電鍍鍍層對簾線黏合剝離性能影響

李 吶，周志嵩，寇首鵬，余育軍，劉湘慧，魏于博

（1.江蘇興達鋼簾線股份有限公司，江蘇 泰州 225721；2.江蘇省結構與功能金屬復合材料重點實驗室；江蘇 泰州 225721）

鋼簾線作為橡膠骨架增強制品，在輪胎的胎體層和帶束層應用廣泛，輪胎生產中鋼絲簾線成本約占10 %［1?4］，且其對輪胎自身強度和剛度以及輪胎行駛中承載性、操控性、安全性、耐久性、穩定性和使用壽命等均有重要影響［5?8］。鋼簾線與輪胎橡膠的結合是通過鋼絲表面黃銅鍍層與橡膠硫化后發生膠聯反應而建立，其與橡膠的黏合好壞對鋼簾線用于輪胎后的性能非常重要［9?15］。黃銅鍍層是由銅和鋅構成的合金鍍層，鍍層銅鋅比例的變化必然導致簾線與橡膠黏合層附著力的差異，故黃銅鍍層是影響簾線與橡膠黏合性能的重要因素［2，12］。

鋼簾線生產中黃銅鍍層的沉積是在電鍍工序，其在鋼絲表面沉積的黃銅是簾線與橡膠產生強膠聯的黏合劑［16?20］，故電鍍工序也是簾線生產的核心。因此本文通過對電鍍工藝的調整進而控制黃銅鍍層的變化，分別得到不同系列的電鍍鋼絲，繼而拉拔捻制為相應規格簾線，考察鍍層的變化，即鍍層重量、鍍層百分銅含量和鍍層表層銅含量對簾線黏合性能、剝離性能的影響，為鍍層改變對簾線和橡膠黏合帶來的影響機制奠定基礎。

1 實 驗

1.1 原 料

經熱處理后的Φ1.72 mm C82DA鋼絲若干輪。

1.2 實驗樣品的生產

分別生產不同鍍層重量、鍍層百分銅含量和鍍層表層銅含量的3 個系列1.72 mm 電鍍黃銅鋼絲，生產工藝流程見圖1。3 個系列電鍍鋼絲的工藝區別在于：不同鍍層重量和鍍層百分銅含量的鋼絲通過調整電鍍銅和電鍍鋅的電流進而控制鋼絲鍍層中銅鋅含量，不同鍍層表層銅含量的電鍍鋼絲是通過控制中頻熱擴散爐的加熱和保溫功率從而獲得所需鋼絲。將得到的1.72 mm 電鍍鋼絲分別經過同臺濕拉機床及相同拉拔工藝獲得0.30 HT 濕拉單絲，后將0.30 HT 單絲以同臺捻股機床和相同捻制工藝分別合繩為2×0.30 HT 鋼簾線。濕拉和合繩選用同臺機床和相同工藝避免了簾線生產中其他因素的干擾，更有利于后續性能測試的準確。

圖1 鋼簾線樣品生產流程圖Fig.1 Flow chart of steel cord samples production

1.3 樣品性能測試

美國瓦里安ICP720ES 電感耦合等離子原子發射光譜儀用于鋼絲鍍層重量、鍍層銅含量及鍍層表層銅含量的檢測；江陰市華豐橡機有限公司XLB?500 平板硫化機用于鋼絲簾線黏合和剝離性能的硫化實驗；德國ZWICK?Z010 拉力試驗機用于簾線黏合實驗中鋼絲抽出力的檢測及剝離實驗中簾線和膠片的分離；德國蔡司2000?C 體視顯微鏡用于剝離后簾線和橡膠界面處二者結合情況檢測。

2 結果與討論

2.1 鋼絲鍍層重量對簾線黏合剝離性能影響

分別生產6 輪不同鍍層重量的1.72 mm 電鍍黃銅鋼絲，鋼絲的鍍層成分含量分布見圖2。6輪鋼絲依鍍層重量由小至大分別命名為D1～D6，樣品生產工藝為保持樣品D1～D6 的電鍍銅、電鍍鋅電流密度不變，即鍍銅、鍍鋅電流分別為48 A 和28 A，通過控制收線速度來控制鋼絲鍍層上鍍量，樣品D1～D6 的收線速度分別為40 m/min、30 m/min、24 m/min、20 m/min、17 m/min 和15 m/min。鍍層重量以W表示，是指每公斤被鍍鋼絲所上鍍金屬的克數，單位為g?kg?1，鍍層中銅的質量占整個鍍層質量的百分含量以Cu%表示。由圖2 可知，控制D1～D6 電鍍鋼絲的鍍層重量呈階梯上升，范圍為1.93～5.39 g?kg?1，同時控制鍍層Cu%含量在62.92%～63.90%，6 輪鋼絲百分銅差異在1 %以內，也說明鍍層中銅含量基本一致，以防止鍍層中因銅量差別較大對鍍層重量系列鋼絲黏合剝離性能產生影響。

