CN1107783A - 轮胎框架用不锈钢丝 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于制造轮胎帘布层的不锈钢丝，含 有至少0.02％，至多0.2％的碳，至少3％，至多20％ 的镍，至少12％，至多28％的铬，镍和铬的总和至少 等于20％，至多等于35％(％(重量))；此钢的结构 含有至少20％(体积)的马氏体，它不含有奥氏体或 含有80％(体积)以下的奥氏体。本发明还提供帘布 层含有此种钢丝的轮胎以及制造此钢丝的方法。

Description

轮胎框架用不锈钢丝

本发明涉及用金属丝增强的轮胎，更具体地，本发明涉及用不锈钢丝增强的轮胎。

专利申请FR-A-2,096,405叙述了一种轮胎，它包括位于帘布层与橡胶轮胎胎面之间的增强层，这一增强层的外表面在径向上用不锈钢金属绳增强。在此申请中对轮胎帘布层中使用不锈钢的问题没有作任何描述，该申请的目的是防止位于轮胎胎面处的钢绳腐蚀，这种腐蚀是由于水分通过因老化和在钉子通过所引起的橡胶裂纹和断口到达金属绳面造成的。

本申请人意外地发现：由于帘布层区水分所引起的疲劳和磨损现象，人们可以观察到在轮胎帘布层中的钢绳寿命缩短了，甚至橡胶没有断口和裂纹也是如此。造成金属绳性能变坏的水分，或许多来源于外部，通过如打气穿过橡胶而渗入到帘布层区，或者由于使用的橡胶含水量高或由于蒸煮轮胎内开始就已经有水。最后，这些水分也许是轧制钢绳时由橡胶四周的空气带进去的。

本发明的目的是克服这些缺陷或在很大程度上减弱其缺陷。

因此，本发明涉及一种轮胎帘布层用的钢丝，其特征在于以下几点：

a)其直径至少为0.05毫米，至多为0.5毫米；

b)其抗拉强度至少为2000兆帕；

c)钢丝的钢是不锈钢，它含有至少0.02％、至多0.2％的碳，至少3％、至多20％的镍，至少12％、至多28％的铬，镍和铬的总和至少为20％、至多为35％，所有这些百分数值都是重量百分数。

d)此钢的结构含有至少20％(体积)的马氏体，它不含有奥氏体或含有不超过80％(体积)的奥氏体。

本发明还涉及用于轮胎帘布层的组合件，这些组合件含有至少一种本发明的钢丝。

本发明还涉及含有本发明至少一种钢丝或组合件的轮胎帘布层。

本发明还涉及含有至少一种本发明帘布层的轮胎。

本发明还涉及一种本发明钢丝的制造方法，该方法的特征在于以下各点：

a)以直径至少为0.3毫米，至多为3毫米的不锈钢丝为原料，该钢丝的钢含有至少0.02％、至多0.2％的碳，至少3％、至多20％的镍，至少12％、至多28％的铬，镍和铬的总和至少为20％、至多为35％，所有百分数都是重量百分数，此钢的结构完全是奥氏体或实际上是奥氏体的；

b)不经热处理，进行至少一次冷拔丝处理，总冷拔丝率至少等于1.5。

I、定义与测试

1、力学测量

按照1978年6月的AFNOR NF A O3-151的方法，用拉伸的方法测量断裂强度和塑性伸长强度。

2、冷却工

按照定义，冷加工的变形率ε由下式给出：

ε＝Ln(S_o/S_f)

Ln是自然对数，S_o是在该次冷加工前钢丝的初始截面积，S_f是在该冷加工后钢丝的截面积。

3、扭曲延展性

按照定义，钢丝的挠曲延展性是钢丝自身所能承受的扭曲圈数。此测量是对长度500倍于其直径的钢丝进行的。此钢丝的一端夹在固定的钳子上，另一端固定在一个进行旋转的转动钳子上，以便使其转动轴与钢丝的轴线相同，扭曲时的应力等于在扭曲前所测量的钢丝拉伸断裂负荷的5％，并计算出引起钢丝断裂所必需的圈数。

