轮胎用钢帘线的高强度化

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1 前言
    轮胎用钢帘线是将高碳钢经拉拔所得φ0.15～0.38mm、拉伸强度3～4GPa（即3000～ 4000MPa）的钢丝捻制而成。其生产过程包括从炼钢至捻制加工的多道工序，其中的每道工序都包含有稳定生产所必须的技术。特别是在钢材断面变得最小的最终拉拔和捻制加工中，由于缺陷的尺寸相对于断面尺寸的比例变大了，若包含夹杂、偏析等缺陷超过一定限度，就会断丝而大大降低生产率。
    因此，在钢帘线的生产中，追求的重要目标就是能稳定地批量生产，即使在对钢帘线进行高强度化的场合，也同样要求高生产率。含碳量0.70％的钢从上世纪60年代开始用作钢帘线，到80和90年代则分别开发了0.80%C和0.90%C钢，最初强度为2.8GPa钢帘线近年的强度已经提高至4.0GPa。
    现从钢材开发的观点，介绍采用过共析钢的钢帘线的高强度化。
    2 钢帘线的生产工艺
    上图表示从线材生产钢帘线的工艺流程概要：中间的铅浴淬火处理只要可能就会省略，考虑高强度化的场合，将钢的成分、最终拉丝工序的组织调整和最终拉丝加工方法等3个要素很好组合，实现目标强度和韧性，从而在最终工序达到稳定捻制加工的目的。在该捻制加工中，捻制多股单根钢丝时，需将之弯曲和扭绞，故钢丝须有耐加工的延性。
    3 珠光体组织
    3.1 珠光体的组织因子
    一般认为，高碳钢珠光体的组织因子有以下3个：①层状间隔即渗碳体之间的间隔；②珠光体集群即层状方向相同的区域；③珠光体区块即与层状方向无关，而与铁素体结晶方位相同的区域。
    在作为组织单元的最小层状间隔方面，有Embury和Langford等关于与珠光体钢强度相关的研究，以及Zener关于恒温相变温度变化的研究。高桥等人利用蚀痕法测定了珠光体区块尺寸，发现其尺寸与扭绞值相关。近年，随着利用EBSD（电子反向散射衍射）法使结晶方位测绘变得容易的同时，增加了少量珠光体区块的测定和解析珠光体集群的研究。
    3.2 恒温相变组织
    在最终的铅浴淬火工序中，将钢丝的组织调整为珠光体。例如将JIS SWR S82A（下简称S82A）分别在530℃和570℃进行铅浴淬火后，再进行SEM（扫描电镜）观察的图片表明：在530℃淬火处理时，组织除珠光体以外，还生成了上贝氏体；而在570℃淬火处理时，组织基本上都变成了珠光体。Zener等人认为，层状间隔与过冷度成反比，一般相变温度越低，则层状间隔越小；另外，田代均等人详细调查了合金元素的作用，发现加Cr使层状间隔变得细小。
    3.3 恒温相变温度和力学性能的关系
    试验研究表明，φ2mm的S82A钢丝的拉伸强度（TS）和断面收缩率（RA）与钢丝最终铅浴淬火处理的恒温相变温度密切相关，即随相变温度的变化而变化。从上述三者的关系图可知：若淬火处理的恒温相变温度为440～570℃，相变组织就会成为珠光体和上贝氏体的混合组织；为了获得单一的珠光体组织，就必须进行570℃以上的铅浴淬火处理；为了提高钢丝的拉伸强度（TS），若将铅浴淬火温度降至570℃以下，则相变组织中就会混有少量的上贝氏体组织。
    4 拉拔造成的力学性能和组织变化
    4.1 应力-应变曲线的变化
    从将高碳钢进行拉拔加工所得钢丝的应力-应变曲线（此曲线是将φ1.7mm S82A钢丝在570℃进行铅浴淬火而调整为珠光体组织，然后拉丝加工所得）可知，随着钢丝实际应变量ε的增加，其强度变高，总延伸率变小。由于拉拔而产生的加工硬化行为和断面收缩率等延性指标，也根据所使用的拉模、润滑剂、拉丝速度的不同而变化。另外，从断面收缩率（RA）随ε的变化曲线可知，当拉丝加工量到实际应变量ε=2时，断面收缩率变大了，然后就缓慢下降；若继续加工，就会快速脆断，断面也没有收缩。