圖2 不同鍍層重量電鍍鋼絲的鍍層成分Fig.2 Coating composition of electroplated steel wire with different coating weight

將6 輪1.72 mm 不同鍍層重量的電鍍黃銅鋼絲分別經濕拉拉拔為0.30 HT 單絲，所謂單絲是指在簾線中作為單獨元件使用的金屬細絲，后將鍍層重量系列0.30 HT 單絲分別合股為6 輪2×0.30 HT 簾線。6輪簾線的化學性能見表1，可見簾線經拉拔捻制后鍍層重量變化如電鍍黃銅鋼絲亦是由小及大，D1～D6 鍍層重量變化范圍1.84～5.05 g?kg?1，與電鍍黃銅鋼絲鍍層重量1.93～5.39 g?kg?1相比略微降低，這是因為電鍍鋼絲經拉拔捻制后會損失部分鍍層，即會產生一定拉拔捻制鍍層損失，鍍層損失主要是由于濕拉拉拔過程中由于鋼絲表層與模具之間的擠壓摩擦以及表面鍍層與潤滑劑發生的腐蝕磨損導致鋼絲表層部分鍍層脫落在濕拉機床里。從表1可以看出，當電鍍鋼絲鍍層重量由1.93～5.39 g?kg?1經拉拔捻制為2×0.30 HT 簾線，其鍍層損失呈現先增大后減小的趨勢。6 輪簾線的百分銅變化范圍在63.38 %～64.12 %之間，差異小于1 %。

表1 鍍層重量系列2×0.30 HT簾線化學性能Tab.1 Chemical property of 2×0.30 HT steel cord for coating weight series

6 輪D1～D6 不同鍍層重量2×0.30 HT 簾線采用同種同批次膠料對其進行黏合性能檢測，硫化條件均為161 ℃×20 min，簾線埋膠深度為12.5 mm，D1～D6 簾線的黏合抽出力見圖3。圖3 中POF 代表簾線黏合抽出力，單位為N，其值大小代表簾線和橡膠的結合強度?？梢郧逦吹?，D1～D6 簾線鍍層重量在1.84～5.05 g?kg?1時，簾線黏合性能隨著鍍層的增大基本呈現先增加后減小的趨勢，當簾線鍍層重量在2.47～4.34 g?kg?1之間，其黏合抽出力處于較高水平，這也說明在此鍍層區間簾線和橡膠黏合強度更高。

圖3 不同鍍層重量簾線的黏合性能Fig.3 Adhesion property of steel cord with different coating weight

將D1～D6 不同鍍層重量簾線進行剝離性能測試，測試結果使用德國蔡司2000?C 體視顯微鏡觀察，用于監測簾線和橡膠界面二者結合情況，具體見圖4 所示?？汕逦闯?，D1～D6 簾線隨著鍍層重量的增加，簾線與橡膠界面處暴露的鋼絲點數由多至少再至多的規律，二者界面處鋼絲露點越少，說明簾線更易于橡膠黏附，反之亦然，由此可見D1～D6 簾線的剝離情況與黏合現象表現一致，即當簾線鍍層重量處在2.47～4.34 g?kg?1之間時，更有利于簾線與橡膠的黏附和黏合。

圖4 不同鍍層重量簾線的剝離性能視圖Fig.4 Views of peeling property of steel cord with different coating weight

2.2 鋼絲鍍層銅含量對簾線黏合剝離性能影響

生產系列不同鍍層百分銅含量1.72 mm 鋼絲，按照百分銅由小至大分別命名為C1～C5，5 輪電鍍鋼絲的鍍層成分含量見圖5，圖中W為鋼絲鍍層重量，即每公斤鋼絲上鍍金屬的克重，單位為g?kg?1，Cu %為鋼絲鍍層中銅含量所占鍍層總質量的百分比，C1～C5 的鍍層Cu%范圍分布在57.03 %～68.67 %，鍍層重量分布范圍在3.79～3.87 g?kg?1，鍍層重量C1～C5 的差距在0.1 g?kg?1以內，以避免因鋼絲鍍層重量差異較大對百分銅系列鋼絲簾線黏合剝離性能產生影響。

