CN1096524C - 增强弹性体用的钢绳 - Google Patents

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Abstract

一种适合于增强弹性体的钢绳10，它含有珠光体组织的钢丝(12，14)。所述钢绳在断裂时的弹性和塑性伸长率为X%，而在硫化的弹性体中的塑性和弹性伸长率为Y%，X和Y值满足如下方程：Y-0.50≤X≤Y+0.50这就意味着，钢绳埋入弹性体后，其断裂时的总伸长率不会显著降低。

Description

增强弹性体用的钢绳
本发明涉及一种适用于增强弹性体例如橡胶轮胎的钢绳。
用钢绳增强弹性体是十分普遍的。增强的弹性体构成一种所谓的复合材料。钢绳提供所需的强度，而弹性体提供所要的弹性。在某些用途中，钢绳必须能够尽可能地与弹性体的伸长相一致，例如，辐射状轮胎的皮带外层即所谓的保护层中就是如此。在这类用途中，很希望钢绳具有高的伸长率。这种高的伸长率(也就是断裂时的伸长率为5～10％)在所谓的高伸长率钢绳中可以达到。这种高伸长率钢绳一般是多股钢绳(也就是说，它们含有多股钢丝，而每一股又含有多根钢丝)，而且这些钢丝又是高度绞合的(也就是说它们的绞距很小)，以便构成一种具有所需弹性势能值的弹性钢绳。这种钢绳的实例是3×7×0.22HE钢绳。
这些高伸长率钢绳虽然长期以来广泛地应用，但是还存在一些缺点。
第一，这种高伸长率钢绳的制造方法效率低、成本高，因为该钢绳是多股的，而且要求高度绞合(也就是说，小的绞距很难采用高效率的绞合工艺)；
第二，这种高伸长率钢绳不能被弹性体完全渗进，因为高度绞合的结果使钢丝间的任何可用空间都消失了。
第三，这种钢绳埋入弹性体后。将损失其大部分伸长率，一般而言，这种高伸长率钢绳在橡胶中硫化后，其断裂时的伸长率将从大约7.5％降低到2.5～4％左右。
本发明的一个目的是提供一种钢绳，这种钢绳在弹性体中进行硫化作用后也不会明显降低其总的伸长率。
本发明的另一个目的是提供一种具有高伸长率的钢绳，其伸长率与钢绳的结构特征完全无关。
本发明的再一个目的是提供一种具有高的伸长率并允许弹性体充分渗进的钢绳。
本发明还有一个目的是提供一种具有良好加工性能的钢绳。
按照本发明，提供了一种适于增强弹性体的钢绳，该钢绳由具有珠光体组织的绞合钢丝构成。该钢绳未埋入弹性体前断裂时的弹性和塑性伸长率与埋入弹性体中发生硫化作用后的弹性和塑性伸长率大致处于同一水平。
假设钢绳断裂时的弹性和塑性伸长率之和为X％，而在硫化的弹性体中的弹性和塑性伸长率之和为Y％，那么两个伸长率的值“大致为同一水平”，即
    Y-0.50≤X≤Y+0.50
例如，当未埋入的钢绳的弹性与塑性伸长率之和X为3.5％，那么，它在硫化的弹性体内的弹性与塑性伸长率之和Y值为3.00～4.00％。
X和Y值最好能满足如下方程：
    Y-0.35≤X≤Y+0.35
上面所述的术语“弹性和塑性延伸率”应理解为总的伸长率减去结构伸长率。该结构伸长率(如果有的话)是钢绳结构或预加工钢丝时产生的伸长率。这种结构伸长主要发生在拉力小于50牛顿，例如，拉力为20牛顿以下的情况下。
弹性伸长率遵循虎克定律(δ＝E×ε)，塑性伸长主要发生在钢绳的受拉力为断裂载荷的85～90％以上的情况下。
按照本发明的具体实施例，塑性伸长率可达4％左右的高水平，这就是钢绳经过特殊的消除应力处理后获得的，下面还要说明。上述的高的塑性伸长率并不是钢绳的结构特征(多股、SS绞合方向、小的绞距，……)带来的结果。因此，本发明可以获得一种高伸长率钢绳，其伸长率与钢绳结构的典型类型完全无关——至少在弹性部分和塑性部分是这样。所以，有可能选择一种克服了普通的高伸长率钢绳存在的缺点的高伸长率钢绳，也就是说，这种钢绳可让弹性体充分渗进，而且不需要复杂而昂贵的制造方法。
