专利名称：加强抗疲劳特性的涂锌钢绳的制作方法
技术领域：
本发明涉及适用于加强热塑性弹性体的钢绳及其复合材料。复合材料包括以聚氨酯为基体和以钢绳为加强材料的热塑性弹性体。钢绳通常是多股钢绳，即钢绳由一股以上组成。
发明技术背景众所周知，钢绳用于加强橡胶制品，例如轮胎和传送带。就更低程度而言，钢绳可用于加强如聚氨酯的热塑性弹性体。钢绳与橡胶制品的粘结机理实际上不同于钢绳与热塑性弹性体的粘结机理。钢绳与橡胶制品的粘结主要为化学粘结，是基于钢绳上传统铜合金涂层与橡胶之间在硫化作用中产生的粘结。尽管钢绳与热塑性弹性体的粘结并不排除化学粘结，它的粘结机制实际上是基于钢绳与基体之间的机械固定。
由于这些基本差别，用于加强橡胶的钢绳比用于加强热塑性弹性体的钢绳具有公知的又一进展。
关于橡胶加强，已经有朝着向单股钢绳发展的趋势，例如致密钢绳，在一根钢绳中具有更少的细钢丝数量(甚至只用单个细钢丝作加强作用)，更粗的细钢丝直径。
关于加强热塑性弹性体，多股钢绳，也就是钢绳中包含至少一股以上，已经作为标准的，因为这种多股钢绳较粗糙的外表面可以比单股钢绳提供更多的与基体的机械连接能力。
适用于加强热塑性弹性体的钢绳与适用于加强橡胶制品的钢绳的粘结机理的另一个结果是用于钢丝的涂层类型。适用于加强橡胶制品特别是轮胎的钢绳具有传统的铜合金如黄铜涂层，而适用于加强热塑性弹性体的钢绳具有锌或锌合金涂层。
然而这种锌涂层有它的缺点。
第一个缺点是抗腐蚀性的合适水平与抗疲劳性的可接受水平很难结合。实际上增加锌涂层的厚度优点的一方面会使抗腐蚀性增加但缺点的一方面抗疲劳性下降，反之亦然。
第二个缺点是锌涂层会在涂锌钢丝的后续工作如冷拔和扭绞成钢绳和绞线时产生很多含锌尘埃和含锌颗粒。
本发明的另一个目的是提供一种带有涂层的钢绳，使其不但具有满足要求的抗疲劳强度，而且具有满足要求的抗腐蚀性。
依照本发明，提供一种适用于加强热塑性弹性体的钢绳。此钢绳称为多股钢绳，即钢绳由一股以上组成。每股包含两根或两根以上钢丝。至少其中一部分钢丝有锌涂层。锌涂层的厚度小于2μm，最好是小于1μm，如0.5μm。在锌涂层与钢之间有一个锌-铁合金层。
典型的锌涂层，即相当薄的锌涂层(通常锌涂层厚度大于3-5μm)与锌-钢合金过渡层相结合具有以下优点。
薄涂层的优点是在后续冷拔和捻合钢绳过程中产生更少的含锌尘埃。减少钢绳表面的含锌尘埃和含锌颗粒可以加强热塑性弹性体中机械固定。
钢和锌之间的锌-钢合金过渡层的出现增加了钢丝的抗腐蚀能力，并且增加了锌涂层和钢之间的粘结。合金层的存在进一步降低了含锌尘埃，并且其结果是具有锌涂层的钢绳在热塑性弹性体中的固定作用更强。
至于钢绳的芯线，可以有两种选择一种芯线的形式为两个或多个钢丝扭成的芯线，另一种芯线的形式为塑性材料，如与基体相同类型和材质的热塑性弹性体。
在发明者不同结构的测试中，有以下参数的7×7结构被证实具有机械固定作用，抗疲劳性，抗磨损和抗腐蚀的最佳结果
d1+6×d2+6×(d2+6×d3)其中d1＞1.05×d2d2＞1.05×d3本发明同时也涉及与如前所述使用钢绳加强的复合材料。这种复合材料的一个实例为皮带，即以聚氨酯为基体的带槽皮带。
-图2、图3和图4是加强本发明复合材料所用钢绳的截面图。
-图5是有锌涂层的钢丝的截面图。
可选择地，凹槽或齿状物也可以出现在皮带的长度方向上，以致于成为一个所谓的V-凹槽皮带(未示出)。
皮带10的基体材料14用聚氨酯制成。其它适合的热塑性弹性体为热塑性聚烯烃均聚物或共聚物、烯烃橡胶、苯乙烯/共轭双烯/苯乙烯共聚块或它的全部或部分氢化衍生物，与热塑性烯烃均聚物或共聚物随机混合，或与前述物质混合。这种热塑性弹性体的更多细节在WO-A-99/55793(先进弹性体系统和N.V.Bekaert S.A.)中有进一步描述。
