用于带束层上的直的单丝
本申请是2013年7月29日提出的、名称为“用于带束层上的直的单丝”的发明专利申请No.201310321016.8的分案申请
技术领域
本发明涉及充气轮胎用的单丝，特别是用在增强充气轮胎带束层上的单丝。本发明同时涉及由该单丝增强的充气轮胎带束层，和含有由该单丝增强的带束层的轮胎。
背景技术
一个充气轮胎主要包括：胎体结构，且至少有一个胎体层；胎面，放射状地位于胎体外侧；带束层结构，位于胎体和胎面之间。
现有US4819705A说明了一个低能耗的汽车用充气轮胎。这种轮胎有一个环形的带束层，它由两层橡胶织物构成，这种橡胶织物埋入直径不大于0.603mm的金属帘线。截面上相邻金属帘线之间的距离不大于1mm。这种金属帘线可能由三根，或者四根，更或者五根单丝扭转成绳而成，其中的单丝直径为0.12mm到0.25mm。作为金属帘线的一个替代选择，在以上范围内单根未捻制的钢单丝可能已被使用。
现有US5858137A进一步揭示了一个充气轮胎不仅保持了优秀操控特性，而且没有不可接受的带束层单丝破断的缺陷。充气轮胎至少有两层带束层，每层都包含一层直的钢单丝并以与轮胎赤道方向成10度到30度的方向排布。钢单丝按照每英寸25到60根排布，每根单丝直径为0.25mm到0.4mm之间，破断拉力至少为4080MPa-2000*D*95％，这里D为单丝直径，单位是mm，疲劳性能至少为3500个周期，通过三辊弯曲疲劳测试得出。
符合上述应用的单丝的生产工艺包含：先是盘条拉丝，拉到需要的单丝直径，然后通过矫直器矫直，这在JP3151118A或者KR20080002263U中均有表述。但是这种生产工艺有缺点，因为拉丝过程中产生了残余弯曲应力。第一，滚筒矫直器不能提供完美的矫直效果，因为矫直器不能充分释放单丝中的弯曲应力。第二，调节好矫直器是一个非常费时费力的工作，成本很高。第三，因为在大生产中单丝中的弯曲应力是变化的，矫直效果是不能保持的。例如，单丝的一部分是直的，另一部分却不是。
虽然上述的技术中的充气轮胎也是包括由单丝增强的带束层，但是仍然有空间去改善单丝笔直度的均一性和稳定性。
发明内容
本发明的目的之一是解决现有技术的缺点。
本发明的另一目的是提供一个用于充气轮胎上带束层增强用的直的钢单丝。
本发明的再一目的是保证钢单丝有更好笔直度的稳定性。
本发明的再一目的是得到了钢单丝，其中在大生产中笔直度的标准误差减小了。
根据本发明的一方面，一根用于充气轮胎带束层增强用的直的钢单丝的弓高小于30mm，最好小于20mm的特点。在本发明的内容里，单丝指的是未和其他单丝一起捻制的一根丝，但它可能沿自己的轴向被捻制。
本发明的一个更好体现是，钢单丝是沿着自身轴线捻制并产生塑性扭转变形。因为捻制，钢单丝得到了一个不同于0的表面扭转角度。钢单丝表面扭转角度应为0.5度到15度之间，最好为1度到5度之间。钢单丝的捻制有消除弯曲应力差异的优点。因为钢单丝的捻制在钢单丝的长度方向是保持稳定的，钢单丝不会出现太大的应力变量，所以，显示出了更好的稳定的笔直度。因此，直的钢单丝的弓高中值小于20mm，最好小于10mm。直的钢单丝弓高的标准误差小于3mm，最好小于2mm。
根据本发明的另外一个方面，充气轮胎的带束层是由弓高小于30mm的多根平行排布的直的钢单丝增强的。
多根平行的直的钢单丝可能沿不同的方向捻制，同时可能被交替性地埋入带束层，所以一根S捻向的单丝交替一根Z捻向的单丝，反之亦然。
多根平行的直的钢单丝可能沿不同的方向捻制，同时可能在带束层中形成独立的组。一组可能仅包含S捻向的单丝，另一组可能仅包含Z捻向的单丝，一组S捻向和一组Z捻向的钢单丝交替排布组成。
