橡膠輪胎和軟管用高強度鋼簾線盤條的研發

劉湘慧 編譯

(1．江蘇興達鋼簾線股份有限公司， 江蘇 泰州 225721；2．江蘇省結構與功能金屬復合材料重點實驗室， 江蘇 泰州 22572)

1 引言

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

圖1 子午線輪胎結構圖

作為鋼簾線的主要性能，它們需要足夠高的抗拉強度，以用作增強材料。圖2顯示了鋼簾線抗拉強度的趨勢。70年代抗拉強度約為2 800 MPa，并逐年提高，90年代中期開發了4 000 MPa高強度鋼簾線，市售鋼材的抗拉強度也同步增高。不過，改善油耗和提高裝載能力的需求仍然強勁。因此，鋼簾線需要更高的強度，以滿足不斷增長的更輕的輪胎、更低的滾動阻力和更高的抗負荷要求。另一方面，隨著鋼絲抗拉強度的提高，鋼絲的可拉拔性和塑性都有所下降。當考慮進一步提高鋼簾線的抗拉強度時，需要抑制這種塑性退化。

圖2 鋼簾線高強度發展趨勢

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

2 開發高強度鋼簾線注意事項

2.1 高強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直徑鋼絲，經焙燉，再拉至直徑為0.15～0.39 mm的高強度超細鋼絲，然后將鋼絲捻制成繩（見圖3）而制成。抗拉強度是鋼簾線的主要性能要求。高碳鋼絲獲得高強度的方法主要有三種：（1）在拉絲前焙燉賦予鋼絲高拉伸強度；（2）增加拉絲過程中的壓縮率；（3）強化拉絲過程中加工硬化。通過適當地組合這些強化機制，可以獲得高強度的鋼絲。此外，高強度鋼絲也可以通過增加碳含量和添加鉻來實現。

在這些強化機制中，拉絲過程中的加工硬化是實現鋼簾線等超細鋼絲高抗拉強度的關鍵。超細高強度鋼絲強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97%或更高的水平。這種加工硬化足以分攤65%的總抗拉強度。即為實現鋼簾線高強度，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，較大的捻制應力和彎曲應力作用在鋼絲上。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。塑性指標為：拉伸試驗中斷面壓縮率和扭轉試驗中縱向裂紋（分層）的產生。

圖3 鋼簾線制造流程

2.2 高強度鋼絲碳含量與塑性的關系

圖4顯示了碳含量和可拉拔性之間的關系，其中可拉拔性根據拉伸試驗中的斷面壓縮率（等于或高于35%）和鋼絲扭轉試驗中斷裂時達到的扭轉轉數（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下降到一個較低的值。當拉拔性能下降時，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，從而導致生產力下降。此外由于濕拉時拉伸應變不足，高強度鋼絲的拉伸強度出現缺陷和/或在加捻過程中鋼絲斷裂成為人們關注的問題。

2.3 高強鋼絲直徑與塑性的關系

高強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，拉伸強度和斷面壓縮率的轉變行為。當鋼絲直徑變小時，斷面壓縮點的拉拔應變開始惡化。扭轉試驗中分層的產生也表現出類似的趨勢。據報道，隨著鋼絲初始直徑的增大，分層是在較小的拉伸應變下發生的，這就是所謂的尺寸效應。雖然其機理尚未闡明，但細鋼絲的低應變時效是其中原因之一。細直徑鋼絲的應變時效降低，是因為細直徑鋼絲的表層組織與中心區組織的差異很小，由于拉絲工藝的不同（細直徑鋼絲采用濕拉絲，粗直徑鋼絲采用干拉絲），加工誘發的發熱量和放熱率也不同。這意味著在鋼簾線的生產過程中，干拉和濕拉過程中的塑性劣化和組織轉變行為是不同的。因此，為了獲得高強度的鋼簾線，必須弄清干拉（第一次拉絲）和濕拉（最后一次拉絲）的力學性能和顯微組織的轉變行為，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系

3 拉絲過程中力學性能和組織轉變行為

3.1 珠光體鋼的組織因素與力學性能

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。在顯微組織與力學性能的關系中，均認為片層間距影響抗拉強度，珠光體塊尺寸影響塑性（斷面壓縮率）。

圖5 鋼絲直徑對拉伸應變力學性能的影響

圖6 珠光體鋼組織

3.2 提高干拉絲的塑性

3.2.1 干拉鋼絲力學性能與組織因素的關系

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，拉拔鋼絲力學性能的轉變行為有顯著差異。拉伸應變（真應變）1.0～1.2以上區域，斷面壓縮率迅速惡化至近10%，加工硬化率同時惡化。此后，斷面壓縮率呈現低值，拉伸應變（真應變）2.0以上，拉伸強度也隨之降低。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度的影響很小，但通過細化珠光體塊尺寸，可以稍微緩解拉伸應變（真應變）3.0附近區域斷面壓縮率的惡化。

圖7 珠光體塊尺寸對干拉拉拔應力力學性能的影響

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

基于這些發現，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（降低抗拉強度）是有效的。

3.2.2 拉絲早期塑性惡化機理分析

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

裂紋在與拉伸方向成45°的剪切方向上產生并擴展。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的相。在外圍組織中，還觀察到裂紋和移動的層狀組織。然而，它們不是均勻形成的，并且確定了其在特定區域集中形成的相，對裂紋的產生機理和層狀組織的運動規律進行了較深入的分析。