4、钢的结构

按照如下方法鉴定与定量测定钢的结构。

使用X光衍射法，所使用的方法在于测定每种钢相的总衍射强度，特别是α’马氏体、ε马氏体和γ奥氏体，将所有这种相的衍射峰的积分强度相加，这样就能计算出以该钢全部相之和计每种相的百分比。

藉助铬靶，用X射线测角仪测定所研究钢丝截面的X光衍射谱。

扫描能得到存在的每个相的特征线。在前述三个相(两个马氏体和一个奥氏体)的情况下，扫描为50度至160度。

为了测定峰的积分强度，必须对干扰线退褶合。

对任何相的每个峰，都具有如下关系式：

I_int＝(L_mh×I_max)/P

这里，

I_int＝峰的积分强度

L_mh＝峰半高度处的宽度(度)

I_max＝峰的强度(每秒的次数)

P＝峰的测量步长(0.05度)

例如有如下的特征线：

γ奥氏体  线(111)    2Θ＝66.8

          线(200)    2Θ＝79.0

          线(220)    2Θ＝128.7

α’奥氏体  线(111)    2Θ＝68.8

            线(200)    2Θ＝106

            线(211)    2Θ＝156.1

ε马氏体  线(100)    2Θ＝65.4

          线(002)    2Θ＝71.1

          线(101)    2Θ＝76.9

          线(102)    2Θ＝105.3

          线(110)    2Θ＝136.2

前述相的晶体结构如下：

γ奥氏体：面心立方

α’马氏体：体心立方或体心四方

ε马氏体：密堆集六角

这时，通过如下的关系式就能计算出任意一个“i”相的体积百分数：

这里

I_i＝此“i”相所有峰的积分强度之和

I_t＝钢的所有衍射相的所有峰的积分强度之和。

因此，我们具体可有：

α’马氏体的％＝I_α’/I_t

ε马氏体的％＝I_ε/I_t

全部马氏体的％＝(I_α’+I_ε)/I_t

γ奥氏体的％＝I_γ/I_t

此处：

I_α’＝α’马氏体所有峰的积分强度

I_ε＝ε马氏体所有峰的积分强度

I_γ＝γ奥氏体所有峰的积分强度

在如下部分，涉及到钢结构相的各种％都是用体积表示的，术语“马氏体”或“马氏体相”包括α’马氏体和ε马氏体的总和，因此术语“马氏体％”表示所有这两种马氏体相的体积百分数，术语“奥氏体”表示γ奥氏体。

采用上述方法测定的以各种相体积计的百分数的精度为约5％。

一般地具有如下的关系式： $f_i^m=\frac{d_i\×f_i^v}{\underset{j=1}{\overset{j=n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_j\×f_j^v}$

其中：

指数“i”相应于“i”相

指数“j”相应于“j”相

f_i ^m是“i”相的质量分数

f_i ^v是“i”相的体积分数

f_j ^v是“j”相的体积分数

d_i是由其晶体结构计算出的“i”相的密度

d_j是由其晶体结构计算出的“j”相的密度

n是总相数。

因此则有： $100\×f_i^v{=}^{\′\′}{i}^{\′\′}$ 相体积％ $100\×f_i^m{=}^{\′\′}{i}^{\′\′}$ 相重量％。

在本发明不锈钢的情况下，主要相密度(马氏体和奥氏体)值是很接近的(最大偏差约3％)，因此重量％和体积％也很接近。

II实施例

通过如下的非限定性实例，如果需要，并参考以示意图方式表示本发明轮胎的唯一的一个附图将很容易理解本发明。

在这些实例中，使用了取名为“钢丝1”和“钢丝2”的本发明的钢丝。在这些实例中，除另指明外所有％都是重量百分数。

钢丝1

为制造此钢丝1，使用具有如下特性的不锈钢丝：

其结构实际上完全是奥氏体的，这就是说，马氏体实际上为0，或者说低于5％(体积)；

直径：0.5毫米；

组成(％(重量))：C＝0.096；Cr＝17.6；Ni＝7.7；Mo＝0.7；Mn＝1.3；Si＝2.0；Cu＝0.2；N＝0.04；S＝0.001；P＝0.019；余量是由铁和一般难以避免的杂质组成。