    4.2 拉拔变形的加工硬化曲线
    为了查明拉拔变形的加工硬化曲线，采用了直角坐标图进行了如下研究：横坐标以应变量表示断面收缩率，纵坐标表示S82B钢丝在各种断面收缩率下的拉伸强度。作为参照，还示出了Langford等人用0.007％纯铁铁丝进行相同拉拔试验的应力曲线。由比较可知，珠光体钢（S82A）的强度高，加工硬化率极大。
    5 拉丝加工的珠光体组织变化
    96ACr（0.96C-0.2Si-0.3Mn-0.2Cr）钢因拉丝加工而引起的组织变化，是用TEM（透射电镜）观察拉拔钢丝横断面组织而查明的：由于拉拔加工，使组织中珠光体间隔变狭窄了，铁素体中的位错密度增大了；并且，层状的方向与拉丝方向一致，从而形成了<110>的铁素体织构。
    观察0.96C钢拉丝的实际应变到5时，其纵断面的组织可知：当实际应变为3.58时，珠光体层状就沿着拉丝的方向；当实际应变达5.11时，清楚地看到层状边界变得不明显了。最近，通过研究表明，在实际应变1.6的材料上，发生了渗碳体分解、再固溶的事实，并对其机理进行了研究，认为渗碳体的分解使延性下降。
    6 高强度化的方案
    关于钢丝的高强度化，落合征雄等人在上世纪90年代就提出了如下的3种方法：
    Δб1——进行铅浴淬火而使强度上升；
    Δб2——进行加工（即变形）而使硬化率上升；
    Δб3——进行拉丝而使变形量增加。
    而且，还提出了使上述3项之和最大化的问题。具体而言，Δб1和Δб2主要依赖钢材成分和铅浴淬火处理条件；而Δб3则比这些更大地依赖于拉模的断面收缩率、润滑剂、镀铜条件等拉丝加工技术。另外，经拉丝加工后，为了改善在各种各样弯曲加工中的延性，也研究了增加拉丝加工量的方法，以便利用附加的加工来改善材料的延性。
    6.1 过共析钢的高强度化
    这里，对上述的过共析钢的3种强化方法分别说明如下。
    （1）对于Δб1的效果
    研究了铅浴淬火0.9％C和0.8％C钢时，铅浴淬火温度与淬火强度之间的关系。结果表明，所有的场合下，都是淬火后的强度随铅浴淬火温度的增高而增大。淬火后的变形应力б能用铁素体的强度бα和渗碳体的强度бθ的复合规律表示如下式：б=Vθбθ+Vαбα
    上式中的Vθ为渗碳体的体积分率、Vα为铁素体的体积分率。
    由于钢的碳含量增加会使渗碳体的体积分率Vθ增加，故钢材强度会随碳含量的增高而增大。在近年的研究中，Tomota等人查明渗碳体的强度约为5GPa；而且，由于钢丝层状间隔的细化，бα也上升了。另外在调查经铅浴淬火处理钢丝的淬火温度与层状间隔的关系时，发现无论是否加Cr，都是碳含量越高的钢丝的层状间隔越细。
    （2）对于Δб2的效果
    比较了S82A和92ACr（0.92C-0.2Si-0.3Mn-0.2Cr）钢经拉丝加工后的强度变化情况（见图1），结果查明，后者的强度比前者增高很多，即钢的过共析化使加工硬化率增大。其机理是因拉丝加工细化了间隔，增加了位错密度；同时，在实际应变ε≥2的情况下，也受到了渗碳体分解而使碳再固溶于铁素体中的固溶强化影响。
    今后，特别期待分别对位错密度的上升、渗碳体的分解、钢丝织构、固溶强化进行定量化研究，以进一步查明钢丝的强化机理。
    （3）对于Δб3的效果
    落合征雄等人通过试验研究指出，在过共析钢上，先共析渗碳体的生成可因最终铅浴淬火处理而受到抑制、且无害化。田代均等人认为，层状渗碳体量多的过共析钢的加工极限比共析钢的要小。在高强度化方面，过共析钢化的特点可以理解如下：由于可增大Δб1（铅浴淬火强度的上升）和Δб2（加工硬化率的上升），故在获得相同强度的条件下，可以降低必要的Δб3。因此，过共析钢可以比较容易地获得综合的高强度。
