钢帘线具有强度高、柔性好等优点，是子午轮胎的主要骨架材料[1]，在推动汽车轻量化过程中起着重要作用。随着轮胎标签法颁布，这对钢帘线的强度要求进一步提高，特别是强度大于4000MPa的钢帘线，逐渐成为各大钢帘线生产企业争相追逐的目标。近年来我国钢帘线产能已处于国际前列，但绝大数只是中低端产品，高端产品市场仍被国外企业所占据，主要原因是国内钢帘线行业对高端产品生产缺乏技术支持，且生产体系不稳定[2-3]。因此，加强高端钢帘线开发力度，对实现高强度钢帘线生产自主化及提高国产钢帘线产品的国际竞争力具有双重意义。为实现钢丝高强度，需要采用各种强化手段，包括高碳超纯净盘条使用，大压缩率等[4]；同时，钢帘线是具有定长要求的产品，需进行韧化热处理等工艺[5]，防止钢丝出现分层断裂等缺陷，保证钢丝连续拉拔。本文从盘条生产、热处理、电镀及拉拔等方面对国内外高强度钢帘线制造技术进行了综述，旨在为高强度钢帘线生产提供指导，并展望了其发展前景。
1高强度钢帘线制造技术
1.1盘条生产工艺
钢帘线生产，要求湿拉单丝在100km内不允许出现断丝，这对钢帘线用盘条，特别是高强度钢帘线用盘条，提出了极其严格的要求，包括：化学成分范围、夹杂物、中心偏析、显微组织及表面质量等。Seiki[6-7]等通过化学成分优化设计，开发出拉拔性能优良的高碳盘条，其化学成分见表1。夹杂物(氧化物、硫化物等)、中心偏析是导致钢帘线在拉拔过程中发生断裂的重要原因。通过添加脱氧剂、转炉精炼、低碱度炼渣、电磁搅拌等技术可有效控制夹杂物大小、数量及中心偏析程度[8]，提高高碳盘条拉拔性能。神户钢铁采用炉渣精炼复合控制技术[9]，以耐火材料作为钢包，生产出一种超纯净高碳盘条，该盘条不需要通过韧化处理可直接拉拔成细规格特高强度钢丝。索氏体含量低、力学性能波动大是阻碍高碳盘条深加工的重要因素。有文献采用控冷工艺，对盘条进行强制冷却，获得具有较高面积率索氏体的高碳盘条。Shida[10]通过调整空冷方向，控制冷却速度，开发出Kobe-Kakogawa淬火工艺(KKP)，有效地提高了钢丝力学性能稳定性。研究发现[11]，当盘条中碳含量超过0.80%时，在珠光体晶界上将形成粗大的自由结构渗碳体，不利于钢丝拉拔。Syehkoiv[11]提出了三种解决途径：①以空冷速度大于25℃/s获得高面积率的索氏体组织；②加入V、Nb进行合金化，细化晶粒；③采用直接在线淬火工艺(DLP)，该工艺生产出的高碳盘条，具有抗拉强度高、塑性优良等优点[12]。
1.2热处理工艺
淬火处理是高强度钢帘线制造过程中最重要的热处理工艺，很大程度上决定了钢丝的拉拔性能，包括奥氏体化和相变冷却两个过程。明火炉加热是使钢丝快速奥氏体化的重要手段，其关键在于保持炉内温度及气体成分恒定。炉内温度易控制，而气氛难以控制，尽管在炉前设置进气喷嘴可以改善炉内气氛，但气氛总量发生变化。有研究报道[13]，在明火炉内涂覆预涂层可以维持整个炉内气氛在合理配比范围内，该涂层要求不能与绝热材料反应，且能够阻碍氧化铁和脱碳形成。近年来，感应加热技术逐渐被应用于钢丝奥氏体化处理，即缩短了加热时间，同时又可获得晶粒度为12～14级的超细晶粒[14]。相变冷却是为了获得冷拉极限值高的索氏体组织，目前最常用且成熟的工艺是等温铅浴淬火。Goto等[15]将经950℃奥氏体化50s后的高碳钢丝入550℃铅浴中韧化处理20s，得到高密度均匀的纳米级多晶层片状珠光体，如图1所示，该结构有利于钢丝深度变形。山崎真吾发现[16]，以大于5℃/s的冷却速度在600～800℃间进行高碳钢丝韧化处理，可限制贝氏体、先共析铁素体及粗大碳化物的生成，抑制坯材拉丝性能劣化。然而铅浴严重污染环境，危害人身健康，必将被取缔。贝卡尔特公司以熔融锡代替铅液，在约600℃下进行淬火，获得均匀的细晶粒索氏体组织[17]。Tyl采用流化床液体淬火技术(LQF)对钢丝进行淬火处理[18]，制得索氏体面积率较高的钢丝。水浴淬火是在水中加入高分子聚合物，提高蒸汽膜的稳定性，充分延长了膜态冷却过程，其冷却曲线如图2所示。水浴淬火有望取代铅浴淬火成为高碳钢帘线制造中首选淬火工艺。除淬火处理外，退火处理(发蓝处理)是高碳高强度钢丝制造中另一重要热处理工艺，主要应用于钢丝后处理。Park对拉拔后的0.86%C钢丝进行退火处理，试验发现[19]，在200℃温度下，退火15min，钢丝可获得较高强度，主要源于时效强化作用，而随退火温度继续升高，组织中片层渗碳体球化、片层铁素体回复导致时效软化，抗拉强度降低。Li[20]也提出类似的观点。Yong等[21-22]发现200℃退火还有利于提高高碳钢丝的疲劳性能，在200℃下，C、N离子扩散，内部位错合并及重排，生成更多硬化组织，同时消除残余应力，降低了裂纹的形成与扩展，延长了钢丝疲劳寿命。
