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        鋼絲增強液壓膠管鋼絲的銹蝕分析

        2022-07-20 01:04:18王寶星劉敬平羅奕文
        橡膠工業(yè) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域

        王寶星,劉敬平,羅奕文

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

        作為液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,膠管的生產(chǎn)工藝隨著環(huán)保和應(yīng)用要求的不斷提高而改進(jìn),其性能的主要影響因素包括環(huán)境溫度、液體壓力、彎曲半徑、爆破壓力和脈沖壽命等[1]。應(yīng)用于工程機械或汽車液壓系統(tǒng)的SAE(美國汽車工程師協(xié)會)系列鋼絲增強液壓膠管性能要求更是越來越高[2]。

        膠管外膠層常暴露在大氣環(huán)境中并與不同介質(zhì)接觸,且經(jīng)常因膠管被拖拽而受摩擦,因此需要具有優(yōu)良的耐臭氧、耐天候以及一定的耐油性和耐磨性能,目前膠管外膠層膠種多采用氯丁橡膠(CR),考慮價格因素,也常采用CR與氯化聚乙烯(CPE)、丁腈橡膠(NBR)、丁苯橡膠(SBR)等并用[3]。

        原材料品質(zhì)[4]、配方設(shè)計[5]和生產(chǎn)工藝控制[6-9]對保證膠管質(zhì)量非常關(guān)鍵。本工作對鋼絲增強液壓膠管進(jìn)行失效分析,并重點研究其鋼絲骨架材料在不同環(huán)境條件下的表面變化情況。

        1 實驗

        1.1 膠管樣品

        膠管樣品為低脈沖周期失效鋼絲增強液壓膠管,其所用鋼絲為0.295HT鋼絲(江陰貝卡爾特鋼絲制品有限公司產(chǎn)品)。

        1.2 試驗儀器

        Axiophot型光學(xué)顯微鏡(OM)、SUPRA40型場發(fā)射電子顯微鏡(SEM)和X射線能量色散光譜儀(EDX),德國ZEISS集團(tuán)產(chǎn)品;SZX7型體式顯微鏡,日本OLYMPUS集團(tuán)產(chǎn)品;vkx150型共聚焦顯微鏡,日本基恩士集團(tuán)產(chǎn)品;KTHA-010THS型恒溫恒濕箱,昆山慶生電子科技有限公司產(chǎn)品。

        1.3 測試分析

        從失效膠管中取出非爆口區(qū)域鋼絲,分別采用OM和SEM進(jìn)行表面觀察,用EDX進(jìn)行化學(xué)元素測試。膠管原料鋼絲試驗有4種組合條件,條件1:溫度 26 ℃,濕度 50%;條件2:溫度 32 ℃,濕度 50%;條件3:溫度 26 ℃,濕度 80%;條件4:溫度 32 ℃,濕度 80%[10]。鋼絲在濕熱老化箱中進(jìn)行老化,間隔一定時間取樣,在OM下觀察表面顏色變化和銹蝕情況。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 失效膠管分析

        圖1所示為膠管的失效區(qū)域形貌。由圖1可見,失效區(qū)域右向和左向均有大量斷口,斷口處鋼絲銹蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。為了避免膠管失效后鋼絲銹蝕對分析問題的判斷,故取遠(yuǎn)離失效區(qū)域鋼絲進(jìn)行后續(xù)觀察測試。

        在膠管遠(yuǎn)離失效爆口的橡膠包覆良好區(qū)域,去除橡膠后,也可以看到大量的鋼絲斷口,取出一定數(shù)量的鋼絲,用OM觀察,如圖2所示。圖2中可以看到鋼絲表面已經(jīng)產(chǎn)生一定的銹蝕。

        在共聚焦顯微鏡下可以更清楚地看到鋼絲表面的銹蝕形貌(見圖3)。在此成像系統(tǒng)中,采用激光點光源照射鋼絲,具有特征信息的光被點探測器收集,最后利用橫向和軸向掃描技術(shù)獲得整個鋼絲的三維彩色圖像。由圖3可以清楚看到,鋼絲銹蝕區(qū)域呈現(xiàn)凹坑形貌,顯示紅褐色(如箭頭所指)。

