CN101818319A - 渗碳钢丝和其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及渗碳钢丝和其生产方法，公开了用于将低碳钢丝加工成具有改进的特性的用于车辆轮胎结构及其他应用的高碳钢丝的方法，所述改进的特性包括提高的钢丝强度、耐腐蚀性和橡胶粘合性。将低碳钢丝渗碳以提高碳含量，导致提高的强度和耐腐蚀性。按照本发明的其他方面，渗碳工艺可以在橡胶粘合试剂存在下进行，该试剂粘合到所述钢丝，在单一的加工步骤中获得改进的钢橡胶粘合性。

Description

渗碳钢丝和其生产方法

本申请是申请日为2005年10月27日、申请号为200510118512.9、发明名称为“渗碳钢丝和其生产方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及钢渗碳的方法，特别地涉及渗碳工艺中提高轮胎结构中所用低碳钢丝的碳含量、同时改善钢丝的耐腐蚀性和橡胶粘合性的方法。

背景技术

在车辆轮胎中引入钢带束层大大提高了强度、耐久性和性能。这类带束层通常由结构化的钢丝层组成，这些钢丝包埋在橡胶配混物中形成带束层。由于轮胎中存在高应力，因此对带束层中引入的钢丝的物理性能、包括钢丝的延展性、拉伸和冲击强度进行严格控制，以便生产为在轮胎中使用而进行优化的带束层。除了上面提到的钢丝的物理性能之外，用于轮胎中的钢丝的其他物理性能，包括耐腐蚀性和与相关橡胶配混物粘合的能力同样是重要的。粘合特性对于保证在带束层中钢丝不与相关橡胶分离是尤其重要的。

影响钢丝物理性能的一种钢的组分是所含的碳。通常，具有高含碳量的钢丝被用于制造轮胎的带束层。高碳钢具有高强度的有利性能，这使得它对于在轮胎应用中使用是优选的。“高碳钢”是指具有大约0.6％到1.5％碳含量的钢。钢丝的粘合性可以通过在钢丝中引入粘合性改进剂例如钴、铜或者黄铜而得到改进，然而，通过引入这些试剂来改进钢丝，一般涉及购买较昂贵的预先加工的钢丝，或者对钢丝实施附加的加工步骤。为了避免对钢丝进行附加的加工，轮胎制造商可以选择地将粘合性改进剂引入相关的橡胶，而非引入钢丝。这种方法虽然改进了钢对橡胶的粘合性，但是也导致了分散在橡胶中的粘合性改进剂的浪费，这些粘合性改进剂没有完全到达钢丝和橡胶的接触点。

虽然高碳钢对于在轮胎应用中使用是优选的，但是其与相当的低碳钢相比是较昂贵的。此外，用于轮胎工业中的钢丝通常通过将钢丝拉伸到其最终直径来生产。与低碳钢相比，高碳钢的钢丝通常相对难以被拉伸成适当尺寸的丝，这导致生产费用增加。此外，这种丝目前需要分开地加工，以便施加为了获得提高的耐腐蚀性和橡胶粘合性所必需的涂料或者其他试剂，由此增加了附加的加工步骤。为了满足轮胎的技术规范，轮胎制造商需要承担这些附加的费用；然而，为了生产高含碳量、耐腐蚀、能够粘合到橡胶上的钢丝，优选的是从廉价的低碳钢丝开始并在单一加工步骤中提高碳含量以及获得耐腐蚀性和提高的橡胶粘合性。这样，材料成本、加工时间和加工步骤数目能够被减少，而不牺牲按照现有方法加工的高碳钢丝的益处。

本发明通过提出用于制造用于有用的应用的高碳钢丝的新方法和工艺而解决了这一问题，该方法通过将低碳钢丝渗碳以提高钢丝的碳含量，并且在相同的加工期间中，在用于提高耐腐蚀性和橡胶粘合性的适当试剂存在下将钢丝渗碳来进行。这样，借助于一种工艺，能够将廉价的低碳钢丝转化为有用的、高含碳量的、耐腐蚀的、能够粘合到橡胶上的钢丝，后者可用于各种应用。