多根平行的直的钢单丝可能沿不同的方向捻制，同时可能在带束层中形成独立的组。每个组可能同时包括S捻向的单丝和Z捻向的单丝。
根据本发明的另一个方面，一个充气轮胎由由弓高小于30mm的直的钢单丝增强的带束层组成。
附图说明
附图1图示了通过沿着钢单丝轴向扭转并产生塑性扭转变形的工艺和设备。
附图1A图示了钢单丝的扭转方向。
附图1B图示了通过沿着钢单丝轴向扭转并产生塑性扭转变形的工艺和设备。
附图1C图示了通过沿着钢单丝轴向扭转并产生塑性扭转变形的工艺和设备。
附图2图示了通过沿着钢单丝轴向扭转并产生塑性扭转变形，且在一个工字轮上收入两根不同捻向单丝的工艺和设备。
附图3图示了通过沿着钢单丝轴向扭转并产生塑性扭转变形，且在一个工字轮上收入多根相同捻向的单丝的工艺和设备。
附图4图示了一个由多根平行直的钢单丝增强的带束层的横截面。
附图5图示了一个由多根平行直的钢单丝增强的带束层的横截面，其中的钢单丝是相同捻向的。
附图5A图示了一个由多根平行直的钢单丝增强的带束层的横截面，其中的钢单丝相同捻向的，在带束层中，相同捻向的单丝构成组合，且以组合形式放置。
附图6图示了一个由多根平行直的钢单丝增强的带束层的横截面，其中的钢单丝不同捻向的，在带束层中，不同捻向的钢单丝交替放置。
附图7和附图7A图示了一个由多根平行直的钢单丝增强的带束层的横截面，其中钢单丝是不同捻向的，在带束层中，不同捻向的钢单丝交替组合，且以组合形式放置。
附图8图示了一个由多根平行直的钢单丝增强的带束层的横截面，其中钢单丝是不同捻向的，在带束层中，相同捻向的单丝构成组合，不同捻向组合交替放置。
附图9图示了测量钢单丝弓高的方法和设备。
附图10图示了测量钢单丝表面扭转角的方法和设备。
具体实施方式
附图1图示了通过沿着钢单丝轴向扭转并产生塑性扭转变形的工艺和设备。这个装置是双捻机。2是钢帘线的生产装置，在GB20298251A中已有说明。这种双捻机2包括两个扭转盘15，它们是分开相对安装的。在这两个扭转盘15上，装有导轮14，18，24，28。两个飞轮环16和26连着两个扭转盘15。第一根单丝10从工字轮12上引出，经过导轮13和14，然后再经过飞轮环16，再到导轮18，最后收于工字轮19上。第二根单丝20从工字轮22引出，经过导轮23和24，经过飞轮环26，再到导轮28，最后收于工字轮29上。工字轮12和工字轮22是很好地置于双捻机2的转子上。飞轮环16，导轮14和导轮18组成第一根单丝10的旋转部分。操作时，当飞轮环16旋转一周时，第一根单丝10获得了与飞轮环16相同旋转方向的两次的扭转，第一次是在导轮14之前，第二次是在导轮18之后。我们定义单丝的扭转方向为在扭转点上沿着从旋转端到固定端的方向观察旋转部分的旋转方向。当旋转部分是顺时针方向，这就是S捻向。例如，在导轮14前的扭转位置，观察方向是从旋转端导轮14，到固定端导轮13。如果导轮14的旋转方向和飞轮环16的旋转方向是顺时针的，那么这就是S捻向。在导轮18之后的扭转位置，观看方向是从旋转端导轮18，到固定端工字轮19。如果导轮18和飞轮环16的旋转方向是顺时针的，我们叫这为S捻向。类似地，飞轮环26，导轮24和导轮28构成了第二根单丝20的旋转部分。因为单丝20的观看方向不同于单丝10，单丝10和单丝20即为不同的捻向。因此，工字轮19上的单丝10和工字轮29上的单丝20是不同方向进行塑性扭转的。
