环形同心扭绞胎圈帘线
技术领域
本发明涉及一种嵌入气胎的胎圈中使胎圈加强的胎圈帘线，且特别涉及一种环形同心胎圈帘线，其具有环形芯和通过将包线螺旋地缠绕在环形芯上形成的一个鞘层或多个鞘层。
背景技术
环形同心胎圈帘线广泛地用于加固各种车辆轮胎的胎圈。如图3所示，许多这种帘线是通过以单层或多层将包线2螺旋缠绕在环形芯1上形成的，其中该环形芯1通过将钢丝的两端邻接并焊接在一起形成(如专利文件1所披露的)。包线2的直径比环形芯1的直径小。
形成环形芯的钢丝典型地是低碳钢丝，其按重量含碳为百分之0.06至百分之0.15。为了确保在缠绕包线时有足够的强度和刚度以获得必要的成形性，环形芯的直径不小于包线直径的1.5倍。但是，为了改善车辆的燃料经济性，非常需要具有小直径的环形芯因而轻重量的胎圈帘线，由此减少胎圈帘线所嵌入的轮胎的重量。
包线为镀以铜或黄铜的高碳钢丝，以增强轮胎橡胶的粘附强度。镀层典型地是电镀层或置换涂层。镀层的厚度典型地为约0.2至0.3微米。镀层这样薄的原因是，镀层越薄，包线与橡胶之间的粘附强度越高。另一方面，环形芯通常以裸态使用，所以在橡胶潮湿时，环形芯易于腐蚀。随着不断增长的对轮胎更高安全性标准及高性能的需求，目前对于环形芯来说也需要更高的耐蚀性。
为了满足这些需求，专利公布文件2披露了一种具有环形芯和包线的胎圈帘线，该包线的直径等于环形芯的直径并用高碳钢制造。为了增加环形芯和橡胶之间的粘附强度，环形芯也如包线那样镀以金属层。与传统胎图线相比，包线相邻匝之间的间隔更宽，以使橡胶到达环形芯并与之粘附。
由于专利文件2的每个实施例所披露的胎圈帘线的环形芯都是用高碳钢丝制造的(含碳：0.72％至0.82％)，所以即使环形芯直径与包线直径一样小，该环形芯也具有与传统环形芯一样高的强度和刚度。与传统胎圈帘线相比，该胎圈帘线由此可以非常轻。进而，即使橡胶变潮湿，环形芯也不太可能因与橡胶接触而腐蚀。
然而，当含碳量不少于0.57％的高碳钢丝被焊接时，在其焊接部分易于形成硬而脆的马氏体组织，所以如果不进行后处理而使用，这种高碳钢丝易于在焊接部分破坏。由此，在将高碳钢丝的两端邻接并焊接成环形芯之后，有必要对这种胎圈帘线进行退火。这会增加成本。同样，在焊接之后需要很长的时间来去除毛刺，这也会增加成本。
进而，因为环形芯的直径与包线直径相等，所以尽管这种环形芯在强度和刚度方面与传统的大直径环形芯相当，但却更难于均匀而一致地将包线缠绕在这种小直径的环形芯上。而且，在将包线缠绕在这种小直径环形芯上时，该环形芯被包线径向向外拉出到一定的程度，使得环形芯部分地位于包线的径向外部。这会使帘线变形(这样，当帘线置于平坦表面时，它会部分地脱离该平坦表面)。
而且，将包线缠绕在环形芯上使得包线的相邻匝彼此均匀地间隔开，这实际上也是有困难的。因此，橡胶不能均匀地覆盖在环形芯上。在环形芯未被橡胶覆盖的部位，由于为了增加与橡胶的粘附强度而形成在环形芯上的薄镀层没有为环形芯提供足够的耐蚀性，所以形成环形芯的钢丝会很快锈蚀。环形芯上的这种锈蚀最终会渗入橡胶中。在用于车辆轮胎的情况下，如果在环形芯与包线之间发生微振磨损，则它们的镀层会在短时间内磨损掉，这会降低耐蚀性，由此增大腐蚀区域。通过重复镀层处理，可以将镀层的最终厚度增加至一定程度。但是，因为电镀或无电镀固有地并不适于形成厚的镀层，所以工作效率低下，这会增加成本。
专利文件3披露了一种胎圈帘线，其具有用高性能合成树脂制造的环形芯，以减少帘线重量。由于环形芯用树脂制成，所以帘线表现出改善的耐蚀性。但是，由于使用了高性能材料，这种帘线很昂贵。储存及处理也困难。如用在专利文献3的实施例中的那样，由尼龙6或聚萘二甲酸乙二酯(PEN)制成的环形芯，如果其直径与传统环形芯直径相等，则不如传统胎圈帘线那样具有足够的刚度。由此，这种环形芯实际上不实用。
