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科技创新与应用
2015 年第 13 期
前景广阔的磷化涂层钢丝绳
张金利 1 天津 300000 （1、 天津冶金集团物流有限公司， 曹德润 2 天津 300000） 2、 天津冶金钢线钢缆集团有限公司环钟分公司，
高扬程、 高负载方向发展， 对钢绳耐疲劳性能要 摘 要： 人类从 1834 年开始生产光面钢丝绳直至今天， 随着起重机械向高速度、 求逐渐提高。磷化钢丝绳专利技术， 制绳钢丝经过锰系或锌锰系耐磨磷化处理， 提高了制绳钢丝表面耐磨损、 抗腐蚀性能， 同时 促进钢丝间发生滑动， 从而有效抑制微动疲劳的发生， 大幅度延长钢丝绳使用寿命， 是光面钢丝绳的理想替代品。 磨损； 腐蚀； 耐磨磷化 关键词： 钢丝绳； 疲劳性能； 使用寿命；
1 钢丝绳生产简史及主要工艺流程 1834 年欧洲人奥鲁勃特发明了世界上第一根钢丝绳既光面钢丝 绳， 至今已有 180 年的生产和使用历史[1]， 1939 年建立的天津市第一钢丝 绳厂是我国第一家金属制品企业[2]， 我国已经生产和使用光面钢丝绳七 十余年。 多数品种的钢丝绳是使用优质碳素钢丝、纤维芯和润滑脂制造而 成， 部分品种钢丝绳使用不锈钢丝捻制而成。制绳钢丝以优质碳素结构 其索氏体化率大于 钢热轧盘条为原料， 盘条普遍采用了控制冷却工艺， 80%， 索氏体金相组织有利于冷拉的进行。盘条经表面准备后冷拉到需 为了得到高强高韧的制绳钢 要的直径并得到具有一定物理性能的钢丝， 丝， 制绳钢丝的总压缩率一般控制在 75-93%之间， 常用热轧盘条直径为 5.5mm 或 6.5mm， 生产小规格制绳钢丝时， 需要增加中间热处理工序以 按上述工艺生产的制绳钢丝即为 消除加工硬化并得到索氏体金相组织。 光面钢丝， 制绳钢丝冷拉后不再做任何表面处理直接用于捻制股绳或钢 芯， 用该种股绳捻制的钢丝绳即为光面钢丝绳。钢丝拉拔前表面准备工 序形成的磷化膜，可以提高钢丝冷拉过程中带入拉丝模润滑剂的数量， 降低冷拉能耗。在高速连续冷拉过程中， 磷化膜与硬质合金拉丝模具发 钢丝经过总压缩率 75-93%的连续冷拉， 残余磷 生剧烈摩擦并逐渐脱落， 化膜膜重一般在 1g/m2 左右。干 式拉丝过程中，如果钢丝 温升 超过 150℃， 磷化膜因脱水而加速脱落， 水箱冷拉过程中， 钢丝与塔轮间有相 文献[3]介绍， 对滑动， 滑动量较大时加速磷化膜脱落。 冷拉前磷化膜膜重 4.21-9.67g/m2， 钢丝由 3.6mm 冷拉至 1.4mm， 总压缩率为 84.9%， 冷拉后 残余磷化膜为 0.6-1.46g/m2。 光面钢丝绳生产流程如下： 盘条→酸洗→水洗→锌系磷化→水洗→烘干→冷拉→热处理→酸 洗→水洗→锌系磷化→水洗→烘干→冷拉→制绳钢丝
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专利名称磷化涂层钢丝绳的制作方法
技术领域本发明涉及一种钢丝绳产品，具体的说是使用表面有磷化膜涂层的制绳钢丝捻制 的钢丝绳产品。
