1、鋼絲電鍍黃銅的技術(shù)創(chuàng)新CPA鋼線技術(shù)一鋼簾線生產(chǎn)和質(zhì)量的新高度韋爾納佩森赫弗 瑟爾蓋伊薩科夫(CPA鋼線技術(shù)有限公司 奧地利格拉茨)摘要介紹傳統(tǒng)的鋼簾線鋼絲鍍層工藝并分析存在的問(wèn)題，說(shuō)明CPA單絲控制電鍍黃銅技術(shù)的工作原理，對(duì)新 技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)敷果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示：使用新技術(shù)可將黃銅中銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的波動(dòng)范圍由2降低薊4-1t銅和鋅的甩般消耗分別從先前的13l【gt、75 kgA降低到4 kgt、21l【gt。在拉絲過(guò)程中可以降低50的橫 具損耗；濕拉和合殷過(guò)程中的鋼絲斷裂可以減少50；廢料可減少3005，橡膠與金屬的牯合力提高5。 關(guān)鍵詞鋼簾線鋼絲；電鍍黃銅；單絲控制Innovative

2、Technology for Brass PlatingCpAWireteca New Degree of Production and Quality for Steel CordWerner Pessenhofer Sergei Isakov(CPAWiretec GmbHAustria Graz)Ahstracg To intrnduee traditional plating proc嘲of steel wire for st髓l cord and analyze the existing probltmaTIle w叮k principle of the braplating tec

3、hnology with 5ingh wire control 0f the CPA Cois explainedand the prodIlction dfects d nw and traditional technology axe compared，The results show that using new technology can debase Cu mass fractionfluctuation scope ot brassfrom2tO1，deb牯ethe anode consumption ofCo and znfroml3 kgt and 7，5 kgttO 4 k

4、gt and 21 kgt respectively；debase dies c01sttmption by 50in the cOUiae of wire drawing；wire breaking eatxdebase 50in the o_鬻of wet wire drawing and stranding；the scrap decre*se 30：the adheaion between rubber andwire incrcase 5Keywords gceel wire for steel cord；brass plating；single wire control鋼簾線是現(xiàn)代

5、輪胎非常重要的加固材料。通過(guò)電鍍黃銅工序可以大幅提高產(chǎn)品的質(zhì)量。在鋼簾線生產(chǎn) 上電鍍黃銅工序是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，大概分為以下幾個(gè)步驟：(1)鋼絲韌化處理；(2)堿性鍍銅；(3)酸性 鍍銅；(4)鍍鋅；(5)熱擴(kuò)散生成黃銅。電鍍黃銅工藝是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高質(zhì)量、低成本的關(guān)鍵，對(duì)生產(chǎn)高質(zhì)量、高效率的黃銅產(chǎn)品至關(guān)重要。多數(shù)專(zhuān) 家認(rèn)為電鍍黃銅生產(chǎn)線占輪胎鋼簾線生產(chǎn)設(shè)備總投資成本的25。而相對(duì)于其它設(shè)備，電鍍生產(chǎn)線對(duì)于產(chǎn) 品成本和質(zhì)量的影響占50。由此可知，電鍍生產(chǎn)線的重要性相當(dāng)于、甚至高于原材料的質(zhì)量。因此，改進(jìn) 該生產(chǎn)工序可以有效地提高產(chǎn)品的質(zhì)量。只有均勻的鍍層結(jié)構(gòu)才能有效地抗腐蝕以及提高橡膠與鋼簾線之

