钢丝增强液压胶管钢丝的锈蚀分析

王宝星，刘敬平，罗奕文

[贝卡尔特（中国）技术研发有限公司，江苏 江阴 214434]

作为液压系统的关键部件，胶管的生产工艺随着环保和应用要求的不断提高而改进，其性能的主要影响因素包括环境温度、液体压力、弯曲半径、爆破压力和脉冲寿命等[1]。应用于工程机械或汽车液压系统的SAE（美国汽车工程师协会）系列钢丝增强液压胶管性能要求更是越来越高[2]。

胶管外胶层常暴露在大气环境中并与不同介质接触，且经常因胶管被拖拽而受摩擦，因此需要具有优良的耐臭氧、耐天候以及一定的耐油性和耐磨性能，目前胶管外胶层胶种多采用氯丁橡胶（CR），考虑价格因素，也常采用CR与氯化聚乙烯（CPE）、丁腈橡胶（NBR）、丁苯橡胶（SBR）等并用[3]。

原材料品质[4]、配方设计[5]和生产工艺控制[6-9]对保证胶管质量非常关键。本工作对钢丝增强液压胶管进行失效分析，并重点研究其钢丝骨架材料在不同环境条件下的表面变化情况。

1 实验

1.1 胶管样品

胶管样品为低脉冲周期失效钢丝增强液压胶管，其所用钢丝为0.295HT钢丝（江阴贝卡尔特钢丝制品有限公司产品）。

1.2 试验仪器

Axiophot型光学显微镜（OM）、SUPRA40型场发射电子显微镜（SEM）和X射线能量色散光谱仪（EDX），德国ZEISS集团产品；SZX7型体式显微镜，日本OLYMPUS集团产品；vkx150型共聚焦显微镜，日本基恩士集团产品；KTHA-010THS型恒温恒湿箱，昆山庆生电子科技有限公司产品。

1.3 测试分析

从失效胶管中取出非爆口区域钢丝，分别采用OM和SEM进行表面观察，用EDX进行化学元素测试。胶管原料钢丝试验有4种组合条件，条件1：温度 26 ℃，湿度 50%；条件2：温度 32 ℃，湿度 50%；条件3：温度 26 ℃，湿度 80%；条件4：温度 32 ℃，湿度 80%[10]。钢丝在湿热老化箱中进行老化，间隔一定时间取样，在OM下观察表面颜色变化和锈蚀情况。

2 结果与讨论

2.1 失效胶管分析

图1所示为胶管的失效区域形貌。由图1可见，失效区域右向和左向均有大量断口，断口处钢丝锈蚀现象严重。为了避免胶管失效后钢丝锈蚀对分析问题的判断，故取远离失效区域钢丝进行后续观察测试。

在胶管远离失效爆口的橡胶包覆良好区域，去除橡胶后，也可以看到大量的钢丝断口，取出一定数量的钢丝，用OM观察，如图2所示。图2中可以看到钢丝表面已经产生一定的锈蚀。

在共聚焦显微镜下可以更清楚地看到钢丝表面的锈蚀形貌（见图3）。在此成像系统中，采用激光点光源照射钢丝，具有特征信息的光被点探测器收集，最后利用横向和轴向扫描技术获得整个钢丝的三维彩色图像。由图3可以清楚看到，钢丝锈蚀区域呈现凹坑形貌，显示红褐色（如箭头所指）。

随机取到的2根断口钢丝的SEM照片，见图4。由图4可以更清楚地看到钢丝表面锈蚀为点蚀，呈现锈蚀坑形貌（如箭头所指）。分析认为，胶管外胶层在硫化过程中会有一定量的氯化氢脱出[5，11]，相关钢绞线蚀坑演化规律研究[12]表明，在氯原子存在的条件下钢丝产生的锈蚀坑向内表面凹进，呈现椭球状。另有研究[13]表明，在有水和氧的条件下，氯的存在可以显著加速钢丝表面的锈蚀速度。

采用EDX对未失效区域钢丝表面进行元素分析，SEM图像和EDX测试结果分别如图5和表1所示。位置1为钢丝表面平整、未发生锈蚀区域，位置2为发生锈蚀、形成坑洞区域。对比可以得出，锈蚀区域有大量的氧和铁元素，铜锌镀层被破坏。

表1 未失效区域钢丝成分的EDX测试结果Tab.1 EDX test results of steel wire compositions in unfailed area

2.2 不同温度和湿度下原料钢丝的变化

未使用的胶管钢丝在温度为26和32 ℃、湿度为50%和80%的4个组合条件下[10]，在湿热老化箱中间隔一定时间取出以在OM下观察表面颜色变化和锈蚀点产生时间。

对钢丝表面状态给出3个定义，一是初始光亮状态，二是一段时间后变暗，三是开始产生锈蚀，如图6所示。记录在不同温度和湿度下钢丝开始变暗和发生锈蚀的时间，如表2所示。

从表2可以看出：在条件1下42 h后钢丝表面依然光亮，但是66 h后变暗，90 h后开始有锈蚀产生；对比条件1—4结果，湿度比温度对钢丝锈蚀的影响更大。

表2 钢丝的表面状态变化时间Tab.2 Change time of steel wire surface states h

因此在GB/T 11182—2017《橡胶软管增强用钢丝》[14-15]中对胶管钢丝的包装和储存提出了更高的要求：在运输过程中要有防雨和防潮措施，在包装完好的情况下钢丝的保质期为6个月，开包装前应将包装箱置于实际使用环境下至少12 h。

此外，在胶管的生产过程中，钢丝的储存和使用条件更为关键，因为生产计划或产能等原因，部分钢丝会使用多个班次，或者编织后的胶管会停放较长时间再进行包覆外胶以及硫化；夏季部分区域的温度和湿度远超过本研究设计的试验条件；车间采用高压水冲洗地面以保持整洁，但这导致车间湿度过高，诸多上述原因导致每年夏季胶管失效问题频发。

3 结论

分析了钢丝增强液压胶管的失效原因及其钢丝的锈蚀现象。结果表明，温度和湿度是导致胶管钢丝锈蚀的重要因素，其中湿度的影响比温度更大，胶料中氯元素的存在也加速了钢丝锈蚀速度。因此，合理控制原料钢丝的储存和使用环境对保证钢丝质量非常重要，此外，胶料的胶种选择和配方优化、胶管的生产工艺调整等对提高胶管质量有重要作用。