CN113005797B - 一种起重机用抗旋转抗疲劳钢丝绳及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起重机用抗旋转抗疲劳钢丝绳及其制备工艺。所述钢丝绳包括中心股和外层股；所述中心股为7根纤维芯；所述外层股为4根三角股绳；所述三角股绳是39根钢丝组成的西鲁式结构股绳。有益效果：(1)原位还原制备了硼酸钙/微晶纤维素，有效降低钢丝绳长期重载过程中的摩擦力，抑制摩擦产生的裂纹，增加耐磨性和疲劳性，延长钢丝绳的使用寿命。(2)采用聚晶拉丝模拉拔工艺，全程采用钙系滑粉，提高了产品表面的光亮度。(3)捻股过程中，添加了合适的预变形和后变形器，消除股的残余应力在一圈以内，有效保证捻制效果，并延长设备使用寿命。

Description

一种起重机用抗旋转抗疲劳钢丝绳及其制备工艺

技术领域

本发明涉及钢丝绳技术领域，具体为一种起重机用抗旋转抗疲劳钢丝绳及其制备工艺。

背景技术

钢丝绳是由多层钢丝捻合成股，再以绳芯为中心，以多跟股捻绕形成的螺旋状钢丝束。其可以广泛用于机械作业中，如提供提升、牵引、承载等用处。其中，钢丝绳在起重机的使用中十分重要，其工作于露天环境中，需要承受交变载荷的作用，且长期在高度压力上工作，对钢丝绳的抗旋转抗疲劳性能要求较高。

但现有的钢丝绳通常耐疲劳程度一般，不能满足起重机长期处于高压力工作强度，容易出现高压磨损，产生裂纹，从而使得使用寿命不长。因此，本专利针对工程机械用，从原材料、生产工艺等方面进行创新，研发制备抗旋转、抗疲劳4V光面钢丝绳，解决现有产品在长期使用过程中出现问题，延长使用寿命具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种起重机用抗旋转抗疲劳钢丝绳及其制备工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

1.一种起重机用抗旋转抗疲劳钢丝绳的制备工艺，包括以下步骤：

S1：拉丝：将母线通过聚晶拉丝模拉拔工艺，采用具有较大入口锥角度的拉丝模，缩短定径带，置于线抛机上进行多次拉拔，得到不锈钢钢丝；

S2：捻股：将不锈钢钢丝喷涂复合润滑油；通过捻股机捻制，得到钢丝绳A；

S3：锻打：将钢丝绳A置于冲锻机上，通过离线锻打，得到钢丝绳。

较为优化地，所述复合润滑油是由1～3wt％的硼酸钙/微晶纤维素和97～99wt％的钢丝绳润滑油混合得到的。

较为优化地，所述硼酸钙/微晶纤维的制备工艺如下：(1)将微晶纤维素、衣康酸、马来酸酐和硫酸按照摩尔比为(1～1.5):(2.5～2.8):(5～5.9):(0.04～0.05)称取备用；将氯化钙溶液配制在乙醇溶液中，得到氯化钙溶液，备用；将四硼酸钠溶解在去离子水中，得到10～13mol/L的四硼酸钠溶液，备用；(2)将称取的衣康酸、马来酸酐和硫酸依次加入反应釜中混合均匀，升温至70～75℃反应1.8～2.2小时；加入微晶纤维素，继续反应2～3小时，冷却洗涤过滤，浸泡在甲醇中1～2天进行纯化处理，过滤干燥，得到纤维素酯；

(3)将纤维素酯和去离子水依次加入反应釜中，加入乳化剂高压均质2～5分钟；设置温度为80～90℃搅拌1～2小时，滴加氯化钙溶液，搅拌15～20分钟；缓慢滴加四硼酸钠溶液，滴加时间为3～5小时，继续搅拌15～30分钟，过滤洗涤，得到硼酸钙/微晶纤维素。

较为优化地，步骤S1的具体工艺为：将母线通过聚晶拉丝模拉拔工艺，采用入口锥角度为70°、出口锥角度为30°的拉丝模，设置定径带的高度为钢丝线线径的30～33％，将拉丝模装配在线抛机上，将线通过模孔进行多次拉拔处理，处理全程中采用钙系润滑粉，得到不锈钢钢丝。