专利文件1：JP专利公布文件3499261
专利文件2：JP专利公布文件05-163686
专利文件3：JP专利公布文件11-321247
发明内容
发明目的
本发明的目的是提供一种胎圈帘线，其重量轻且廉价、可成形性高、并包括耐蚀性高的环形芯。
解决问题的手段
根据本发明的重量轻、廉价且可成形性高的胎圈帘线包括环形芯及螺旋缠绕在该环形芯上的包线，该环形芯由中碳钢制成并具有直径dC，该直径dC与包线直径dS之间满足下面的关系：
1.04≤dC/dS≤1.30
该包线具有的线材卷直径是环形芯线材卷直径的0.5倍至1.3倍。
用中碳钢制成且直径稍微大于包线直径的这种环形芯在强度和刚度方面与传统的用低碳钢制造的大直径环形芯相当。而且，胎圈帘线足够轻。进而，环形芯的焊接部分不太可能转变为马氏体组织，或者即使它转变为马氏体组织，也不太脆，所以不需要退火。而且易于去除毛刺。根据本发明的胎圈帘线因此可以以大致与传统胎圈帘线一样的成本制造。
环形芯直径与包线直径之间的比率上限如此确定以致根据本发明的胎圈帘线实质上比传统胎圈帘线重量更轻(不少于10％)。其下限如此确定以致环形芯不会被包线径向向外推出，而同时包线缠绕在环形芯上。
由于包线的线材卷直径为环形芯线材卷直径的0.5到1.3倍，所以即使环形芯与包线相比具有相对小的直径，包线也可以容易地和均匀地缠绕在环形芯上。
环形芯优选地用含碳量的重量百分比为0.28至0.56的碳钢制造。如果含碳量的重量百分比小于0.28，则如上所述具有相对较小直径的环形芯在强度和刚度方面趋于不足。如果含碳量的重量百分比超过0.56，则焊接部分会转变为马氏体，则必须进行退火。
代替这种中碳钢，可用合金钢制造环形芯，该合金钢的含碳量为低碳钢的水平，且其Si和Mn含量大于普通碳钢的Si和Mn含量并加入了适量的Cr，因此环形芯具有相当于高碳钢丝的强度和刚度，且可焊性也很好。具体地说，这种合金钢包括重量百分比为0.08至0.27的C、重量百分比0.30至2.00的Si、重量百分比0.50至2.00的Mn、以及重量百分比0.20至2.00的Cr，余额为Fe及不可避免地混入合金中的杂质。如果Si、Mn及Cr任何一种的含量小于其各自的下限，则合金钢的强度将会不足。如果Si含量超过其上限，则合金在热轧过程中易破坏。如果Mn含量超过其上限，则加工性变差。考虑淬透性和成本，在上述范围中确定Cr的含量。
为了进一步抑制焊接部位延展性的降低，合金钢进一步具有以下元素中的至少其中一种：重量百分比0.001至0.10的Al、重量百分比0.001至0.10的Ti、重量百分比0.001至0.10的Nb、重量百分比0.001至0.10的V、重量百分比0.0003至0.10的B、重量百分比0.001至0.10的Mg。如果这些元素的含量小于其各自的下限，则它们几乎不会起到改善合金延展性的作用。如果它们的含量超过其各自的上限，则它们的氮化物和硫化物会使合金的延展性变差。
优选地，为了确保帘线的可成形性，包线线材卷直径DS对环形芯线材卷直径DC的比率为0.56至1.26。
作为改善胎圈帘线耐蚀性而不增加其成本的第一种方法，可对环形芯镀以Al-Zn合金。
通过对环形芯镀以耐蚀且可形成厚镀层的Al-Zn合金，即使在环形芯与包线之间发生微振磨损，环形芯也不太可能会暴露出来。由此，Al-Zn合金镀层允许环形芯长时间稳定地保持耐蚀性，且成本低。
