俞志高，姜培玉，羅奕文

[貝卡爾特（中國(guó)）技術(shù)研發(fā)有限公司，江蘇 江陰 214434]

1 輪胎及其骨架材料概述

約6 000年前，居住于兩河流域的人類首先將轱轆使用在搬運(yùn)活動(dòng)中，這大大拓寬了人類的活動(dòng)范圍，加速了人類的文明進(jìn)程。19世紀(jì)以前，人類還只能使用石質(zhì)、鐵質(zhì)或木質(zhì)材料的實(shí)心轱轆，直到哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲新大陸并將橡膠帶回歐洲，人類才開始使用表面覆有橡膠的轱轆。1888年愛爾蘭人J.B.鄧祿普在騎行硬橡膠輪胎自行車時(shí)，因舒適性差觸發(fā)了制作充氣式輪胎的想法，充氣式自行車輪胎的發(fā)明開啟了輪胎發(fā)展的新時(shí)代。1895年，法國(guó)米其林兄弟駕駛裝有充氣輪胎的普戈特車參加了巴黎至波爾多的汽車競(jìng)賽，向全世界宣告了第1輛充氣輪胎汽車的問世。1946年，米其林公司率先開始生產(chǎn)子午線輪胎，開啟了世界輪胎工業(yè)發(fā)展的新篇章。

我國(guó)汽車輪胎的發(fā)展晚于歐洲和美國(guó)，1934年上海大中華橡膠廠研制成功我國(guó)第1條汽車輪胎，1964年研制成功第1條全鋼子午線輪胎；1986年，樺林橡膠廠開始引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)子午線輪胎制造技術(shù)，從此子午線輪胎在我國(guó)進(jìn)入快速發(fā)展階段。1990年國(guó)內(nèi)僅有10家子午線輪胎生產(chǎn)工廠，總產(chǎn)量為118萬條，輪胎子午化率僅為4%；2019年國(guó)內(nèi)子午線輪胎總產(chǎn)量達(dá)到6.16億條，子午化率達(dá)到94%。

棉簾線最早被用作充氣輪胎骨架材料，新型高強(qiáng)力人造纖維簾線（人造絲、錦綸、聚酯等簾線）的應(yīng)用進(jìn)一步提升了充氣輪胎的性能[1-4]。子午線輪胎發(fā)明后，鋼絲簾線以其無可比擬的高強(qiáng)度和高比模量（見圖1）成為半鋼子午線輪胎帶束層和全鋼子午線輪胎胎體及帶束層骨架材料的不二選擇。

圖1 不同簾線強(qiáng)度和比模量對(duì)比

20世紀(jì)90年代中期以前，雖然國(guó)內(nèi)已經(jīng)有江陰鋼絲繩廠、湖北鋼絲繩廠、上海鋼絲繩廠、青島鋼絲繩廠等企業(yè)生產(chǎn)子午線輪胎用鋼絲簾線，但生產(chǎn)能力及產(chǎn)品質(zhì)量均不能完全滿足需求，國(guó)內(nèi)子午線輪胎生產(chǎn)仍以使用進(jìn)口比利時(shí)貝卡爾特集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱貝卡爾特）鋼絲簾線為主。1993年，貝卡爾特與江陰鋼絲繩廠成立首家合資鋼絲簾線生產(chǎn)工廠，并于1998—2008年分別在沈陽(yáng)、威海、江陰、重慶等地建立新工廠，生產(chǎn)能力快速提高；同期韓國(guó)高麗制鋼株式會(huì)社和曉星株式會(huì)社也在我國(guó)建立了鋼絲簾線生產(chǎn)工廠，國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)出了一批上規(guī)模的鋼絲簾線生產(chǎn)企業(yè)，包括江蘇興達(dá)鋼簾線股份有限公司、嘉興東方鋼簾線有限公司、湖北福星科技有限公司、山東勝通鋼簾線有限公司等。2019年我國(guó)鋼絲簾線產(chǎn)量已增長(zhǎng)至約250萬t，其中約20%出口到歐洲、美洲及亞洲等地區(qū)。