较为优化地，所述钢丝线径为2.4～3.0mm。

较为优化地，步骤S2的具体工艺为：将不锈钢钢丝喷涂复合润滑油；按照捻制层数选择预变形器和后变形器，将设置捻距为100mm±1mm，捻股速度＜20m/min，捻向为右交互捻，将喷涂复合润滑油不锈钢钢丝通过捻股机捻制，得到钢丝绳A。

较为优化地，步骤S3中，所述钢丝绳A的直径为15±0.3mm；钢丝绳的直径为14±0.15mm。

较为优化地，所述钢丝绳包括中心股和外层股；所述中心股为7根纤维芯；所述外层股为4根三角股绳；所述三角股绳是39根钢丝组成的西鲁式结构股绳，每根三角股由里至外依次为：9根内层钢丝，15根次外层钢丝和15根外层钢丝。

较为优化地，所述钢丝绳的直径为14.3～14.7mm，所述中心股的直径为2.0mm；所述三角股绳的直径为6.0mm，塑芯为4.9mm。

本技术方案中，以沙钢70#-2.4mm为母线，采用聚晶拉丝模拉拔工艺拉成钢丝，再通过喷涂复合润滑油，捻制、锻打成的直径公差范围为14.3～14.7mm的钢丝绳，其结构规格为4V39S+7FC-14mm，所制备的钢丝绳具有抗旋转性能，疲劳次数大于2000次，可以用于起重机，在极限压力下也仍然具有优异的抗疲劳性能。具体如下：

第一，通过原料的强度、弯曲、扭转性能的检测，选用沙钢70#-2.4mm为母线，确保了其性能波动在合理区间内。其中，沙钢70#-2.4mm是一种冷拉碳素弹簧钢丝，其抗拉强度在1470～1690MPa具有较好的力学性能；其表面经过了磷化处理，因此表面具有磷酸盐膜，具有耐腐蚀性，拉拔过程中磷化膜的存在有效提高了润滑剂的负载量，降低拉拔过程中的作用力，提高表面状态。

第二，采用聚晶拉丝模拉拔工艺，定制专用的拉丝模，加大了拉丝模的入口锥角度，缩短了定径带，保证拉丝过程中钢丝性能不受影响，提高钢丝绳的使用寿命，同时全程采用钙系润滑粉，在保证拉拔性能的基础上，提高了产品表面的光亮度。

第三，捻制前，喷涂了复合润滑油，保证油的均匀性，有效减少钢丝之间捻股时摩擦力，增加极限压力下的抗疲劳性，延长钢丝绳的使用寿命。捻股过程中，添加了合适的预变形和后变形器，消除股的残余应力在一圈以内，将不锈钢钢丝捻制成4V39S+7FC-14mm钢丝绳，同时通过在捻股机的捻制应力的控制，有效保证捻制效果，并延长设备使用寿命。

其中，复合润滑油是由1～3wt％的硼酸钙/微晶纤维素和97～99wt％的钢丝绳润滑油混合得到的。其中钢丝绳润滑油为本领域常用的油，为现有技术，而硼酸钙/微晶纤维素是油添加剂。其具有抗氧化性，用于长期露天工作，增强了钢丝绳的抗氧化性。

另外，硼酸钙纳米粒子具有层状结构，作为添加剂具有练好的极压性和耐磨性，具有良好的热稳定性，防腐和防锈性，但若以其单独添加在油中分散性较差。易团聚，不易于在钢丝表面的均匀分散。而微晶纤维素多用于润滑油作为粘度改性剂，因此将两种物质复合得到硼酸钙/微晶纤维素。本技术方案中，将微晶纤维素通过酯化反应形成纤维素酯，利用酯基以钙离子之间的螯合作用，均匀锚定在纤维素酯上，然后在其表面原位还原得到硼酸钙纳米粒子，防止硼酸钙纳米粒子的聚集，得到硼酸钙/微晶纤维素。

在重载过程中，由于硼酸钙/微晶纤维素的加入，在滑动摩擦过程中协同辅助润滑油降低摩擦，而硼酸钙的滑动，延长了滑动时间，避免了金属与金属的直接接触，抑制了钢丝表面膜层的破坏，增加了耐磨性能。同时使其长期用于起重机，在极限压力下，金属表面产生电荷，而硼酸钙的电子做定向移动，在其表面形成弹性附着力强的硼酸膜，耐冲击，抑制表面在长期极力下摩擦产生裂纹，从而增加了钢丝绳的抗疲劳性，延长了钢丝绳的使用寿命。