圖8 片層間距對干拉拉拔應變力學性能的影響

圖9 中心區裂紋的產生與擴展

圖10 裂紋的掃描電鏡圖像

3.2.3 珠光體鋼裂紋的產生與生長機理

在拉絲過程中，剪應力作用于亞表層，拉應力作用于中心區域。因此，為了分析中心區裂紋的產生機理，從局部塑性變形狀態和拉應力作用下組織變化兩方面進行了分析。

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

圖11 珠光體局部應變分布圖

局部應變值的變化受拉伸方向與鐵素體滑移系數（斯密特因子）的關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變值趨于增加，局部應變分布受鐵素體滑移活動程度的影響。此外，即使斯密特因子較高，沿拉伸方向的局部應變值也會隨層狀滲碳體取向角和拉伸方向之間的關系而變化（圖13）。

圖12 斯密特因子與局部應變的關系

圖13 片層取向與局部應變的關系

結果表明，當層狀滲碳體取向角與拉伸方向成0°或90°夾角時，沿拉伸方向的局部應變值較小，45°夾角時的局部應變值較大。

在此基礎上，研究了珠光體鋼在拉應力作用下的塑性變形。當斯密特因子較高，片層取向角與拉伸方向夾角為45°時，位錯的運動不受限制。因此，塑性變形值變大，滲碳體和/或鐵素體晶體發生變形和/或旋轉。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在滲碳體邊界處受到抑制，塑性變形不發生。因此，滲碳體和/或鐵素體不會發生晶體旋轉。層狀組織沿共享方向的運動和裂紋的產生被認為是按以下方式發展的：當進一步施加拉應力時，滲碳體界面位錯的累積量增加。當拉伸方向與層狀滲碳體排列平行時，滲碳體受到較高的拉應力，并與累積的位錯結合，滲碳體在滑移線上斷裂，再次結合。在拉絲過程中，中心區域也會出現類似的現象，從而產生裂紋。

此外，珠光體塊尺寸對沿拉伸方向局部應變值的影響如圖14所示。隨著珠光體塊尺寸的粗化，沿拉伸方向的局部應變值在片層取向為45°時增大。但細珠光體塊尺寸的局部應變值小，散射少。這意味著，隨著珠光體塊尺寸的粗化，局部應變分布的不均勻性增加。由于局部應變的不均勻性增加，局部拉應力的不均勻性也隨之增加，并促進上述機制，故認為粗珠光體塊尺寸中會產生裂紋。

3.3 提高濕拉鋼絲的塑性

3.3.1 影響高強鋼絲塑性的因素

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

圖14 片層間距，局部應變和珠光體塊尺寸之間的關系

圖15顯示了直徑0.20 mm濕拉和時效處理后的SWRS92A超細超強鋼絲的機械性能變化（拉伸應變ε=4.16）。在150 ℃下進行時效處理，拉伸強度增加。然而，斷面壓縮率會惡化，并且扭轉特性扭轉值（斷裂處達到的扭轉總數）也會因分層的產生而惡化。

圖15 力學性能與時效的關系

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

3.3.2 提高高強度鋼絲塑性的方法

提出應變時效是由于碳對位錯的高親和力，使碳在鐵素體中轉移并黏附到位錯上而形成的滲碳體分解機制。假設局部滲碳體分解導致碳在位錯中的偏析，則減少位錯（拉伸應變）和/或減少加工產生的熱量被認為是有效的抑制措施。

為了降低拉拔應變值，提高焙燉鋼絲的抗拉強度和增加加工硬化量是有效的。Tarui等人研究報告為提高焙燉鋼絲的抗拉強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含量對焙燉鋼絲強度的影響

圖17 C和Cr含量對加工硬化程度的影響

關于減少加工產生的熱量，Tashiro等人從模具設計、潤滑膜、模鏈、后張力等方面進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，則抗拉強度會惡化。圖18顯示了拉絲速度與鋼絲力學性能之間的關系。隨著拉絲速度的降低，斷面壓縮率提高，分層現象得到抑制，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，抗拉強度下降。考慮拉絲速度變化時，加工生熱和動態應變時效的變化引起滲碳體分解狀態的變化，從而引起力學性能的改變。

圖18 拉拔速度和鋼絲力學性能之間的關系

因此，從結果看，滲碳體分解不需要以任何方式被抑制，并且認為存在優化的條件。Tarui等人假設當鐵素體中的碳含量超過1%時滲碳體分解過程中產生分層（圖19）。

圖19 鐵素體中碳濃度與拉拔應變及分層的關系

迄今為止，為了獲得抗拉強度和塑性均優良的高強度鋼絲，通過優化拉絲條件，將滲碳體分解控制在一定范圍內是非常必要的。然而，隨著鋼絲強度的提高，拉拔過程中加工生熱也隨之升高，應變時效更容易進行。因此應根據鋼材的類型，采用不同的二次加工優化工藝。也就是說，為了提高鋼簾線的強度，不僅要開發鋼材，還要開發二次加工工藝。

4 過共析鋼高強度鋼簾線的研制

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

表1 開發高強度鋼簾線用鋼的化學組分 (wt.%)

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

圖20 高強度鋼簾線用鋼開發的試驗結果

5 結論

在詳細分析高強度鋼絲拉拔過程中的力學性能和微觀組織的基礎上，介紹了高強度鋼絲的力學性能轉變行為，以及提高其塑性的途徑。

介紹了以過共析鋼為基體的高強度簾線鋼。結果表明，采用C含量超過1.0%的過共析鋼，通過優化二次加工工藝，雖然在實驗室條件，可以在不產生分層的情況下，制備出4 400 MPa的高強度鋼絲，然而諸如分層引起塑性惡化的機理尚未闡明。因此，為了獲得更高的抗拉強度，闡明塑性劣化的機理和建立抑制塑性劣化的技術至關重要。近年來，分析技術取得了長足的進步，實現了納米級微結構分析和變化觀測。今后，我們將充分利用這些分析技術，對鋼簾線的塑性劣化機理進行研究，努力進一步提高鋼簾線目前的高強度、高塑性等性能。