这种Al-Zn合金镀层优选地含有百分之3.5至百分之15的Al。Al含量越高，耐蚀性越高，考虑到可加工型和Al比较昂贵的实际情况，Al含量的上限确定为百分之15。如果Al含量少于百分之3.5，则这种镀层与较廉价的Zn镀层相比耐蚀性方面实质上没有不同。
为了防止环形芯与包线之间的微振磨损，Al-Zn合金镀层应尽可能厚。但如果镀层太厚，则形成环形芯的钢丝的截面面积不得不相应地减少。这就难以确保胎圈帘线具有必要的强度。因此，Al-Zn合金镀层的厚度上限确定为35微米。其下限优选地为1微米，以便确保耐蚀性。
根据本发明，作为改善环形芯耐蚀性的第二种方法，将环形芯镀以Zn。尽管Zn镀层在耐蚀性方面比不上Al-Zn镀层，但可以以低的成本形成厚的Zn镀层。
这种Zn镀层的厚度上限确定为与Al-Zn合金镀层的厚度上限具有相同的水平，也就是35微米。但其下限优选地为Al-Zn合金镀层下限的2倍，也就是2微米。
如果用熔融的金属为环形芯镀金属层，则环形芯需通过450摄氏度至500摄氏度的电镀槽。因此，优选地应由除了可焊性之外还具有足够耐热性的材料来制造环形芯，以便在加热时能保持高的拉伸强度。
根据本发明，作为适合于用熔融金属进行电镀的环形芯的材料，应选择这样的合金，其包括重量百分比为0.08至0.27的C、重量百分比0.30至2.00的Si、重量百分比0.50至2.00的Mn、重量百分比0.20至2.00的Cr，进一步包括以下元素中的至少其中一种：重量百分比0.01至1.00的Mo、重量百分比0.10至2.00的Ni、重量百分比0.10至2.00的Co、重量百分比0.01至1.00的W、和重量百分比0.001至0.10的Al、Nb、Ti和V中的至少其中一种，余额为Fe及不可避免地混入合金中的杂质。
由于这种合金钢中C含量低，也就是在低碳钢的水平，所以可焊性高。通过加入适量的Cr，可以改善强度和耐热性。通过适量加入Mo、Ni、Co和W中的至少一种，合金钢可以在加热时保持高的拉伸强度。进而，适量加入Al、Nb、Ti和V中的至少一种，以防止焊接部分的延展性变差。如果Si、Mn和Cr中任何一种低于其各自的下限，则合金钢的强度将会不足。如果Si含量高于其上限，则合金钢易破坏。如果Mn含量高于其上限，则可焊性变差。考虑淬透性和成本来确定Cr的含量。如果Mo、Ni、Co和W的含量少于其各自的下限，则它们起不到增加合金钢强度的作用。如果高于其各自上限，它们会使延展性变差。如果Al、Nb、Ti和V的含量低于其各自下限，则它们起不到改善延展性的作用。如果高于其各自上限，它们的氮化物及硫化物易于显著地使延展性变差。
因此，用这种合金钢形成的钢丝可焊性及耐热性很高，并且在其末端被焊接在一起之后，可保持足够的延展性。当其通过电镀槽以形成厚的镀层时，其拉伸强度几乎不会下降。
代替这种合金钢，也可以使用其他合金钢，其包括重量百分比为0.08至0.27的C、重量百分比0.30至2.00的Si、重量百分比0.50至2.00的Mn、重量百分比0.20至2.00的Cr，余额为Fe和不可避免地混入合金中的杂质。由于该合金钢的C含量也在低碳钢的水平，且其含有Si、Mn和Cr，所以这种合金钢在焊接之后具有高延展性，在镀金属层之后具有高强度，这正是环形芯所需的。
根据本发明，作为改善环形芯耐蚀性的第三种方法，用不锈钢制造环形芯。不锈钢拉伸强度高，表现出优秀的耐蚀性及耐热性。这是因为不锈钢含有大量的Ni和Cr，这是能有效起到改善耐蚀性及耐热性的元素。由此，不锈钢可以发挥上述厚镀层及合金钢二者的功能。优选地，不锈钢包括SUS304和SUS316，它们都可用于总的目的。