第四，钢丝绳抗旋转的来源是利用钢丝绳捻合产生的结构，利用绳芯本身旋转与钢丝绳旋转相反，以此产生抗旋转性能。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：(1)原位还原制备了硼酸钙/微晶纤维素与钢丝绳润滑油混合形成复合润滑油，有效降低钢丝绳在长期重载过程中的摩擦力，抑制摩擦产生的裂纹，增加耐磨性和疲劳性，延长钢丝绳的使用寿命。(2)采用聚晶拉丝模拉拔工艺，加大了拉丝模入口锥角度，缩短了定径带，保证了拉丝过程中钢丝性能无影响，提高钢丝绳的使用寿命，同时全程采用钙系润滑粉，在保证拉拔性能的基础上，提高了产品表面的光亮度。(3)捻股过程中，添加了合适的预变形和后变形器，消除股的残余应力在一圈以内，有效保证捻制效果，并延长设备使用寿命。(4)钢丝绳抗旋转的来源是利用钢丝绳捻合产生的结构，利用绳芯本身旋转与钢丝绳旋转相反，以此产生抗旋转性能。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种起重机用抗旋转抗疲劳钢丝绳的制备工艺，包括以下步骤：

步骤1：选材：选用沙钢70#-2.4mm为母线；

步骤2：拉丝：将母线通过聚晶拉丝模拉拔工艺，采用入口锥角度为70°、出口锥角度为30°的拉丝模，设置钢丝线线径为2.7mm，定径带的高度为钢丝线线径的32％，将拉丝模装配在线抛机上，将线通过模孔进行多次拉拔处理，处理全程采用钙系润滑粉，得到不锈钢钢丝。

步骤3：捻股：A.润滑油的制备：(1)将微晶纤维素、衣康酸、马来酸酐和硫酸按照摩尔比为1.25:2.65:5.45:0.045称取备用；将氯化钙溶液配制在乙醇溶液中，得到氯化钙溶液，备用；将四硼酸钠溶解在去离子水中，得到12mol/L的四硼酸钠溶液，备用；(2)将称取的衣康酸、马来酸酐和硫酸依次加入反应釜中混合均匀，升温至72℃反应2小时；加入微晶纤维素，继续反应2.5小时，冷却洗涤过滤，浸泡在甲醇中1.5天进行纯化处理，过滤干燥，得到纤维素酯；(3)将纤维素酯和去离子水依次加入反应釜中，加入乳化剂高压均质3分钟；设置温度为85℃搅拌1.5小时，滴加氯化钙溶液，搅拌18分钟；缓慢滴加四硼酸钠溶液，滴加时间为3.5小时，继续搅拌20分钟，过滤洗涤，得到硼酸钙/微晶纤维素；(4)将2wt％的硼酸钙/微晶纤维素和98wt％的钢丝绳润滑油混合得到复合润滑油。B.捻合：将不锈钢钢丝喷涂复合润滑油；按照捻制层数选择预变形器和后变形器，将设置捻距为100mm，捻股速度为15m/min，捻向为右交互捻，将喷涂复合润滑油不锈钢钢丝通过捻股机捻制，得到直径为15.3mm的钢丝绳A。

步骤4：锻打：将钢丝绳A置于冲锻机上，通过高强度离线锻打，得到直径为14±0.15mm的钢丝绳。

实施例2：

一种起重机用抗旋转抗疲劳钢丝绳的制备工艺，包括以下步骤：

步骤1：选材：选用沙钢70#-2.4mm为母线；

步骤2：拉丝：将母线通过聚晶拉丝模拉拔工艺，采用入口锥角度为70°、出口锥角度为30°的拉丝模，设置钢丝线线径为2.4mm，定径带的高度为钢丝线线径的30～33％，将拉丝模装配在线抛机上，将线通过模孔进行多次拉拔处理，处理全程采用钙系润滑粉，得到不锈钢钢丝。