圖5 不同鍍層百分銅電鍍鋼絲的鍍層成分Fig.5 Composition of the coating of electroplated steel wire with different copper percentage of the coating

將C1～C5系列不同鍍層百分銅1.72 mm電鍍黃銅鋼絲經同臺濕拉機床、相同拉拔工藝下經1.72 HT→0.30 HT 模鏈，得到0.30 HT 單絲，即組成簾線的單根細金屬絲，后經同臺捻股機床和相同捻制工藝合繩為2×0.30 HT 簾線，C1～C5 簾線的理化性能見表2。其中C1 電鍍鋼絲（W：3.87g ?kg?1，Cu%：57.03 %）經濕拉拉拔后斷絲，故無C1 簾線樣品。拉拔斷絲原因可能是由于鍍層中整體銅含量偏低導致，使得黃銅延展性較差，故而出現拉拔斷絲現象。從表2 鋼絲拉拔后鍍層損失數據也可以看出，隨著Cu%含量的增加，鋼絲鍍層損失逐漸下降，從7.1 %下降為5.5 %，這也說明百分銅含量的增加使得鋼絲更有利于拉拔。簾線C2～C5 的鍍層重量范圍在3.52～3.62 g?kg?1，各樣品差異在0.1 g?kg?1以內，Cu%范圍在61.30 %～69.18 %。

表2 鍍層百分銅系列2×0.30 HT簾線化學性能Tab.2 Chemical property of 2×0.30 HT steel cord for copper percentage series of the coating

不同鍍層百分銅C2～C5 簾線的黏合性能見圖6，硫化條件為161 ℃×20 min，簾線埋膠深度為12.5 mm，圖6 中縱坐標為黏合抽出力，即POF，單位為N。由圖6 可知，隨著簾線鍍層百分銅的增加，在61.30 %～66.36 %范圍之間，簾線黏合抽出力相差較小，當鍍層百分銅升至69.18 %時，出現明顯降低，因此，結合上述分析，簾線鍍層百分銅處在61.30 %～66.36 %范圍之間具有較好的黏合性能，百分銅偏低不利于鋼絲拉拔，鍍層損失偏高，容易出現斷絲，百分銅偏高不利于簾線與橡膠的黏合。

圖6 不同鍍層百分銅簾線的黏合性能Fig.6 Adhesion property of steel cord with different copper percentage of the coating

對不同鍍層百分銅C2～C5 簾線進行剝離性能測試，簾線和橡膠黏附情況如圖7?？梢钥闯?，當簾線鍍層百分銅含量在61.30 %～66.36 %時，簾線與橡膠具有較佳的黏附效果，當鍍層百分銅含量升至69.18 %時，二者黏附界面不良，鋼絲露點數明顯增加，這與黏合性能分析結果一致，即當簾線鍍層百分銅含量在61.30 %～66.36 %時具有較好的黏合和剝離性能，當鍍層百分銅偏高時其黏合和剝離不良，當鍍層百分銅明顯偏低時，主要是引起鋼絲拉拔不暢甚至無法拉拔。

圖7 不同鍍層百分銅簾線的剝離性能視圖Fig.7 Views of peeling property of steel cord with different copper percentage of the coating

2.3 鋼絲鍍層表層銅含量對簾線黏合剝離性能影響

通過控制電鍍線中頻熱擴散爐的加熱和保溫功率生產系列不同鍍層表層銅含量1.72 mm 電鍍鋼絲，電鍍鋼絲依表層銅含量由小至大，分別命名為B1、B2 和B3，鋼絲具體鍍層參數見圖8。圖中W是指鍍層重量，即每公斤鋼絲上金屬鍍層的克重，單位g?kg?1，Cu%是指鋼絲鍍層中銅含量所占整體鍍層質量的百分比，以%表示，鋼絲鍍層表層銅含量即是1 g Cu%，具體指鋼絲鍍層表層1g/kg 鍍層重量中銅所占的質量百分比，以%表示。1.72 mm 鋼絲的表層銅含量，即1 g Cu%是指鍍層自表面向內部0.4 μm 及以內鍍層。由圖8 可知，不同表層銅含量鋼絲的鍍層重量范圍為3.85～3.88g?kg?1，鍍層百分銅含量在62.97 %～63.33 %，鋼絲鍍層重量差異在0.1g?kg?1以內，同時鍍層百分銅差異在1%以內，3輪鋼絲鍍層表層銅含量由小至大分別為57.82 %、59.38 %和62.22 %。

