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梦得杯—镀覆技术论文大赛丨钢帘线用热浸镀黄铜钢丝的微观组织及力学性能【杨巍峰 钱庆生 杨小芹】

   2020-06-19 1500
核心提示:​钢帘线用热浸镀黄铜钢丝的微观组织及力学性能杨巍峰,钱庆生,杨小芹(中亿丰建设集团股份有限公司;盈锋紧固系统(无锡)有限公
 

钢帘线用热浸镀黄铜钢丝的微观组织及力学性能

杨巍峰,钱庆生,杨小芹(中亿丰建设集团股份有限公司;盈锋紧固系统(无锡)有限公司;无锡轻大建筑设计研究院有限公司)

 

作者简介:杨巍峰,工程师,主要从事建筑用钢铁材料性能方面的研究。

 

文章全文

当前用于制造钢帘线(橡胶骨架材料)或切割线的冷拔珠光体钢丝电镀黄铜工艺需经过登(patenting)处理、酸洗、电镀铜、电镀锌、热扩散处理等工序。

 

其中派登处理主要有水浴和铅浴两种方式,水浴用高分子聚合物淬火液价格昂贵,铅浴严重污染环境。登处理后需通过酸洗来清除钢丝表面残留的氧化物,当前主要采用盐酸洗,而盐酸易挥发的特性导致生产厂家的环保成本加大。

 

电镀铜/锌后热扩散所得黄铜镀层与钢丝之间仍属于电沉积结合,结合力较弱,因此电镀钢丝经水箱拉丝机拉拔后黄铜镀层的损失率高。另外,电镀黄铜层存在Cu、Zn浓度梯度,易形成脆性较高的β相黄铜,使得在水箱拉丝过程中的断丝率也高。

 

为了解决上述钢帘线企业生产过程中存在的问题,本文通过将冷拉后的0.92%C珠光体钢丝浸入980 °C熔融的黄铜合金中,在钢丝表面获得均匀、力学性能优异以及粘合性能良好的黄铜镀层,从而省去传统工艺中的繁琐工序。

 

1 实验

1. 1 钢帘线用钢丝热浸镀黄铜工艺

采用某顶尖钢铁企业提供的直径5.50 mm的0.92%C拉丝盘条,其化学成分为:C 0.919%,Si 0.190%,Mn 0.320%,P 0.019%,S 0.005%,Cu 0.006%,Cr 0.210%,Ni 0.028%,Al 0.004%,Sn 0.004%。

 

采用干式拉丝机将盘条连续拉拔成直径1.80 mm的干拉钢丝,再分别进行不同方式的镀黄铜处理:

 

(1)电镀黄铜:派登处理→焦磷酸盐体系预镀铜→硫酸盐体系镀铜→硫酸盐体系镀锌→热扩散处理。所得样品简称为电镀钢丝。

 

(2)热浸镀黄铜:钢丝经过助镀后浸入(980 ± 10) °C熔融的黄铜液(黄铜锭的铜含量为63.5% ± 1.0%)中40 ~ 50 s,取出后空冷至室温。为了防止钢丝表面生成氧化锌薄膜,在镀黄铜槽后增设磷酸槽清洗。所得样品简称为热浸镀钢丝。

 

1. 2 热浸镀黄铜的性能表征

如图1所示,将热浸镀黄铜钢丝的横截面分为边部、中部和心部3个物理区域,每个区域平均分为8份,在每等分中随机选取5个点(即每个区域选取40个点),采用Sirion 200型场发射扫描电镜(SEM)分析组织结构和测量珠光体片层间距。

 

为了尽可能地保证所测珠光体片层间距的准确性,用于测量片层间距的珠光体团的片层平面与磨面垂直。

 

按照表1的湿拉工艺,采用NMG6/25型立式湿拉机对镀黄铜钢丝进行24道次拉拔,即得直径D为0.30 mm的单丝。湿拉前将湿拉模具全部重新更换,每种钢丝连续湿拉1 t。

根据GB/T 239.1–2012《金属材料 线材 第1部分:单向扭转试验方法》,采用M/C型分层测试仪对湿拉单丝进行分层测试,试样标距L = 200D,拉伸载荷F = 0.01Fm(Fm为单丝破断力)。

 

采用EJJ-1型扭转试验机检测湿拉单丝的扭转次数,扭转试样标距和拉伸载荷与分层试验相同。

 

采用美斯特CMT4020型拉伸试验机测量单丝的破断强度和钢帘线的粘合力。按照图2所示的横截面和纵截面法测量单丝的镀层厚度,测量位置都不少于20个。

 

采用Sirion 200型场发射扫描电镜(FE-SEM)及其附带的Oxford能谱仪(EDS)分析热浸镀黄铜钢丝和湿拉后单丝镀层的成分(质量分数)。

 

截取热浸镀和电镀黄铜钢丝各20根,先采用日本理学MiniFlex型X射线衍射仪(XRD)分析它们的物相组成,再借助MDI Jade软件计算各物相的质量分数。

 

2 结果与讨论

2. 1 f1.80 mm钢丝镀层的结构和性能

2. 1. 1 镀层的形貌、组成及物相

从图3可知,热浸镀黄铜层与钢基体结合紧密,未发现漏镀和假镀现象。热浸镀和电镀黄铜层的厚度基本一致,均在3 ~ 5 μm范围内。

 