附图1A图示了钢单丝的扭转方向。当钢单丝表面的黄铜镀层被化学方法去除后，在钢单丝的表面上存在拉拔线条，其是由细小的凹槽构成的，这也就揭示钢单丝表面的捻向。放大了来看，取单丝10的一部分，垂直与双眼，置于一个平面上，单丝10表面的拉拔线条25从左上开始延伸至右下。我们称单丝10为S捻向。相对比地，单丝20上的拉拔线条25从右上开始延伸至左下，我们称单丝20为Z捻向。
附图1阐释的工艺有双重的优点：首先，随着飞轮环的每一个旋转，单丝受到的是两次的旋转或扭转。第二，两根钢单丝分别并同时被捻制。对比于单放线和单收线的单捻机，这里有四倍的产出。
附图1的工艺结果是本发明收线的一个方式：每个工字轮仅收单根一个捻向的直的钢单丝线。
附图1B图示了通过沿着钢单丝轴向扭转并产生塑性扭转变形的工艺和设备。双捻机2跟附图1所示的差不多，区别是去掉了连接于两个扭转盘15边缘的飞轮环16和飞轮环26。这种情况下，第一根单丝10从工字轮12引出，经过导轮13，导轮14，一边扭转盘15的边缘，再到另一边扭转盘15的边缘，导轮18，最后收于工字轮19上。第二根单丝20从工字轮22引出，经过导轮23，导轮24，一边扭转盘15的边缘，再到另一边扭转盘15的边缘，导轮28，最后收于工字轮29上。正如附图1所示那样单丝10和单丝20经过了类似的路线，收于工字轮19上的单丝10和收于工字轮29上的单丝20的捻制方向是相反的。
附图1C图示了通过沿着钢单丝轴向扭转并产生塑性扭转变形的工艺和设备。双捻机2同附图1所示的是类似的，区别是单丝10是从双捻机2的外面供线，收于工字轮19上，由双捻机2内部的收线系统驱动(图上未显示)。因为双捻机2内有限的空间，可能仅有一个如附图1C所示的收线系统。这样的话，单丝10由工字轮12上引出，经过导轮17，导轮18，再到飞轮环16，再到导轮14，导轮13，最后收于工字轮19上。
附图2图示了通过钢单丝轴向扭转得到钢单丝塑性扭转变形并且把两根捻制方向相反的钢单丝收于一个工字轮上的工艺和装置。单丝10，单丝20和双捻机2如附图1所示是一样的。区别是第二根单丝20是由一系列的导轮21引导，然后同第一根单丝10一起收于工字轮19上。因为单丝10和单丝20是不同捻向的，根据现有WO03/076342A1文献的技术，工字轮19上收入的是紧靠在一起的两根不同捻向的单丝。
附图2所示的工艺结果是本发明的第二种直的钢单丝的收线方式：每个工字轮上包含两根不同捻向的单丝，一根是S捻向，另一根是Z捻向。
附图3图示了通过钢单丝轴向扭转得到钢单丝塑性扭转变形并且把多根相同捻向的钢丝收于一个工字轮上的工艺和装置。单丝10，单丝20和双捻机2如附图1所示是一样的。区别是多个双捻机2平行放置且同一转向。所有同一捻向的的单丝10由导轮31引导着收于工字轮19上，同时所有另外捻向的单丝20由导轮32引导着收于工字轮29上。根据现有WO03/076342A1文献，单丝可以被紧靠着收入工字轮上。因为多根相同捻向的单丝可以同时收入一个工字轮上，这就增加了工字轮的收线速度，同时也节省了带束层压延中放线架的空间。
附图3所示的工艺阐释了本发明的直的钢单丝收线的第三个方式：每个工字轮包含了多根同向的直的钢单丝，所有都是S捻向的或者都是Z捻向的。
本工艺和装置的另一个改进之处是(未展示)结合附图3中多个平行放置的双捻机2和附图2中一系列的导轮21，在工字轮19上紧靠着收入不同捻向交替排布的多根钢单丝。
附图4图示了由多根平行的直的钢单丝增强的带束层的横截面。带束层40由多根平行的直的钢单丝42增强。因为在这张图上没有展示单丝的捻向，所以按照附图1，附图2和附图3的工艺生产的工字轮都可以适用。
