7×7結(jié)構(gòu)超高強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)合材料重點實驗室，江蘇泰州 225721）

輪胎制造技術(shù)的快速發(fā)展推動輪胎工業(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)高強度、超高強度鋼絲簾線，既能有效地提高胎體、帶束層的強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度等級分類，設(shè)計使用超高強度（ST）鋼絲簾線代替高強度（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，高強度鋼絲簾線的疲勞強度明顯比普通強度鋼絲簾線高。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，若要進一步減小質(zhì)量則可以考慮特高強度（UT）鋼絲簾線[4]。而作為鋼絲簾線產(chǎn)品的一個分支，工程機械子午線輪胎用鋼絲簾線更需要向高強度發(fā)展，這是由于工程機械輪胎的負荷遠高于普通載重輪胎，載質(zhì)量高達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)品標準要求較高，在超高強度鋼絲簾線開發(fā)中成品破斷力常達不到標準要求，有文獻指出鋼絲繩拆股鋼絲抗拉強度和抗扭轉(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超高強度鋼絲簾線開發(fā)過程中出現(xiàn)的設(shè)計單絲破斷力總和遠大于產(chǎn)品標準、但最后成品破斷力不達標（標準為大于7 000 N）的問題進行研究，探討影響7×7Φ2.3 mm結(jié)構(gòu)超高強度鋼絲簾線破斷力的相關(guān)因素。

1 試驗材料與方法

試驗原材料采用含碳量（質(zhì)量分數(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型水箱濕式拉絲機上拉拔成不同規(guī)格單絲，保證拉拔的單絲強度在所需范圍內(nèi)。不同強度的單絲根據(jù)試驗要求，經(jīng)過DTU型捻股機捻制成1＋6結(jié)構(gòu)的股線，最后股線經(jīng)過管式機合成7×7結(jié)構(gòu)鋼絲簾線，試驗對每一步單絲或股線的破斷力進行檢測，便于計算捻制損失。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。

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

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型捻股機捻制股線，最后股線經(jīng)過管式機合成鋼絲簾線。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中單絲強度按ISO 17832：2018標準分類均已達到超高強度級別。

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、捻距均滿足標準要求，但破斷力只有6 153 N，遠低于標準要求的大于7 000 N。

在初期試驗設(shè)計中，單絲破斷力總和遠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行檢測，計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，遠大于標準要求的7 000 N，但最后簾線的破斷力只有6 153 N，整個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破斷力捻制損失急劇增大，達到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 不同強度芯股對破斷力捻制損失的影響

鋼絲繩的強度損失與鋼絲的結(jié)構(gòu)、捻角及鋼絲的原始強度不均勻性有關(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于經(jīng)過了兩次捻制，合成工序破斷力的捻制損失確實會增大。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)，單絲強度等級基本覆蓋了從NT到ST的范圍。相同面股與不同強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度芯股鋼絲簾線破斷力捻制損失

2.3 不同強度面股對破斷力捻制損失的影響

針對面股單絲強度對簾線破斷力的影響，進行進一步研究。

試驗保證芯股不變，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)，單絲強度等級覆蓋了從NT到ST的范圍。相同芯股與不同強度單絲捻制的面股合成簾線這一步的破斷力損失波動范圍較大，從7.0%到26.2%，并且可以清楚地看出，隨著面股單絲強度的增大，合成簾線破斷力的捻制損失也增大，特別是當面股單絲強度超過3 500 MPa時，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度的影響，面股單絲強度越高，合成簾線時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，而是在面股單絲強度超過3 500 MPa后下降，主要原因是合成簾線時的破斷力捻制損失增大，說明并不是單絲的強度越大，得到的成品簾線強度就越大。提高面股單絲強度會提高面股的破斷力，但過大的面股破斷力又會增大合成鋼絲簾線的捻制損失，這其中存在單絲強度與捻制損失的平衡問題。

表3 相同芯股搭配不同強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破斷力損失較大的情況，有文獻指出隨著單位長度上鋼絲順時針與逆時針扭轉(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，這也就是當面股單絲強度超過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，在使用相同強度單絲捻制單股結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)簾線時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)，一般認為捻距越小，鋼絲強度損失越大[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)品標準中成品捻距已確定為17.5 mm，為進行深入研究，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，在破斷力試驗時各股或單絲之間受力不均勻，受力大的超過極限強度而斷裂，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)定的機床上進行簾線捻制，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）合成簾線時破斷力捻制損失還受面股單絲強度的影響，面股單絲強度越大，合成簾線時捻制損失越大，當單絲強度超過3 500 MPa時破斷力捻制損失急劇增大，導(dǎo)致并不是單絲強度越大，成品簾線破斷力就越大，提高面股單絲強度會提高面股的破斷力，但過高的面股破斷力又會增大合成鋼絲簾線時的破斷力捻制損失，這其中存在單絲強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小；穩(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。