背景技术钢丝绳术语、标记和分类GB/T的2. 6. 1条款至少由两层钢丝或多个股 围绕一个中心或一个绳芯螺旋捻制而成的结构被称为钢丝绳，分为单捻钢丝绳和多股钢丝 绳。多股钢丝绳由股和绳芯捻制而成，钢丝绳绳芯包括纤维芯、钢芯、固态聚合物芯和复合 材料绳芯，股由钢丝或者由钢丝与纤维芯、固态聚合物芯、复合材料芯捻制而成。光面钢丝绳生产流程为盘条或钢丝一热处理一拉拔前表面准备一冷拉一捻股一 捻制钢丝绳制造钢丝绳所使用的制绳钢丝包括优质碳素钢丝和合金钢丝，还包括使用热镀、 电镀方法获得的在钢丝表面镀锌、镀铝、镀锌铝合金等镀层的钢丝。制绳用钢丝是通过冷拉 生产的，主要生产工序包括热处理、拉拔前的表面准备、冷拉等，在拉拔前的表面准备工序， 磷化处理是钢丝涂层方法之一。金属磷化是将金属与稀磷酸或酸性磷酸盐溶液发生化学、 电化学反应并在金属表面形成一层不溶于水的磷酸盐覆盖膜的过程，也被称为金属的磷酸 盐转化膜、磷酸盐膜，简称磷化膜。由于磷化膜与钢丝基体结合牢固，且磷化膜具有多孔性， 因而它是钢丝拉拔过程中润滑剂的优良载体，可以降低拉拔时钢丝与模具间的摩擦系数。 优质碳素钢丝为了获得强度与韧性的最佳组合，中、高碳制绳钢丝冷拉总减面率一般控制 在72-86%之间，徐效谦、阴少芬主编《特殊钢钢丝》一书，冶金工业出版社2005年3月第1 版，第256页至259页对此有详细论述。随着钢丝拉拔的进行，钢丝直径逐渐减小，单位质 量钢丝的表面积逐渐增加，以总减面率72%和86%的钢丝为例，每吨钢丝拉拔后表面积分 别是拉拔前的1. 889倍和2. 672倍。拉拔前表面准备时在钢丝表面形成的磷化膜，随着钢 丝单位质量表面积的增加而使磷化膜膜重大幅度降低，总减面率越大则膜重降低的越多， 磷化膜随着钢丝一起发生塑性变形过程中，一部分磷化膜被磨损刮擦脱落，使用水箱拉丝 机时，由于钢丝与塔轮间有相对滑动，磷化膜脱落的尤其严重，钢丝表面的残存磷化膜孔隙 也被拉拔用润滑剂充填和覆盖，干式拉丝尤其严重。大多数品种钢丝绳产品，钢丝绳内钢丝表面涂覆一层钢丝绳用润滑脂，极少量品 种的钢丝绳产品受使用条件的限制，在钢丝表面不涂覆钢丝绳用润滑脂。润滑脂在捻股或 者捻制钢丝绳工序进行涂覆，钢丝绳润滑脂在钢丝绳内部钢丝之间起到润滑和减缓钢丝锈 蚀速度的作用，润滑的失效将导致钢丝绳内部钢丝之间摩擦加剧，并在钢丝绳使用过程中 发生微动磨损，钢丝在失去润滑脂的保护之后会很快锈蚀，磨损与锈蚀是导致钢丝绳损坏 失效的原因之一。涂覆在钢丝表面的钢丝绳润滑脂的数量多少受润滑脂物理、化学性能和 钢丝表面状态及涂覆条件的影响，而润滑脂涂覆量的大小直接影响对钢丝的润滑和防腐效^ ο现有技术使用光面钢丝、镀锌、镀铝及其合金钢丝直接捻制钢丝绳、股绳和钢芯，由于冷拉光面钢丝表面光洁度极高，镀锌、镀铝及其合金钢丝表面也非常光滑，对润滑脂的 吸附能力较低，所以对制绳钢丝表面进行处理，提高其对润滑脂的吸附能力，是提高钢丝绳 内部钢丝间润滑效果和钢丝防腐蚀能力的方法之一。钢丝绳、制绳钢丝现在执行的国家标准、冶金行业标准中，包括GB/T优 质制绳用钢丝、GB8904-88电梯钢丝绳用钢丝、GB电梯用钢丝绳、GB 重要用途钢丝绳、GB/T不锈钢丝绳、GB/T粗直径钢丝绳、GB/ T —般用途钢丝绳、GB/T平衡用扁钢丝绳、GB/T输 送带用钢丝绳、GB/T操纵用钢丝绳、GB/T胶管用钢丝绳、GB/ T面接触钢丝绳、YB/T电梯钢丝绳用钢丝、YB/T飞机操纵 用钢丝绳、YB/T密封钢丝绳、YB/T面接触钢丝绳、YB/T航空 用钢丝绳、YB/T制绳用钢丝，上述标准没有任何条款的内容涉及到钢丝绳内制绳 钢丝的磷化膜膜重要求。