附图5图示了由多根平行的直的钢单丝增强的带束层的横截面，其中钢单丝是同捻向的。带束层50由多根平行的直的钢单丝52增强，钢单丝52是相同捻向的。钢单丝52可以由附图1中的工字轮得到，每个工字轮上有一根相同捻向的钢单丝52。为了节约压延空间，相同捻向的钢单丝52也可以由附图3中的工字轮得到，其工字轮上是多根相同捻向的钢单丝52。
附图5A图示了由多根平行的直的钢单丝增强的带束层的横截面，其中的钢单丝是同捻向的，并且组合在一起埋入带束层50中。带束层50是由多根平行的直的钢单丝52增强的，钢单丝52是相同捻向的。每两根单丝52组合在一起，然后以一个组合的方式埋入带束层50中。钢单丝52也可以由附图3中的工字轮得到，其中的工字轮上是多根相同捻向的钢单丝52。
附图6图示了由多根平行的直的钢单丝增强的带束层的横截面，其中的钢单丝是不同捻向的，并且不同捻向交替着埋入带束层60中。带束层60是由多根平行的直的钢单丝62和钢单丝64增强的。钢单丝62和钢单丝64是不同捻向的，并且是交替着埋入带束层60中。例如，一根S捻向的钢单丝62和一根Z捻向的钢单丝64这样交替埋入，反之亦然。
附图7和附图7A图示了由多根平行的直的钢单丝增强的带束层的横截面，其中的钢单丝是不同捻向的，并且组合在一起埋入带束层中。带束层70是由多根平行的直的钢单丝72和钢单丝74增强的。钢单丝72和钢单丝74是不同捻向的，并且被组合在一起埋入带束层70中。例如，一根S捻向的钢单丝72和一根Z捻向的单丝74这样交替组合在一起，反之亦然。
附图8图示了由多根平行的直的钢单丝增强的带束层的横截面，其中的钢单丝是不同捻向的，并且相同捻向的钢单丝组合在一起，不同捻向组合交替埋入带束层中。带束层80是由多根平行的直的钢单丝82和钢单丝84增强的。钢单丝82和钢单丝84是不同捻向的，然后一组钢单丝82，一组钢单丝84交替地埋入带束层80中。例如，一组S捻向的钢单丝82和一组Z捻向钢单丝84交替，反之亦然。
总的来说，本发明中的钢单丝具有很好的笔直度，即减小了弓高，在总长度的不同位置钢单丝的笔直度都是一致的，保持稳定的。这主要是因为塑性扭转变形消除了钢单丝表面的应力差异，从而弓高可以保持在一个适用于带束层增强的非常适合的范围内，例如，在小于30mm的范围内。虽然，钢单丝的扭转方向的不同不会导致压延过程的质量问题。为了保证更加安全，推荐在压延中使用上述的方法使用钢单丝，有两个原因：第一，不同捻向的钢单丝可以消除钢丝表面应力差对帘布的影响从而避免压延过程中的质量问题。第二，如附图2和附图3所示多根钢单丝可以被组合在一起并且收于一个工字轮上，这样有效地节约了压延的空间和设备的安装时间，因为放线的工字轮少了。同时，在相同宽度的帘布上可以埋入更多的钢单丝，从而增加了强度，因为通常来说同组钢单丝之间的空隙相比如附图4，5，6平均分布的空隙更小了。
弓高是通过测量弦高来检测钢单丝偏离笔直程度的参数。附图9图示了测量钢单丝弓高的方法和设备。测量设备90由平板92，其上相距300mm的针94和一个在针94中间的刻度96组成，两个针94的连线与刻度96接触点是“0”。测量的步骤包括：第一，剪取40cm到45cm的钢单丝作为样品98，置于平板92上，然后让样品98接触两个针94，最后，读取样品98与刻度96的接触点的数值。刻度96上的数值即为钢单丝的弓高。还有其他的一些情况，因为钢单丝表面应力差较大，样品会弯成一个直径小于300mm的圆，在这种情况下，钢单丝的弓高就大于150mm。另外一种值得注意的情况是，当从固定的工字轮轮缘上抽出单丝时，单丝就会有一定的旋转或扭转。每松一圈360度时，单丝就有一个扭转。所以，一个从满盘工字轮上抽出来的单丝扭转会少于从快要空的工字轮上来的单丝，因为满盘工字轮每一圈的长度大于快要空的工字轮。由克莱斯勒汽车公司、福特汽车公司和通用汽车公司共同编制的统计过程控制(SPC)参考手册中提出了怎样取样和计算弓高的中值和标准偏差。