2 子午線輪胎對(duì)鋼絲簾線的要求

2.1 子午線輪胎的優(yōu)勢(shì)

與斜交輪胎相比，子午線輪胎具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）胎體和帶束層可以根據(jù)各自功能的需求分別設(shè)計(jì)，胎側(cè)更薄、更柔軟，可允許較大的變形，從而保證了更大的接地印痕面積（見圖2）。因此，子午線輪胎接地壓力和胎面磨損更均勻，輪胎轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性更好，車輛舒適性提高。

圖2 子午線輪胎與斜交輪胎接地情況對(duì)比

（2）接地面積的增大可顯著提高胎面耐磨性能和行駛里程。對(duì)于農(nóng)業(yè)子午線輪胎還可減小接地壓強(qiáng)，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。

（3）胎側(cè)厚度的減小不僅可以改善車輛的乘坐舒適性，同時(shí)減小了輪胎的用膠量和生熱，使輪胎的滾動(dòng)阻力也得以下降（見圖3）。

圖3 子午線輪胎與斜交輪胎滾動(dòng)阻力對(duì)比

（4）帶束層采用多層鋼絲簾布增強(qiáng)，顯著提升了輪胎的抗刺扎性能，尤其極大地延長(zhǎng)了惡劣路況條件下行駛輪胎（非公路工程機(jī)械輪胎，林業(yè)/農(nóng)業(yè)輪胎等）的壽命。

（5）輪胎胎面磨損后可以再次翻新使用，進(jìn)一步減小了輪胎原材料的消耗。

2.2 子午線輪胎胎體鋼絲簾線的性能要求

12.00 R20全鋼子午線輪胎滾動(dòng)1圈時(shí)胎體簾線曲率和張力變化的有限元模擬分析結(jié)果如圖4所示。由于曲率和張力的周期性變化，鋼絲簾線單絲之間會(huì)發(fā)生微小的相對(duì)位移，從而導(dǎo)致鋼絲之間的磨損。因此子午線輪胎胎體鋼絲簾線除需滿足基本的破斷力要求外，還需要具備優(yōu)異的耐疲勞性能。同時(shí)，輪胎成型時(shí)胎體簾線需要繞過胎圈進(jìn)行反包，胎體簾線的反彈力不能過大，過大的反彈力容易造成輪胎硫化前出現(xiàn)圈部脫空。

圖4 輪胎滾動(dòng)1圈的胎體簾線曲率和張力

2.3 子午線輪胎帶束層鋼絲簾線的性能要求

圖5所示為子午線輪胎帶束層鋼絲簾線受力的有限元分析結(jié)果。

圖5 子午線輪胎帶束層鋼絲簾線受力分析

由圖5可見：在充氣非接地狀態(tài)下，工作層鋼絲簾線在帶束層邊緣的受力最小，中部最大；接地時(shí)在帶束層中部的受力減小，但依然是整根鋼絲簾線受力較大的位置。半鋼子午線輪胎帶束層的受力情況與全鋼子午線輪胎工作層類似。保護(hù)層鋼絲簾線在充氣狀態(tài)下的受力與工作層類似，但是在接地時(shí)會(huì)出現(xiàn)受壓的情況；4層帶束層設(shè)計(jì)子午線輪胎的過渡層也會(huì)工作于受壓狀態(tài)。因此，保護(hù)層和過渡層鋼絲簾線的抗壓性能也很重要[5]。

保護(hù)層的功能是吸收（緩沖）來自地面的沖擊，以保護(hù)工作層，因此保護(hù)層鋼絲簾線的抗沖擊性能也是重要性能指標(biāo)之一。

帶束層復(fù)合體的拉伸剛度是影響輪胎接地印痕的主要因素之一，鋼絲簾線在帶束層中是有角度交叉鋪設(shè)（0°帶束層除外），鋼絲簾線的模量約為200 GPa，粘合橡膠的模量一般不到10 MPa，帶束層復(fù)合體受拉伸應(yīng)力時(shí)，其應(yīng)變主要來自于粘合橡膠。除了層間橡膠厚度、鋼絲簾線鋪設(shè)角度和橡膠模量之外，鋼絲簾線自身的結(jié)構(gòu)也顯著影響帶束層復(fù)合體的拉伸剛度。有限元分析研究發(fā)現(xiàn)[6-7]，帶束層復(fù)合體中鋼絲簾線包絡(luò)體積/帶束層復(fù)合體總體積之比與帶束層復(fù)合體的拉伸剛度成正相關(guān)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)論。