步骤3：捻股：A.润滑油的制备：(1)将微晶纤维素、衣康酸、马来酸酐和硫酸按照摩尔比为1:2.5:5:0.04称取备用；将氯化钙溶液配制在乙醇溶液中，得到氯化钙溶液，备用；将四硼酸钠溶解在去离子水中，得到10mol/L的四硼酸钠溶液，备用；(2)将称取的衣康酸、马来酸酐和硫酸依次加入反应釜中混合均匀，升温至70℃反应1.8小时；加入微晶纤维素，继续反应2小时，冷却洗涤过滤，浸泡在甲醇中1天进行纯化处理，过滤干燥，得到纤维素酯；(3)将纤维素酯和去离子水依次加入反应釜中，加入乳化剂高压均质2分钟；设置温度为80℃搅拌1小时，滴加氯化钙溶液，搅拌15分钟；缓慢滴加四硼酸钠溶液，滴加时间为3小时，继续搅拌15分钟，过滤洗涤，得到硼酸钙/微晶纤维素；(4)将1wt％的硼酸钙/微晶纤维素和99wt％的钢丝绳润滑油混合得到复合润滑油。B.捻合：将不锈钢钢丝喷涂复合润滑油；按照捻制层数选择预变形器和后变形器，将设置捻距为99mm，捻股速度为9m/min，捻向为右交互捻，将喷涂复合润滑油不锈钢钢丝通过捻股机捻制，得到直径为15.1mm的钢丝绳A。

步骤4：锻打：将钢丝绳A置于冲锻机上，通过高强度离线锻打，得到直径为14±0.15mm的钢丝绳。

实施例3：

一种起重机用抗旋转抗疲劳钢丝绳的制备工艺，包括以下步骤：

步骤1：选材：选用沙钢70#-2.4mm为母线；

步骤2：拉丝：将母线通过聚晶拉丝模拉拔工艺，采用入口锥角度为70°、出口锥角度为30°的拉丝模，设置钢丝线线径为3.0mm，定径带的高度为钢丝线线径的33％，将拉丝模装配在线抛机上，将线通过模孔进行多次拉拔处理，处理全程采用钙系润滑粉，得到不锈钢钢丝。

步骤3：捻股：A.润滑油的制备：(1)将微晶纤维素、衣康酸、马来酸酐和硫酸按照摩尔比为1.5:2.8:5.9:0.05称取备用；将氯化钙溶液配制在乙醇溶液中，得到氯化钙溶液，备用；将四硼酸钠溶解在去离子水中，得到13mol/L的四硼酸钠溶液，备用；(2)将称取的衣康酸、马来酸酐和硫酸依次加入反应釜中混合均匀，升温至75℃反应2.2小时；加入微晶纤维素，继续反应3小时，冷却洗涤过滤，浸泡在甲醇中2天进行纯化处理，过滤干燥，得到纤维素酯；(3)将纤维素酯和去离子水依次加入反应釜中，加入乳化剂高压均质5分钟；设置温度为90℃搅拌2小时，滴加氯化钙溶液，搅拌20分钟；缓慢滴加四硼酸钠溶液，滴加时间为5小时，继续搅拌30分钟，过滤洗涤，得到硼酸钙/微晶纤维素；(4)将3wt％的硼酸钙/微晶纤维素和97wt％的钢丝绳润滑油混合得到复合润滑油。B.捻合：将不锈钢钢丝喷涂复合润滑油；按照捻制层数选择预变形器和后变形器，将设置捻距为101mm，捻股速度为19m/min，捻向为右交互捻，将喷涂复合润滑油不锈钢钢丝通过捻股机捻制，得到直径为14.9mm的钢丝绳A。

步骤4：锻打：将钢丝绳A置于冲锻机上，通过高强度离线锻打，得到直径为14±0.15mm的钢丝绳。

实施例4：不加入硼酸钙/微晶纤维素，其余与实施例1相同；

实施例5：以硼酸钙纳米粒子替代硼酸钙/微晶纤维素，其余与实施例1相同；

实施例6：拉丝模入口锥角度设为40°，定径带的高度为钢丝线线径的35％，其余与实施例1相同；

实验：取实施例1和实施例4～5制备的一种起重机用旋转抗疲劳钢丝绳，参照GB/T34198-2017《起重机用钢丝绳》的国家标准，对制备的钢丝绳进行抗拉强度测试，破断拉力测试，抗疲劳次数测试，所得结果如下表所示：

结论：从实施例1可以看出，所制备的钢丝绳具有较好的强度和抗疲劳能力。抗疲劳次数均大于2000。将实施例1的数据和实施例4的数据进行比较，可以发现，未加入硼酸钙/微晶纤维素的实施例4抗拉强度和破断拉力下降明显，原因是：原位还原制备的硼酸钙/微晶纤维素与钢丝绳润滑油混合形成复合润滑油，有效降低钢丝绳在长期重载过程中的摩擦力，抑制摩擦产生的裂纹，增加耐磨性和疲劳性，延长钢丝绳的使用寿命。