此钢丝外表复盖着一层1.3微米厚的镍。

这种复盖镍的钢丝的断裂强度为900兆帕，塑性伸长率为60％。

采用电解的方法在环境温度下在此复盖镍的钢丝上镀铜，再镀锌，然后藉焦耳效应加热到540℃，通过铜与锌的扩散作用而得到黄铜，α相/(α相+β相)重量比等于0.85，α和β相都是黄铜的相。

在已知的呈水乳化液形式的有油脂的湿环境下对此钢丝进行冷拔丝。这种冷拔丝要进行几次，通过冷拔丝得到的总变形率为2.04。

有黄铜镀层后钢丝不再进行任何热处理。

得到的钢丝直径0.18毫米，包在其周围的镍及黄铜镀层的厚度都很薄，其厚度小于1微米，与钢丝直径相比其厚度可忽略不计。

得到的钢丝具有如下特性：

钢的结构：马氏体相实际上为57％(体积)，此

          相实际上只是α’马氏体，奥氏体相实

          际上为43％(体积)。

断裂强度：2500兆帕

塑性伸长率：1％

扭曲延展性：70圈。

当然，此钢丝钢的组成在其元素(如碳、铬、镍)方面与原钢丝的组成是一样的。

当制造这种钢丝时，镍镀层使黄铜镀层能与钢有良好的附着力，黄铜镀层有利于冷拔此钢丝，也使得当将此钢丝用在橡胶中时，钢丝与橡胶有粘合力。

钢丝2

使用与钢丝1相同的原料钢丝，有镍镀层，不同之处是其直径为0.8毫米。

进行与钢丝1相同的操作，但是冷拔丝的总变形率ε实际上等于3。

得到的钢丝直径0.18毫米，此处镍与黄铜镀层的厚度与其直径相比可以忽略不计。

得到的钢丝具有如下的特征：

钢的结构：马氏体相实际上等于85％(体积)，

          此相实际上完全由α’马氏体构成，奥

          氏体相实际上是15％(体积)；

断裂强度：2865兆帕；

塑性伸长率：1％；

扭曲延展性：170圈。

当然，此钢丝钢的组成在其元素方面(如碳、铬、镍)与原钢丝的组成相同。

实施例1

此实施例的目的是评价本发明钢丝在皮带试验中的性能。

由单独一根钢丝构成蕊线，在其四周是由6根钢丝组成的中间层，在中间层四周是12根钢丝组成的外层，制成方式(1+6+12)的组件，这些组件没有箍。如这些组件一样所有的组件的钢丝都符合钢丝1，因此都符合本发明。每种组件的蕊线实际上没有受到扭力，包围蕊线的两层具有相同的10毫米的扭转螺距，和相同的缠绕方向。每种组件的断裂力都是1150牛顿。

另外，进行与本发明组件具有相同结构(1+6+12)的已知对照组件，但是组件的钢丝是直径0.18毫米的非不锈钢冷拉珠光体普通钢丝，这种钢丝含0.7％(重量)的碳，这些钢丝每根断裂强度为2670兆帕，塑性伸长率为1％，扭曲延展性为200圈，每种组件的断裂力是1255牛顿。

把本发明的组件，以及对照组件分别置入无头皮带中，每种皮带都是用目前制造轮胎所用的橡胶类似的橡胶为主成分的已知混合胶制造的。每种组件的蕊线都按照该组件所放入皮带的纵向方向取向。这样，就得到了两根同样的皮带，只是其增强的组件不同，一个是用本发明的组件增强的，另一个是用对照组件增强的。

在每根皮带当中，组件与皮带表面为厚度约为1毫米的橡胶。

按照如下的方法给这两根皮带施加同样的应力。让每条皮带都绕两个导轮转动，为的是使每个组合件的各主要部分都受到138牛顿的张力，并使之承受弯曲率变化的循环，由曲率半径无限长变化到曲率半径40毫米，共50×10⁶次循环。

