轮胎用钢帘线生产工艺

摘  要：钢帘线是汽车子午胎理想的骨架材料，在金属制品中生产难度大，技术含量高。该文论述了钢帘线主要的生产工艺，包括原料要求、盘条预处理、粗拉、中间热处理、中拉、最终热处理、电镀、湿拉、合股、检验、包装。最后对轮胎用钢帘线生产的发展趋势做了预测。

关键词：钢帘线  轮胎  拉丝  金属制品  发展趋势

中图分类号：TQ33                                  文献标识码：A                           文章编号：1672-3791（2019）04（a）-0057-03

钢帘线是采用优质高碳钢线材制成的表面具有黄铜镀层且具有特殊用途的细规格钢丝股或绳。国际合成纤维标准化局对钢帘线的定义是：“作为最终产品，由两根或更多根钢丝组成的，或者由股与股的组合或者由股与丝的组合所形成的结构。”

钢帘线主要用于轿车轮胎、轻型卡车轮胎、载重型卡车轮胎、工程机械车轮胎和飞机轮胎及其他橡胶制品骨架材料。以钢帘线为骨架材料制造的轮胎具有很多优点，如重量轻省油、耐磨性好、不易爆胎、耐穿刺、弹性好、使用寿命长、翻新次数多等。

钢帘线在金属制品中生产难度大，技术含量高的产品，被称为“线材皇冠上的明珠”。

1  钢帘线的分类

1.1 按强度等级划分

普通强度钢帘线 NT（可不标注）;高强度钢帘线HT。

1.2 按结构特性划分

普通结构钢帘线;开放型钢帘线（OC）;密集型钢帘线（CC）;高伸长型钢帘线（HE）。

2  钢帘线对盘条的要求

钢帘线的原料必须是控制冷却热轧盘条，金相组织必须是索氏体组织，奥氏体晶粒度2～5级（ASTM），必须能经受90%以上总压缩率，不许用铝脱氧。化学成分见表1[1]。

盘条储存：不能露天存放，盘条库要清洁干燥，通风良好，防锈蚀。盘条要分类存放、标识清楚。

3  钢帘线的生产工艺

钢帘线生产总工艺流程：盘条预处理→粗拉→中间热处理→中拉→最终热处理电镀→湿拉→合股→检验包装入库[2]。

3.1 盘条预处理——粗拉

盘条放线架→乱线开关→反复弯曲法去皮→水冲洗→电解酸洗→水洗→热水洗→涂硼砂→干燥→粗拉→校直→收线[2]。

反复弯曲法去皮主要是因弯曲而造成盘条表面的反复延伸和压缩促成表面铁皮疏松剥落，除去盘条表面绝大多数铁皮，盘条再经酸洗，能大大缩短酸洗时间，降低酸耗和防止过酸洗。

阴-阳交替电解酸洗：电解槽被绝缘材料分隔成阳极区和阴极区，在整个系统中，钢丝处于中性极。钢丝上电化学反应产生的气体对钢丝表面的氧化铁皮及污物起疏松及剥离作用，同时酸液对氧化铁皮也产生化学溶解作用，从而达到去除氧化铁皮的目的。

涂硼砂：硼砂在温度达60.6℃时生成5个结晶水的硼砂（Na4B4O7·5H20），五水硼砂不但润滑性能好，而且对钢丝腐蚀性最小。涂硼液用电加热或蒸汽加热，温度保持在90℃～95℃，浓度保持在（250±20）g/L，涂硼层厚度应达4～5g/m2。停车时，涂硼槽必须保温在80℃以上，防止硼砂凝结。

干燥：涂硼后的线材必须经干燥处理。热风干燥是线材从一根逆向吹热风的导管里通过，风温度必须高于60.6℃，使线材表面形成一层五水硼砂的薄膜。也可以用感应加热干燥的方式。

粗拉：用直进式拉丝机拉丝，生产时钢丝在卷筒之间没有经过任何导轮，走的是直线，直进式拉丝机实现无滑动连续拉丝的条件是单位时间内通过各模孔的金属体积相等[4]。卷筒和模具强制水冷。钢丝由5.5mm拉至2.4mm、3.15mm，拉丝速度可达15m/s，用DIN800工字轮收线。

