前景广阔的磷化涂层钢丝绳

张金利 曹德润

摘 要：人类从1834年开始生产光面钢丝绳直至今天，随着起重机械向高速度、高扬程、高负载方向发展，对钢绳耐疲劳性能要求逐渐提高。磷化钢丝绳专利技术，制绳钢丝经过锰系或锌锰系耐磨磷化处理，提高了制绳钢丝表面耐磨损、抗腐蚀性能，同时促进钢丝间发生滑动，从而有效抑制微动疲劳的发生，大幅度延长钢丝绳使用寿命，是光面钢丝绳的理想替代品。

关键词：钢丝绳；疲劳性能；使用寿命；磨损；腐蚀；耐磨磷化

1 钢丝绳生产简史及主要工艺流程

1834年欧洲人奥鲁勃特发明了世界上第一根钢丝绳既光面钢丝绳，至今已有180年的生产和使用历史[1]，1939年建立的天津市第一钢丝绳厂是我国第一家金属制品企业[2]，我国已经生产和使用光面钢丝绳七十余年。

多数品种的钢丝绳是使用优质碳素钢丝、纤维芯和润滑脂制造而成，部分品种钢丝绳使用不锈钢丝捻制而成。制绳钢丝以优质碳素结构钢热轧盘条为原料，盘条普遍采用了控制冷却工艺，其索氏体化率大于80%，索氏体金相组织有利于冷拉的进行。盘条经表面准备后冷拉到需要的直径并得到具有一定物理性能的钢丝，为了得到高强高韧的制绳钢丝，制绳钢丝的总压缩率一般控制在75-93%之间，常用热轧盘条直径为5.5mm或6.5mm，生产小规格制绳钢丝时，需要增加中间热处理工序以消除加工硬化并得到索氏体金相组织。按上述工艺生产的制绳钢丝即为光面钢丝，制绳钢丝冷拉后不再做任何表面处理直接用于捻制股绳或钢芯，用该种股绳捻制的钢丝绳即为光面钢丝绳。钢丝拉拔前表面准备工序形成的磷化膜，可以提高钢丝冷拉过程中带入拉丝模润滑剂的数量，降低冷拉能耗。在高速连续冷拉过程中，磷化膜与硬质合金拉丝模具发生剧烈摩擦并逐渐脱落，钢丝经过总压缩率75-93%的连续冷拉，残余磷化膜膜重一般在1g/m2左右。干式拉丝过程中，如果钢丝温升超过150℃，磷化膜因脱水而加速脱落，水箱冷拉过程中，钢丝与塔轮间有相对滑动，滑动量较大时加速磷化膜脱落。文献[3]介绍，冷拉前磷化膜膜重4.21-9.67g/m2，钢丝由3.6mm冷拉至1.4mm，总压缩率为84.9%，冷拉后残余磷化膜为0.6-1.46g/m2。

光面钢丝绳生产流程如下：

盘条→酸洗→水洗→锌系磷化→水洗→烘干→冷拉→热处理→酸洗→水洗→锌系磷化→水洗→烘干→冷拉→制绳钢丝→捻股及钢芯→合绳→检验→包装

目前光面钢丝绳占钢丝绳总产量的百分之八十左右，镀锌钢丝绳约占总产量的百分之十几的份额，其余为涂塑钢丝绳和不锈钢丝绳。

2 钢绳失效过程及延长其使用寿命的技术措施

检验报废的钢丝绳，钢丝表面均发生严重程度不等的磨损，钢绳的磨损包括外表面磨损和内部钢丝表面的磨损，相关文献中已有诸多关于钢丝表面磨损的记载与描述，外表面的磨损是与滑轮槽等物体摩擦所致，绳内部钢丝表面的磨损是在使用过程中相邻钢丝之间发生相对微动而产生。

材料表面有一定的粗糙度和波纹度，接触表面相对滑动时，实际是这些凸峰顶端间的接触，摩擦力即相互啮合部分被剪切或挤压变形所需力和接触部分分子引力的合力。摩擦是黏结与滑移交替进行的过程，材料变形、黏着及相对运动将黏着点撕裂时产生的材料转移及脱落给材料所造成的损失就是磨损。

钢丝绳受轴向拉应力的作用会发生伸长变形，钢丝绳的伸长变形包括弹性伸长、结构性伸长和蠕变伸长等。弹性伸长量的大小主要取决于制绳钢丝力学性能、绳结构及捻制参数、载荷大小等，当施加载荷消除后，其弹性伸长可以恢复。在加载、卸载的过程中必然引起钢丝绳弹性伸长量的变化，当钢丝绳内部相互接触的两根钢丝的弹性伸长变形不同步时，它们之间将发生相对滑动，钢丝表面受摩擦作用而发生磨损，一般情况下其相对滑动量为微米量级，由此引起的磨损被称为微动磨损，微动磨损与疲劳的复合作用即微动疲劳[4]。