此外，輪胎使用過程中冠部會(huì)受到路面障礙物的刺扎而產(chǎn)生損傷，外部濕氣會(huì)從破損區(qū)域抵達(dá)該部位的鋼絲簾線。為了將濕氣局限于被刺扎部位，避免濕氣沿鋼絲簾線迅速擴(kuò)展而造成輪胎的早期失效，帶束層鋼絲簾線還需要具有良好的滲膠性能。

2.4 輪胎的可持續(xù)性發(fā)展需求

全球氣候變暖關(guān)系到人類的可持續(xù)發(fā)展，世界上相關(guān)國(guó)家和經(jīng)濟(jì)體都已制定明確的二氧化碳減排目標(biāo)和相應(yīng)的實(shí)施計(jì)劃。二氧化碳是溫室氣體最大的組成部分，根據(jù)2014年國(guó)際清潔運(yùn)輸委員會(huì)華盛頓會(huì)議資料，交通運(yùn)輸行業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳約占全球二氧化碳排放總量的23%，其中與輪胎相關(guān)的陸地運(yùn)輸約占總運(yùn)輸?shù)?9%，輪胎的滾動(dòng)阻力對(duì)二氧化碳排放量的貢獻(xiàn)占車輛二氧化碳總排放量的20%～30%。由此可見輪胎滾動(dòng)阻力在全球二氧化碳排放中占有舉足輕重的地位。為控制陸地運(yùn)輸中的二氧化碳排放，相關(guān)國(guó)家和經(jīng)濟(jì)體都制定了降低車輛油耗的目標(biāo)。從2007年歐盟率先頒布輪胎標(biāo)簽法規(guī)以來，很多國(guó)家和經(jīng)濟(jì)體也都制定了相應(yīng)的輪胎標(biāo)簽法規(guī)，雖然項(xiàng)目?jī)?nèi)容略有不同，但滾動(dòng)阻力是所有輪胎標(biāo)簽法規(guī)中最重要的一項(xiàng)[8]。

目前輪胎制造中使用了許多不可再生的資源，米其林公司2014年提出的循環(huán)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略中，明確了未來輪胎輕量化、可多次使用、使用可循環(huán)和可再生原材料的發(fā)展方向；2018年進(jìn)一步制定了到2048年輪胎制造使用80%的回收材料及100%的可回收材料的企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)。普利司通也公布了到2050年實(shí)現(xiàn)輪胎質(zhì)量比2010年減小50%及100%使用可再生/可循環(huán)材料的企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)。

進(jìn)入新的世紀(jì)，隨著科技的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸行業(yè)也朝著智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動(dòng)化、共享化方向迅速邁進(jìn)。電動(dòng)化使得車輛（電池）質(zhì)量和啟動(dòng)力矩增大；智能化和網(wǎng)聯(lián)化要求輪胎能實(shí)時(shí)感知并傳遞自身狀態(tài)，除了常規(guī)的充氣壓力、溫度等，還要將對(duì)路面的感知反饋到中央處理系統(tǒng)，自動(dòng)進(jìn)行駕駛模式調(diào)整。這些變化都給輪胎行業(yè)帶來很多新的挑戰(zhàn)。

3 我國(guó)鋼絲簾線技術(shù)的發(fā)展

3.1 早期子午線輪胎鋼絲簾線結(jié)構(gòu)