表面扭转角是由钢丝表面的拉拔线条与钢丝轴线构成的夹角。钢丝表面的拉拔线条是由于钢丝拉拔产生的缺陷，例如拉丝后钢丝表面出现的细小的凹槽。表面扭转角这个参数是为了衡量钢单丝塑性扭转变形的程度。附图10图示了测量钢单丝表面扭转角的方法。第一步，去除钢单丝表面的黄铜镀层，露出钢单丝表面湿拉后的拉拔线条。准备1公升的褪镀溶剂用于去除黄铜镀层，步骤如下，称取16克(NH4)2S2O8倒入一个600ml的烧杯中，再加入400ml的软化水，然后转倒入一个1公升的烧瓶中，再加入120mlNH3d＝0.91，最后再加入软化水至满，充分摇匀。准备试样的步骤如下：剪取大约50mm的钢单丝作为试样，把试样加入褪镀溶剂中5分钟去除黄铜镀层，干燥试样；第二步，用扫描电镜放大500倍拍取照片。照片中，在500微米*400微米的区域，试样必须居中放置，且试样边缘必须平行于照片边缘；第三步，用图片处理软件analySIS version 5.1copyright 1986-2009by Olypus Soft Imaging Solutions GmbH来测试表面扭转角，附图10图示了表面扭转角的测量。步骤如下：第一步，在照片100上使用功能按钮“Rectangle”画一个长方形，使得线长度约400微米的线104居于试样101的中心区域，例如，位于试样101中心线上下20％的位置。因为线104总是平行于照片100的边，试样的边103平行于照片100的边，所以线104平行于试样的边103并且也平行于试样101的中心线(未展示)；第二步，测量表面扭转角，先使用功能按钮“4points Angle”来画一条直线106来重合试样101表面的拉拔线条，再画一条直线108重合线104，这样之后，软件会给出线106和线108间的锐角A的值，这个值即为钢单丝的表面扭转角。
通常用于橡胶增强的钢单丝至少有0.65％的含碳量，含锰量为0.40％-0.70％，含硅量为0.15％-0.30％，最大的含硫量为0.03％，最大的含磷量为0.30％，所有百分比均为质量百分比。可能还会有一些元素例如铜，镍和铬，含量最高可到0.4％。而高强度的钢单丝则至少有大约0.8％(质量百分比)的含碳量，例如0.78％-0.82％。
以上涉及的钢单丝的制造过程从具有上述组分的盘条开始步骤如下：盘条除磷，用机械或者化学酸洗去除盘条表面的氧化物，然后用水冲洗并干燥。接着干燥好的盘条会进行一系列的干拉来减小直径，例如，从5.5mm到8mm的盘条，拉到一个合适的中间直径。
到第一个中间直径d1，例如3.0mm到3.5mm，干拉后的钢单丝进入第一道热处理，叫淬火。淬火为第一道奥氏体化，即从大约1000摄氏度降为600到650摄氏度，完成从奥氏体到珠光体的转变。这样之后的钢单丝可以进行下一步的机械变形。
接着钢单丝直径进一步被干拉，直径从第一个中间直径d1到第二个中间直径d2。第二个中间直径d2通常为1.0mm到2.5mm。
当钢单丝直径到了第二个中间直径d2时，钢单丝进入第二道淬火，即再一次奥氏体化，从1000摄氏度降为600到650摄氏度，完成从奥氏体到珠光体的转变。
