CN101443470B - 轻量且延展性优良的胎圈钢丝，用于生产胎圈钢丝的方法和轻量轮胎 - Google Patents

轻量且延展性优良的胎圈钢丝，用于生产胎圈钢丝的方法和轻量轮胎 Download PDF

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Abstract

公开具有下列化学组成的胎圈钢丝：Mn：5至35原子％；和Al：5至20原子％，其余为Fe和不可避免的杂质，并具有奥氏体单相组织作为钢组织。在该胎圈钢丝中，可实现重量减轻和拉伸性改进而不降低强度。

Description

轻量且延展性优良的胎圈钢丝，用于生产胎圈钢丝的方法和轻量轮胎
技术领域
本发明意欲达到胎圈钢丝的重量减轻和高延展性。
另外，通过使用上述胎圈钢丝，本发明达到轮胎的重量减轻。
背景技术
近来，从全球环境保护的观点，需要改进机动车的燃料消耗。因此，机动车车体的重量减轻正活跃地进行。
同时，需要减轻用于机动车的轮胎的重量。关于机动车轮胎的重量减轻考虑很多方法，且有效方法之一是减轻用在轮胎中的胎圈芯的重量。
用于客车的普通轮胎的总重是12kg左右，且在轮胎中设置的两个胎圈芯的总重是1kg左右。另外，胎圈芯通常包含由钢丝制得的胎圈钢丝和覆盖其表面的橡胶构件。
为了减轻胎圈芯的重量，考虑增强作为胎圈芯材料的胎圈钢丝的张力。为了增强胎圈钢丝的张力，需要通过拉伸方法使胎圈钢丝变细，但是在此拉伸的情况下，胎圈钢丝的延展性劣化。
因此，当通过使用此细胎圈钢丝制造的胎圈芯安装在轮辋上时，因为不预期有足够的延展性，所以有胎圈钢丝部分断裂的担心。
另外，作为胎圈钢丝的特性要求高刚性。仅从刚性的观点，增大钢丝直径是足够的，但是不能获得足够高的强度。
发明内容
本发明要解决的问题
根据上述事实开发本发明，本发明通过新合金设计提供能获得重量减轻和高延展性而不降低强度的胎圈钢丝。
而且，本发明通过使用上述胎圈钢丝提供获得重量减轻的轮胎。
解决问题的手段
本发明人已尝试关于胎圈钢丝的新合金设计以达到上述目的，且已发现通过使用FeMnAl类组成和使其钢组织成为奥氏体单相组织来有利地达到所希望的目的。
如下更详细地说明。
(a)通过包括相对大量的Mn和Al作为胎圈钢丝的组成，可减轻胎圈钢丝的重量。
(b)通过在上述FeMnAl类组成中使钢组织成为奥氏体单相组织，可获得高延展性和高强度。
(c)通过在钢中析出微细碳化物，位错(dislocation)的运动变平稳，因此延展性进一步得到改进。
(d)通过进一步包括Cr，可有利地改进耐腐蚀性。
本发明基于上述认识。
即，本发明的概要如下。
(1)具有以下组成的轻量且延展性优良的胎圈钢丝：
Mn：5至35原子％和
Al：5至20原子％，
其余为Fe和不可避免的杂质，其中钢组织是奥氏体单相组织。
(2)具有以下组成的轻量且延展性优良的胎圈钢丝：
C：0.1至1.5原子％，
Mn：5至35原子％和
Al：5至20原子％，
其余为Fe和不可避免的杂质，其中钢组织是奥氏体单相组织且在该奥氏体单相组织中包括微细碳化物。
(3)根据以上(1)或(2)的轻量且延展性优良的胎圈钢丝，其中该组成进一步包含Cr：1至7原子％作为添加组分。
(4)用于生产轻量且延展性优良的胎圈钢丝的方法，其包含压延具有如上述(1)至(3)任一项所述的组成的钢锭以形成线材，冷却该线材，加热至温度900至1100℃，淬火以使钢组织成为奥氏体单相组织，拉伸且随后进行发蓝处理。
(5)包含如上述(1)至(3)任一项所述的胎圈钢丝的轻量轮胎。
发明效果
根据本发明，与常规钢丝的比重相比，通过使用FeMnAl类组成能够减轻钢丝的比重，所以可达到胎圈钢丝和由此的轮胎的重量减轻。
另外，根据本发明，通过使钢组织成为奥氏体单相组织，能同时获得高强度和高延展性。通过在钢中析出微细碳化物，进一步地改进该效果。
此外，根据本发明的胎圈钢丝是高强度和高延展性的，所以即使使直径大于常规直径，除了所需强度外，也可保证足以安装在轮辋上的延展性，因此，可达到胎圈芯绕数的减少，因此达到生产率的改进。而且，通过增大直径达到刚性的改进。
另外，当微细碳化物在钢中析出时，因为这些碳化物具有磁性，可在胎圈钢丝的形成步骤中使用磁力进行操作，其导致加工性和生产率的改进。
具体实施方式
本发明将在下文详细说明。
首先，将说明本发明中胎圈钢丝的组分组成限于上述范围的理由。
Mn：5至35原子％
本发明中，Mn是与Al成分组合以在高于900℃的高温下获得奥氏体(γ)相的必要元素。当Mn含量小于5原子％时，形成不同于奥氏体的相且难以保证足够的伸长率(elongation)，而当它超过35原子％时，在高于900℃的高温下不能获得奥氏体(γ)相，而且钢不利地变脆。因此，在5至35原子％的范围内包括Mn。更优选地，Mn在10至25原子％的范围。
另外，Mn具有重量减轻的效果，这是因为其比重小于Fe的比重。
Al：5至20原子％
Al是为了减少钢丝比重以减轻重量而包括的主要元素。当Al含量低于5原子％时，不能获得足够的重量减轻效果，而当Al含量超过20原子％时，在高于900℃的高温下不能获得奥氏体(γ)相，而且还带来伸长率的减小。因此，在5至20原子％的范围内包括Al。更优选地，Al在8至18原子％的范围。
C：0.1至1.5原子％