本发明的目的在于通过对制绳钢丝进行表面涂层，增加对钢丝绳润滑脂的储存 量，从而改善钢丝绳内部钢丝之间的润滑条件，减缓钢丝间因相互摩擦而引起的的磨损，并 提高钢丝的防腐蚀能力，从而延长钢丝绳使用寿命。本发明的目的通过下面技术方案予以实现。将制绳用钢丝磷化处理，在钢丝表面得到磷化膜，钢丝包括优质碳素钢丝和合金 钢丝，也包括使用热镀、电镀方法获得的镀锌、镀铝、镀锌铝合金等镀层的钢丝。制绳用钢丝表面磷化膜膜重控制在3-60g/m2之间，磷化膜膜重是金属磷化处理的 最重要技术指标，膜重大小直接关系到捻制后钢丝绳内钢丝间的润滑效果和防腐蚀能力， 磷化膜膜重按照GB/T金属材料上的转化膜单位面积膜质量的测定重量法进行 测定。制绳用钢丝磷化处理后即对钢丝取样测定磷化膜膜重，磷化膜膜重符合要求的可 以直接用于捻制钢丝绳及股和钢芯。制绳用钢丝磷化处理后可以再进行总减面率& 50%的冷拉，对冷拉后的制绳钢丝 取样测定磷化膜膜重，磷化膜膜重符合要求的可以用于捻制钢丝绳及股和钢芯，这里的总 减面率计算，钢丝拉拔前的原始横截面积按磷化时的钢丝直径计算。对完成捻制的成品钢丝绳进行拆股检验，拆股后对其中的制绳钢丝测定磷化膜膜 重，膜重应符合要求。磷化膜本身即具有非常良好的电绝缘性和改善金属表面摩擦性能促进滑动的性 质，磷化膜的存在可以提高制绳钢丝的耐蚀、耐磨能力，由于磷化膜具有多孔性，制绳用钢 丝磷化处理后涂覆钢丝绳润滑脂，润滑脂可以渗入磷化膜孔隙之间，有利于在钢丝绳内部 制绳钢丝表面储存更多的润滑脂，磷化膜与润滑脂的共同作用可以有效提高钢丝绳内部制 绳钢丝间的润滑效果和防腐蚀能力，磷化涂层可以提高钢丝的耐磨能力。
具体实施例方式磷化涂层钢丝绳生产流程1
热处理一拉拔前表面准备一冷拉一磷化处理一测定磷化膜膜重一捻股一捻制钢 丝绳磷化涂层钢丝绳生产流程2热处理一拉拔前表面准备一冷拉一磷化处理一总减面率& 50%的冷拉一测定磷 化膜膜重一捻股一捻制钢丝绳按上述生产流程组织生产即可，生产流程1是最佳生产工艺，应优先采用。金属的磷化按照磷化液成分分为碱金属磷化、铁系磷化、锌系磷化、锰系磷化、锌 钙系磷化、锌锰系磷化和有机磷化等，而且钢丝绳品种众多、用途广泛，根据钢丝绳内部钢 丝直径、钢丝材质、钢丝绳用途和使用条件等因素确定制绳用钢丝的磷化方式和方法，由于 金属磷化过程中有析氢现象，磷化处理后需要对制绳钢丝进行除氢处理，防止氢脆现象的 发生，可以对磷化膜进行钝化处理。
磷化涂层钢丝绳，包括单捻钢丝绳和多股钢丝绳，多股钢丝绳由股和绳芯捻制而成，钢丝绳绳芯包括纤维芯、钢芯、固态聚合物芯和复合材料绳芯，股由钢丝或者由钢丝与纤维芯、固态聚合物芯、复合材料芯捻制而成，制绳用钢丝包括优质碳素钢丝和合金钢丝，也包括使用热镀、电镀方法获得的镀锌、镀铝、镀锌铝合金等镀层的钢丝，其特征在于对制绳用钢丝进行磷化处理，在钢丝表面形成磷化膜，并将制绳钢丝表面磷化膜的膜重控制在3 60g/m2之间。