        隨機取到的2根斷口鋼絲的SEM照片,見圖4。由圖4可以更清楚地看到鋼絲表面銹蝕為點蝕,呈現(xiàn)銹蝕坑形貌(如箭頭所指)。分析認(rèn)為,膠管外膠層在硫化過程中會有一定量的氯化氫脫出[5,11],相關(guān)鋼絞線蝕坑演化規(guī)律研究[12]表明,在氯原子存在的條件下鋼絲產(chǎn)生的銹蝕坑向內(nèi)表面凹進(jìn),呈現(xiàn)橢球狀。另有研究[13]表明,在有水和氧的條件下,氯的存在可以顯著加速鋼絲表面的銹蝕速度。

        采用EDX對未失效區(qū)域鋼絲表面進(jìn)行元素分析,SEM圖像和EDX測試結(jié)果分別如圖5和表1所示。位置1為鋼絲表面平整、未發(fā)生銹蝕區(qū)域,位置2為發(fā)生銹蝕、形成坑洞區(qū)域。對比可以得出,銹蝕區(qū)域有大量的氧和鐵元素,銅鋅鍍層被破壞。

        表1 未失效區(qū)域鋼絲成分的EDX測試結(jié)果Tab.1 EDX test results of steel wire compositions in unfailed area

        2.2 不同溫度和濕度下原料鋼絲的變化

        未使用的膠管鋼絲在溫度為26和32 ℃、濕度為50%和80%的4個組合條件下[10],在濕熱老化箱中間隔一定時間取出以在OM下觀察表面顏色變化和銹蝕點產(chǎn)生時間。

        對鋼絲表面狀態(tài)給出3個定義,一是初始光亮狀態(tài),二是一段時間后變暗,三是開始產(chǎn)生銹蝕,如圖6所示。記錄在不同溫度和濕度下鋼絲開始變暗和發(fā)生銹蝕的時間,如表2所示。

        從表2可以看出:在條件1下42 h后鋼絲表面依然光亮,但是66 h后變暗,90 h后開始有銹蝕產(chǎn)生;對比條件1—4結(jié)果,濕度比溫度對鋼絲銹蝕的影響更大。

        表2 鋼絲的表面狀態(tài)變化時間Tab.2 Change time of steel wire surface states h

        因此在GB/T 11182—2017《橡膠軟管增強用鋼絲》[14-15]中對膠管鋼絲的包裝和儲存提出了更高的要求:在運輸過程中要有防雨和防潮措施,在包裝完好的情況下鋼絲的保質(zhì)期為6個月,開包裝前應(yīng)將包裝箱置于實際使用環(huán)境下至少12 h。

        此外,在膠管的生產(chǎn)過程中,鋼絲的儲存和使用條件更為關(guān)鍵,因為生產(chǎn)計劃或產(chǎn)能等原因,部分鋼絲會使用多個班次,或者編織后的膠管會停放較長時間再進(jìn)行包覆外膠以及硫化;夏季部分區(qū)域的溫度和濕度遠(yuǎn)超過本研究設(shè)計的試驗條件;車間采用高壓水沖洗地面以保持整潔,但這導(dǎo)致車間濕度過高,諸多上述原因?qū)е旅磕晗募灸z管失效問題頻發(fā)。

        3 結(jié)論

        分析了鋼絲增強液壓膠管的失效原因及其鋼絲的銹蝕現(xiàn)象。結(jié)果表明,溫度和濕度是導(dǎo)致膠管鋼絲銹蝕的重要因素,其中濕度的影響比溫度更大,膠料中氯元素的存在也加速了鋼絲銹蝕速度。因此,合理控制原料鋼絲的儲存和使用環(huán)境對保證鋼絲質(zhì)量非常重要,此外,膠料的膠種選擇和配方優(yōu)化、膠管的生產(chǎn)工藝調(diào)整等對提高膠管質(zhì)量有重要作用。

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