6、間的粘合力。不均勻的黃銅鍍層不僅會(huì)給鋼簾線的生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)影響，還將會(huì)進(jìn)一步影響輪胎的生產(chǎn)企業(yè)：橡膠與鋼 簾線的牯臺(tái)力重點(diǎn)取決于黃銅鍍層的種類(lèi)與質(zhì)量。這不僅在于電鍍重量或者銅含量比例等數(shù)量性能，尤其 在于其微分子結(jié)構(gòu)特性，如鋼絲上發(fā)生的化學(xué)變化，銅含量梯度或者B黃銅成分rl】。t3黃銅斑點(diǎn)的出現(xiàn)說(shuō)明24鋼簾線與橡膠的枯合力較差。其整體粘合力顯著降低。由不同晶體相位組成的不均勻的鍍層往往具有較差 的抗腐蝕性，對(duì)于如氯化物使輪胎里的銅簾線的耐腐蝕性較差。總之，生產(chǎn)可再生的、光滑均勻的黃銅鍍層 可保證鋼簾線以及輪胎生產(chǎn)企業(yè)的共同利益。1傳統(tǒng)的系統(tǒng)技術(shù)傳統(tǒng)的多絲電鍍系統(tǒng)一般通過(guò)水平或垂直放置的陽(yáng)極板向所

7、有鋼絲供電。在該情況下給HT，SHT及 uT鋼簾線鋼絲電鍍會(huì)影響鍍層的均勻性。要獲得均勻的鍍層，必須使通過(guò)每根鋼絲的電流相同。實(shí)際上， 鋼絲的電流分配與理論不符，因此在電鍍生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了很多問(wèn)題。根據(jù)歐姆定律，通過(guò)鋼絲的電流與其 自身的電阻相關(guān)。圖1大略展現(xiàn)了一根鋼絲電阻網(wǎng)絡(luò)的情況。可見(jiàn)，即便是一根鋼絲都可以展現(xiàn)復(fù)雜而波 動(dòng)的電阻系統(tǒng)。“一“圖1電鍍過(guò)程中一根鋼絲電阻舟絡(luò)略圖在多根鋼絲共電源的情況下，每根鋼絲的電阻與其它鋼絲的電阻相并聯(lián)，如圖2所示。t|。、 o。、寫(xiě) 瓦。，。，“、I 、t“|R_ R。_圖2多根鋼絲共電源系統(tǒng)在電鍍過(guò)程中電阻網(wǎng)絡(luò)略圖由此，即使延長(zhǎng)電鍍時(shí)間黃銅成分的波動(dòng)也在

8、所難免，因?yàn)殛帢O接觸不好。此外，由于陽(yáng)極板不均勻的電解，該波動(dòng)隨時(shí)問(wèn)而增大，如圖3所示【2】。 除鋼絲間電流分配的問(wèn)題外，還會(huì)出現(xiàn)鍍層成分和厚度的偏差。置于鋼絲下方的水平陽(yáng)極板不能在鋼絲周?chē)a(chǎn)生均勻的電場(chǎng)，導(dǎo)致在鋼絲各處產(chǎn)生不同的電流密度。特別在酸性電鍍過(guò)程中供以較弱的電流會(huì) 引起不均勻的電沉積。由此會(huì)導(dǎo)致兩種不同的錯(cuò)誤發(fā)生：(1)黃銅鍍層厚度的偏差。在整個(gè)電鍍過(guò)程中由于鋼絲不轉(zhuǎn)動(dòng)，由此導(dǎo)致鋼絲底部和頂部鍍層的沉積量 不同(見(jiàn)圖4I)。(2)黃銅化學(xué)成分的改變。當(dāng)鋼絲在各個(gè)鍍層電鍍過(guò)程中持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，鍍層厚度的分配將如圖4所示。 最終局部的鋅含量過(guò)高。根據(jù)銅與鋅的相圖，這將導(dǎo)致B黃銅的產(chǎn)生【3 J