钢丝绳独具的某些优异特性，如钢丝绳具有非常良好的柔韧性以及围绕滑轮弯曲变形性能等，正是由于钢绳内部的钢丝间存在着滑动现象才使钢绳具有如此特性，所以钢丝间的滑动是钢丝绳结构的固有特性，钢丝绳使用过程中钢丝间的微动是不可避免的，也不能通过技术手段消除钢丝间的微动[5]。

为了延长钢丝绳使用寿命，在钢丝间微动不能消除的情况下，只能采取技术措施防止微动所引起的磨损。摩擦力是产生微动损伤的原因所在，降低钢丝间摩擦因数或者使钢丝表面更耐磨均可减缓、抑制微动损伤的发生，具体措施包括：通过涂敷润滑脂降低摩擦因数、提高钢丝表面耐磨性、通过涂塑达到物理性隔离的效果、增加钢丝间接触面积降低磨损速率、减缓疲劳裂纹萌生与扩展速率、防止腐蚀等[6]。

3 磷化涂层钢丝绳专利技术

将制绳钢丝磷化处理，磷化膜膜重在3-60g/m2之间，包括碳素钢丝、合金钢丝、镀锌、镀铝、镀锌铝合金等镀层的钢丝等[7]，制绳用磷化钢丝优先采用锰系和锌锰系耐磨磷化液[8]，其生产流程如下：

盘条→酸洗→水洗→锌系磷化→水洗→烘干→冷拉→热处理→酸洗→水洗→锌系磷化→水洗→烘干→冷拉→制绳钢丝→碱洗→水洗→酸洗→水洗→锰系或锌锰系耐磨磷化→水洗→烘干→捻股及钢芯→合绳→检验→包装

与光面钢丝绳生产流程相比，磷化钢丝绳生产流程中增加了制绳用钢丝耐磨磷化处理过程，包括碱洗、酸洗、水洗和烘干等工序。

磷化膜与钢丝基体结合牢固且自身非常耐磨，具有良好的抗腐蚀性，磷化膜因其具备高弥散度微孔结构、一定的硬度、吸震性、抗热性等特点，能有效降低摩擦系数，防止咬合和擦伤，防止发生相互粘结，减小钢丝间摩擦阻力促进滑动，磷化处理后制绳钢丝表面物理吸附能力增强，润滑脂可渗入磷化膜孔隙之间，制绳钢丝表面可储存更多的润滑脂，且润滑脂不容易从钢丝表面脱落。同时磷化膜具有非常良好的电绝缘性，可有效抑制钢丝表面微电池的形成，磷化膜与润滑脂的共同作用，大幅度提高钢丝间的润滑效果及钢丝的耐腐蚀能力，延缓钢丝绳微动疲劳与腐蚀疲劳的发生并延长钢丝绳使用寿命。

以提高耐磨性、减摩、改善润滑为主要作用的磷化已广泛应用于轻工、汽车、化工、电器、国防等领域摩擦运动承载零件，如齿轮、挺杆、曲轴、凸轮、活塞等的制造，并取得非常优异的应用效果[9][10]。磷化涂层钢丝绳专利技术同样是利用磷化的耐磨，减摩及防锈的三个主要功能，而曲轴、凸轮、齿轮等均是在高速转动情况下使用且需传递非常大的功率，而钢绳承受的主要是轴向拉应力，钢丝绳受到的径向压应力远小于轴向拉应力，所以磷化处理对于绳内钢丝表面的耐磨、减摩及防腐蚀效果是有保证的，能够有效抑制、减缓微动损伤的发生，磷化涂层钢丝绳疲劳寿命比同结构光面钢丝绳大幅度延长。

4 磷化钢丝绳市场前景分析

2013年国内钢丝绳产量已经达到187万吨，生产规模已经稳居世界第一[11]，买方市场已经充分形成，用户选购钢丝绳时拥有足够的挑选空间。应该注意的是钢丝绳用户挑选钢绳的观念在悄悄地改变，由以往的主要关注销售价格，逐渐向更加关注产品质量、使用寿命方面转变。钢丝绳是起重机械一种不可或缺的配件，随着各类起重机械向高速度、高扬程、高负载方向发展，对钢丝绳的耐疲劳性能的要求越来越高，为了避免钢丝绳突然断裂可能造成的财产损失，高质量、长寿命的钢丝绳愈加受到客户的青睐与欢迎。

2013年德国钢丝绳出口到中国的钢丝绳均价为5565美元/吨[12]，即便其零售价格已经达到国产钢丝绳的三倍以上，仍有客户愿意出高价购买使用，可见国内部分用户对高品质钢绳的强烈需求。