1.3电镀工艺
镀层在钢帘线使用与加工过程中起着重要的作用：一、增强钢帘线与橡胶之间黏合强度；二、在拉拔过程中起到润滑作用[23]，因此镀层质量在一定程度上决定钢丝的深拉拔能力。然而在电镀时常常由于镀液配方不当、阴极跳针、表面缺陷等原因造成镀层出现缺陷，严重影响钢丝进行下一步湿式拉拔。席丙军等[24]通过调整镀液配方，制备出性能优异的黄铜镀层，完全满足钢帘线镀层质量要求，其具体配方如表2所示。程沪生等[25]将经高温处理、酸洗后的钢丝依次进行焦磷酸镀铜、酸性镀铜和硫酸盐镀锌，并在420～450℃下，通过热扩散得到铜、锌含量比为73:27的α相黄铜镀层，该结构的黄铜塑性好易变形，对钢丝连续拉拔有利[26]。Weidenhaupt[27]采用多区镀铜技术(MCBT)对钢丝表面进行电镀处理，电镀后，钢丝表面镀层均匀，湿拉断丝率仅为0.23次/t。“挂铅”是造成镀层不良的重要原因之一。有文献通过在铅浴锅后增设焦炭覆盖区，设计出一种既不改变原工艺，又能有效除铅的清洁工艺。当钢丝穿过焦炭覆盖区时，钢丝与焦炭相互摩擦，焦炭棱角如刷子般不断将钢丝表面的铅液刮掉，起到"刮铅"作用，且焦炭的硬度远低于钢丝硬度，不会对钢丝表面造成损伤。工业应用统计，经清洁处理后的钢丝镀层质量明显改善，断丝率降低了45%～65%。解决镀层缺陷的传统工艺是采用褪镀和复镀工艺。虽然处理后的钢丝基本恢复使用功能，但也增加了制造成本，且褪镀和复镀过程中，钢丝表面质量遭到一定程度破坏，并且多次使用镀液将增大环境污染的风险。有文献开发出一种镀层修复技术，该技术无需进行褪镀和二次电镀就可达到镀层修复目的，恢复钢丝连续拉拔能力，即简化了修复工序，又降低了能源消耗，而且该工艺可与后续湿拉工艺同步实施，提高了加工效率。工艺过程可见专利文件《钢帘线返镀装置》，专利号：ZL201320425351.8。
1.4拉拔工艺
提高压缩率是钢丝获得高强度的重要途径之一。但提高压缩率会导致钢丝在拉拔过程中产生更多的热量，加剧钢丝分层断裂，影响钢帘线产品的最终性能。张红田[28]分析了不同冷却条件下，高碳钢丝拉拔后性能产生差异的原因，设计出具有更大散热面积的拉丝模具，同时采用直接水冷的方式，有效地提高了钢丝塑韧性。有报道称[29]，采用流体动力润滑模进行高碳钢丝拉拔，可减小钢丝不均匀变形程度，降低内部残余应力，提高钢丝的疲劳强度和工艺性能。研究指出[30-31]，钢丝抗拉强度与疲劳强度随拉拔速度的增加而增加，但拉拔速度过快，易导致钢丝温度急剧升高，钢丝脆性增大。Lee等[32]研究了钢丝在高速拉拔时的温度变化(拉拔速度为2000m/min)，并根据实验结果，将拉拔道次从21道增加为27道，半模具角度从5°降为4°。在该工艺条件下，钢丝的温度变化如图3所示。可见，钢丝温度保持平稳，并低于200℃，说明钢丝变形均匀，有利于降低断丝及性能劣化倾向。姚海东等在研究拉拔道次的压缩率对钢丝抗拉强度影响时发现[33]，适当提高前几道次的压缩率，同时降低后几道次的压缩率，钢丝的抗拉强度提高，断裂频率降低。钟海平[34]将正交试验设计与BP神经网络结合，对钢丝拉拔工艺进行优化，得出最佳拉拔参数组合，如表3所示。经数值模拟验证，优化后钢丝轴向残余应力降低了41%，综合力学性能显著提高。
2展望
综上，尽管科技工作者对高强度钢帘线制造技术已进行了一系列研究，但目前国内该技术尚处于研发阶段，且部分工艺对环境存在明显的危害。因此，笔者认为高强度钢帘线研究可从以下几个方面入手：(1)深入地研究钢丝强化机理、拉拔断裂及疲劳断裂机理，寻求钢丝强度、塑韧性及抗疲劳性能协调增强途径，进一步开发出高品质钢帘线制造技术。(2)加强计算机模拟在钢帘线制造中的应用，不断完善拉拔与热处理过程中钢丝组织及性能变化算法，有助于模链设计、模具优化，提高工艺分析准确性，缩短工艺开发周期。(3)从环保、经济方面考虑，铅浴淬火工艺应以取缔，廉价且冷却特性优异的淬火介质是未来索氏体化热处理研究的关键。采用水基高分子溶液作为淬火介质，可获得均匀的索氏体组织，为索氏体化热处理工艺研究提供临床医学论文新方向。
作者：陶学伟 王章忠 毛向阳 朱帅帅 单位：南京工程学院 江苏省先进结构材料与应用技术重点实验室
