刘湘慧 编译

(1．江苏兴达钢帘线股份有限公司， 江苏 泰州 225721；2．江苏省结构与功能金属复合材料重点实验室， 江苏 泰州 22572)

1 引言

钢帘线是一种高强度钢材料，在橡胶轮胎和软管等橡胶制品中作为增强材料。图1显示了子午线轮胎的结构示意图。钢帘线主要用于轮胎的带束层和胎体部位。全世界年消费量已达200多万t。

图1 子午线轮胎结构图

作为钢帘线的主要性能，它们需要足够高的抗拉强度，以用作增强材料。图2显示了钢帘线抗拉强度的趋势。70年代抗拉强度约为2 800 MPa，并逐年提高，90年代中期开发了4 000 MPa高强度钢帘线，市售钢材的抗拉强度也同步增高。不过，改善油耗和提高装载能力的需求仍然强劲。因此，钢帘线需要更高的强度，以满足不断增长的更轻的轮胎、更低的滚动阻力和更高的抗负荷要求。另一方面，随着钢丝抗拉强度的提高，钢丝的可拉拔性和塑性都有所下降。当考虑进一步提高钢帘线的抗拉强度时，需要抑制这种塑性退化。

图2 钢帘线高强度发展趋势

为了获得较高的钢帘线强度，本文研究了提高钢帘线抗拉强度的方法以及钢丝拉拔过程中力学性能和组织转变行为，并介绍了基于过共析钢研制的高强度钢帘线。

2 开发高强度钢帘线注意事项

2.1 高强度帘线钢的性能要求

钢帘线是通过将一根高碳钢盘条拉拔至一根细直径钢丝，经焙炖，再拉至直径为0.15～0.39 mm的高强度超细钢丝，然后将钢丝捻制成绳（见图3）而制成。抗拉强度是钢帘线的主要性能要求。高碳钢丝获得高强度的方法主要有三种：（1）在拉丝前焙炖赋予钢丝高拉伸强度；（2）增加拉丝过程中的压缩率；（3）强化拉丝过程中加工硬化。通过适当地组合这些强化机制，可以获得高强度的钢丝。此外，高强度钢丝也可以通过增加碳含量和添加铬来实现。

在这些强化机制中，拉丝过程中的加工硬化是实现钢帘线等超细钢丝高抗拉强度的关键。超细高强度钢丝强度是通过湿拉过程形成的加工硬化而获得的，其断面压缩率可达97%或更高的水平。这种加工硬化足以分摊65%的总抗拉强度。即为实现钢帘线高强度，加工硬化是必不可少的一步。此外，在湿拉后最终捻制和合股过程中，较大的捻制应力和弯曲应力作用在钢丝上。另外在第一次干拉中，为了保证焙炖所需细直径钢丝的拉拔，要求钢丝具有较高的拉拔能力。因此，承受这种制造工艺的塑性是钢帘线钢的基本要求。塑性指标为：拉伸试验中断面压缩率和扭转试验中纵向裂纹（分层）的产生。

图3 钢帘线制造流程

2.2 高强度钢丝碳含量与塑性的关系

图4显示了碳含量和可拉拔性之间的关系，其中可拉拔性根据拉伸试验中的断面压缩率（等于或高于35%）和钢丝扭转试验中断裂时达到的扭转转数（高于25）来判断的。随着碳含量的增加，拉伸性能下降，这意味着拉伸性能会下降到一个较低的值。当拉拔性能下降时，干拉钢丝不可能拉拔到钢丝所需直径。因此，需要间歇性的焙炖处理，从而导致生产力下降。此外由于湿拉时拉伸应变不足，高强度钢丝的拉伸强度出现缺陷和/或在加捻过程中钢丝断裂成为人们关注的问题。