    落合征雄等人还认为，抑制上贝氏体的产生能有效防止拉丝过程中发生的层离（也称脱层或分层）；而长尾护等人也指出，向过共析钢中加硼可抑制伴随先共析渗碳体发生的第2相铁素体，有助于抑制层离。用试验分别调查了92ACr和S82A钢的铅浴淬火温度与非层状组织间的关系（见图2），结果查明作为过共析钢的92ACr，抑制了以上贝氏体为主体的非层状组织的出现。层离是在扭绞之初发生的纵裂现象。在扭绞钢丝的加工中，是否发生层离一直是钢丝的延性指标之一。
    6.2 过共析钢的强度水平
    被用作高强度胎用钢丝的钢的主要代表性成分和强度如下表1所示。
    由表1数据可知，在直径相同的条件下，各种过共析钢的强度可达3.9～4.2GPa（即3900～4200MPa）水平。
   
               表1     过共析钢胎用钢丝的成分和强度
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      C      Si     Mn     Cr    硼    钢丝直径，mm  拉拉强度，GPa
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    0.92    0.2    0.5     -     -        0.2          3.9～4.0
    0.92    0.2    0.3    0.2    -        0.2            4.0
    0.96    0.2    0.3    0.2    -        0.2            4.1
    0.99    0.2    0.4    0.3  0.002      0.2            4.2
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    7 今后的高强度化课题
    以上对采用过共析钢的汽车轮胎钢丝的高强度化进展情况进行了说明。在所介绍的高强度钢丝的过共析钢化方案中，虽未考虑渗碳体的分解，但考虑了采用过共析钢抑制加工量的情况，也有利于抑制渗碳体的分解。如大藤善弘等人用0.9％C钢进行实际应变为4的拉丝加工，在拉伸强度（TS）=3.9GPa的钢丝上，从渗碳体分解出0.4％C。而且在强度上升的场合，渗碳体的分解是不可避免的，故在钢丝的强化指针中加进这个因素是必要的。
    并且，拉丝加工技术的提高也使增大断面收缩率变得可能了，这对于提高Δб3是重要的。长尾护等指出，采用多道次平整拉丝有可能抑制层离缺陷，从而生产出4200MPa的φ0.2mm轮胎用钢丝。这表明，拉丝加工厂家的热处理技术、拉丝加工技术是与高强度化密不可分的技术。
    另一方面，还有人进行了实际应变超过4的各领域的研究：Ivanisenko利用0.8％C钢的HTP试验使渗碳体完全分解，而获得了毫微（10-9）结晶的铁素体；此时的硬度达11GPa；Hono等人利用过共析钢实际应变为5.1的加工，获得了铁素体的毫微纤维组织，虽显示了可实现高强度化的潜力，然而，关于毫微结晶材料的实用化尚待时日。
    火藤善弘等人还在研究报告中指出了过共析钢的组织控制的可能性，即若在亚稳定奥氏体区域加工高碳钢而进行恒温相变，就可以抑制先共析渗碳体的生成。
    采用珠光体组织的轮胎用钢丝的高强度化领域，是一个仍有诸多课题需要研究并值得研究的领域。世界人士都期待查明一个又一个未解现象，并推进高强度化的进程。
    8 结语
    关于过共析钢的高强度化技术，新日铁已进行了15年以上的研究和开发。
    由于加工技术的提高和高强度化需求的高涨，0.9％C级过共析钢的用量正在开始增加。
    因此，如何进一步对之进行深入的理论研究和实用技术开发是今后的重要课题。