如果前面所诉的两道干拉后减少的总直径不是很大，这个时候也可以一道从盘条拉到d2。
第二道淬火之后，通常钢单丝镀上黄铜镀层，先镀铜，再镀锌，然后中频扩散形成黄铜镀层。
接着对黄铜镀层的钢单丝进行一系列湿拉工序。最终的产品是一个含碳量大于0.60％(质量百分比),破断强度大于2000MPa且适用于橡胶增强用的钢单丝。
适用于橡胶增强的钢单丝通常的直径范围为0.05mm到0.60mm，例如从0.10mm到0.40mm。单丝的直径有：0.10mm，0.12mm，0.15mm，0.175mm，0.18mm，0.20mm，0.22mm，0.245mm，0.28mm，0.30mm，0.32mm，0.35mm，0.38mm，0.40mm。
依照附图1，附图2和附图3上所阐释的工艺和设备，钢单丝会进一步沿着其轴向扭转从而被塑性扭转变形。
针对不同工艺过程中钢单丝的弓高和表面扭转角的对比数据如下：
四组关于直的钢单丝在不同工艺下弓高的测试也说明了本发明可以非常稳定地控制直的钢单丝的弓高。
“湿拉”是指钢单丝经过湿拉工序，且没有矫直工序，其中钢单丝的弓高总是大于50mm因为湿拉工序中钢单丝的表面应力是不稳定的，表面扭转角没有是因为钢单丝并没有经过塑性扭转变形。“湿拉+矫直器”是指钢单丝先经过湿拉工序，接着进入矫直器矫直工序，其中钢单丝的弓高在30mm到40mm之间，因为在矫直器之间的连续弯曲释放了部分的表面应力，表面扭转角没有是因为钢单丝并没有经过塑性扭转变形。“湿拉+塑性扭转变形”是指钢单丝先经过湿拉工序，接着进入本发明中提及的塑性扭转变形工序，其中钢单丝的弓高小于30mm因为塑性扭转变形控制了钢丝表面应力差，表面扭转角为1到5度。根据本发明生产中的钢单丝弓高小于30mm，这种钢丝是非常适用于充气轮胎带束层增强的。
一根未捻制的钢单丝的笔直度取决于钢单丝的表面应力。通常来说，湿拉工序出来的单丝具有很大的弓高，因为钢单丝的表面应力是不均等分布的，例如，一面的表面应力不同于另外一面，钢单丝卷曲成弓形的曲线也说明了他们的表面应力是不同的。矫直器通过连续的弯曲可以消除部分的表面应力差。因此，通过“湿拉+矫直器”工序后的钢单丝的弓高低于“湿拉”工序后的钢单丝。但是，矫直器有缺陷。第一，因为矫直器不能消除所有的表面应力，所以矫直器不能提供钢单丝一个很好的笔直度。第二，因为单丝的表面应力是变化的，所以矫直器的调节需花费大量人力和时间，成本很高。第三，矫直器矫直效果不能保持，因为大生产中的钢单丝表面应力是变化的。例如，单丝的一部分是直的，另一部分却不是。本发明使用塑性扭转变形来根本性地改变钢单丝表面应力，控制或者消除表面应力差从而达到一个可接受的范围，最终可以提供弓高小于30mm的直的钢单丝。为了保持钢单丝良好的笔直度，同时也不损失钢单丝增强轮胎的其他性能，例如，破断强度和疲劳性能，在塑性扭转变形中也有一些限制。表面扭转角应大于0.5度，最好大于1度，以便钢单丝表面有足够的塑性扭转变形来控制表面应力差和弓高小于30mm。另一方面，表面扭转角应小于15度，最好小于5度，以便不会影响到钢单丝增强轮胎的其他性能，例如，破断强度和疲劳性能。因此，捻距与钢单丝直径的比值R在7到240之间，最好在20到120之间。举个实例，一根直径为0.30mm的钢单丝，在如附图1上的双捻机2上进行塑性扭转变形，捻距为20mm。当双捻机2的转子每分钟旋转6000转，钢单丝的收线速度是每分钟240m。对比于现有技术，本发明给出了在现有的设备下一个十分简便的方法来高效生产适用于轮胎增强用的直的钢单丝。