2.3 高强钢丝直径与塑性的关系

高强度钢丝的延展性也取决于钢丝的直径。图5显示了不同直径的钢丝被拉拔时，拉伸强度和断面压缩率的转变行为。当钢丝直径变小时，断面压缩点的拉拔应变开始恶化。扭转试验中分层的产生也表现出类似的趋势。据报道，随着钢丝初始直径的增大，分层是在较小的拉伸应变下发生的，这就是所谓的尺寸效应。虽然其机理尚未阐明，但细钢丝的低应变时效是其中原因之一。细直径钢丝的应变时效降低，是因为细直径钢丝的表层组织与中心区组织的差异很小，由于拉丝工艺的不同（细直径钢丝采用湿拉丝，粗直径钢丝采用干拉丝），加工诱发的发热量和放热率也不同。这意味着在钢帘线的生产过程中，干拉和湿拉过程中的塑性劣化和组织转变行为是不同的。因此，为了获得高强度的钢帘线，必须弄清干拉（第一次拉丝）和湿拉（最后一次拉丝）的力学性能和显微组织的转变行为，并在各自的拉拔过程中提高延展性。

图4 钢丝极限拉拔与碳含量的关系

3 拉丝过程中力学性能和组织转变行为

3.1 珠光体钢的组织因素与力学性能

钢帘线用钢是具有珠光体组织的高碳钢。如图6所示，珠光体钢具有层状硬渗碳体层和软铁素体层的显微组织，由珠光体块组成，其中铁素体晶向相同。珠光体块由珠光体聚集体组成，其中渗碳体层的晶向相同。每层渗碳体之间的间距称为片层间距。在显微组织与力学性能的关系中，均认为片层间距影响抗拉强度，珠光体块尺寸影响塑性（断面压缩率）。

图5 钢丝直径对拉伸应变力学性能的影响

图6 珠光体钢组织

3.2 提高干拉丝的塑性

3.2.1 干拉钢丝力学性能与组织因素的关系

图7和图8显示了珠光体块尺寸和层间距对干拉钢丝拉伸强度和断面压缩率的影响。试样为直径5.5 mm的SWRH82A盘条和珠光体块尺寸，片层间距由铅浴焙炖控制。

珠光体块尺寸35 μm以上，拉拔钢丝力学性能的转变行为有显著差异。拉伸应变（真应变）1.0～1.2以上区域，断面压缩率迅速恶化至近10%，加工硬化率同时恶化。此后，断面压缩率呈现低值，拉伸应变（真应变）2.0以上，拉伸强度也随之降低。此外，随着珠光体块尺寸的粗化，这种趋势更加显著。珠光体块尺寸30μm以下，尽管珠光体块尺寸对拉伸强度的影响很小，但通过细化珠光体块尺寸，可以稍微缓解拉伸应变（真应变）3.0附近区域断面压缩率的恶化。

图7 珠光体块尺寸对干拉拉拔应力力学性能的影响

考虑到片层间距对拉丝力学性能的影响，直至拉拔应变（真应变）3.0，钢丝强度继续上升，各级加工硬化率几乎相同，在拉拔应变（真应变）3.0时开始恶化。拉伸应变（真应变）2.5以上，断面压缩率迅速恶化，并且随着片层间距的细化（拉伸强度上升），断面压缩率开始恶化点，拉伸应变（真应变）减少。

基于这些发现，为保证珠光体钢拉拔钢丝的塑性（断面压缩率），珠光体块尺寸小于30 μm和粗化的片层间距（降低抗拉强度）是有效的。

3.2.2 拉丝早期塑性恶化机理分析

如图7所示，拉丝早期阶段，珠光体块尺寸35μm以上，断面压缩率迅速恶化。这是由于产生裂纹并随后裂纹生长造成的。图9显示了拉丝中心区域纵断面的宏观观察结果。珠光体块尺寸35μm以上，第一道拉拔的中心区域产生裂纹（断面压缩率17%），随后生长。图10显示了用扫描电子显微镜（SEM）观察裂纹附近的结果。

裂纹在与拉伸方向成45°的剪切方向上产生并扩展。此外，在裂纹附近，在同一块中观察到层状组织似乎朝着同一方向移动的相。在外围组织中，还观察到裂纹和移动的层状组织。然而，它们不是均匀形成的，并且确定了其在特定区域集中形成的相，对裂纹的产生机理和层状组织的运动规律进行了较深入的分析。