2000年以前，國(guó)內(nèi)子午線輪胎使用的鋼絲簾線結(jié)構(gòu)很有限，其中全鋼子午線輪胎胎體鋼絲簾線規(guī)格為3＋9＋15×0.22＋0.15NT，3＋9＋15×0.175＋0.15NT，3＋9×0.22＋0.15NT/HT；帶束工作層和過渡層鋼絲簾線規(guī)格為3＋9＋15×0.22＋0.15NT，3×0.20＋6×0.35HT；帶束保護(hù)層和0°帶束層鋼絲簾線規(guī)格為3×4×0.22HE和3×7×0.20HE。半鋼子午線輪胎帶束層鋼絲簾線規(guī)格為2×0.30HT，2＋2×0.25HT，2＋2×0.35HT。

胎體鋼絲簾線都是帶外纏絲且不同捻向的多層結(jié)構(gòu)。外纏絲結(jié)構(gòu)會(huì)使鋼絲簾線直徑、簾布厚度和用膠量增大，而且外纏絲對(duì)最外層鋼絲有極強(qiáng)的切割作用，造成鋼絲簾線耐疲勞性能顯著下降。捻向不同使不同層之間的鋼絲為點(diǎn)接觸，在輪胎行駛過程中，由于胎體鋼絲簾線承受動(dòng)態(tài)張力和彎曲，單絲之間會(huì)有輕微的相對(duì)位移，點(diǎn)接觸的情況下，單絲之間的磨損也較嚴(yán)重。

由于可選擇的鋼絲簾線結(jié)構(gòu)少，不能根據(jù)不同輪胎的應(yīng)用需求進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，使得早期的載重子午線輪胎由于胎體簾線強(qiáng)度不足而易出現(xiàn)拉鏈爆、沖擊爆等較嚴(yán)重的輪胎失效情況。

3.2 子午線輪胎用鋼絲簾線的技術(shù)發(fā)展

1993年貝卡爾特在我國(guó)江陰設(shè)立第1家工廠，2003年成立貝卡爾特中國(guó)技術(shù)中心（后升級(jí)為貝卡爾特亞洲研發(fā)中心），針對(duì)我國(guó)輪胎市場(chǎng)需求開發(fā)新型鋼絲簾線產(chǎn)品及制造技術(shù)，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)子午線輪胎用鋼絲簾線的兩次大規(guī)模產(chǎn)品更新?lián)Q代。

3.2.1 鋼絲簾線強(qiáng)度提高

鋼絲簾線強(qiáng)度分為普通強(qiáng)度（NT）、高強(qiáng)度（HT）、超高強(qiáng)度（ST）和特高強(qiáng)度（UT）。

從2000年開始，貝卡爾特針對(duì)我國(guó)市場(chǎng)開發(fā)了一系列高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼絲簾線，如3＋9＋15×0.225HT，0.25＋6＋12×0.225HT，3×0.24＋9×0.225CCHT，3＋8×0.33ST Betru?，0.365＋6×0.35HT Betru?，2×0.30ST，3×0.30HT Betru?，3×0.38ST Betru?等。

2010年以后，貝卡爾特又開發(fā)了一系列超高強(qiáng)度和特高強(qiáng)度鋼絲簾線，如3＋9＋15×0.225/0.20ST，0.17＋5×0.215＋10×0.235CCST，3×0.24＋9×0.225CCST，3＋8×0.33ST Betru?，4＋3×0.35ST，0.37＋6×0.32ST，2×0.30UT，3×0.28ST Betru?等。

高強(qiáng)度鋼絲簾線的強(qiáng)度比普通強(qiáng)度鋼絲簾線提高約13%，超高強(qiáng)度鋼絲簾線強(qiáng)度比高強(qiáng)度鋼絲簾線提升約11%，特高強(qiáng)度鋼絲簾線強(qiáng)度比超高強(qiáng)度鋼絲簾線提升約10%。強(qiáng)度的提升意味著采用更小質(zhì)量的鋼絲簾線就可以達(dá)到同樣的簾布強(qiáng)度（質(zhì)量減小的比例與強(qiáng)度提升幅度一致），或者可以采用同等質(zhì)量的鋼絲簾線達(dá)到簾布強(qiáng)度更大的目的。同時(shí)，鋼絲簾線直徑減小可以減小簾布?jí)貉雍穸龋ㄝ喬テ髽I(yè)在鋼絲簾線結(jié)構(gòu)替換時(shí)，一般是保持同樣的覆膠厚度），從而減小膠料質(zhì)量。