拉拔前表面准备使用锌系磷化液，制绳钢丝采用锰系或锌锰系耐磨磷化液，其生产过程大同小异，仅对生产线作部分调整改造即可满足大批量生产制绳用磷化钢丝的需求。耐磨磷化技术已经非常成熟且成本低廉，在考虑需支付一定专利许可费用的情况下，磷化涂层钢丝绳较同结构光面钢丝绳而言，假定其生产成本上升幅度为10-15%，而疲劳试验已经证明磷化钢丝绳使用寿命的延长幅度远远超过成本上升幅度，拥有非常高的性价比，出色的耐疲劳性能可以帮助企业赢得市场并获得丰厚的利润回报，磷化钢丝绳是不仅是光面钢丝绳的理想替代品，而且完全有能力替代进口的钢丝绳。

5 结束语

钢丝绳使用过程中钢丝间的微动是其特殊结构的固有特性，因而不可避免，只能采取各类技术措施削弱钢丝间微动所带来的危害。微动疲劳、腐蚀疲劳是造成钢丝绳失效的主要原因。通过强化制绳钢丝表面功能，特别是提高制绳钢丝表面的耐磨损、耐腐蚀性能，抑制、减缓钢丝绳内疲劳微裂纹的萌生，从而达到提高钢丝绳耐疲劳性能和延长钢丝绳使用寿命的目的。既通过对制绳钢丝进行表面处理，阻断摩擦力作用或削弱钢丝间微动带来的表面微动损伤，表面处理技术是延长钢丝绳使用寿命的一个新途径。

光面钢丝绳目前应用范围非常广泛，如矿山钢丝绳、电梯曳引钢丝绳、起重机用多股阻旋转钢丝绳等等。光面钢丝绳仅依靠涂敷润滑脂减小摩擦力防护微动损伤，且冷拉得到的光面制绳钢丝表面光洁度极高。如果是干式拉丝，钢丝表面残余拉丝粉中蜡质成分使其难以被润滑脂浸润，不利于对润滑脂的吸附。磷化涂层钢丝绳是世界钢丝绳行业第一次通过采用表面处理技术来防护钢丝的微动损伤，看似简单的技术却是世界首创。磷化钢丝绳利用的是磷化膜与润滑脂的复合作用，磷化膜的存在使钢丝之间不再互相直接摩擦，防护微动损伤效果大于磷化膜与润滑脂单一功能的叠加，因而磷化涂层钢丝绳比光面钢丝绳使用寿命更长。磷化技术已经相当成熟且成本低廉，磷化涂层钢丝绳具有更高的性价比，磷化涂层钢丝绳是光面钢丝绳理想替代品，随着钢丝绳制造领域对钢丝绳失效过程认识水平的不断提高，针对防范失效因素采取的新技术、新工艺一定会不断出现，钢丝绳的使用寿命将会大幅度延长。

参考文献

[1]潘志勇.邱煌明.钢丝绳生产工艺（第1版）[M].长沙：湖南大学出版社，2008，8.

[2]王贵德.我国金属制品的源头企业—天津市第一钢丝绳厂[J].金属制品，1991（5）：65.

[3]季华，石琴，王婷婷.低温快速电解磷化工艺研究[J].金属制品，2013，1：16.

[4]崔影，蒋雪江.磷化钢丝绳延长使用寿命原理分析[C]//全国金属制品信网.纪念全国金属制品信息网建网40周年暨2014金属制品行业技术信息交流会论文集.湖南湘潭，2014：110-114.

[5]崔影.润滑对钢丝绳使用寿命的影响机制[J].金属制品，2013（1）：60-62.

[6]崔影，蒋雪江.钢丝绳失效过程及延长其使用寿命原理分析[J].金属制品，2014，6：13-16.

[7]崔影.钢丝绳磷化涂层技术[J].港口装卸，2014（1）：30-32.

[8]崔影.磷化钢丝绳生产技术论证[J].金属制品，2014（3）：15-18.

[9]王章忠，蔡璐.磷化膜后处理与润滑状况对其摩擦学特性的影响[J].材料保护，2003，1：54-55.

[10]司艺，宋也黎，李长生.黑色复合耐磨磷化膜的摩擦学性能[J].材料保护，2009，3：79-80+95.

[11]宋为，张琼.春华秋实四十载 乘风破浪谋新篇—纪念全国金属制品信息网建网40周年[J].金属制品，2014.6：6.

[12]窦光聚.从德中金属制品贸易谈我国金属制品强国之路[J].金属制品，2014，5：1-7.

作者简介：张金利（1963-），天津冶金集团物流有限公司总经理，工程师。

曹德润（1964-），天津冶金钢线钢缆集团有限公司环钟分公司工程师。