2.根据权利要求1所述的磷化涂层钢丝绳，其特征在于制绳钢丝磷化处理后即对钢 丝取样测定磷化膜膜重，磷化膜膜重符合要求的可以直接用于捻制钢丝绳及股和钢芯。
3.根据权利要求1所述的磷化涂层钢丝绳，其特征在于制绳钢丝磷化处理后再进行 总减面率& 50%的冷拉，对冷拉后的制绳钢丝取样测定磷化膜膜重，磷化膜膜重符合要求 的可以用于捻制钢丝绳及股和钢芯。
4.根据权利要求1所述的磷化涂层钢丝绳，其特征在于对完成捻制的成品钢丝绳进 行拆股检验，拆股后对其中的制绳钢丝测定磷化膜膜重，膜重应符合要求。
本发明公开了一种钢丝绳产品，通过对制绳钢丝磷化处理，在制绳钢丝表面形成磷化膜，以此改善钢丝绳内部钢丝之间的润滑条件，减缓钢丝间因相互摩擦而引起的磨损，并提高钢丝的防腐蚀能力，从而延长钢丝绳使用寿命。
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锰系磷化涂层提高钢丝绳疲劳寿命原理分析
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新绳使用一段时间后应经常检查钢丝绳易出现损坏的部位，如钢丝绳发生“咬绳”的部位、卷筒下层钢丝绳、发生剧烈冲击时通过滑轮处钢丝绳和进出卷筒钢丝绳部位等，通过经常检查为合理、安全使用钢丝绳提供依据。断丝处理当钢丝绳出现断丝仍需进行使用时，应将断丝及时处理。可以用钢丝钳断丝头部，前后反复弯折至钢丝断掉。经过这样处理，钢丝断头将被夹紧在股绳之间，不会对钢丝绳使用造成危害。由于旋挖钻机钢丝绳工作方式属于单绳起重，即钢丝绳工作中存在自由端，常州旋挖机用钢丝绳，基于安全性和操作便利性考虑，选购钢丝绳时应优先采用抗旋转钢丝绳。另外旋挖钻机的作业工况特殊，“咬绳”现象频繁发生，会对钢丝绳造成很大破坏。建议在使用时注意钢丝绳“咬绳”处的磨损情况，无锡旋挖机用钢丝绳，避免造成重大损失。江苏芸裕金属制品有限公司专业的旋挖机用钢丝绳生产厂家，公司有多年的生产经验。 钢丝绳断裂在空洞里面，安徽旋挖机用钢丝绳，不好弄了。便宜没好货，好货不便宜，建议使用锰系磷化涂层钢丝绳。江苏芸裕金属制品有限公司专业生产钢丝绳。常用钢丝绳有磷化涂层钢丝绳、镀锌钢丝绳、不锈钢丝绳或涂塑钢丝绳，大气环境中使用，专利技术生产的锰系磷化涂层钢丝绳使用寿命最长，重腐蚀环境优选热镀锌—磷化双涂层钢丝绳，旋挖机用钢丝绳，磷化涂层提高钢丝的耐磨性和耐蚀性，不易磨损和不易腐蚀是提高其使用寿命的原因，光面钢丝绳将被彻底淘汰。磷化涂层钢丝绳，优先采用锰系或锌锰系磷化，与光面钢丝绳生产工艺对比，只是增加了最后的耐磨磷化处理工序，钢丝的耐磨性和耐蚀性大幅度提高，使用磷化以后钢丝不经过冷拉直接捻制钢丝绳。目前疲劳试验数据表明，磷化涂层钢丝绳疲劳寿命是同结构光面钢丝绳的3倍左右（试验室可比条件下），不易磨损和不易锈蚀是钢丝绳使用寿命超大幅度延长的原因。锰系磷化就是耐磨磷化，可以解决钢丝绳使用过程中的磨损问题并提高抗腐蚀能力，