3.2 中间热处理

放线→张力辊→脱脂→加热炉→淬浴→水冷→盐酸洗→水洗→热水洗→涂硼砂→干燥→收线[2]。

中间热处理的目的是消除钢丝在拉拔过程中的加工硬化，恢复钢丝的塑性，使之能够经受进一步的冷变形。铅温约为560℃，温控精度为±1℃，钢丝在铅时间视不同直径为18～24s。铅浴淬火可以获得均匀细致的索氏体组织。

3.3 中间拉拔

用直进式拉丝机拉丝，分别将钢丝拉拔至0.85mm、1.0mm、1.10mm、1.30mm、1.40mm、1.60mm、1.70mm、1.90mm。拉拔速度可达18m/s，采用DIN800工字轮收、放线[3]。

3.4 最终热处理——电镀黄铜

工艺流程：放线→脱脂→热处理炉→淬火→水冷卻→电解酸洗→冷水洗→碱性镀铜→热水洗→酸性镀铜→冷水洗→酸性镀锌→热水洗→干燥→热扩散→磷化→收线[2]。

最终热处理采用等温铅淬火，采用燃气加热，钢丝在铅时间为8～16s。钢丝获得的金相组织为均匀一致的索氏体组织，钢丝性能稳定，便于进一步拉拔。

黄铜镀层能增加钢帘线与轮胎橡胶的结合力，还可以促进拉拔过程的均匀变形和减少摩擦诱导热来改善延伸性。因为黄铜镀层有利于润滑剂吸附层的形成，从而降低了钢帘线用钢丝与拉拔模具的摩擦因数，进而促进均匀变形。电镀黄铜分3个阶段，先进行碱性镀铜（焦磷酸盐镀液），再进行酸性镀铜（硫酸盐镀液），最后进行酸性镀锌（硫酸锌镀液）。通过调节槽液和电流来控制电沉积过程，使铜、锌两种元素保持恒定值。铜含量控制在（63.5%～67.5%）±2.5%。用沸腾炉粒子加热法进行金相热扩散，采用燃气式加热，使钢丝温度上升到500℃左右，让锌原子扩散到铜原子中间，形成α相黄铜固溶体。α相黄铜塑性较好，有利于拉拔。

3.5 湿拉

湿拉是指电镀黄铜钢丝拉拔至帘线成品所需的单丝直径。湿拉采用滑动式水箱拉丝机。水箱拉丝机是靠钢丝与卷筒表面之间的打滑来满足连续拉拔条件的，拉丝在水箱中进行时使用湿式润滑剂进行润滑，可以有效地散去钢丝拉拔及钢丝在塔轮上滑动摩擦所产生的热量，实现滑动拉拔的基本条件是卷筒的圆周线速度大于钢丝的走线速度[4]。

湿拉速度可达18m/s，高的可达25m/s，收线衡张力。普通强度和高强度钢丝一般采用21模，超高强度和特高强度钢丝采用25模。湿拉机的放线工字轮用DIN800，收线工字轮则根据双捻机的需要，通常有Φ130mm、Φ195mm、Φ255mm、Φ315mm等几种[3]。

3.6 合股

通过合股，把湿拉后的单丝捻制成各种结构的钢丝帘线。钢帘线的捻制设备可分为管式机和双捻机。双捻机采用交流电机变频调速。为了捻制高质量的钢帘线，除了要保证捻制前钢丝的力学性能、镀层性能及其质量以外，捻制时的工艺操作也是十分重要的因素。影响钢帘线工艺性能和表面质量的操作因素主要有放线张力、过捻速比、牵引张力、矫直器压下量等。

（1）放线张力。

放线张力的大小对双捻机的捻制质量起着重要的作用。

放线张力过大：会增加帘线捻制过程中的断丝次数;加剧盘式飞轮的磨损，缩短其使用寿命。

放线张力过小：在双捻过程中，当丝或股围绕自身扭转时，因扭转失稳而引起钢帘线起皱;造成位于两飞轮盘之间的股或帘线在捻制时飞起的弧度忽大忽小，从而导致钢帘线的捻距不均;捻制层型结构钢帘线时，若芯股张力过小，易造成芯外翻或冒芯。