发明内容

按照本发明的一个方面，在渗碳剂存在下将低碳钢渗碳，产生高碳钢丝。

按照本发明的另一个方面，使用固体渗碳剂将低碳钢丝渗碳，形成高碳钢。

按照本发明的又一个方面，使用液体渗碳剂将低碳钢丝渗碳，形成高碳钢。

按照本发明的另一个方面，使用气体渗碳剂将低碳钢丝渗碳，形成高碳钢。

按照本发明的另一个方面，在添加剂存在下将低碳钢丝渗碳，得到具有提高的耐腐蚀性的高碳钢丝。

按照本发明的另一个方面，在添加剂存在下将低碳钢丝渗碳，得到具有提高的橡胶粘合性的高碳钢丝。

按照本发明的另一个方面，在大约1200℃到1350℃的温度下将低碳钢丝渗碳。

按照本发明的另一个方面，将渗碳钢丝迅速地淬火和退火，以生产可用于制造车辆轮胎的钢丝。

在阅读和理解了以下详细说明之后，本领域技术人员能够更清楚本发明的其他益处和优点。

附图说明

在某些部分和部分的排列中，本发明可以采取一定的物理形式，在本说明书和作为说明书的一部分的附图中将对其优选实施方案进行详细描述和举例说明，其中：

图1描绘了用于渗碳的钢丝。

图2描绘了在本发明的渗碳工艺期间钢丝的横截面。

图3是按照本发明的方法渗碳的钢丝的微观结构图像。

图4是显示按照本发明方法渗碳的钢丝的微观结构的另一个图像。

图5是按照本发明方法渗碳的钢丝的又一个图像。

图6描绘了淬火介质中的渗碳钢丝。

图7A-7C显示了按照本发明中和特别是以下实施例1中教导的方法渗碳的钢丝的微观结构。图7A是渗碳轧制钢丝。图7B是渗碳轧制钢丝表面区域的微观结构。图7C是渗碳钢丝芯部的微观结构。

图8A和8B显示了按照本发明中和特别是以下实施例2中教导的方法渗碳的钢丝的微观结构。图8A是渗碳淬火和轧制钢丝。图8B是渗碳、淬火、退火和轧制钢丝的表面区域的微观结构。

具体实施方式

现在参考附图，其中所显示的仅仅是为了举例说明本发明优选实施方案的目的，而不是为了限制本发明的目的，图1描绘了按照本文描述的方法进行渗碳的一段钢丝10。在一个实施方案中，所示一段钢丝10是一段低碳钢丝。“低碳钢丝”是指具有低于大约0.25％的碳含量的钢丝。应当注意，按照本发明可以使用具有任何碳含量的钢丝10，包括，但不局限于，具有大约0.25％到0.5％的碳含量的钢丝。虽然与使用低碳钢丝相比，在这种较高碳含量的钢丝中借助于渗碳所获得的碳含量增加可能相应地较低，但是按照本文中教导的方法，在抗腐蚀剂22或者橡胶粘合剂23存在下进行渗碳方法，可以在这种钢丝中产生其他益处。

钢丝10可以具有大约0.2毫米到大约2.0毫米的直径(d)，虽然根据正确的工程评价可以选择任何直径的钢丝。相对小直径(d)的钢丝10允许对钢丝10进行迅速的加热和冷却，这提高了渗碳工艺可以进行的速度。钢丝10可以是通过模头拉制钢材料、以减小钢材料的直径的产品。然而，钢丝10可以通过根据正确的工程评价选择的任何手段来制造。虽然本发明主张对钢丝进行加工，但是应当注意，本发明可以在其他形式的薄钢材料上实施，包括，非限制地，具有大约0.2毫米到大约2.0毫米厚度的钢板。

继续参考图1，钢丝10可以被放入容器15中。容器15可以被构造成包含渗碳剂20或者含渗碳剂20的载体介质(未显示)。在一个实施方案中，载体介质可以与渗碳剂20相同。容器15的尺寸和材料可以根据正确的工程评价进行选择，并且可以由适于承受与渗碳工艺有关的温度的材料制造(以下进行讨论)。

考虑了钢丝10可以比容器15更长。在这种情况下，容器可以具有进口和出口(未显示)，借此钢丝10能够通过进口进入容器15，并且在加工之后，通过出口从容器中出来。钢丝10可以在位于进口附近的卷轴上提供。卷轴可以旋转，使得钢丝10实质上连续地从卷轴喂送，通过进口，进入容器15，在容器15中进行渗碳加工，然后通过出口从容器15中出来。可以在出口附近提供第二个卷轴，用于接收加工的钢丝10。根据正确的工程评价，可以选择任何手段用于将钢丝10进料通过容器15。钢丝10通过容器15的进料速度应该被充分地控制，以使得渗碳工艺按照本发明进行。正如以下讨论的，钢丝10可以在渗碳工艺之后、但是在被接收到第二个卷轴上之前被淬火。