图8 片层间距对干拉拉拔应变力学性能的影响

图9 中心区裂纹的产生与扩展

图10 裂纹的扫描电镜图像

3.2.3 珠光体钢裂纹的产生与生长机理

在拉丝过程中，剪应力作用于亚表层，拉应力作用于中心区域。因此，为了分析中心区裂纹的产生机理，从局部塑性变形状态和拉应力作用下组织变化两方面进行了分析。

采用数字图像相关分析（DIC）方法观察了拉应力作用下的局部应变分布。如图11所示，局部应变是非均匀分布的。此外，即使在同一珠光体块中，局部应变的值也会发生变化，并且塑性变形取决于珠光体团。

图11 珠光体局部应变分布图

局部应变值的变化受拉伸方向与铁素体滑移系数（斯密特因子）的关系和拉伸方向与片层取向角夹角的影响。如图12所示，随着斯密特因子的增加，沿拉伸方向的局部应变值趋于增加，局部应变分布受铁素体滑移活动程度的影响。此外，即使斯密特因子较高，沿拉伸方向的局部应变值也会随层状渗碳体取向角和拉伸方向之间的关系而变化（图13）。

图12 斯密特因子与局部应变的关系

图13 片层取向与局部应变的关系

结果表明，当层状渗碳体取向角与拉伸方向成0°或90°夹角时，沿拉伸方向的局部应变值较小，45°夹角时的局部应变值较大。

在此基础上，研究了珠光体钢在拉应力作用下的塑性变形。当斯密特因子较高，片层取向角与拉伸方向夹角为45°时，位错的运动不受限制。因此，塑性变形值变大，渗碳体和/或铁素体晶体发生变形和/或旋转。另一方面，在高斯密特因子和片层取向角与拉伸方向成0°或90°夹角的情况下，铁素体中形成的位错在渗碳体边界处受到抑制，塑性变形不发生。因此，渗碳体和/或铁素体不会发生晶体旋转。层状组织沿共享方向的运动和裂纹的产生被认为是按以下方式发展的：当进一步施加拉应力时，渗碳体界面位错的累积量增加。当拉伸方向与层状渗碳体排列平行时，渗碳体受到较高的拉应力，并与累积的位错结合，渗碳体在滑移线上断裂，再次结合。在拉丝过程中，中心区域也会出现类似的现象，从而产生裂纹。

此外，珠光体块尺寸对沿拉伸方向局部应变值的影响如图14所示。随着珠光体块尺寸的粗化，沿拉伸方向的局部应变值在片层取向为45°时增大。但细珠光体块尺寸的局部应变值小，散射少。这意味着，随着珠光体块尺寸的粗化，局部应变分布的不均匀性增加。由于局部应变的不均匀性增加，局部拉应力的不均匀性也随之增加，并促进上述机制，故认为粗珠光体块尺寸中会产生裂纹。

3.3 提高湿拉钢丝的塑性

3.3.1 影响高强钢丝塑性的因素

高强度钢丝的塑性劣化表现为在扭转过程中出现的断面收缩率和/或纵向裂纹（分层）的劣化。片状渗碳体分解引起的局部应变时效脆化是影响塑性的主要因素之一。

图14 片层间距，局部应变和珠光体块尺寸之间的关系

图15显示了直径0.20 mm湿拉和时效处理后的SWRS92A超细超强钢丝的机械性能变化（拉伸应变ε=4.16）。在150 ℃下进行时效处理，拉伸强度增加。然而，断面压缩率会恶化，并且扭转特性扭转值（断裂处达到的扭转总数）也会因分层的产生而恶化。

图15 力学性能与时效的关系

高桥等人关于时效处理引起的组织变化研究报告如下：利用三维原子探针（3D-AP）分析了碳元素的分布状态，发现碳元素在拉丝过程中保持层状状态。然而，渗碳体在150 ℃时效处理后分解，碳元素均匀地分散在铁素体中。如图15所示机械性能的变化也是由于渗碳体分解产生的。