C是可用于通过在钢中析出纳米级的微细碳化物且同时平稳化位错的运动以改进延展性来达到补强效果的元素。然而，当C含量小于0.1原子％时，添加效果差，而当它超过1.5原子％时，钢过于硬化且延展性相当地劣化。因此，在0.1至1.5原子％的范围内包括C。更优选地，C在0.3至1.3原子％的范围。
Cr：1至7原子％
Cr的加入不仅有效地改进了耐腐蚀性，其减少轮胎的生产步骤，且能有效地控制胎圈钢丝和橡胶之间的分离。
然而，当Cr含量低于1原子％时，作为添加效果的耐腐蚀性差，而当它超过7原子％时，加工性劣化。因此，在1至7原子％的范围内包括Cr。更优选地，Cr在2至5原子％的范围。
根据本发明，尽管上文对于基本组分和选择性组分进行解释，但是仅仅通过控制胎圈钢丝的组分组成至上述范围并不令人满意，重要的是使组织成为奥氏体单相组织。
即，在根据本发明的FeMnAl类合金钢中，通过经由如下所述的加热-淬火处理形成奥氏体单相组织，能一并获得高强度和高延展性。
尽管原因没有充分解释，但是对于高延展性，认为位错的运动变平稳是因为通过形成FFC结构使位错容易地移动，且通过纳米尺寸的碳化物的分散抑制位错运动中的缠结，对于高强度，认为是通过纳米尺寸的碳化物的分散的补强效果。
另外，本发明中奥氏体单相组织是指基本上超过99％的组织是奥氏体组织。
另外，当在钢中包括适合量的C时，通过以上加热-淬火处理，以纳米级别细微地析出FeAlC类碳化物。这些微细碳化物具有平稳化位错运动的效果且非常有效地有助于改进延展性。
接着，将说明用于生产根据本发明的胎圈钢丝的优选方法。
本发明中，除了用于使钢组织成为奥氏体单相组织的加热-淬火处理之外的步骤可根据通常方式进行且不特别限定。
将调整至上述优选组分组成的钢锭压延以形成具有约4.0至7.0mmΦ直径的线材。
然后，将该线材进行加热-淬火处理以使钢组织成为奥氏体单相组织，其在本发明中特别重要。
首先，将如上所述获得的线材加热至900至1100℃的温度。当加热温度低于900℃时，线材不可能总是达到奥氏体温度区，且合金化元素或化合物在奥氏体中又是不完全固溶的，因此通过随后的淬火处理不能形成奥氏体单相组织。而当它超过1100℃时，在晶体部分形成微孔，且以这些孔作为起源，形成大尺寸析出物(碳化物等)，从而带来加工性的显著劣化。因此，加热温度限制至900至1100℃的范围。
而且，淬火处理不特别限制，但是优选水冷、油淬火、在盐浴中冷却、喷雾冷却、流化床处理等。
特别地，从冷却能力、环境和加工性的观点，水冷最为优选。
在以上加热-淬火处理后，通过约10行程的拉伸加工将线材精整成具有约2.0至1.0mmΦ直径的钢丝。
然后，在约400℃的温度将钢丝进行发蓝处理以形成胎圈钢丝。
因此，能获得具有高强度和优良延展性的胎圈钢丝。
为了将上述胎圈钢丝应用至轮胎，首先酸洗(pickle)胎圈钢丝以清洁其表面，随后将其进行CuSn或CuZn类镀覆。该镀覆方法可根据通常方式施行，且镀覆通常以约0.4至1.5g/mm2的涂布重量进行。
然后，当用橡胶涂布钢丝表面时，根据钢丝的直径将钢丝缠绕几次以形成胎圈芯，且将所得胎圈芯应用于轮胎。
在该胎圈芯的形成中，因为根据本发明的胎圈钢丝的强度和延展性优良，所以即使使直径大于常规直径，也能保证足以安装在轮辋上的延展性，因此可减少胎圈芯的绕数。
换言之，根据常规技术，应将钢丝细化至具有约0.9至2.0mmΦ的直径以获得所需强度。相反，因为本发明的铁合金的强度和延展性优良，所以即使当钢丝的直径是约1.5至3.5mmΦ时，也能获得与常规钢丝相比相同的强度和更优良的延展性。
在常规技术中，当钢丝的直径是1.26mmΦ时，通过12至25次缠绕形成钢丝圈(bead ring)。然而，根据本发明的胎圈钢丝中，即使在2mm直径下也能获得同样的强度，因此通过缠绕5至10次能形成具有同样体积的钢丝圈。
另外，当将本发明的胎圈钢丝拉伸至如常规钢丝中同样的水平时，能获得更高拉伸强度且还可预期胎圈芯部分的减轻。
实施例1
将具有如表1所示的不同组分组成的钢锭分别压延成具有5.5mmΦ的线材。然后，在1100℃下将线材进行加热处理5分钟并淬火，以使钢组织成为奥氏体单相组织。接着，将线材拉伸以形成1.26mmΦ的细丝，在460℃下将该细丝进行发蓝处理以形成胎圈钢丝。
检查对于由此获得的胎圈钢丝的拉伸强度、延展性和重量减轻度，以获得如表1所示的结果。
另外，每个特性的评价方法如下。
拉伸强度和延展性：
通过根据JIS G 3510的试验测量各个特性。
重量减轻度：
使用常规普通胎圈钢丝(组分组成C：3.3原子％、Mn：0.5原子％、其余：Fe、比重：7.87g/cm3)作为对照材料，且通过经由将在对照材料和待检胎圈钢丝之间的比重差除以普通胎圈钢丝的比重获得的百分比表示重量减轻度。
Figure G2007800174552D00081
如表1所示，根据本发明获得的所有胎圈钢丝达到4.8至17.4％的重量减轻。另外，确认获得足够拉伸强度和高延展性。
另外，酸洗表1中的13号胎圈钢丝且在用橡胶涂布其表面时用1.0g/mm2的涂布重量进行CuSn类镀覆，然后缠绕12次以形成应用于轮胎的胎圈钢丝。
关于因此获得的轮胎，用如上所述的同样方式检查作为整个轮胎的重量减轻度。
结果，常规轮胎的总重是11.80kg，而能将总重减少至11.67kg(重量减轻度：1.1％)。