鋼絲簾線和膠料質(zhì)量的減小帶來巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。在大規(guī)格長(zhǎng)途載重子午線輪胎中，以高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度胎體鋼絲簾線替代普通強(qiáng)度鋼絲簾線，等強(qiáng)度胎體簾布性能及質(zhì)量變化見表1。

由表1可見，以超高強(qiáng)度鋼絲簾線替代普通強(qiáng)度鋼絲簾線后，單位面積胎體鋼絲簾線質(zhì)量、膠料質(zhì)量和簾布質(zhì)量分別減小30%，21%和26%。

表1 不同強(qiáng)度鋼絲簾線等強(qiáng)度胎體簾布性能及質(zhì)量對(duì)比

以高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度帶束層鋼絲簾線替代普通強(qiáng)度鋼絲簾線，等強(qiáng)度帶束層簾布性能和質(zhì)量變化見表2。

由表2可見，以超高強(qiáng)度鋼絲簾線替代普通強(qiáng)度鋼絲簾線后，單位面積帶束層鋼絲簾線質(zhì)量、膠料質(zhì)量和簾布質(zhì)量分別減小24%，15%和21%。

每條12R22.5輪胎使用胎體簾布約為1.44 m2、帶束層簾布約為1.21 m2。以超高強(qiáng)度鋼絲簾線替代普通強(qiáng)度鋼絲簾線，每條輪胎鋼絲簾線和膠料質(zhì)量可分別減小3 028和1 227 g。輪胎質(zhì)量減小不僅使輪胎企業(yè)直接生產(chǎn)成本降低，還可以降低輪胎生熱，從而延長(zhǎng)輪胎使用壽命。

以上述胎體和帶束層簾布示例加權(quán)平均值估算，普通強(qiáng)度鋼絲簾線增強(qiáng)的簾布，膠料質(zhì)量約為鋼絲簾線質(zhì)量的60%；以高強(qiáng)度鋼絲簾線替代普通強(qiáng)度鋼絲簾線可使鋼絲簾線和膠料質(zhì)量分別減小15%和12%；以超高強(qiáng)度鋼絲簾線替代普通強(qiáng)度鋼絲簾線可使鋼絲簾線和膠料質(zhì)量分別減小27%和17%。按2019年我國(guó)輪胎生產(chǎn)實(shí)際使用190萬t鋼絲簾線，普通強(qiáng)度鋼絲簾線占比約為23%，高強(qiáng)度鋼絲簾線占比約為50%，超/特高強(qiáng)度鋼絲簾線占比約為27%計(jì)算，則已經(jīng)實(shí)現(xiàn)鋼絲簾線質(zhì)量減小36萬t、膠料質(zhì)量減小14萬t；如果能全部使用超/特高強(qiáng)度鋼絲簾線，則還可以使鋼絲簾線和膠料質(zhì)量再分別減小25萬和7萬t。

輪胎質(zhì)量的減小也帶來滾動(dòng)阻力的顯著降低。根據(jù)2014年國(guó)際清潔運(yùn)輸委員會(huì)華盛頓會(huì)議資料顯示，2010年全球二氧化碳排放量約為380億t，其中陸地運(yùn)輸排放量占17%（貨物運(yùn)輸排放量占46.5%，人員交通排放量占53.5%），以超高強(qiáng)度鋼絲簾線替代普通強(qiáng)度鋼絲簾線可使輪胎滾動(dòng)阻力降低5%，輪胎滾動(dòng)阻力油耗占車輛油耗的25%，以我國(guó)載重子午線輪胎產(chǎn)量占全球載重子午線輪胎產(chǎn)量的55%，轎車子午線輪胎產(chǎn)量占全球轎車子午線輪胎產(chǎn)量的25%估算，如果我國(guó)生產(chǎn)的子午線輪胎全部采用超高強(qiáng)度鋼絲簾線替代普通強(qiáng)度鋼絲簾線，則每年可以減小3 145萬t的二氧化碳排放量。

3.2.2 鋼絲簾線結(jié)構(gòu)及預(yù)變形技術(shù)