在图1描绘的实施方案中，渗碳剂20可以是液体渗碳剂。然而，应该理解，本发明的渗碳方法可以使用液体渗碳剂、固体渗碳剂或者气体渗碳剂来进行。液体渗碳剂的实例包括石油基油类、盐浴和合成混合物，其在本领域中是众所周知的。固体渗碳剂的实例包括炭黑和粉状石墨。气体渗碳剂的实例包括甲烷、丙烷、乙烯、乙炔和一氧化碳。按照本文公开的方法，可以使用其他固体、液体和气体渗碳剂，这些渗碳剂在本领域中是已知的并且可以根据正确的工程评价进行选择。另外，如上所述，渗碳剂20可以包含在载体介质(未显示)中，载体介质可以是固体、液体或者气体载体介质。

在图1描绘的一个实施方案中，渗碳剂20是液体渗碳剂。至少一部分钢丝10可以被浸于渗碳剂20中。在一个实施方案中，钢丝10可以全部浸没在渗碳剂20中。钢丝10可以借助于通过正确的工程评价选择的任何手段在容器15内保持与渗碳剂20接触。

容器15可以包含除渗碳剂20之外的其他试剂。例如，容器15可以包含多于一种的渗碳剂21。此外，容器15可以包含抗腐蚀试剂22。“抗腐蚀试剂”是指在本领域中已知的用于提高钢丝耐腐蚀性的材料。这类材料可以包括，但是不局限于，包含铬、镍、钒或者钛的材料。抗腐蚀试剂22可以选自能够粘合到钢丝10的表面的材料，或者选自能够扩散进入钢丝10的材料。抗腐蚀试剂22可以与载体介质混合，该载体介质与渗碳剂20的载体介质(如果有)相同，或者是不同的载体介质。

应当注意，钢丝10的提高的耐腐蚀性可以由所述渗碳工艺产生，而不需要加入独立的抗腐蚀剂22。本发明的渗碳工艺可以导致来自渗碳剂20的碳扩散到钢丝10的芯中(示于图2)。这种浸入钢丝10的碳可以导致形成碳密集的渗碳体的层(在图3-5中描绘为37)，该层起始于钢丝10的表面，并且向钢丝10的中心延伸。由渗碳工艺产生的渗碳体层37可以提高钢丝10的强度。甚至在不存在其他的抗腐蚀试剂22的情况下，渗碳体层37也能为钢丝10提供提高的耐腐蚀性。因此，在没有其他抗腐蚀试剂22的情况下，可以预见到按照本发明加工的钢丝10具有提高的耐腐蚀性，但是通过在如上所述的其他抗腐蚀试剂22存在下将钢丝10渗碳可以进一步提高耐腐蚀性。

容器15还可以包含橡胶粘合试剂23。“橡胶粘合试剂”是指在本领域中已知的、用于提高橡胶和基于橡胶的配混物对钢丝的粘合性的材料。这类橡胶粘合试剂23可以包括，但是不局限于，包含钴和铜的材料；然而，可以使用根据正确的工程评价选择的任何这类试剂。橡胶粘合试剂23可以选自能够粘合到钢丝10的表面的材料，或者选自能够扩散进入钢丝10的材料。橡胶粘合试剂23可以与载体介质混合，该载体介质与渗碳剂20的载体介质(如果有)相同，或者是不同的载体介质。

虽然图1显示了包含渗碳剂20、抗腐蚀试剂22和橡胶粘合试剂23的容器15，但是应当注意，本发明可以仅仅使用渗碳剂20进行实施，或者使用渗碳剂20与抗腐蚀试剂22和橡胶粘合试剂23的一种或者两者的混合物来实施。