当进行试验时，与皮带相接触的空气温度与湿度对两种皮带来说都是一样的，即环境温度，为约20℃，相对湿度为约50％。每条皮带施加应力的时间为3星期。

在施加应力结束时，以相同的方式将皮带中的组件剥离取出，测量这些组件中每根钢丝的断裂力，将本发明的组件及对照组件分别求出平均值。

另外，再制造两条与前述相同的皮带，一条是用本发明的组件增强的，另一条是用对照组件增强的，采用与前述相同的方法剥离这些皮带，但是这次没有对这些皮带预先施加应力，并以前面所描述的那样测量这些组件中每根钢丝的断裂力。求出平均值，本发明钢丝的断裂力的这个平均值和已知钢丝的断裂力的这个平均值作为标准值，因为相应的钢丝没有受到应力。

人们看到，与没有受到应力作用的钢丝断裂力的平均值(标准值)相比，受力后钢丝断裂力平均值降低如下：

本发明钢丝小于3％；

冷拔珠光体普通钢丝为15％。

因此可以看出，本发明的钢丝能显著地减弱钢丝断裂力的下降。

此断裂力的下降是由于应力与来自于周围空气中水的联合作用所引起的钢丝磨损造成的，这些条件与轮胎橡胶中增强钢丝所经受的条件是相似的。

实施例2

本实施例的目的是测定本发明钢丝用于轮胎时其钢丝性能。

用与钢丝2相同的钢丝制作(3+9)18型本发明组件。

这些组件是层状钢绳，每根钢绳由三根拧在一起的钢丝线蕊组成，其螺距约6.3毫米，周围为有9根卷绕钢丝层，其螺距约12.6毫米，卷绕方向与线蕊和外层卷绕方向是一样的，此组件没有箍。

每根这样的组件的断裂力为820牛顿。

再制造一个与本发明组件具有相同形式即(3+9)18的普通组件，但使用的钢丝是直径0.18毫米、含碳为0.7％的非不锈钢冷拔珠光体普通钢丝，采用与本发明钢丝相同的方式将这些钢丝镀上黄铜，每根钢丝断裂强度为2670兆帕，塑性伸长率为1％，扭曲延展性200圈。

这些普通组件的每根组件断裂力为770牛顿。

制造两个尺寸为215/75 R 17.5的轮胎，一个有用本发明组件制造的径向帘布层，另一个有用普通组件制造的径向帘布层，这两种轮胎只是帘布层中所用的组件性能不同，采用已知的方法，以普通组件制造帘布层的轮胎作为对照轮胎。

唯一的附图图示本发明轮胎。此轮胎10含有一个胎面1，两块侧壁2，两条按已知的方式多用钢丝圈4增强的轮缘3。径向帘布层5从一个轮缘3到另一轮缘3配置，并缠绕在钢丝圈4的周围。这个帘布层5由本发明组件50构成的单独一层组成。胎面1按已知方式由骨架6增强。yy’线表示与轮胎旋动轴垂直的并通过胎面1中间(赤道面)的平面。骨架6一般包括两个工作层，一个三角定位层，以及在这些层上面的一个保护层，为了简化起见，图上未示出所有这些层，它们都用普通钢组件增强。