除強(qiáng)度外，鋼絲的變形方式及鋼絲簾線結(jié)構(gòu)形式對(duì)鋼絲簾線的耐疲勞、耐腐蝕、延伸等性能以及輪胎的綜合性能也至關(guān)重要。我國(guó)子午線輪胎早期多采用普通強(qiáng)度鋼絲簾線及有外纏絲（全鋼子午線輪胎胎體）和交互捻結(jié)構(gòu)鋼絲簾線，2000年以后，鋼絲簾線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向無外纏絲化、同捻向化、高強(qiáng)度化以及采用特殊預(yù)變形的方向發(fā)展。

3.2.2.1 無外纏絲/同捻向化

胎體鋼絲簾線的耐疲勞性能與輪胎的使用壽命密切相關(guān)。早期鋼絲簾線產(chǎn)品的外纏絲與最外層鋼絲存在嚴(yán)重的切割作用，交互捻也造成不同層鋼絲之間的切割，顯著降低鋼絲簾線的耐疲勞/耐磨損性能。

早期輪胎用鋼絲簾線之所以多采用有外纏絲結(jié)構(gòu)，主要是因?yàn)橥饫p絲可以降低鋼絲簾線生產(chǎn)和輪胎制造工藝難度。首先在鋼絲簾線壓延過程中，外纏絲與膠料之間的物理作用有利于膠料更好地填充到鋼絲簾線之間；外纏絲也降低了裁斷過程中的修邊難度，更容易控制邊部預(yù)留膠料量，避免沿鋼絲簾線表面切除膠料，導(dǎo)致預(yù)留膠料太少；最重要的是在成型反包過程中，外纏絲可以限制鋼絲簾線變形后的恢復(fù)，避免在反包力不足情況下的反彈，造成未硫化輪胎的圈部脫空。

隨著鋼絲簾線及輪胎制造工藝的發(fā)展，上述去除外纏絲之后的工藝難題都得以有效解決，從高強(qiáng)度胎體鋼絲簾線（0.25＋6＋12×0.225HT，3×0.24＋9×0.225CCHT）開始，鋼絲簾線已全面去除外纏絲，目前超高強(qiáng)度胎體鋼絲簾線（3＋9＋15×0.225ST，0.17＋5×0.215＋10×0.235CCST，3×0.24＋9×0.225CCST，3＋8×0.21ST）也都是無外纏絲設(shè)計(jì)。

以無外纏絲、同捻向的0.25＋6＋12×0.225HT鋼絲簾線替代有外纏絲、交互捻的3＋9＋15×0.22＋0.15NT鋼絲簾線（從內(nèi)到外的捻向分別為SSZS）用于輪胎胎體，行駛10萬km后輪胎中的鋼絲簾線耐疲勞性能保持率如圖6所示。

圖6 輪胎胎體鋼絲簾線耐疲勞性能保持率對(duì)比

由圖6可見，無外纏絲的0.25＋6＋12×0.225HT鋼絲簾線的耐疲勞性能保持率顯著提高。

3.2.2.2 Betru?預(yù)變形

滲膠性能是子午線輪胎帶束層鋼絲簾線最重要的性能之一。輪胎的胎面容易受到刺扎或切割，如果帶束層鋼絲簾線沒有良好的滲膠性能，輪胎被刺扎后，外部的濕氣會(huì)沿鋼絲簾線內(nèi)部的微小通道（虹吸效應(yīng)會(huì)進(jìn)一步加劇濕氣的擴(kuò)展）快速腐蝕整根鋼絲簾線，從而造成大面積的腐蝕，并導(dǎo)致輪胎的失效。全滲膠鋼絲簾線則可以有效阻斷濕氣的傳播，從而讓腐蝕局限于被刺扎或割傷的區(qū)域。