皮带10用数个互相平行排列的钢绳16进一步加强。
单个或组合在一起的，用于加强热塑性弹性体的钢绳具有以下特征-钢丝直径范围从0.05mm至0.80mm，最适宜的直径范围是从0.06mm至0.40mm；
-钢丝中钢的成份满足以下条件碳含量范围从0.60％至1.05％，锰含量范围从0.10％至1.10％，硅含量范围从0.10％至0.90％，硫和磷含量低于0.15％，最好低于0.10％；添加的微量合金元素如铬(最高为0.20％-0.40％)，铜(最高为0.20％)，钒(最高为0.30％)；-因为机械固定为主要粘结机制，所以尽管不是严格需要，但也可以提供附带有如WO-A-99/55793中所提到的或WO-A-99/20682(N.V.Bekaert S.A.)中所提供的化学粘结系统。
按照本发明的要求，使用以上提到的成分做成钢线条，来制作复合制品。钢条冷拔至设定的钢丝直径。随后的冷拔步骤可以选择合适的热处理如退火处理，以便进一步拉拔。当最终得到要求的直径时，拉拔钢丝绞为一股，一定量的股绞为钢绳。常规设备如双绞合机(“搓捻设备”)，或管状旋转设备(“电缆设备”)可以进行扭绞工作。然后多个绞好的钢绳从供给卷轴上拉出并弄直，平行并排排列从插孔送入添加有热塑性弹性体的挤压设备中。
按照本发明的钢绳以水平和垂直方式进行加强的其它复合制品为薄板衬、搭锁型件、防缺口的柔性和防护带、栏杆等。
图2示出了钢绳16的截面，钢绳16被证实对聚合材料10有最佳加强作用。
钢绳16包含一个中心股18和六个外部股20。
中心股18包括作为芯线的一根钢丝22和环绕着钢丝22扭在一起的六根钢丝24。钢丝22的直径d1至少比钢丝24的直径d2大5％。每个外部股20包括作为芯线的一根钢丝26和环绕着钢丝26扭在一起的六根钢丝28。钢丝26的直径d2可以与钢丝24的直径相同。钢丝26的直径d2至少比钢丝28的直径d3大5％。
最佳结构的一个实例是(所有直径的单位为mm)(0.21+6×0.19)+6×(0.19+6×0.175)(a)钢绳的钢丝全部具有平均厚度为0.5μm至1.0μm的薄锌涂层。
以下的表格总结了这种钢绳的机械特性。
表1
对皮带的耐力进行了以下条件的测试-滑轮直径r＝40nm-轴向载荷＝150kg-频率＝100转/每分钟钢绳(a)已经与以下钢绳做了比较(0.20+6×0.175)+6×(0.175+6×0.175) (b)钢绳(b)的摩擦腐蚀在2150000转后可见，而钢绳(a)在2150000转后见不到摩擦腐蚀。
以上钢绳符合总公式7×7。
其它合适的钢绳结构为(承受外部股的所需的开口度和变形度)-19+8×7-7×19-1×7+7×7
-19+9×7-1×3+5×7图3示出依照本发明，可供选择的，用于加强复合材料的一种钢绳16。与
图1钢绳(a)的主要不同为中心股的芯线为塑性材料30，即作为需加强的基体材料的同族材料的聚氨酯。这种塑性材料30需防止钢丝24形成完全闭合的结构。钢丝也全都具有平均厚度为0.5μm至1.0μm的薄锌涂层。
图4示出依照本发明，可供选择的、用于加强复合材料的一种钢绳16。钢绳16的芯线完全由塑性材料32形成，其厚度足以防止股20形成闭合的结构，并且防止股20相互接触。所以塑性材料助于形成开放的结构并避免股20间的磨损。
在一股组成上，每个股20的芯线都由另一种塑性材料34形成。七个外部钢丝28环绕这种塑性材料34。