继续参考图1，其中提供了加热设备25，该加热设备25与钢丝10结合起来进行操作，用于加热钢丝10。加热设备25可以是感应加热设备或者电阻加热设备，虽然根据正确的工程评价可以选择任何其他用于将钢丝10加热到允许进行渗碳的温度的设备。按照以上所述，加热设备25可以是电加热设备，其中将电导入和通过钢丝10，以作为加热钢丝10的手段。在这样一个实施方案中，可以提供一个或多个电极27，28，它们被连接到钢丝10的不同端。电极27、28可以被连接到用于产生通过钢丝10的电流的电源。加热设备25也可以是烘箱或者炉子，其可以被放在容器15内，或者可以被放在容器15外。通过正确的工程评价，可以选择能够将钢丝10加热到适合温度的任何加热设备25。

在一个实施方案中，加热设备25能够将钢丝10加热到超过大约950℃的温度。在另一个实施方案中，加热设备能够将钢丝10加热到大约1200℃到1350℃的温度。

继续参考图1，在包含渗碳剂20的容器15中的钢丝10可以借助于加热设备25被加热到大约1200℃到1350℃的温度。如上所述，容器15还可以包含一种或多种抗腐蚀试剂22和橡胶粘合试剂23。抗腐蚀试剂22或者橡胶粘合试剂23可以在钢丝10被加热时加入容器15。可选择地，抗腐蚀试剂22或者橡胶粘合试剂23可以在钢丝10被加热之前加入容器15。用这种方法可以提供用于改进钢丝10的单一的加工步骤，其中钢丝10的耐腐蚀性或者橡胶粘合性或者两者在渗碳期间使用的相同的加热步骤中得到改进。

如图2-5所示，在渗碳剂20存在下加热钢丝10可以导致钢丝10的渗碳，因为渗碳剂20的碳扩散通过钢丝10的表面并且进入钢丝10的芯部。渗碳导致钢丝10碳含量的提高，这进而可以导致低碳钢丝转化为高碳钢丝。在渗碳工艺期间达到的较高的温度(大约1200℃-1350℃)可以导致提高的碳从渗碳剂扩散到钢丝10中的速度，这样可以导致较短的从低碳含量到高碳含量的加工时间。图3-5显示了渗碳工艺之后的钢丝10的横截面。渗碳体层37是由于碳扩散进入钢丝所导致的提高的碳含量的结果。如上所述，甚至在不存在其他抗腐蚀试剂22的情况下，渗碳体层37也能够为钢丝10提供耐腐蚀性。渗碳体层37还提高钢丝10的强度，较深的渗碳体层37与提高的强度相关。钢丝10的渗碳可以允许进行到存在足够的渗碳体层37，以为钢丝10提供要求的强度。

当渗碳工艺在包含抗腐蚀试剂22的容器15中进行时，抗腐蚀试剂22或其元素可以附着到钢丝10的表面或者扩散进入钢丝10中或者两者，由此在钢丝中导致改进的耐腐蚀性(未显示)。按类似方式，当渗碳工艺在包含橡胶粘合试剂23的容器15中进行时，橡胶粘合试剂23或其元素可以附着到钢丝10的表面或者扩散进入钢丝10中或者两者，由此在钢丝10和橡胶配混物之间产生提高的粘合性，这样可以用于轮胎的钢带束层。应当注意，可以将足够量的渗碳剂20、抗腐蚀试剂22和橡胶粘合试剂23加入容器15，以保证这些元素被足够地吸收，以充分地改进钢丝10，使其具有所需水平的强度、耐腐蚀性和橡胶粘合性。

如图6所示，当钢丝10的相关性能，即其碳含量、耐腐蚀性和橡胶粘合性被适当地提高时，可以在淬火介质35中将钢丝10淬火。淬火介质35可以是任何淬火介质，其可以根据正确的工程评价进行选择并且可以包括油淬火介质或者水。这类介质35用于工业应用在本领域中是众所周知的。淬火介质35的一个目的是将钢丝10迅速地冷却到大约低于200℃的温度，并且在渗碳工艺之后使钢丝10的晶粒结构得到保留。

钢丝10的渗碳工艺可以导致具有提高的碳含量的钢丝10。钢丝10的碳含量可以提高到高碳钢丝的水平(如上面定义的)。在一个实施方案中，钢丝10的碳含量可以从大约低于0.25％提高到大约1.3％。作为本文教导的方法的结果，钢丝10的碳含量可以提高到高达大约4.3％。此外，借助于在钢丝10的表面上或者在钢丝23内引入抗腐蚀试剂22或者渗碳体层37和橡胶粘合性试剂23，钢丝10可以得到改进而具有提高的耐腐蚀性和橡胶粘合性。