在制作帘布层的各个原料层中，任何两根相邻组件轴之间的距离为1.4毫米，并且具有轮胎的构形。

将这样的轮胎置于同样的普通轮圈上(在图上没表示出来)并将两上轮胎都充气到10.8巴，每个轮胎含有2升水，而且此轮胎中的空气含有29％的氧气(富氧空气)。

每个这样的轮胎加工2700daN负荷，以每小时50千米的速度在一个周长为8.5米的转盘上转动。

在105,000千米结束时，由于腐蚀疲劳现象对照轮胎下部帘布层组件断裂，因此轮胎不能使用了。

本发明轮胎无任何损伤地运转，因此直到170,000千米，其帘布层组合件都没有断裂。

因此本发明使运行里程提高60％。

另外，根据进行此项试验的轮胎还可看出，本发明组件只有很少的磨损(在下部约4％，而凸肩部约6-7％)，而普通组件在这两个部分有超过20％的严重局部磨损。

因此，本发明能非常显著地提高轮胎帘布层钢丝的疲劳强度和耐磨性，因此，有这些钢丝的本发明轮胎具有寿命特别长的特点，这些轮胎特别可作为重载车辆的轮胎。

制造本发明钢丝所使用的不锈钢的特殊组成结构能通过冷拔丝得到细丝。当进行冷拔丝时，奥氏体逐渐转变为马氏体，这就使本发明产品钢丝具有良好的抗拉强度。如果镍与铬含量之和超过了要求保护的范围，冷拔丝时马氏体的出现延迟或受到阻止，最终钢丝的机械强度就不够。反之，如果镍与铬含量之总和低于要求保护的范围，冷拔丝之前就出现了马氏体相，或冷拔丝时很快出现马氏体相，这样就不能得到细丝。最后，要求保护的冷拔丝率使得有良好的扭曲延展性，因此保证此钢丝可能用来制造组件。

制造这些组件的方法和设备为本技术领域技术人员所公知，为公开简便起见此处不再赘述，例如，这些方法和这些设备都是基于并拧绳或捻线的原理。

总之，本发明的钢丝特征在于以下几点：

--良好的机械性能，使其能用在轮胎帘布层中；

--良好的韧性，容易加工得到组件；

--由于其耐水性能，将其加入轮胎可提高轮胎寿命。

在本发明方法的实施例中，使用的原料钢丝可有镍镀层，而且在冷拔丝之前可以进行黄铜化处理，但是其它的制造方式也是可能的，例如，用其它金属材料，具体如铜来代替镍，或者用不带金属镀层的原料金属进行冷拔丝，最终的金属丝可以由单一的不锈钢构成。

最好，本发明的钢丝具有至少一个以下的特征：

--该钢丝的直径最小为0.12毫米，最大为0.3毫米；

--其抗拉强度至少为2400兆帕；

--钢中碳含量至少为0.05％，至多为0.15％(重量)；

--镍与铬的总和至少为22％，至多为30％(重量)；

--硫含量和磷含量各自低于0.05％(重量)；

--扭曲延展性至少为30圈，更好至少为50圈；

--此钢的结构含有至少50％(体积)的马氏体，它不含奥氏体或含有50％(体积)以下的奥氏体；

--此钢的结构实际上或者由单一的马氏体组成，或者只由马氏体和奥氏体组成。

本发明的方法中最好具有至少一个下述特性：

--原料钢丝的直径至少为0.4毫米，至多为2毫米；

--此钢中的碳含量至少为0.05％，至多为0.15％(重量)；

--镍和铬含量之和至少为22％，至多为30％(重量)；

--硫含量和磷含量各自低于0.05％(重量)；

--原料钢丝镀有镍或铜；

--在冷拔丝之前镀黄铜镀层；

--用油脂在水中的乳化液采用湿拔丝进行冷拔丝；

--总冷拔丝率ε至少等于2。

在实施例中叙述的本发明组件完全由本发明的不锈钢丝组成，但本发明也适用于在组件中只有一部分使用本发明钢丝的情况。例如，本发明组件可以是一个层状钢绳，其中只有一部分是本发明的钢丝，特别是构成一层或多层内层的全部或部分钢丝是本发明的，外层则由非不锈钢丝，特别是由冷拔珠光体普通钢构成更是如此。这种制造方法具有降低成本的优点。

当然，本发明不受前述实施例的限制，例如，本发明轮胎能包括多个帘布层，其中至少一层是至少部分地由本发明钢丝和/或组件构成的。

Claims (26)

