鋼絲的SEM照片，見圖4。由圖4可以更清楚地看到鋼絲表面銹蝕為點蝕，呈現(xiàn)銹蝕坑形貌（如箭頭所指）。分析認為，膠管外膠層在硫化過程中會有一定量的氯化氫脫出[5，11]，相關(guān)鋼絞線蝕坑演化規(guī)律研究[12]表明，在氯原子存在的條件下鋼絲產(chǎn)生的銹蝕坑向內(nèi)表面凹進，呈現(xiàn)橢球狀。另有研究[13]表明，在有水和氧的條件下，氯的存在可以顯著加速鋼絲表面的銹蝕速度。

采用EDX對未失效區(qū)域鋼絲表面進行元素分析，SEM圖像和EDX測試結(jié)果分別如圖5和表1所示。位置1為鋼絲表面平整、未發(fā)生銹蝕區(qū)域，位置2為發(fā)生銹蝕、形成坑洞區(qū)域。對比可以得出，銹蝕區(qū)域有大量的氧和鐵元素，銅鋅鍍層被破壞。

表1 未失效區(qū)域鋼絲成分的EDX測試結(jié)果Tab.1 EDX test results of steel wire compositions in unfailed area

2.2 不同溫度和濕度下原料鋼絲的變化

未使用的膠管鋼絲在溫度為26和32 ℃、濕度為50%和80%的4個組合條件下[10]，在濕熱老化箱中間隔一定時間取出以在OM下觀察表面顏色變化和銹蝕點產(chǎn)生時間。

對鋼絲表面狀態(tài)給出3個定義，一是初始光亮狀態(tài)，二是一段時間后變暗，三是開始產(chǎn)生銹蝕，如圖6所示。記錄在不同溫度和濕度下鋼絲開始變暗和發(fā)生銹蝕的時間，如表2所示。

從表2可以看出：在條件1下42 h后鋼絲表面依然光亮，但是66 h后變暗，90 h后開始有銹蝕產(chǎn)生；對比條件1—4結(jié)果，濕度比溫度對鋼絲銹蝕的影響更大。

表2 鋼絲的表面狀態(tài)變化時間Tab.2 Change time of steel wire surface states h

因此在GB/T 11182—2017《橡膠軟管增強用鋼絲》[14-15]中對膠管鋼絲的包裝和儲存提出了更高的要求：在運輸過程中要有防雨和防潮措施，在包裝完好的情況下鋼絲的保質(zhì)期為6個月，開包裝前應(yīng)將包裝箱置于實際使用環(huán)境下至少12 h。

此外，在膠管的生產(chǎn)過程中，鋼絲的儲存和使用條件更為關(guān)鍵，因為生產(chǎn)計劃或產(chǎn)能等原因，部分鋼絲會使用多個班次，或者編織后的膠管會停放較長時間再進行包覆外膠以及硫化；夏季部分區(qū)域的溫度和濕度遠超過本研究設(shè)計的試驗條件；車間采用高壓水沖洗地面以保持整潔，但這導(dǎo)致車間濕度過高，諸多上述原因?qū)е旅磕晗募灸z管失效問題頻發(fā)。

3 結(jié)論

分析了鋼絲增強液壓膠管的失效原因及其鋼絲的銹蝕現(xiàn)象。結(jié)果表明，溫度和濕度是導(dǎo)致膠管鋼絲銹蝕的重要因素，其中濕度的影響比溫度更大，膠料中氯元素的存在也加速了鋼絲銹蝕速度。因此，合理控制原料鋼絲的儲存和使用環(huán)境對保證鋼絲質(zhì)量非常重要，此外，膠料的膠種選擇和配方優(yōu)化、膠管的生產(chǎn)工藝調(diào)整等對提高膠管質(zhì)量有重要作用。