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磷化涂层钢丝绳的生产与处理工艺
11:41:00&&&&
　　●磷化涂层钢丝绳专利技术，将制绳钢丝磷化处理，磷化膜使钢丝表面更加耐磨并提高其防腐蚀能力，磷化膜多孔性结构可以增加润滑脂在制绳钢丝表面的储存量，降低摩擦因数促进滑动，延缓钢丝表面微动损伤的发生，抑制疲劳微裂纹的萌生，从而大幅度延长钢丝绳使用寿命。
　　●耐磨磷化应选用锰系或锌锰系复合磷化配方。磷化钢丝是一种复合材料，使用复合材料制造钢丝绳是行业未来的发展方向。
　　对钢丝绳用户而言，钢丝绳突然断裂的后果轻则物毁，重则人伤。钢丝绳使用寿命的大幅延长，意味着安全性、可靠性和经济性的提高。正是因为国内钢丝绳产品与进口产品在使用寿命上的明显差距，所以一些高端钢丝绳客户宁愿以国内产品3倍的价格也要购买进口钢丝绳。
　　以港口装卸门机用钢丝绳为例，德国某品牌平均寿命3600小时作业14.5万TEU标准箱，日本产品约3000小时作业10万标准箱，国产质量好的产品3000小时作业9万~10万标准箱。从成本来看，国内钢丝绳制造企业的生产成本低于进口钢丝绳，只要国产钢丝绳使用寿命和质量稳定性超越进口产品，必将获取丰厚的利润回报，而磷化涂层钢丝绳专利技术的出现，可以帮助钢丝绳制造企业实现这种超越。
　　磷化技术主要用于钢铁材料的防锈蚀、冷加工中的降低摩擦、提高耐磨能力、黏结中间相、电绝缘及表面装饰等。其中，以提高钢铁材料耐磨性、降低摩擦、改善润滑为主要作用的磷化处理工艺，被广泛应用于汽车、轻工、化工、电器、国防等领域的摩擦运动承载零件。将磷化技术应用于钢丝绳内钢丝的耐磨、降低摩擦和防锈，磷化膜与润滑脂的复合作用对钢丝表面的保护效果远胜于目前在用的任何一种润滑脂。
　　钢丝绳疲劳的缓解
　　微动疲劳是钢丝绳失效的主要原因，也是微动磨损和疲劳共同作用的过程。然而，钢绳内部钢丝间的微动是保持钢丝绳特有性能（如柔韧性）的固有属性。因此，钢丝之间的微动不能去除，只能采取技术措施对钢丝表面予以保护，以延缓微动损伤的发生。
　　微动疲劳损伤与材料的表面性能密切相关。利用表面工程技术，可以提高传统材料抗微动疲劳的性能和增强新材料的微动疲劳抗力；采用表面改性手段，可有效提高材料的抗微动损伤性能，提高耐磨性，改善抗微动损伤性能。采取这些表面防护措施，有利于削弱或阻断钢丝间相对滑动时摩擦力作用所带来的危害，从而抑制、延缓钢丝表面微动损伤的发生，并大幅度延长钢丝绳使用寿命。
　　磷化膜本身就具有良好的电绝缘性，可有效抑制在钢丝表面形成微电池；磷化膜与润滑脂的共同作用，可以大幅度提高钢丝间的润滑效果和钢丝的耐腐蚀防氧化能力。磷化涂层钢丝绳专利技术，是将制绳钢丝磷化处理并将膜重控制在3g/m2~60g/m2之间，包括碳素钢丝、合金钢丝、镀锌、镀铝、锌铝合金镀层的钢丝等。具体的磷化钢丝绳生产流程包括制绳钢丝、磷化处理、测定磷化膜膜重、捻股或钢芯、捻制钢丝绳5个环节。对于压实类钢丝绳，在上述流程基础上捻股（合绳）完成后进行有一定减面率的压缩变形，压实后股或绳的密度系数增大，钢绳破断拉力比未经压实的钢绳有一定幅度的增加。
　　磷化钢丝绳的生产