在这里再次说明，钢绳的钢丝全都具有平均厚度为0.5μm至1.0μm的薄锌涂层。
图5说明了依照本发明得到的涂覆锌钢丝36的截面图。钢丝36具有钢芯线和一个小于2μm的锌涂层40。在钢芯线38(约为100％钢)和锌涂层40(约为100％锌)之间有一个锌-钢过渡合金层42出现。
这种过渡合金层的得到方法与电解沉积锌不同，钢绳涂锌工艺为热浸法。在热浸工艺中，钢绳穿过一个装有熔融锌的槽，穿过后留下锌涂层。
如果钢绳垂直离开锌槽，会出现一个厚的锌层和一个相当厚且粗糙的钢-锌合金层。厚的锌层和钢-锌合金层都有缺点。厚的锌层会在随后的拉拔和扭绞步骤中产生相当多的含锌尘埃和含锌颗粒。钢-锌合金层虽然会提高抗腐蚀性，但是很脆会造成抗疲劳性的降低。
如果钢绳离开锌槽时与水平线夹角较小，且如果离开的钢绳被机械打磨，即通过陶瓷砂布打磨，则与垂直离开的钢绳相比可观察到三点不同
(a)锌涂层厚度下降；(b)锌-钢过渡层厚度下降；(c)锌-钢过渡层粗糙度下降。
所有三点不同合在一起得到足够的抗疲劳性和足够的抗腐蚀性这两个相冲突的要求的协调。
锌涂层(a)厚度下降和锌-钢过渡层(b)厚度下降造成抗疲劳性增强。
锌-钢过渡层(b)的出现导致一个满意的抗腐蚀性，它明显高于无锌-钢过渡层的情况。
锌涂层(a)的厚度下降和锌-钢过渡层(b)的粗糙度下降使其在随后的冷拉拔步骤中产生较少的含锌尘埃和含锌颗粒。锌涂层(a)厚度下降，使其在冷拉拔和扭绞步骤中不产生更多的裂纹，原因是脆性的锌-钢过渡层(b)厚度也下降且过渡层的粗糙度下降(c)。
表2列出和说明了参照钢绳①与本发明钢绳②的抗疲劳特性的不同。参照钢绳①中的钢丝为热浸法涂覆锌且钢丝垂直离开锌槽，本发明钢绳②为热浸法涂覆锌且钢丝离开锌槽时与水平面的夹角很小。
表2
权利要求
1.一种适用于加强热塑性弹性体的钢绳，所述钢绳包括一股以上，每股包括两根或更多钢丝，至少一部分所述钢丝有锌涂层，其特征在于所述锌涂层厚度小于2μm，且锌涂层与钢之间存在锌-钢合金层。
2.如权利要求1所述的钢绳，其特征在于，所述锌涂层厚度小于1μm。
3.如前述权利要求任一所述的钢绳，其特征在于所述钢绳包括一个钢绳芯线和三个或更多围绕钢绳芯线扭曲并与钢绳芯线接触的外部绞线。
4.如权利要求3所述的钢绳，其特征在于，钢绳芯线为塑性材料。
5.如权利要求3所述的钢绳，其特征在于，钢绳芯线为两根或更多钢丝。
6.如权利要求5所述的钢绳，其特征在于钢绳为由一个芯线和六个外部绞线按照公式构成的d1+6×d2+6×(d2+6×d3)其中d1＞1.05×d2且d2＞1.05×d3。
7.一种包含作为基体材料的热塑性弹性体和一根如前面任一权利要求所述的作为加强材料的钢绳的复合材料。
8.如权利要求7所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料为皮带。
9.如权利要求8所述的复合材料，其特征在于，所述皮带为带有凹槽的皮带。
10.如权利要求7至9任一所述的复合材料，其特征在于，所述热塑性弹性体为聚氨酯。
全文摘要
一种适用于加强热塑性弹性体的钢绳(16)，包括一股以上(18，20)。每股包括两根或更多钢丝(22，24，26，28)。至少一部分所述钢丝有锌涂层(40)，其特征在于，所述锌涂层(40)厚度低于2微米且在锌涂层与钢之间有锌－钢合金层。
文档编号C23C2/38GK1427911SQ01809209
公开日2003年7月2日 申请日期2001年4月19日 优先权日2000年5月8日
发明者保罗·布鲁因尼尔, 埃里克·布鲁尼尔, 弗兰斯·范吉尔 申请人:贝克特股份有限公司