本发明的优点
根据本发明的胎圈帘线重量轻且廉价，表现出很高的可成形性，并具有高耐蚀性的环形芯。
附图说明
图1为示意图，示出了当形成一实施例的胎圈帘线时，环形芯线材卷直径DC与包线线材卷直径DS之间的关系。
图2(a)为本实施例的胎圈帘线外部视图，(b)为(a)的放大透视图；以及(c)为(a)的放大截面图。
图3为传统胎圈帘线的截面图。
附图标记说明
1.环形芯
2.包线
3.包线供应盘
4.镀层
具体实施方式
现在将参考附图对本发明的实施例进行描述。如图1和图2(a)-2(c)所示，本实施例的环形同心胎圈帘线具有线材卷直径为DC的环形芯1和线材卷直径为DS的包线2，包线2从包线供应盘3供应并螺旋地缠绕在环形芯1上。在本实施例中，如图2(b)和2(c)所示，直径为dS的包线2缠绕在直径为dC的环形芯上，通过沿环形芯形成6个圆圈来形成单个鞘层。但是，包线也可以缠绕在环形芯上形成多个鞘层。
通过将钢丝两端焊接在一起形成环形芯，其中钢丝的直径略微大于包线2的直径(比例(dC/dS)＝1.04至1.30)并由含碳量的重量百分比为0.28至0.56的中碳钢制造。在强度和刚度方面，环形芯1与传统的大直径低碳钢丝相当。由于本发明的环形芯直径比传统环形芯直径小，所以其重量轻。而且，其焊接部分不太可能会转变为马氏体组织，或者即使转变为马氏体组织，也不是很脆。由此，不需要退火处理，且易于去除毛刺。在包线2缠绕在环形芯1上时，环形芯也不太可能被包线2径向向外推出。
环形芯1在其表面具有厚的Al-Zn合金镀层4，因此它可以在长时间内稳定保持耐蚀性。
包线2用高碳钢制成。在将包线2缠绕在环形芯上之前，其前端暂时通过未硫化的胶皮固定在环形芯1上，该胶皮用与轮胎材料相同的材料制造。当包线已经缠绕在环形芯上时，其末端与其前端通过黄铜套管连接。
包线2的线材卷直径DS为环形芯1的线材卷直径DC的0.50至1.3倍。由此，尽管环形芯1直径较小，包线2也可以平滑而均匀地缠绕在环形芯1上。
执行评估测试，以查看根据本发明的胎圈帘线重量有多轻。特别地，准备出如表1所示的环形芯试样。通过将包线缠绕在各自的环形芯试样上来制造胎圈帘线，因此包线的圈数对应于环形芯的直径。对于每条帘线，都确定重量减少率、帘线在其焊接部分处抗破坏能力以及其可成形性。测试结果如表2所示。
表1
表2
表2中的性能确定如下。
(1)重量减少率
重量减少率为基于传统帘线截面面积的每条帘线的截面面积减少率，其中所述传统帘线包括直径为2.2mm且用低碳钢制造的环形芯和直径为1.4mm并缠绕在环形芯上形成8个圆圈的包线。
重量减少率(％)＝(1-每条帘线截面面积/传统帘线截面面积)×100
(2)环形芯在其焊接部分处的抗破坏能力
为表2中的No.1至No.22中的每一条帘线都准备了20条钢丝。每条钢丝的末端在30摄氏度的周围环境温度下焊接在一起，将如此焊接起来的钢丝放置一周时间，并在每条钢丝的焊接部分上施加弯曲载荷。符号○和×的含义如下：
○：20条钢丝中有不少于18条钢丝未破坏。
×：20条钢丝中有少于18条钢丝未破坏。
(3)帘线的可成型性
以下将确定每条帘线形成的形状和包线如何均匀缠绕环形芯。当上面两种判断彼此具有不同的等级时，两个等级中较低的一个显示于表2中。
1.帘线形状
为表2中No.1至No.22的每一条帘线都准备了20条钢丝，帘线放置在例如台板的平坦表面上，且用标尺来测量平坦表面与每条帘线之间的最大间隙。表2中符号的含义如下：
○：20条钢丝中有不少于11条钢丝具有的最大间隙等于或小于0.5mm，且超过0.5mm的任何帘线的最大间隙不大于1.0mm。