放线张力不均：在捻制过程中单丝断裂（该单丝张力过大）;捻制后单丝起泡（该单丝张力过小）;相邻的两钢丝一紧一松，会使它们在股或帘线中产生“交叉”“骑马”。

（2）过捻速比。

在双捻机上捻制时，钢丝受到强烈的扭转变形，必须采取“过捻”这样的特殊措施。因为过捻器是防止端部松散和消除残余扭转最重要的装置，其效果决定于过捻量，所以选择合适的过捻速比，即过捻器转速与主机转速之比就显得尤为重要。从理论上讲，最佳过捻速比与钢帘线结构、钢丝直径及强度有关。钢丝的直径细、强度高，捻距大，其反弹力就大，应选大的过捻速比。在实际生产中，过捻速比的选择是通过调试来确定的，调试原则为：若钢帘线残余扭转为“+”（即残余扭转方向与捻向相同），就减小过捻速比;若钢帘线残余扭转为“-”（即残余扭转方向与捻向相反），就加大过捻速比。

（3）牵引张力。

内收线式双捻机牵引张力的大小对钢帘线表面质量有一定影响，若牵引张力过大，易引起断丝，严重时会发生整绳断裂;若牵引张力过小，帘线表面易出现波浪，钢丝捻制不紧密，残余扭转不稳定。

调整牵引塔轮的张力可对钢帘线的残余扭转起到微量的调节作用，在一般情况下，用专用工具适当拧紧牵引塔轮的调节圈，钢帘线的残余扭转趋向于“-”;反之，适当拧松牵引塔轮的调节圈，钢帘线的残余扭转趋向于“+”。

（4）矫直器压下量。

双捻机矫直器的作用是使钢帘线经过反复弯曲，使其内部的残余应力进一步得到消除，结构更加紧密并得到更好的平直度。

矫直器压辊的间距是固定的，压下量可调，调节原则是辊压下量逐渐减小，并使尾部各辊的最低点近似成直线;钢帘线的残余扭转为“+”，压下量依次加大;钢帘线的残余扭转为“-”，压下量依次减小。

3.7 检验

钢帘线的外观质量采用目测检验。钢帘线的黄铜镀层应连续、均匀，不应有明显的色差存在，不得有漏镀、伤痕、锈斑，油污、灰尘及其他脏物。钢帘线还不得有背丝、冒芯、跳芯、波浪、起泡等捻制缺陷。

另外，还要对粗度、捻向捻距、破断力、破断伸长率、在规定力之间的伸长率、线密度、松散度、残余扭转、平直度、弹性、刚度、镀层重量及组分进行专门检验。

3.8 包装、标志

（1）包装。

钢帘线的存放、包装、使用对湿度的要求都很严格。在包装场地最好铺设5～10mm厚的橡胶板，并经常保持清洁。未包装钢帘线存放场地應保持清洁、干燥，相对湿度不高于60%，温度20℃～30℃。钢帘线应均匀、平整地缠绕在线轴上（线轴的规格由供需双方商定），放在有塑料袋的包装箱内。塑料袋内放防潮剂（防潮剂不能直接与钢帘线接触），并将塑料袋封口。包装箱应有良好的防渗、防水性能。

钢帘线成品工字轮在国际上通用的有4种，即B40、B60、B80/17、B80/33。

包装箱有纸箱和铁箱（桶）两种，目前纸箱用得较多。包装箱应有良好的防潮、防撞击标志。

（2）标志。

在每个线轴上标明生产日期、钢帘线结构表示式、残余扭转、长度和工号。在包装箱上应标明制造厂、生产日期、钢帘线结构表示式、长度、净重和毛重，并有明显的防潮、防撞击标志。

4  轮胎用钢帘线的发展趋势

（1）胎体钢帘线方面，开发具有小直径、破断力高、同向捻制、无外绕丝、线密度低等特点的新型钢帘线;带束层钢帘线方面，应开发具有较高破断力、较低断裂伸长率、全橡胶渗透性能等特点的钢帘线;保护层钢帘线方面，开发大捻距、粗直径、简单结构、全橡胶渗透性能、高附胶延伸率、低成本的钢帘线[5]。

（2）利用“互联网+”“大数据计算”“云平台”等先进理念，对钢帘线生产进行的智能化升级改造，实现办公、管理及生产的自动化，绿色生产，提高工作效率，降低生产成本，提高钢帘线产品在国际市场上的竞争力。

参考文献

[1] GB/T 11181-2003，子午线轮胎用钢帘线[S].

[2] 董琦，张学辉.钢丝生产工艺及设备[M].北京：冶金工业出版社，2016.

[3] 戴宝昌.重要用途线材制品生产技术[M].北京：冶金工业出版社，2001.

[4] 张学辉，王鸿利.钢丝生产概述[J].科技资讯，2018，16（12）：117-119.

[5] 王玲君.我国金属制品的技术现状和改进建议[N].世界金属导报，2014-12-16（B12）.