3.3.2 提高高强度钢丝塑性的方法

提出应变时效是由于碳对位错的高亲和力，使碳在铁素体中转移并黏附到位错上而形成的渗碳体分解机制。假设局部渗碳体分解导致碳在位错中的偏析，则减少位错（拉伸应变）和/或减少加工产生的热量被认为是有效的抑制措施。

为了降低拉拔应变值，提高焙炖钢丝的抗拉强度和增加加工硬化量是有效的。Tarui等人研究报告为提高焙炖钢丝的抗拉强度和增加加工硬化量，C和/或Cr元素是有效的（图16，图17）。另一方面，由于碳含量的增加，拉拔性能下降，形成先共析渗碳体，因此需要特别注意。

图16 C和Cr含量对焙炖钢丝强度的影响

图17 C和Cr含量对加工硬化程度的影响

关于减少加工产生的热量，Tashiro等人从模具设计、润滑膜、模链、后张力等方面进行了二次加工的对策研究，并指出通过提高润滑性能和降低模具接近角可以提高钢丝的塑性。

但是，如果过多的抑制渗碳体的分解，则抗拉强度会恶化。图18显示了拉丝速度与钢丝力学性能之间的关系。随着拉丝速度的降低，断面压缩率提高，分层现象得到抑制，从而提高了塑性。但在低于100m/min的拉伸速度下，塑性没有得到改善，抗拉强度下降。考虑拉丝速度变化时，加工生热和动态应变时效的变化引起渗碳体分解状态的变化，从而引起力学性能的改变。

图18 拉拔速度和钢丝力学性能之间的关系

因此，从结果看，渗碳体分解不需要以任何方式被抑制，并且认为存在优化的条件。Tarui等人假设当铁素体中的碳含量超过1%时渗碳体分解过程中产生分层（图19）。

图19 铁素体中碳浓度与拉拔应变及分层的关系

迄今为止，为了获得抗拉强度和塑性均优良的高强度钢丝，通过优化拉丝条件，将渗碳体分解控制在一定范围内是非常必要的。然而，随着钢丝强度的提高，拉拔过程中加工生热也随之升高，应变时效更容易进行。因此应根据钢材的类型，采用不同的二次加工优化工艺。也就是说，为了提高钢帘线的强度，不仅要开发钢材，还要开发二次加工工艺。

4 过共析钢高强度钢帘线的研制

如表1所示，用于高强度钢帘线碳含量高于0.90%过共析钢的开发正在进行中。采用过共析钢与二次加工工艺相结合的方法，对高强度钢丝进行了试制。图20显示了各种类型钢的拉伸强度与拉伸应变之间的关系。确定焙炖钢丝的直径，以便共同获得所有高强度钢丝的最终成品钢丝直径都为0.20 mm，即使在拉伸应变发生变化时。在任何类型的钢中，均获得了抗拉强度超过4 000 MPa且具有良好塑性的高强度钢丝，且无分层现象。

表1 开发高强度钢帘线用钢的化学组分 (wt.%)

随着C含量和Cr含量的增加，产生分层的拉伸应变降低，但产生分层的抗拉强度水平提高，抗拉强度与塑性之间的平衡得到改善。因此，尽管基于实验室条件，通过使用102C+Cr钢，在不产生分层的情况下获得了抗拉强度为4 400 MPa的高强度钢丝。

图20 高强度钢帘线用钢开发的试验结果

5 结论

在详细分析高强度钢丝拉拔过程中的力学性能和微观组织的基础上，介绍了高强度钢丝的力学性能转变行为，以及提高其塑性的途径。

介绍了以过共析钢为基体的高强度帘线钢。结果表明，采用C含量超过1.0%的过共析钢，通过优化二次加工工艺，虽然在实验室条件，可以在不产生分层的情况下，制备出4 400 MPa的高强度钢丝，然而诸如分层引起塑性恶化的机理尚未阐明。因此，为了获得更高的抗拉强度，阐明塑性劣化的机理和建立抑制塑性劣化的技术至关重要。近年来，分析技术取得了长足的进步，实现了纳米级微结构分析和变化观测。今后，我们将充分利用这些分析技术，对钢帘线的塑性劣化机理进行研究，努力进一步提高钢帘线目前的高强度、高塑性等性能。