9、。o一邪國(guó)o一譬目 降臣_-_一Zinc)ayer-_copperIayer圖3在鋼簾線生產(chǎn)線過(guò)程中由于陽(yáng)極板鈍化圈4水平用極板情況下發(fā)生 而導(dǎo)致正常電流分配波動(dòng) 沉積偏差的圈示多絲電鍍生產(chǎn)線揭示了鋼絲間電磁相互作用的問(wèn)題，引起鋼絲頂部進(jìn)一步的屏蔽“J。頂部和底部銅含 量的差異可達(dá)10以上。在垂直陽(yáng)極板條件下由于使用同一個(gè)陽(yáng)極板相鄰鋼絲問(wèn)的巨大相互影響在所難免。不均勻的黃銅成 分雖然低于水平陽(yáng)極板情況，但也會(huì)達(dá)5。眾所周知，通過(guò)嚴(yán)格控制實(shí)際的電流密度和電鍍時(shí)間可以計(jì)算 電沉積量。更重要的是電鍍條件會(huì)影響鍍層的性能。電鍍條件決定鍍層的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，譬如注意電鍍條件 可以最終提高黃銅的質(zhì)量。各鍍層和

10、最終黃銅鍍層的結(jié)構(gòu)如圖5圖8所示。由此可知，傳統(tǒng)的系統(tǒng)不可能生產(chǎn)高質(zhì)量的鍍層。圖5焦磷酸鹽電鍍銅鍍層的結(jié)構(gòu)圖 圖6硫酸鹽電鍍銅鍍層的結(jié)構(gòu)圖2傳統(tǒng)電鍍生產(chǎn)線的缺點(diǎn)(1)共電源電鍍生產(chǎn)線可以保證一定條件的生產(chǎn)。也就是說(shuō)，可以生產(chǎn)一定直徑、黃銅成分和鍍層重量的鋼絲。26田7酸性電鍍鋅鍍層的組織 圖8銅、鋅鍍層熱擴(kuò)散生成黃銅的組織如果要生產(chǎn)不同規(guī)格的鋼絲，電鍍生產(chǎn)線的隨意性受有限的鋼絲互換性影響，無(wú)法避免在鋼絲之間產(chǎn)生 影響。譬如相鄰鋼絲間必須保留一定的層次距離。結(jié)果將導(dǎo)致大量廢品，此外，將會(huì)影響熱擴(kuò)散爐內(nèi)氣氛穩(wěn) 定。該系統(tǒng)的利用率不超過(guò)70。結(jié)果將導(dǎo)致氧化物比例增大，對(duì)進(jìn)一步的生產(chǎn)造成困難：后道工序

11、濕拉 過(guò)程中發(fā)生鋼絲斷裂。拉絲模具磨損加快導(dǎo)致模具損耗增大。(2)在傳統(tǒng)系統(tǒng)中只有30的陽(yáng)極板材料用于電鍍。由于不均勻的溶解，陽(yáng)極板過(guò)早更換降低了鋼絲 上的電鍍量。產(chǎn)生的廢品應(yīng)被回收處理，否則將會(huì)產(chǎn)生潛在的附加成本。(3)根據(jù)ISO 9000的要求，傳統(tǒng)系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)對(duì)每根鋼絲電鍍情況的跟蹤、記錄(只可提供整體的數(shù) 據(jù))。(4)通常情況下鋼絲在陰極輥上的滑動(dòng)接觸會(huì)造成鋼絲表面的磨損。這會(huì)導(dǎo)致在鋼絲表面鍍層上出現(xiàn) 孔、線、溝槽等。進(jìn)而對(duì)鋼絲加工的正確性及鋼簾線與橡膠的粘臺(tái)性造成負(fù)面影響。由此，考慮到提高質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本，傳統(tǒng)的電鍍系統(tǒng)都不符合要求。3 CPA鋼線技術(shù)電鍍黃保證高質(zhì)量的電鍍效果必須