Betru?預(yù)變形是貝卡爾特發(fā)明的一種可以實(shí)現(xiàn)鋼絲簾線全滲膠的空間預(yù)變形技術(shù)，該預(yù)變形單絲在軸向上的投影為凸多邊形（見圖7）。Betru?預(yù)變形技術(shù)采用最小的變形幅度，在單絲與單絲之間形成足夠間隙，以使膠料滲透到鋼絲簾線內(nèi)部，在對(duì)單絲的力學(xué)性能影響降低到最小的同時(shí)達(dá)到全滲膠的目的。單絲產(chǎn)生的變形是微小塑性變形，對(duì)鋼絲簾線的直徑影響可忽略不計(jì)，從而保證壓延過程中優(yōu)異的工藝性能；鋼絲之間的間隙對(duì)加載在簾線上的張力也不敏感，確保輪胎硫化過程中實(shí)現(xiàn)全滲膠。

圖7 Betru?預(yù)變形鋼絲

3.2.2.3 Crimp預(yù)變形

高破斷伸長(zhǎng)率鋼絲簾線可用于帶束保護(hù)層，用以吸收來自路面的沖擊，保護(hù)帶束工作層鋼絲簾線。傳統(tǒng)的高破斷伸長(zhǎng)率鋼絲簾線都是通過小捻距和股繩結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)其高破斷伸長(zhǎng)性能，如3×4×0.22HE和3×7×0.20HE鋼絲簾線等。但這類鋼絲簾線覆膠之后的破斷伸長(zhǎng)率下降較大，即鋼絲簾線吸收沖擊能的能力大幅下降，同時(shí)鋼絲簾線的滲膠性能也較差。

通過對(duì)單絲施加Crimp預(yù)變形的方式可得到高破斷伸長(zhǎng)率的鋼絲簾線（見圖8），覆膠后其破斷伸長(zhǎng)率下降不明顯，可以保持較強(qiáng)的吸收沖擊能的能力，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)全滲膠（見圖9）。

圖8 鋼絲簾線Crimp預(yù)變形前后破斷伸長(zhǎng)率對(duì)比

圖9 鋼絲簾線滲膠性能對(duì)比

3.2.2.4 其他新型結(jié)構(gòu)鋼絲簾線

輪胎帶束層復(fù)合體拉伸剛度較高是實(shí)現(xiàn)子午線輪胎良好接地印痕的基礎(chǔ)，同時(shí)帶束層復(fù)合體拉伸剛度與輪胎的轉(zhuǎn)向剛度正相關(guān)。205/65R15輪胎有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)，帶束層復(fù)合體拉伸剛度提升10%，輪胎轉(zhuǎn)向剛度可以提升5.9%。良好的接地印痕可以減少輪胎偏磨現(xiàn)象，延長(zhǎng)輪胎使用壽命；轉(zhuǎn)向剛度提升可以改善輪胎操縱性能，進(jìn)而讓駕駛更安全。

有限元仿真分析還發(fā)現(xiàn)，帶束層復(fù)合體中鋼絲簾線的體積與帶束層的總體積比率（等效于橫截面積比率）與帶束層復(fù)合體的拉伸剛度正相關(guān)，該結(jié)論也得到了實(shí)驗(yàn)室及輪胎試驗(yàn)的證實(shí)。根據(jù)這一理論，貝卡爾特公司開發(fā)了用于半鋼（轎車）子午線輪胎的4×0.21UT OC鋼絲簾線和用于載重子午線輪胎的6×0.335UT OC鋼絲簾線。4×0.21UT OC應(yīng)用于205/55R16輪胎中的室外試驗(yàn)結(jié)果表明，該新型鋼絲簾線顯著改善了輪胎的操縱性能[6]。

3.2.3 鋼絲簾線鍍層的發(fā)展

鋼絲簾線與膠料之間的粘合力是實(shí)現(xiàn)鋼絲簾線輪胎骨架材料功能的基礎(chǔ)。自1946年子午線輪胎發(fā)明以來，輪胎用鋼絲簾線一直都采用黃銅鍍層（銅＋鋅），黃銅鍍層中的銅與膠料中的硫發(fā)生反應(yīng)生成CuxS，CuxS使鋼絲簾線與膠料之間形成良好的粘合力。