1、用于轮胎帘布层的钢丝，其特征在于以下几点：

a)其直径至少为0.05毫米，至多为0.5毫米；

b)其抗拉强度至少为2000兆帕；

c)此钢丝的钢是不锈钢，它含有至少0.02％、至多0.2％的碳，至少3％、至多20的镍，至少12％、至多28％的铬，镍和铬的总和至少为20％、至多为35％，所有这些百分数值都是重量百分数；

d)此钢的结构含有至少20％(体积)的马氏体，它不含有奥氏体或含有80％(体积)以下的奥氏体。

2、按照权利要求1的钢丝，其特征在于其直径至少为0.12毫米，至多为0.3毫米。

3、按照权利要求1或2中任意一项的钢丝，其特征在于其抗拉强度至少为2400兆帕。

4、按照权利要求1至3中任意一项的钢丝，其特征在于该钢丝的钢含有至少0.05％、至多0.15％(重量)的碳。

5、按照权利要求1至4中任意一项的钢丝，其特征在于在该钢丝的钢中镍与铬的总和至少为22％，至多为30％(重量)。

6、按照权利要求1至5中任意一项的钢丝，其特征在于硫含量和磷含量各自低于0.05％(重量)。

7、按照权利要求1至6中任意一项的钢丝，其特征在于它含有一层镍或铜。

8、按照权利要求1至7中任意一项的钢丝，其特征在于它的外层为黄铜层。

9、按照权利要求1至8中任意一项的钢丝，其特征在于其扭曲延展性至少为30圈。

10、按照权利要求9的钢丝，其特征在于其扭曲延展性至少为50圈。

11、按照权利要求1至10中任意一项的钢丝，其特征在于此钢的结构含有至少50％(体积)的马氏体，而且它不含有奥氏体或含有50％(体积)以下的奥氏体。

12、按照权利要求1至11中任意一项的钢丝，其特征在于此钢实际上或者只由马氏体组成，或者只由马氏体和奥氏体组成。

13、包含至少一种权利要求1至12中任意一项的钢丝的组件。

14、按照权利要求13的组件，其中仅一部分钢丝是权利要求1至12中的任意一项的钢丝。

15、按照权利要求14的组件，其特征在于它是一种层状钢丝绳，其中构成一层或多层内层的全部或部分钢丝是权利要求1至12中之任一项的钢丝，外层由非不锈钢丝构成。

16、轮胎的帘布层，其特征在于它含有至少一种权利要求1至12中之任一项的钢丝和/或至少一种权利要求13至15中任一项的组件。

17、含有至少一种权利要求16的帘布层的轮胎。

18、制造权利要求1至12中任一项所述钢丝的方法，此方法特征如下：

a)由直径至少为0.3毫米，至多为3毫米的不锈钢丝出发制造，该钢丝的钢含有至少0.02％、至多0.2％的碳，至少3％、至多20％的镍，至少12％、至多28％的铬，镍和铬的总和至少为20％、至多为35％，所有百分数都是重量百分数，此钢的结构完全是奥氏体或实际上是奥氏体的；

b)不进行热处理，进行至少一次冷拔丝处理，总冷拔丝率ε至少等于1.5。

19、按照权利要求18的方法，其特征在于使用的原料钢丝的直径至少为0.4毫米、至多为2毫米。

20、按照权利要求18至19中任一项的方法，其特征在于，此原料钢丝的钢含有至少0.05％、至多0.15％(重量)的碳。

21、按照权利要求18至20中之任一项的方法，其特征在于在此原料钢丝的钢中，镍与铬的总和至少为22％，至多为30％(重量)。

22、按照权利要求18至21中之任一项的方法，其特征在于在此原料钢丝的钢中，硫含量与磷含量各自低于0.05％(重量)。

23、按照权利要求18至22中之任一项的方法，其特征在于原料钢丝含有镍或铜镀层。

24、按照权利要求18至23中之任一项的方法，其特征在于在进行冷拔之前，在原料钢丝表面上镀黄铜镀层。

25、按照权利要求18至24中之任一项的方法，其特征在于，采用油脂在水中的乳化液进行湿法拔丝的方法进行冷拔丝。

26、按照权利要求18至25中之任一项的方法，其特征在于总冷拔率ε至少等于2。

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