钢绳断裂时的总伸长度，也就是弹性、塑性和结构伸长率之和，最好不小于5％。
钢绳在整体上最好处于应力消除状态。这种消除应力处理是在钢绳绞合至其最终形状后进行的。
本发明的第一个优点是，制成的高伸长度钢绳在弹性体内仍保持其高的伸长率。
本发明的第二个优点是，钢绳的结构很稳定，也就是说，没有明显的残余扭矩，直线度好、几乎没有张开部分。这种钢绳在埋入弹性体内时没有明显的工艺问题，并且可以方便地用于高度自动化的轮胎制造过程。上述的良好结构稳定性是在钢绳未进行特殊的附加机械后处理的情况下获得的。
本发明与对单根钢丝进行消除应力处理的工艺有明显的不同。虽然经过单独进行消除应力处理的每根钢丝，也具有高的塑性伸长率。但是，将这种经过消除应力处理的钢丝绞合成最终的钢绳意味着每根钢丝都经受塑性弯曲，而且，根据具体的绞合方法的不同，每根钢丝都绕自身的轴线拧绞，这就不可避免地导致钢绳的塑性伸长率明显下降，并且在钢丝中产生内张力。
虽然本发明的钢绳的总伸长率与钢绳的具体结构类型无关，但是，最好采用开式的钢绳结构。“开式结构”一词指的是弹性体能够充分渗透钢绳内的那种结构，这就意味着弹性体可以包围钢绳中的每根钢丝。
可以用两种方法来获得钢绳的张开度。
第一种方法是形成一种成切线张开的结构，这种结构由不饱和的钢丝层组成，也就是说在单根钢丝之间存在着空间，所以弹性体材料可渗进到它们之间。上述的不饱和层可以通过合适地选择钢丝层中的钢丝数目和/或直径来构成。
获得钢绳张开度的第二种方法是形成一种径向地张开的结构，在这种结构中，组合的钢丝与其假想轴线的距离比其在闭合式紧密结构中更远，这种径向张开度可通过对钢丝进行适当的预加工来获得。
显然，径向张开度可以与切向张开度结合起来。例如，在一种3+9的结构中，3根芯部钢丝的合适预加工可使芯部形成径向开口度，而9根外层钢丝可构成一个围绕芯部钢丝的不饱和层。
钢绳的拉伸强度最好不低于2150Mpa。
钢绳在永久伸长率为0.2％时的屈服强度最好不低于钢绳拉伸强度的88％(例如，至少为90％或92％)。这种高的屈服强度是由于对已绞合的钢绳进行消除应力处理而不附加任何机械后处理的直接结果。
本发明钢绳的一个实施例是由两组钢丝组成：第一组含一根或多根钢丝，第二组含两根或多根钢丝。如果第一组合有两根钢丝，这两根钢丝可以绞合或不绞合。第二组的钢丝围绕第一组钢丝绞合而形成一层围绕第一组的不饱和层，这就意味着在第二组的两根或多根钢丝之间的层中存在着空间，弹性体可以穿透这一层进到第一组钢丝。
这种类型的钢绳结构可以含有下列几种非限定性的实施例：
——按美国专利No.A4408444制成的2+n钢绳，其第一组的两根钢丝不绞合，n＝2～4；
——1+m钢绳，第一组的1根钢丝起到芯的作用，第二组的m根钢丝构成一层，其中，m＝3～9；
——2+m钢绳，第一组的两根绞合钢丝作为芯部，第二组的m根钢丝构成一层，其中m＝3～9。
由于第二组钢丝是不饱和层，并且第一组钢丝数目不超过两根，所以，这种钢绳结构可让橡胶充分渗透。
本发明的钢绳除了具有高的塑性伸长率之外，还可具有较大的结构伸长率，例如，可通过一种适当的预加工或后加工使单根钢丝形成波纹状而获得高的结构伸长率。这样，就可制得一种可让橡胶充分渗进的高伸长率的1+n钢丝(其中n为2～5)。
下面参看附图更详细地说明本发明，附图中：
图1是本发明钢绳的第一实施例的横截面图；
图2是本发明钢绳的第二实施例的横截面图；
图3是本发明钢绳的第三实施例的横截面图；
图4是普通的高伸长率钢绳的伸长率曲线与本发明钢绳的伸长率曲线之比较；
