周志嵩，徐方流，李玉峰，姚海東，呂 輝

（江蘇興達鋼簾線股份有限公司，江蘇 泰州 225721）

新能源汽車的高速發(fā)展對輪胎提出了新的要求，如高承載、低滾動阻力、大啟動力矩等。很多輪胎企業(yè)已經開發(fā)或正在開發(fā)高端的新能源汽車專用輪胎。對于輪胎骨架材料來說，這也是新的轉型方向和發(fā)展契機。鋼絲簾線發(fā)展經歷了普通強度（NT）、高強度（HT）、超高強度（ST）和特高強度（UT）產品幾個階段，并開始向極高強度（MT）產品拓展。胎圈鋼絲除了NT和HT產品外，也同樣提出了ST產品的需求，輪胎骨架材料的高強化已經成為越來越緊迫的發(fā)展趨勢。鋼絲強度提高是輪胎輕量化的方式之一，在輪胎提高承載性能、降低滾動阻力[1]的情況下，也可以為鋼絲簾線結構設計和應用提供新的思路。

NT和HT鋼絲簾線已經是應用非常普遍的產品，工藝也很成熟，在此基礎上，通過提高碳含量或者增大加工應變等方式，可以獲得ST鋼絲簾線。更進一步地提高碳含量和增大加工應變，通過多種強化方式組合應用，可以獲得UT鋼絲簾線。然而，一方面UT鋼絲簾線的生產效率低、工藝控制困難，大量推廣遇到瓶頸；另一方面行業(yè)中已經對MT鋼絲簾線提出了諸多設想。面對鋼絲簾線向越來越高的強度發(fā)展，本課題結合鋼絲簾線生產過程的強化方式，探討高強化鋼絲簾線的盤條合金化技術發(fā)展方向。

1 傳統(tǒng)鋼絲簾線強化方式分析

鋼絲簾線生產普遍應用的是非合金制絲用盤條，盤條碳質量分數為0.006 0～0.009 5。鋼絲簾線的單絲強化方式有界面強化、形變強化、析出強化和固溶強化等[2]。在實際生產過程中，單絲的最終抗拉強度（σ）取決于鋼絲的初始抗拉強度（σ0）、拉拔過程的加工硬化和總拉拔應變等因素，如圖1所示。單絲增大的抗拉強度可以用下式表示[3]：

圖1 共析鋼絲的抗拉強度

式中，?σ為拉拔變形后單絲提高的抗拉強度，?σ1為初始鋼絲提高的抗拉強度，?σ2為拉拔過程加工硬化后單絲提高的抗拉強度，?σ3為拉拔總應變增大時單絲提高的抗拉強度。

提高鋼絲簾線強度最常采用的方式為提高鋼絲初始抗拉強度和增大總拉拔應變，即提高?σ1和?σ3。實際上，在提高?σ1和?σ3的同時，也會影響?σ2，這是因為提高?σ1和?σ3都會導致鋼絲組織的片層減小，而根據Hall-Petch關系[4]及奧羅萬（Orowan）機制[5]，此時抗拉強度的增大是呈非線性的關系。

1.1 提高鋼絲碳含量

提高鋼絲初始抗拉強度，一種方式是提高鋼絲的碳含量，表1所示是青島特殊鋼鐵有限公司提供的60#，SWRH72A和C82DA盤條化學成分，圖2所示為3種盤條生產的直徑1.65 mm鍍銅鋼絲的掃描電子顯微鏡（SEM）照片。

圖2 不同盤條加工的直徑1.65 mm鍍銅鋼絲的SEM照片

表1 60#，SWRH72A和C82DA盤條各組分質量分數×102

60#，SWRH72A 和C82DA盤條加工的1.65 mm鍍銅鋼絲的抗拉強度分別為1 030（995～1 060），1 155（1 113～1 195）和1 258（1 223～1 298）MPa。

可見，隨著碳含量的增大，在常規(guī)生產工藝下的鍍銅鋼絲組織的片層細化，得到的鍍銅鋼絲的抗拉強度提高。60#和SWRH72A盤條的組織有存在先共析相鐵素體組織。當碳質量分數超過0.007 7后，將會有先共析相滲碳體組織產生，由于滲碳體的硬度很高且不易變形，在實際生產過程中通過急速冷卻形成偽共析組織，避免先共析滲碳體的產生。碳含量越大，急速冷卻需要的溫度降低幅度越大，但急速冷卻過快可能導致硬化組織的產生，因此采用更高碳含量的盤條生產鋼絲簾線，對熱處理的工藝要求很高，特別是碳質量分數大于0.009時，現有的淬火介質已經不能很好地滿足淬火要求。實際生產中發(fā)現，對于碳質量分數為0.009 2的熱處理鋼絲，甚至不浸入淬火液，而是在空氣中冷卻就能轉變成索氏體組織，此時的淬火介質不能發(fā)揮相應的作用。

1.2 細化組織片層

提高鋼絲初始抗拉強度的另一種方式是控制熱處理工藝以細化組織片層。圖3所示為采用不同工藝獲得的C82DA鍍銅鋼絲的SEM照片，檢測得到工藝A—D的鍍銅鋼絲組織平均片層間距分別為0.121，0.096，0.086和0.069 μm。

工藝A—D的鍍銅鋼絲的抗拉強度分別為1 203（1 188～1 223），1 255（1 233～1 285），1 290（1 255～1 315）和1 351（1 326～1 390）MPa?？梢?，組織的片層間距越小，鍍銅鋼絲的抗拉強度越高。然而，從圖3（d）可以看到，組織片層已經細碎。實際生產中發(fā)現，通過現有手段已經很難把組織的片層間距穩(wěn)定控制在0.060 μm以下。