虽然渗碳钢丝10的渗碳体层(在图3-5中显示为37)可以引起钢丝10具有提高的强度，钢丝10中的渗碳体层37也可能使钢丝10具有提高的脆性。因此，渗碳钢丝10可以经历附加的回火工艺，其中钢丝10被回火或者退火，以降低由于渗碳工艺而产生的脆性。回火工艺可以包括连续地将钢丝10加热和然后冷却，其中钢丝10被加热到大约200℃到400℃的温度，然后冷却到低于大约200℃的温度。加热和冷却的回火周期可以重复进行。在一个实施方案中，回火工艺可以重复最多三次。附加的加工步骤，包括借助于拉伸进一步降低钢丝10的直径，可以在按照本发明生产的高碳钢丝上进行。

虽然已经就至少一个实施方案展示和描述了本发明，但是显而易见的是，本领域技术人员在阅读和理解了本说明书和附图之后可以想到相当的变化和修正。此外，虽然以上可能就几个举例说明的实施方案中的仅仅一个描述了本发明的特定特征，但是这些特征可以与另一个实施方案的一个或多个其他特征相结合，正如对于任何给定的特定应用而言可能是要求的和有利的。

参考以下按照本发明生产高碳钢丝的说明性的实施例，可以更完全地理解本发明的各个方面。虽然以下实施例具有特定的可以用于这种方法以制造高碳钢丝的步骤、材料和设备，但是本领域技术人员将理解可以进行许多修正和替代。因此，所有这种修正、变化、替代和添加被认为属于所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。

实施例1-液体渗碳。

借助于电阻加热，通过在机油中加热钢丝进行渗碳实验。将6″长的具有0.2％碳和2mm直径的低碳钢丝夹持在两个电极之间，并且浸没在12″x4″x4″的不锈钢容器中。钢丝的加热使用直流和交流两者来进行。在于油中将钢丝加热和冷却之后，将其从所述容器中取出，并且清除所述油。将渗碳样品安装在导电的环氧树脂固定架中，抛光，并且进行Nital蚀刻，以便显示加工的钢丝的微观结构。在Leica光学显微镜和Jeol扫描电子显微镜中研究加工的钢丝的微观结构。图3和4显示了所获得的由珠光体和主要的渗碳体组成的微观结构。该微观结构对于接近4.3％碳的共晶组成的碳含量而言是典型的。其提供了渗碳体的高强度特性和珠光体的延展性的独特的组合。另外，在表面处沉积的特殊的残余物提供了改进的钢橡胶粘合性。

实施例2-固体渗碳。

在具有盖子的陶瓷铸勺中，用炭黑将4″的具有0.2％碳组成和0.2到1.5毫米直径的钢丝包装。将它们在管式炉内在950℃到1350℃的温度下加热5到30分钟。将加工的样品净化，并且与上面实施例1中讨论的一样制备金相样品。对获得的微观结构进行表征显示出在钢丝的表面区域存在渗碳体层，这对于具有约1.3％碳含量的先共晶钢是典型的。这种渗碳体层提高了钢的耐腐蚀性。将获得的钢丝在钢丝轧机中进行轧制，以评价钢丝的加工性能。达到了最高2的真实应变，而不发生丝的断裂。图7A显示了在最初钢丝直径(非轧制)和具有降低的直径的部分(轧制部分)之间的轧制钢丝的过渡部分。图7B和7C分别显示了表面层和钢丝芯部的微观结构。将某些渗碳丝用水淬火，然后在600℃下退火30到120分钟。淬火状态的钢丝是脆性的，并且在钢丝轧制期间出现裂纹(图8A和8B)。退火导致钢丝延展性提高，允许轧制而不出现裂纹。所获得的回火钢丝(即淬火和退火钢丝)的微观结构显示在表面层中具有典型的球状珠光体组织。在钢丝芯中，微观结构主要地保持为铁素体，具有对于低碳钢而言典型的某些珠光体集群。

Claims (2)

1.具有提高的橡胶粘合性的钢丝，其特征在于具有：

至少一种第一渗碳剂，

至少一种第一橡胶粘合试剂，

渗碳体层，其中所述渗碳体层位于钢丝中，和

高于0.6％的碳水平。

2.权利要求1的钢丝，其特征在于所述碳水平高于1.0％。

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