图5是一种钢绳的总伸长率曲线。
下面说明本发明的最佳实施例。
图1示出本发明的2+2钢绳10的横截面。其中第一组含有两根非绞合钢丝12，而第二组含有两根钢丝14，该钢丝14既与第一组缠绕在一起又互相缠绕地围绕第一组而形成一个非饱和层，这种钢绳可以在一个单一的绞合工步中制成。
图2示出一种2+6的钢绳结构10的横截面，其第一组含有两根相互缠绕地绞合在一起的钢丝12，而第二组含有六根围绕第一组而绞合在一起的钢丝16。如图2所示，由第二组钢丝构成的层是非饱和的，故可以渗进橡胶。这种钢绳可以经两道工步而制成。
图3示出本发明钢绳10的另一个实施例的横截面。该钢绳10含有4根钢丝16，其中的一根或几根已经塑性变形而成为波纹单方面，所以，钢丝16之间已经形成空隙，即使对钢丝10施加拉力也如此。这种开式的钢绳可以在一个单一的工步中制成。单根钢丝的波形类型可以按一般的波形在很大范围内改变其振幅和波距，但是，波的距离最好显著地小于钢丝间距以便在各钢丝之间形成微隙。上述波形可以是平面的或空间的，典型的例子是将单根钢丝穿过两个带齿的轮子之间而得到的那种波形(例如美国专利No.A-5020312所公开的那一种)，另一个例子是螺旋波形(如欧洲专利No.AO462716所公开的那一种)。再一个例子是多边形波形(如国际专利No.A-95/16816所公开的那种)。
图4示出两条拉伸曲线18和20。横坐标是伸长率ε，以％表示，纵坐标是拉伸强度Rm，以MPa或N/mm2表示。曲线18是一种现有技术中具有结构伸长的高延伸率钢绳的拉伸曲线。可以看出，对于小的初始载荷便有较大的伸长率(其斜率比钢的弹性模量E小得多)，这种钢绳一旦埋入橡胶内，它在断裂时的总伸长率是有限的。
曲线20是本发明的具有塑性伸长的高伸长率钢绳的拉伸曲线。从图中可以看出，对于小的初始载荷具有较小的伸长率(斜率大致等于弹性模量)。这种钢绳如果不埋入橡胶内，它在断裂时的伸长率大于5％，而且，它在橡胶中硫化之后，仍然具有大的伸长率。
在示出拉伸曲线22的图5中，说明了结构伸长、弹性伸长和塑性伸长之间的差别。曲线22可分为三个主要区域。第一区24的特征是在较小的载荷(小于50牛顿)下有较大的初始伸长率，该初始延伸率由结构伸长(主要部分)和弹性伸长(很少部分)组成。第二区26的特征是呈一种线性关系，并组成一个纯弹性伸长部分。第三区28从曲线脱离线性关系的那一点开始，其特征是一种非线性饱和状曲线，该第三区只有塑性伸长部分。总的说来，结构伸长仅发生在第一区24内，弹性伸长既发生在第一区24又发生在第二区26，而塑性伸长率发生在第三区28内。但是，某些结构的钢绳并没有明显的结构伸长。
实例
按照本发明可以得到一种高伸长率的2×0.33+6×0.33钢绳，其绞合方向为S/S，其绞距为9mm/18mm，方法如下：
——对单根钢丝进行一次最后的中间韧化处理，随后镀上一层黄铜；
——然后，对带有黄铜涂层的钢丝进行湿拉拔，直到其最终在直径为0.33mm、拉伸强度Rm为2900MPa左右为止；
——通过一种双绞合装置采用现有技术已知的方法将经过湿拉拔的钢丝绞合成最终的2×0.33+6×0.33钢绳；
——对绞合成的钢绳(2×0.33+6×0.33)进行消除应力处理，例如，使钢绳通过一种长度与钢绳的速度相适应的高频或中频感应圈，并已发现，在规定的温度(300℃)下进行一定时间的热处理的确可拉伸强度降低约10％、而不会增加断裂时的塑性伸长率。但是，将温度稍稍提高到400℃以上，拉伸强度则进一步降低，与此同时，断裂时的塑性伸长率有所提高，采用这种方法，可使特定直径为0.33mm的钢丝的塑性伸长率增加到大于6％，而拉伸强度例如从2900MPa降低至2500MPa左右。