圖3 不同工藝生產的直徑1.65 mm鍍銅鋼絲的SEM照片

1.3 提高總拉拔應變

提高總拉拔應變可以有效提高鋼絲強度。采用C92D2-E盤條可以相對容易獲得ST鋼絲簾線，如果采用C82DA盤條，為了獲得相同的抗拉強度，則需要提高濕拉總拉拔應變，圖4所示為9種規(guī)格盤條的濕拉總拉拔應變對比。

由圖4可見，C82DA盤條的濕拉總拉拔應變上升了0.13%～0.27%，這意味著濕拉道次拉拔應變不變的情況下，要再增加2—3個拉拔道次。對于UT和MT鋼絲來說，即使采用了更高碳含量的材料，仍然需要更大的總拉拔應變，才能夠達到相應的抗拉強度。然而就目前而言，當總拉拔應變超過一定的界限后，在對單絲進行扭轉測試時會發(fā)生分層現象，單絲的塑性降低，無法進行捻制工序生產。圖5所示為采用不同抗拉強度的直徑2.05 mm鍍銅鋼絲拉拔為不同直徑的單絲，再進行扭轉分層檢測時，單絲出現扭轉分層的曲線。鍍銅鋼絲抗拉強度越高，總拉拔應變越大，就越容易出現單絲分層現象。

圖4 不同規(guī)格盤條的濕拉總拉拔應變對比

圖5 鍍銅鋼絲抗拉強度和濕拉總拉拔應變對單絲扭轉分層的影響

2 合金元素鋼絲簾線強化方式探索

通過上述分析可以得出，傳統(tǒng)鋼絲簾線強化方式都已紛紛走到了階段性的工藝極限。為了進一步提高鋼絲簾線強度，合金元素強化是另一種方式，其中Mn和Si已經在現有盤條中應用，而Cr[6]，V[7]和B[8]也有相關的研究和應用。Cr元素合金化在鋼絲簾線中應用越來越多的被關注，表2所示為青島特殊鋼鐵有限公司提供的C82D2Cr，C82D2和C86D2盤條的化學成分，C82D2Cr在原有元素組成的基礎上增大了Cr元素的含量，減小了Mn元素的含量。

表2 C82D2Cr，C82D2和C86D2盤條各組分質量分數×102

把直徑5.50 mm的盤條拉拔至直徑1.94 mm，經過熱處理-電鍍得到直徑1.94 mm鍍銅鋼絲。圖6所示為3種鍍銅鋼絲的SEM照片。通過測量片層長度和片層數量計算得到片層間距，圖7所示為3種鍍銅鋼絲的片層間距，圖8所示為3種鍍銅鋼絲的抗拉強度和面縮率。

圖6 不同盤條加工的直徑1.94 mm鍍銅鋼絲的SEM照片

圖7 不同盤條加工的直徑1.94 mm鍍銅鋼絲的片層間距

圖8 不同盤條加工的直徑1.94 mm鍍銅鋼絲的抗拉強度和面縮率

由圖6—8可見，增大Cr元素含量使鋼絲組織片層間距減小，具有提高鋼絲強度和塑性的效果。相比C82D2和C86D2鍍銅鋼絲，C82D2Cr鍍銅鋼絲的抗拉強度和面縮率提高。

鍍銅鋼絲的抗拉強度提高即提高了?σ1，而面縮率提高可以使得在相同總拉拔應變的情況下，拉拔的單絲保持較好的塑性，減小捻制斷絲率。將直徑1.94 mm鍍銅鋼絲拉拔為直徑0.30 mm的單絲，圖9所示為3種鍍銅鋼絲在濕拉加工應變前后的抗拉強度對比。

由圖9可見，C82D2Cr鋼絲的加工硬化效果優(yōu)于C82D2鋼絲，與C86D2鋼絲有相同的水平。將直徑0.30 mm單絲捻股生產2×0.30UT鋼絲簾線，C82D2Cr，C82D2和C86D2鋼絲在捻股時的斷絲率指數分別為49，100和76?？梢姡珻82D2Cr鋼絲的捻股斷絲率低于其他兩種鋼絲。

圖9 拉拔應變與抗拉強度的關系

值得注意的是，Cr元素合金化在提高鍍銅鋼絲抗拉強度的同時也具有更高的面縮率，這為鋼絲進一步深度拉拔提供了可行性，即可以進一步提高?σ3，為更高強度的鋼絲簾線生產帶來新的工藝路徑。

需要指出的，盤條Cr元素合金化會延遲加熱爐中奧氏體化轉變完成時間，如果奧氏體化轉變不完全，碳化物未能完全溶解，殘余的碳化物將會以球狀形態(tài)存在組織中，使得抗拉強度下降和扭轉時出現分層現象[9]。因此，盤條Cr元素合金化需要更長的時間或更高溫度的熱處理過程，這也增加了工藝控制的難度和成本。

3 結論

（1）傳統(tǒng)的鋼絲簾線強化方式包括提高碳含量、細化組織片層、增大總拉拔應變，但目前已走到了階段性的工藝極限。

（2）相比C82D2和C86D2鍍銅鋼絲，C82D2Cr鍍銅鋼絲的抗拉強度和面縮率均提高。

（3）C82D2Cr鋼絲的加工硬化效果優(yōu)于C82D2鋼絲，與C86D2鋼絲有相同的水平。

（4）C82D2Cr鋼絲可以滿足2×0.30UT鋼絲簾線生產要求，具有較低的捻股斷絲率。

除了盤條合金化外，其他的鋼絲簾線強化方式也在不斷探索中，例如熱處理工藝、淬火介質、潤滑液、拉絲模具、拉拔方式等，通過技術工藝的不斷探索和進步，以提高鋼絲強化程度，生產更高強度的鋼絲簾線，滿足新能源汽車輪胎發(fā)展需求。