我國(guó)子午線輪胎發(fā)展初期，黃銅鍍層的銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.675。2000年左右，為提高鋼絲簾線與膠料的初始粘合力及其粘合力保持率，特別是改善濕熱環(huán)境下的粘合力，黃銅鍍層中的銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小至0.635，同時(shí)使用含鈷鹽粘合膠料體系。然而，鈷作為一種金屬催化劑，對(duì)膠料來說是“有毒”的，導(dǎo)致了膠料物理性能不同程度地下降。此外，鈷是一種昂貴的戰(zhàn)略金屬，通過在整體膠料中加入大量鈷鹽，卻僅有小部分在黃銅表面起作用也不是經(jīng)濟(jì)的解決方案。

隨著我國(guó)子午線輪胎技術(shù)的發(fā)展，載重子午線輪胎首次壽命（里程）已經(jīng)從最初的10余萬km延長(zhǎng)到30多萬km，輪胎翻新率也不斷提高，輪胎對(duì)老化粘合力及膠料的老化性能提出了更高的要求。

貝卡爾特針對(duì)此需求開發(fā)了銅、鋅、鈷三相合金鍍層貝泰威?（TAWI?）鋼絲簾線。使用TAWI?三相合金鍍層鋼絲簾線與無鈷鹽膠料配合，可以進(jìn)一步改善濕熱條件下老化粘合力保持率，同時(shí)膠料的耐熱老化性能也得到改善[9-12]。

不同條件下的鋼絲簾線抽出力測(cè)試結(jié)果表明：以黃銅鍍層鋼絲簾線在含鈷鹽膠料中的粘合力為參考，TAWI?三相合金鍍層鋼絲簾線在無鈷鹽膠料中的初始粘合力為參考樣品的80%～105%，熱老化后粘合力為參考樣品的90%～130%，蒸汽老化后粘合力為參考樣品的130%～200%，濕熱老化后粘合力為參考樣品的120%～180%。

不同條件下TAWI?三相合金鍍層鋼絲簾線在無鈷鹽膠料中與黃銅鍍層鋼絲簾線在含鈷鹽膠料中的鋼絲簾線覆膠率對(duì)比如圖10所示。

圖10 TAWI?三相合金鍍層鋼絲簾線在無鈷鹽膠料中與黃銅鍍層鋼絲簾線在含鈷鹽膠料中的鋼絲簾線覆膠率對(duì)比

由圖10可見：初始和熱老化后兩種鋼絲簾線的覆膠率相近；蒸汽老化和濕熱老化后，TAWI?三相合金鍍層鋼絲簾線的覆膠率顯著提升。由此可見，TAWI?三相合金鍍層鋼絲簾線在無鈷鹽膠料中的濕熱老化和蒸汽老化性能更好。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)子午線輪胎用鋼絲簾線從最初引進(jìn)子午線輪胎生產(chǎn)技術(shù)時(shí)有限的幾個(gè)普通強(qiáng)度鋼絲簾線品種，發(fā)展到了今天以子午線輪胎市場(chǎng)需求為導(dǎo)向的系列化高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度和貝泰威?三相合金鍍層鋼絲簾線品種。

2019年，國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)度鋼絲簾線的市場(chǎng)應(yīng)用占比已經(jīng)超過25%，并保持高速增長(zhǎng)。同時(shí)，一系列特高強(qiáng)度鋼絲簾線結(jié)構(gòu)已嶄露頭角，蓄勢(shì)待發(fā)。預(yù)計(jì)“十四五”末，我國(guó)子午線輪胎用超高/特高強(qiáng)度鋼絲簾線市場(chǎng)占比將超過40%。

我國(guó)子午線輪胎用鋼絲簾線發(fā)展方向與歐美子午線輪胎領(lǐng)頭企業(yè)用鋼絲簾線發(fā)展方向相同，但又早已突破簡(jiǎn)單模仿應(yīng)用的局限，形成了獨(dú)具區(qū)域特色的系列化創(chuàng)新產(chǎn)品和技術(shù)，這些新產(chǎn)品和新技術(shù)必將繼續(xù)為我國(guó)輪胎行業(yè)創(chuàng)造巨大價(jià)值，提升我國(guó)輪胎工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。