可对事有黄铜涂层的钢丝或钢绳进行浸酸处理(虽然不是绝对需要这样做)，以避免或去除在消除应力处理过程中在黄铜层上形成的氧化锌层。
表1综合列出本发明的2×0.33+6×0.33的钢绳的某些特性，并与普通3×7×0.22HE的钢绳的相应性能进行比较。
从表1可以得知，本发明的钢绳埋入橡胶后，其断裂时的总伸长率没有明显降低，这是由于对最终绞合后的钢绳进行了消除应力热处理的直接结果。这种处理的温度高于橡胶硫化温度，所以，硫化过程“不再能够”明显改变本发明钢绳的性能。
本发明钢绳的另一个优点是，它在湿态环境下疲劳强度没有明显降低，而普通的高延伸率钢绳的疲劳强度则降至小于50％。这是由于橡胶渗入的结果，而所述的橡胶渗入在本发明的钢绳中是完全的，但在现有技术的钢绳中是不完全的。
表1
性能和特征 2×0.33+6×0.33  3×7×0.22HE
绞合方向     SS     SS
绞距长度(mm)     9/18     4.5/8
线性密度(g/m)     5.30     6.95
光学直径(mm)     1.185     1.585
在50牛顿初始载荷下的部分载荷伸长率(％) 0.078 2.82
对未埋入胶内的钢绳进行拉伸试验：断裂载荷(牛顿)拉伸强度Rm(MPa)断裂时的总伸长率(％)伸长率为0.2％时的屈服强度(％Rm) 165224485.6491 182022806.0082*
对埋入橡胶内的钢绳进行拉伸试验：断裂载荷(牛顿)拉伸强度Rm(MPa)断裂时的总伸长率(％)伸长率为0.2％时的屈服强度(％Rm) 170525275.5190 192524123.2083*
弧形高度(mm)     6     14
非埋入钢绳的三点弯曲刚度N/mm2 1010
埋入钢绳的三点弯曲刚度N/mm2 1394
振动疲劳试验未埋入橡胶，干态(MPa)埋入橡胶，干态(MPa)埋入橡胶，湿态(MPa) 900900800 10001000450
*屈服强度在拉伸一伸长率曲线的弹性区部分测定，故已离开结构伸长部分
表2示出按照本发明做成的1+5钢绳与现有技术未进行特定消除应力处理的1+5钢绳的比较。
现有技术的1+5钢绳断裂时的总伸长率仅为3.25％，而且在钢绳埋入橡胶后，降至1.72％的低水平。与此相反，本发明的1+5钢绳的断裂伸长率高达6.69％，并且在钢绳埋入橡胶后仍保持高的水平。
本发明在试验中发现，用马氏体组织的钢丝代替珠光体组织的钢丝，断裂时总伸长率难以达到不低于5％，并且，即使未埋入橡胶的钢绳获得了高的断裂伸长率，在它埋入橡胶后也会因发生硫化作用而显著降低其伸长率。
表2
性能和特征   1×0.38+5×0.38经消除应力处理   1×0.38+5×0.38现有技术
绞合方向 S S
绞距长度(mm)     20     20
线性密度(g/m)     5.35     5.35
光学直径(mm) 1.16 1.16
初始载荷为50牛顿时的部分载荷伸长率(％) 0.070 0.061
对未埋入胶内的钢绳进行拉伸试验：断裂载荷(牛顿)拉伸强度Rm(MPa)断裂时的总伸长率(％)伸长率为0.2％时的屈服强度(％Rm) 170324976.6990 161823823.2584
对埋入橡胶内的钢绳进行拉伸试验：断裂载荷(牛顿)拉伸强度Rm(MPa)断裂时的总伸长率(％)伸长率为0.2％时的屈服强度(％Rm) 175525746.6790 179526451.7284
弧形高度(mm)     4     6
埋入钢绳的三点弯曲刚度N/mm2 1724
振动疲劳试验未埋入橡胶，干态(MPa)埋入橡胶，干态(MPa)埋入橡胶，湿态(MPa) 1000950850 950950950