Claims (6)

1.一种轻量且延展性优良的胎圈钢丝，其具有以下组成：
Mn：5至35原子％和
Al：5至20原子％，
且其余为Fe和不可避免的杂质，其中钢组织是奥氏体单相组织。
2.一种轻量且延展性优良的胎圈钢丝，其具有以下组成：
C：0.1至1.5原子％，
Mn：5至35原子％和
Al：5至20原子％，
且其余为Fe和不可避免的杂质，其中钢组织是奥氏体单相组织且在该奥氏体单相组织中包括微细碳化物。
3.一种轻量且延展性优良的胎圈钢丝，其具有以下组成：
Mn：5至35原子％，
Al：5至20原子％，和
Cr：1至7原子％，
且其余为Fe和不可避免的杂质，其中钢组织是奥氏体单相组织。
4.一种轻量且延展性优良的胎圈钢丝，其具有以下组成：
C：0.1至1.5原子％，
Mn：5至35原子％，
Al：5至20原子％，和
Cr：1至7原子％，
且其余为Fe和不可避免的杂质，其中钢组织是奥氏体单相组织且在该奥氏体单相组织中包括微细碳化物。
5.一种用于生产轻量且延展性优良的胎圈钢丝的方法，其包含压延具有根据权利要求1至4任一项所述的组成的钢锭以形成线材，冷却该线材，加热至温度900至1100℃，淬火以使钢组织成为奥氏体单相组织，拉伸且随后进行发蓝处理。
6.一种轻量轮胎，其包含根据权利要求1至4任一项所述的胎圈钢丝。
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