　　磷化钢丝的技术要求。金属的磷化按照磷化液成分可分为碱金属磷化、铁系磷化、锌系磷化、锰系磷化、锌钙系磷化、锌锰系磷化和有机磷化等，应依据磷化的用途选用适宜的磷化液品种。磷化膜的主要性能指标包括外观、成分、膜重、耐蚀性、附着力、孔隙率、粗糙度等。拉拔用磷化钢丝与制绳用磷化钢丝中磷化膜所起到的作用是不同的，所以对相应磷化膜的技术要求也有差异。磷化钢丝绳用制绳钢丝的磷化膜的主要作用是提高钢丝表面的耐磨和防腐蚀能力，提高润滑脂在钢丝表面的储存量并与涂敷的润滑脂共同作用减小摩擦因数，所以优先采用锰系磷化，其次为锌锰系磷化。
　　磷化钢丝绳的适用范围。钢丝在磷化过程中会有部分材料被溶解，磷化膜膜重在3g/m2~15g/m2时，磷化后的钢丝直径几乎不变；磷化膜膜重超过20g/m2时，钢丝直径增加值也非常有限，钢丝力学性能在磷化前后无明显变化（需除氢防止发生氢脆）。这一特点使磷化钢丝绳技术几乎适用于所有种类的钢丝绳产品，尤其是对耐疲劳性能有较苛刻要求的产品，如电梯钢丝绳、港口装卸门机用钢丝绳、矿山钢丝绳、航空钢丝绳、采油机用钢丝绳和各类吊车用起重钢丝绳等，而且与所有钢丝绳现行国家标准并无冲突，即磷化涂层钢丝绳可以完全符合现行相关钢丝绳国家标准的技术要求。
　　对于输送带用钢丝绳，磷化膜可以在干摩擦（不涂敷润滑脂）的情况下提高（镀锌层）耐磨性，延缓微动损伤发生。如果黏合力符合要求，则既可以选择冷拉镀锌钢丝磷化后捻绳，也可以考虑使用磷化钢丝直接代替镀锌钢丝生产胶带绳。
　　磷化钢丝绳的生产工艺。制绳钢丝磷化属于重膜磷化，需要专用锰系或锌锰系磷化液，而且要求磷化速度必须快，这样才能在生产细直径制绳钢丝时有足够的产量规模。此外，一切可以提高磷化速度、缩短反应时间的技术措施都要优先采用，如采用高温磷化和单位面积大电流的电解磷化。
　　磷化钢丝绳用磷化钢丝的磷化膜膜重按照相应国家标准GB/T金属材料上的转化膜单位面积膜质量的测定重量法进行检测。对于捻制后的磷化钢丝绳产品拆股检验制绳钢丝磷化膜膜重，可以先用有机溶剂对钢丝表面涂敷的润滑脂进行彻底清洗，风干后按上述标准重量法测定磷化膜膜重即可。
　　钢丝磷化废水处理
　　目前，磷化废水处理方法主要有生物法、化学法、物理化学法等，具体有凝聚法、吸附法、电化学法和沉淀法等，以及这些方法的综合运用。化学法和生物法是目前应用比较广泛的方法，其中化学法除磷具有处理效率高、效果稳定、简单易行等优点，去除的最佳途径是使正磷酸根和金属离子形成难溶性物质而产生沉淀。金属盐化学沉析剂主要有铝盐、铁盐和钙盐，运用最多的是钙盐，如添加氢氧化钙（石灰水），可以生成磷酸钙等沉淀。用高分子有机螯合剂与废水中的多种金属离子发生螯合反应，可以生成稳定且不溶于水的金属螯合物，该沉淀物具有稳定性高、去除率高的特点。
　　磷化钢丝产量的增加会使磷化废水量同比增加。因此，上磷化钢丝生产线的同时就必须扩建原有的废水处理系统。当前，磷化废水处理系统市场上已有成套设备供应，技术已经很成熟，废水处理后一部分可以回用，一部分符合国家标准GB的相关要求的处理后的废水可以排放。
编辑：宋玉琤&&&&
来源：线材
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