△：20条钢丝中有不少于11条钢丝具有的最大间隙等于或小于0.5mm，且超过0.5mm的任何帘线的最大间隙不大于1.5mm。
×：少于11条钢丝具有的最大间隙等于或小于1.5mm。
2.包线如何均匀缠绕环形芯
可以从视觉上检查包线如何均匀缠绕环形芯。表2中符号的含义如下：
○：包线以足够的均匀性布置的帘线条数不少于18条。
△：包线以足够的均匀性布置的帘线条数少于18条而不少于10条。
×：包线以足够的均匀性布置的帘线条数少于10条。
从表2明显可见，帘线具有由可焊性高的中碳钢或合金钢制成的环形芯并且具有的直径仅略微大于包线直径的小直径，其中包线的线材卷直径为环形芯线材卷直径的0.5倍至1.3倍(优选地是0.56倍至1.26倍)，这种帘线与传统帘线相比重量非常轻。在帘线焊接之后，不需要退火处理。可成形性也好。特别地，满足本发明所有要求的这些帘线(也就是，帘线No.9、10、11、15、16、19、20和22)在上述所有三类评估中获得很高的评分。由此，通过使用这些帘线作为车辆轮胎中的胎圈帘线，可以获得廉价、重量轻、高性能的轮胎。
执行评估测试以确定满足本发明所有要求的环形芯如何表现出改善的耐蚀性。特别地，准备出表3中限定的不同种类的环形芯试样，且芯部独自穿过电镀槽以评估其拉伸强度如何下降以及其焊接部分处的对破坏的抵抗能力。测试条件和测试结果显示于表4中。
表3
表4
表4中的特性确定如下。
(1)拉伸强度
裸丝：由普通干法拉丝机形成的每条裸丝的强度达到拉拔的一般程度。
焊接之后：每条裸丝经过溶化的电镀槽，以在钢丝上镀上Al-Zn合金或Zn。对如此镀以金属层的钢丝测量其破坏载荷，且从破坏载荷及镀金属层之前的钢丝直径来计算其拉伸强度。
※尽管不锈钢丝不需要镀金属层，但为了计算出在镀金属层之后拉伸强度是如何降低的，它们应该通过电镀槽并在镀以金属层之后以上面的方式测量其拉伸强度。
(2)镀层厚度
由于根据本发明的环形芯形成有相对厚的且量大的镀层，所以可通过电感耦合等离子体原子发光分光法(ICP-AES)测量镀层量，并且利用下面的简化方程，可从因而计算出的镀层量、钢丝直径及形成镀层的金属比重来计算镀层厚度：
C＝2×W×d/ρ
其中
C：镀层厚度(μm)
W：镀层量(g/kg)
d：裸丝直径(mm)
ρ：形成镀层的金属比重(如果镀层用金属形成，则基于各种金属的含量来计算该比重。)
(3)耐蚀性
在JIS Z 2371盐水喷射试验中，将试样置于盐水中分别经过120小时、480小时和1000小时。表3中符号的含义是：
◎：整个长度上没有观察到锈蚀。
○：整个长度上局部观察到锈蚀，锈蚀的表面面积少于环形芯全部表面积的10％。
△：整个长度上局部观察到锈蚀，锈蚀的表面面积不少于环形芯全部表面积的10％但少于30％。
×：整个长度上局部观察到锈蚀，锈蚀的表面面积不少于环形芯全部表面积的30％。
(4)焊接部分处的抗破坏能力
以与表2中的确定抗破坏能力相同的方式来确定焊接部分处的抗破坏能力。符号含义都相同，只在全部20个试样都未破坏时使用◎。
从表4中清楚可见，用具有高可焊性和耐热性合金钢制成并且形成有厚的Al-Zn合金或Zn镀层的环形芯、或者用不锈钢制成的环形芯不太可能在焊接部分破坏并且可形成为高强度、高耐蚀性的胎圈帘线。特别地，满足本发明所有要求的环形芯(也就是，环形芯No.13、14、17、18、21、22、25、26和29至32)在所有三类评价中获得很高的评分。由此，通过在车辆轮胎中使用具有这种环形芯的帘线，可以获得耐用的、高性能的轮胎。