从图4可知,电镀黄铜层中的Cu、Zn原子浓度梯度明显,Zn的质量分数从基体与镀层界面处的31%升高到镀层表面的36%。而热浸镀钢丝的Zn质量分数变化不大,基本维持在36%。

 

由表2可知,电镀钢丝镀层中β-黄铜的平均质量分数为6.3%,而热浸镀钢丝镀层中β-黄铜的质量分数极低,甚至为零。

 

由图5可知,电镀钢丝和热浸镀钢丝的片层间距排列均为边部 < 中部 ≤ 心部,两种镀黄铜钢丝珠光体片层间距的平均值都呈从边部到心部逐渐增大的趋势,这是由于钢丝边部先与淬火介质或空气接触,过冷度偏大,优先发生伪共析相变,而且产生的相变热等过程使得中部和心部的伪共析转变温度高于边部。

 

另外,热浸镀钢丝3个区域的珠光体片层间距波动远远小于电镀钢丝,这是由于热浸镀黄铜槽的热传递效率比传统的燃气加热炉高,并且传热均匀,可以保证钢丝充分受热,使钢丝韧化处理后组织均匀。

均匀的珠光体片层的直观体现就是钢丝的力学性能稳定(见表3),热浸镀钢丝的抗拉强度幅差和断面收缩率幅差均为电镀钢丝的一半不到。

 

由图6可知,电镀钢丝的横截面有先共析渗碳体,它们属于异常的硬脆相。热浸镀钢丝横截面的微观组织均为伪共析珠光体类组织,未见其他异常组织。

 

2. 1. 3 冷拉性能

湿拉试验发现,在连续生产过程中电镀黄铜钢丝有5次断丝,热浸镀钢丝则未发生断丝。电镀钢丝的湿拉断口均为颈缩状断口(见图7)。前期研究表明,镀层中的β相含量过高是导致电镀钢丝湿拉断裂的主要原因。由于电镀钢丝在热扩散过程中不可避免地会出现受热不均现象,导致Cu、Zn原子扩散不充分,因此镀层中β相含量偏高。

 

钢丝的加热方式和黄铜层的形成方式是造成电镀和热浸镀黄铜钢丝存在性能差异的主要原因。电镀钢丝是通过火焰直接喷射加热,有受热不均现象。

 

而热浸镀时钢丝是在温度均匀的熔融态黄铜中加热,整体受热均匀,保证了钢丝强韧化后组织的均匀性,这有利于提升钢丝的冷拉性能。

 

另外,热浸镀黄铜层与钢丝基体之间属于热扩散结合力,两者的界面处有金属间化合物生成,改善了镀层结合力,同时消除了镀层中Cu、Zn含量的变化梯度,避免了镀层中硬脆相的产生,改善了镀层的塑性变形能力。

 

2. 2 f0.30 mm单丝镀层的力学性能和粘合性能

2. 2. 1 镀层厚度

由图8可知,采用横截面法测得的电镀单丝镀层厚度为0.20 ~ 0.70 μm(平均值为0.38 μm),热浸镀单丝的则是0.24 ~ 0.50 μm(平均值为0.39 μm)。可见电镀单丝横截面的镀层厚度波动比热浸镀大。

 

从图9可知,纵截面法测得的电镀单丝的镀层厚度为0.077 ~ 0.239 μm(平均值为0.178 μm),并且有些区域的镀层很薄,基体几乎裸露。而热浸镀单丝的镀层厚度为0.284 ~ 0.483 μm(平均值为0.388 μm),镀层厚度分布较均匀,无基体裸露点。

 

2. 2. 2 力学性能和粘合性能

选取两种镀黄铜单丝各20根进行扭转分层试验,发现其中一根电镀单丝的扭转断口为麻花状,扭矩−扭转次数曲线呈现锯齿状(见图10a),说明电镀单丝存在分层现象,分层概率为5%。热浸镀单丝扭转断口为平断口,扭矩−扭转次数曲线呈抛物线状(见图10b),说明热浸镀单丝的扭转性能良好,无分层。

 

对两种单丝的抗拉强度和扭转值进行统计(见表4)后发现,电镀单丝的抗拉强度幅差和扭转幅差都是热浸镀单丝的2倍左右。显然热浸镀单丝的力学性能更稳定,不容易分层。

 

将两种单丝分别合股捻制成(2 × 1) × 0.30结构(其中2为股数,1为单丝根数,0.30为单丝直径)的钢帘线,再各选取20根进行粘合力试验,胶料由国际某知名轮胎企业提供,测试结果列于表5。

 

对比发现,热浸镀所得钢帘线的平均粘合力较电镀所得钢帘线的平均粘合力提升了11.5%。而且热浸镀所得钢帘线的粘合力稳定,幅差较小。

 

造成这种差异的主要原因是两种单丝表面黄铜镀层的均匀性不同,电镀单丝表面存在很多镀层极薄的区域,在硫化初期无法很好地与橡胶中的硫发生反应,从而导致粘合力偏低。

 

3 结论

通过热浸镀黄铜工艺生产的热浸镀黄铜钢丝与电镀黄铜钢丝相比具有微观组织均匀,力学性能稳定,黄铜镀层中不存在β硬脆相以及湿拉生产过程顺畅,无冷拔断丝等优点。

 

由热浸镀黄铜钢丝湿拉所得单丝具有镀层厚度均匀,力学性能、扭转分层性能稳定,捻制的钢帘线粘合性能优异等优点。

 

 
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