12、在整個(gè)電鍍加工過(guò)程中對(duì)電流密度進(jìn)行隨時(shí)、隨地的精確監(jiān)控。該原理恰 恰是CPA鋼線技術(shù)電鍍系統(tǒng)的基礎(chǔ)。完全獨(dú)立的單元被用于提高電鍍處理的質(zhì)量。每個(gè)單元(線1)在機(jī) 械、電子方面都與其他并聯(lián)的單元完全相互獨(dú)立(線2，3，4等)。每根鋼絲都通過(guò)很多個(gè)相互完全獨(dú)立的工 作小凹槽。因此每根鋼絲的控制都是完全獨(dú)立的。在單元獨(dú)立的情況下可以通過(guò)使用電阻跟蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)電子圖9 CPA鋼線技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)造圖u型惰性陽(yáng)極板被用于優(yōu)化電流密度。陽(yáng)極板的結(jié)構(gòu)降低了鍍層厚度和成分的誤差。同步傳動(dòng)的雙接觸 陰極輥避免了鋼絲表面的機(jī)械損傷。由此可以大幅降低危險(xiǎn)電壓的可能性，以及避免飽和電流的產(chǎn)生。來(lái)自于每個(gè)單元的且通過(guò)每根鋼絲 的

13、電流(電流密度)將可得到控制。因此可以精確地對(duì)每根鋼絲進(jìn)行調(diào)整。4新技術(shù)的優(yōu)越性通過(guò)CPA新技術(shù)電鍍的鋼絲可以展現(xiàn)優(yōu)越的鍍層均勻性、化學(xué)成分、厚度和微觀結(jié)構(gòu)。分別由新技術(shù) 和傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)備電鍍的鋼絲表面化學(xué)成分分配的比較如圖IO所示。64 7629!o“”8“io“8Iem圖10傳統(tǒng)技術(shù)與CPA新技術(shù)電鍍的鋼絲 黃銅鍍層銅含量均勻性比較如果使用CPA獨(dú)立單元和電源技術(shù)以及自動(dòng)電鍍槽液分析控制系統(tǒng)(ABACS)，鋼絲表面各處銅成分 的分配偏差率可在1內(nèi)。而傳統(tǒng)的電鍍系統(tǒng)將導(dǎo)致2以上的偏差率，如圖11所示。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示應(yīng)用新技術(shù)可實(shí)現(xiàn)2方面的效益：生產(chǎn)效率提高；質(zhì)量進(jìn)步。圖11 CPA電鍍系統(tǒng)(

14、左)和傳統(tǒng)電鍍系統(tǒng)(右)生產(chǎn)的產(chǎn)品銅成分的分配示意圖41生產(chǎn)效率的提高 為傳統(tǒng)系統(tǒng)制定生產(chǎn)計(jì)劃需要考慮到諸多因素，譬如產(chǎn)量、鋼絲直徑、鍍層的成分和質(zhì)量等。因此，生產(chǎn)計(jì)劃的制定過(guò)程非常復(fù)雜。而新技術(shù)由于每根鋼絲沒(méi)有相互的影響，生產(chǎn)不同直徑的鋼絲不會(huì)受到諸如直徑、鍍層成分和鍍層重量方面的限制。該隨意性可使設(shè)備生產(chǎn)效率達(dá)100。從而可以大幅提高產(chǎn)量和生 產(chǎn)速度。成分不穩(wěn)定的問(wèn)題往往是由于不合適的爐載量分配造成的，新技術(shù)中所有鋼絲線位都能得到充分利用 因此該問(wèn)題也可得到解決。在新電鍍系統(tǒng)下可以保證陽(yáng)極板100的消耗率。如果生產(chǎn)6 gkg鍍層重量的鋼絲，銅和鋅的陽(yáng)極消 耗分別從先前的13 kgt、75

15、kgt降低到4 kgt、21 kgt6】。每年生產(chǎn)10000 t的鋼絲可以分別節(jié)約90 t 銅和54 t鋅。此外，也可以將傳統(tǒng)電鍍系統(tǒng)淘汰下來(lái)的廢料用于新系統(tǒng)的再生產(chǎn)，這樣可以使現(xiàn)有的設(shè)備 更加高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。由于鍍層的精密度、黃銅鍍層下面沒(méi)有氧化物以及沒(méi)有表面的損傷等，可以有效地改善以下的工序性 能：(1)在拉絲過(guò)程中可以降低50的模具損耗；(2)在常規(guī)條件下濕拉過(guò)程中鍍層重量的損失不超過(guò)5； (3)濕拉和合股過(guò)程中的鋼絲斷裂可以減少50。顯而易見(jiàn)，除降低材料成本外，還可以減少安裝、修理和維護(hù)所需的時(shí)間。因此。每個(gè)操作員控制的拉 絲、合股設(shè)備可以平均增加30，這就意味著可以減員。在精密的電鍍條件