本发明的钢绳除了具有上面所述的性能和特征以外，还具有如下的能增强橡胶之类弹性体的特征。
——钢丝直径为0.04～1.1mm，更具体地说为0.15～0.60mm，例如，0.20～0.45mm；
——钢丝的成分通常为：碳含量高于0.60％(例如至少为0.80％～1.1％)，锰含量0.20～0.90％，硅含量0.10～0.90％，硫和磷含量最好低于0.03％，在钢的成分中可以加入添加元素例如铬(0.2～0.4％)，硼、钴、镍、钒等；
——钢丝可以方便地镀上抗腐蚀涂层(例如锌)，或者镀上一种有利于与橡胶粘结的涂层例如黄铜或一种所谓的三元黄铜例如铜—锌—镍(例如64％-38.5％-0.5％)和铜—锌—钴(例如64％-35.7％-0.3％)，或者镀上一种无铜的粘结层例如锌—钴或锌—镍；也可以在普通的黄铜层上再加上一层镍、钴或铜的外镀层，可想而知，这些外镀层对于本发明是十分有利的，因为它们可防止黄铜中的锌迁移到表面并防止在消除应力热处理时形成氧化锌。对于含镍的外镀层，较合适的镍量为涂层总重量的1～4％，低于1％时，镍的效果不明显，高于4％时，起始的粘结性降低。
本发明适于制作所有通用的和可具有最终拉伸强度从2150MPa至大约3500MPa或更高的钢绳。但是，必须考虑到在消除应力热处理后拉伸强度会降低约10～15％，所以，若需获得例如最终拉伸强度为3500MPa时，单根钢丝就必须拉拔至其拉伸强度约为4000MPa，如果需要最终拉伸强度为2150MPa。则单根钢丝就必须拉拔至其拉伸强度为2400MPa左右。

Claims (12)

1.一种适用于增强弹性体的钢绳，该钢绳含有珠光体组织的钢丝，其特征在于所述的钢绳是一种经过应力消除热处理的钢绳，所述的钢绳在断裂时的弹性和塑性伸长率为X％，而在硫化的弹性体内的弹性和塑性伸长率为Y％，X和Y值满足如下方程：
Y-0.50≤X≤Y+0.50
2.根据权利要求1的钢绳，其特征在于，所述钢绳在断裂时的总伸长率至少为5％。
3.根据权利要求1或2的钢绳，其特征在于，上述的钢绳在整体上处于应力消除状态。
4.根据权利要求3的钢绳，其特征在于，上述钢绳的最终拉伸强度至少为2150MPa。
5.根据权利要求3或4的钢绳，其特征在于，上述钢绳在永久变形为0.2％时的屈服强度至少为钢绳拉伸强度的88％。
6.根据上述权利要求中任一项的钢绳，其特征在于，上述钢绳具有开式结构，可让弹性体的橡胶渗进。
7.根据权利要求6的钢绳，其特征在于，一根或多根钢丝组成第一组，另外的两根或多根钢丝组成第二组，该第二组钢丝围绕上述第一组钢丝进行绞合而形成一层围绕上述第一组钢丝的非饱和层。
8.根据权利要求7的钢绳，其特征在于，上述的第二组由3～9根钢丝组成。
9.根据权利要求7或8的钢绳，其特征在于，上述的第一组由1根或2根钢丝组成。
10.根据上述权利要求中任一项的钢绳，其特征在于，上述钢绳的结构伸长率至少为0.5％。
11.根据上述权利要求中任一项的钢绳，其特征在于，上述钢丝的直径为0.04～1.10mm。
12.根据上述权利要求中任一项的钢绳，其特征在于，上述的钢丝带有黄铜涂层，并且在黄铜涂层的外表面上又带有一层镍、钴或铜的外镀层。
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Denomination of invention: Steel cord adapted for reinforcement of elastomer

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