圖8 不同鍍層表層銅含量電鍍鋼絲的鍍層成分Fig.8 Composition of coating of electroplated steel wire with different copper content of coating surface

將不同表層銅含量1.72 mm 電鍍鋼絲經同機床和相同工藝拉拔捻制為2×0.30 HT 簾線，簾線對應樣品編號為B1、B2 和B3。B1～B3 簾線相關化學性能見表3，從表3 可知簾線鍍層重量范圍在3.51～3.57g?kg?1，鍍層百分銅含量在63.77 %～63.98 %，差異分別在0.1 g?kg?1和1 %以內，與電鍍鋼絲鍍層相對應。鋼絲鍍層損失隨著表層銅含量的增加而降低，這與鍍層銅含量的規律一致，也說明鋼絲鍍層中無論是百分銅含量或表層銅含量的偏低，均不利于拉拔。表3中未列出鋼絲經拉拔捻制后簾線的表層銅含量，原因是1.72 mm 電鍍鋼絲經拉拔為0.30 HT單絲，鋼絲絲徑總壓縮率幾近97 %，導致單絲鍍層厚度相較于電鍍鋼絲極大幅度減薄，無法準確控制表層1g?kg?1鍍層重量，因而此處未列出。

表3 鍍層表層銅含量系列2×0.30 HT簾線化學性Tab.3 Chemical property of 2×0.30 HT steel cord for coat‐ing surface series with different copper content

將系列B1～B3 不同表層銅含量簾線在相同測試條件下進行黏合性能檢測，硫化條件為161 ℃×20 min，簾線埋膠深度為12.5 mm，具體數據見圖9，圖中縱坐標為簾線與橡膠的黏合抽出力，以POF 表示，單位為N，可見B1、B2 和B3 簾線的黏合數據基本一致，說明鋼絲鍍層表層銅含量在57.82 %～62.22 %之間對簾線和橡膠的黏合未見明顯影響，也說明在此范圍內鋼絲表層銅的變化對簾線和橡膠的結合強度無不利影響。

圖9 不同鍍層表層銅含量簾線的黏合性能Fig.9 Adhesion property of steel cord with different copper content of coating surface

B1～B3 簾線進行剝離性能測試，剝離情況見下圖10?？梢郧逦闯?，當鋼絲表層銅含量在57.82 %～62.22 %時，對應簾線與橡膠的剝離性能均良好，這也說明此范圍內鋼絲表層銅含量的變化未對簾線和橡膠的黏附造成不良影響，此規律與黏合性能相似。結合上述分析可知，鋼絲表層銅含量在57.82 %～62.22 %之間變化，未對簾線黏合和剝離性能產生不利影響，其主要是影響鋼絲的拉拔，其規律與鍍層百分銅的規律呈現一致性，即隨著鍍層銅含量或表層銅含量的升高，有利于鋼絲的拉拔，鋼絲拉拔的鍍層損失下降。

圖10 不同鍍層表層銅含量簾線的剝離性能視圖Fig.10 Views of peeling property of steel cord with different copper content of coating surface

3 結論

以不同電鍍工藝分別生產批量1.72 mm 電鍍黃銅鋼絲，按照相同工藝拉拔捻制為2×0.30 HT 簾線，用以考察鋼絲鍍層對簾線黏合和剝離性能的影響。實驗結果表明：當簾線鍍層重量在2.47～4.34 g?kg?1之間，簾線與橡膠有良好的黏合強度和黏附效果；簾線鍍層百分銅在61.30 %～66.36 %之間具有較好的黏合性能和剝離性能；鋼絲鍍層表層銅含量在57.82 %～62.22 %之間，對簾線與橡膠的黏合和剝離無明顯及不利影響；當鋼絲百分銅含量或表層銅含量偏低時，不利于鋼絲的拉拔，增加了鋼絲鍍層損失。