再对比实施例5的数据可以发现，抗拉强度和破断拉力介于实施例1和实施例4之间，原因是硼酸钙纳米粒子具有层状结构，作为添加剂具有练好的极压性和耐磨性，具有良好的热稳定性，防腐和防锈性，但若以其单独添加在油中分散性较差。易团聚，不易于在钢丝表面的均匀分散。而微晶纤维素多用于润滑油作为粘度改性剂，因此将两种物质复合得到硼酸钙/微晶纤维素再加入增加分散性，从而增加耐疲劳性。

将实施例1的数据与实施例6进行对比，可以发现：抗拉强度和破断拉力有所下降，原因是：聚晶拉丝模拉拔工艺中，加大拉丝模入口锥角度，缩短了定径带，有效保证了拉丝过程中钢丝性能无影响，提高钢丝绳的使用寿命。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种起重机用抗旋转抗疲劳钢丝绳的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：

S1：拉丝：将母线通过聚晶拉丝模拉拔工艺，采用入口锥角度为70°、出口锥角度为30°的拉丝模，设置定径带的高度为钢丝线线径的30~33%，将拉丝模装配在线抛机上，将线通过模孔进行多次拉拔处理，处理全程中采用钙系润滑粉，得到不锈钢钢丝；

S2：捻股：将不锈钢钢丝喷涂复合润滑油；按照捻制层数选择预变形器和后变形器，将设置捻距为100mm±1mm，捻股速度＜20m/min，捻向为右交互捻，将喷涂复合润滑油不锈钢钢丝通过捻股机捻制，得到钢丝绳A；其中所述复合润滑油是由1~3wt%的硼酸钙/微晶纤维素和97~99wt%的钢丝绳润滑油混合得到的；

S3：锻打：将钢丝绳A置于冲锻机上，通过离线锻打，得到钢丝绳；

所述硼酸钙/微晶纤维素的制备工艺如下：（1）将微晶纤维素、衣康酸、马来酸酐和硫酸按照摩尔比为（1~1.5）:（2.5~2.8）:（5~5.9）:（0.04~0.05）称取备用；将氯化钙溶液配制在乙醇溶液中，得到氯化钙溶液，备用；将四硼酸钠溶解在去离子水中，得到10~13mol/L的四硼酸钠溶液，备用；（2）将称取的衣康酸、马来酸酐和硫酸依次加入反应釜中混合均匀，升温至70~75℃反应1.8~2.2小时；加入微晶纤维素，继续反应2~3小时，冷却洗涤过滤，浸泡在甲醇中1~2天进行纯化处理，过滤干燥，得到纤维素酯；（3）将纤维素酯和去离子水依次加入反应釜中，加入乳化剂高压均质2~5分钟；设置温度为80~90℃搅拌1~2小时，滴加氯化钙溶液，搅拌15~20分钟；缓慢滴加四硼酸钠溶液，滴加时间为3~5小时，继续搅拌15~30分钟，过滤洗涤，得到硼酸钙/微晶纤维素。

2.根据权利要求1所述的一种起重机用抗旋转抗疲劳钢丝绳的制备工艺，其特征在于：所述钢丝线径为2.4~3.0mm。

3.根据权利要求1所述的一种起重机用抗旋转抗疲劳钢丝绳的制备工艺，其特征在于：步骤S3中，所述钢丝绳A的直径为15±0.3mm；钢丝绳的直径为14±0.15mm。

4.根据权利要求1所述的一种起重机用抗旋转抗疲劳钢丝绳的制备工艺，其特征在于：所述钢丝绳包括中心股和外层股；所述中心股为7根纤维芯；所述外层股为4根三角股绳；所述三角股绳是39根钢丝组成的西鲁式结构股绳，每根三角股由里至外依次为：9根内层钢丝，15根次外层钢丝和15根外层钢丝。

5.根据权利要求4所述的一种起重机用抗旋转抗疲劳钢丝绳的制备工艺，其特征在于：所述钢丝绳的直径为14.3~14.7mm，所述中心股的直径为2.0mm；所述三角股绳的直径为6.0mm，塑芯为4.9mm。