16、下，生產(chǎn)性能穩(wěn)定一致的鋼簾線是沒(méi)有問(wèn)題的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，浪費(fèi)可減少60，生 產(chǎn)效率顯著提高。42質(zhì)量的進(jìn)步 高質(zhì)量的黃銅鍍層可以顯著提高輪胎鋼簾線的加工效果。橡膠與金屬的牯合力提高了5，從而提高了抗腐蝕的性能。已鍍黃銅鋼絲的殘余應(yīng)力可被顯著減小。這將直接影響鋼簾線的平直度和殘余扭轉(zhuǎn)，從而最終提高鋼 簾線的質(zhì)量。降低由于殘余應(yīng)力所造成的經(jīng)濟(jì)損失。如果存在殘余應(yīng)力，橡膠將連同鍍層一起脫落。其變 形使鋼簾線報(bào)廢。細(xì)拉過(guò)程中的不規(guī)則變形是引起殘余應(yīng)力的主要原因。該原理來(lái)源于Gubkin定律。Gubkin定律瞪1的 主要內(nèi)容是不規(guī)則的變形導(dǎo)致在與外來(lái)影響相平衡的基礎(chǔ)材料中產(chǎn)生不規(guī)則的張力。細(xì)拉后根據(jù)代數(shù)

17、定律 在剩余張力區(qū)域中不同方向的作用力積增。造成不規(guī)則變形的原因多種多樣：譬如局部B黃銅的數(shù)量、偏心 率、局部的氧化物及其他表面的缺陷，如圖12所示。圖12在鋼簾線生產(chǎn)細(xì)拉過(guò)程中鋼絲的規(guī)則和不規(guī)則的變形Fr是相對(duì)于細(xì)拉中軸造成鋼絲變形的最終作用力。 使用CPA鋼線技術(shù)設(shè)備可將產(chǎn)生口黃銅、偏心率或其他上述失誤的幾率降低為零。廢料量也將明顯減少。3使用CPA鋼線技術(shù)的結(jié)果通常情況下。使用創(chuàng)新技術(shù)往往需要高投資成本。但使 用CPA鋼線技術(shù)隨之而來(lái)的是生產(chǎn)成本的大幅降低以及投 資的快速回報(bào)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，陽(yáng)極板材料的成本可降低70，拉 絲設(shè)備的成本可降低50，廢料可減少30(在鋼簾線生產(chǎn) 過(guò)程中I kg廢料

18、的價(jià)值相當(dāng)于I kg鋼簾線的價(jià)值)。對(duì)照 傳統(tǒng)系統(tǒng)成本變化的結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。4結(jié)論圖13使用CPA鋼線電鍍技術(shù)戚本改變的結(jié)構(gòu)分析(1)cPA鋼線技術(shù)電鍍黃銅的創(chuàng)新技術(shù)可以最終有效地 提高鍍層的質(zhì)量以及整個(gè)過(guò)程的生產(chǎn)效率。(2)cPA鋼線技術(shù)電鍍黃銅生產(chǎn)線所生產(chǎn)的輪胎鋼簾線具有高質(zhì)量黃銅鍍層的特點(diǎn)。 (3)由于質(zhì)量及電鍍加工隨意性的提高，生產(chǎn)流程成本將顯著降低。參考文獻(xiàn)【1Stafinshak Tw，Shemenski RM，I-atnlmcr GE(1988)Wire Journal International 21(7)：48522Starlnshak Tw，Wood GP(1994)W

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