胎圈鋼絲化鍍錫青銅工藝研究

1、胎圈鋼絲化鍍錫青銅工藝研究仝奎(鄭州大學(xué)材料工程學(xué)院450052竇光聚(冶金金屬制品行業(yè)生產(chǎn)力促進(jìn)中心鄭州450007摘要研究胎圈鋼絲化鍍錫青銅的鍍液配方,分析了(Cu 2+(Sn 2+之比和硫酸濃度對(duì)鍍液的影響:(Cu 2+(Sn 2+之比應(yīng)控制在13以上,硫酸濃度可在一定范圍波動(dòng),對(duì)鍍層含錫量影響不明顯。加入研制的添加劑可增加鍍液穩(wěn)定性。為提高鍍層與橡膠的粘結(jié)力,應(yīng)加強(qiáng)鋼絲表面前處理和鍍后處理。關(guān)鍵詞胎圈鋼絲化鍍錫青銅鍍液穩(wěn)定性研究T echnology R esearch of B ronze -plating by ChemicalDisplacement on B ead WireT

2、 ong K ui(Materials Engineering College o f Zhengzhou Univer sity 450052Dou Guangju(Productive Forces Promotion Center o f China Steel Wire Products Industry Zhengzhou 450007Abstract T o research the plating liquid prescription of bronze 2plating by chemical displacement on bead wire.The effects of

3、con 2centration ratio of Cu 2+to Sn 2+and sulphuric 2acid concentration on the plating liquid are analyzed.The concentration ratio of Cu2+to Sn2+should be controlled over 13.The sulphuric 2acid concentration can wave within a certain scope ,and its effect on Sn com po 2nent in the coat is not obviou

4、s.Adding additive researched and produced by self can raise the stability of the plating liquid.In order to increase the coherence of rubber with coat ,the pre 2treatment and after 2treatment of steel wire s sur face should be strengthened.K eyw ords bead wire ;bronze -plating by chemical displaceme

5、nt ;plating liquid ;stability research1概述化學(xué)置換鍍錫青銅是以電化學(xué)置換反應(yīng)為基礎(chǔ),從而獲得鍍層的方法。該法具有沉積速度快、工藝簡(jiǎn)單、與橡膠結(jié)合力強(qiáng)等特點(diǎn),很適合生產(chǎn)胎圈鋼絲的表面鍍層。胎圈鋼絲作為輪胎的一種骨架材料,其性能的好壞直接影響著輪胎的質(zhì)量,因此要求它具有良好的力學(xué)性能、工藝性能及與橡膠高的粘結(jié)特性。隨著IS O T C17SC17新標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施,國(guó)內(nèi)的胎圈鋼絲也將由紫銅鍍層為主發(fā)展為以青銅為主。2化鍍青銅的原理嚴(yán)格地講化鍍青銅應(yīng)該是化學(xué)置換法鍍青銅,它有別于通常所說(shuō)的“化學(xué)鍍”。在鋼絲基體(鐵上進(jìn)行置換反應(yīng)時(shí)各金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位1如下:E

6、°(Cu 2+Cu =+0.377VE °(Sn 2+Sn =-0.136V E °(Fe 2+Fe =-0.441V鐵的標(biāo)準(zhǔn)電極電位值明顯低于錫和銅,根據(jù)能斯特方程,鐵置換銅與錫的反應(yīng)是自發(fā)進(jìn)行的。由E °(Cu 2+Cu -E °(Sn 2+Sn =0.337-(-0.136=0.473V 可知,銅與錫之間存在很大的電位差。為了得到一定含錫量的青銅鍍層,通過(guò)控制液相中銅錫兩組份合金的金屬離子濃度以及加入適量的添加劑可得到滿意的結(jié)果。3鍍液配方的研究3.1(Cu 2+(Sn 2+之比對(duì)鍍層含錫量的影響按預(yù)先設(shè)定的配方,先假設(shè)其它組分不變,通過(guò)

7、對(duì)不同(Cu 2+(Sn 2+之比的調(diào)整,得到不同含錫量的鍍層,結(jié)果見圖1及表1。由此可看出硫酸本課題為2000年河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目第28卷第6期金屬制品2002年12月V ol 128N o 16S teel Wire Products December 2002銅與硫酸亞錫的質(zhì)量比應(yīng)控制在13以上 。圖1硫酸銅與硫酸亞錫含量對(duì)鍍層 含錫量的影響3.2硫酸含量對(duì)鍍層含錫量的影響筆者同時(shí)試驗(yàn)了硫酸的含量對(duì)鍍層含錫量的影響,結(jié)果如圖2所示。硫酸的濃度可在一定范圍內(nèi)波動(dòng),對(duì)鍍層中的含錫量影響不明顯,即溶液中的硫酸含量不是影響鍍層含錫量的主要因素。表1硫酸銅與硫酸亞錫含量對(duì)鍍層含錫量的影響w %Cu

8、S O 45H 2O (g L -1SnS O 4(g L-1234555 1.5 2.1 2.7 3.860 1.2 1.8 2.5 3.462.50.9 1.6 2.2 3.1650.81.32.03.0圖2鍍液中硫酸含量對(duì)鍍層含錫量的影響3.3鍍液的穩(wěn)定性本實(shí)驗(yàn)鍍液中的Sn2+是以錫鹽(SnS O 4的形式加入的,Sn 2+極易受空氣中氧的作用而被氧化為Sn4+,同時(shí)Sn 2+易水解形成偏錫酸鹽的白色沉淀,從而使鍍液混濁以致失敗。我們采用在鍍液中加入穩(wěn)定劑的方法來(lái)提高其穩(wěn)定性,試驗(yàn)結(jié)果見表2。表2穩(wěn)定劑對(duì)鍍液穩(wěn)定性及鍍層含錫量的影響鍍液放置時(shí)間h未加穩(wěn)定劑添加適量穩(wěn)定劑鍍液外觀w (Sn

9、 %鍍液外觀w (Sn %3清 2.2清 2.210濁 2.0清 2.224濁 1.8清 2.272濁 1.5清 2.2168濁 1.0清 2.1336濁0.5清2.1實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),鍍液在未加穩(wěn)定劑的情況下,10h 后就會(huì)出現(xiàn)混濁,經(jīng)分析所鍍的試樣,鍍層含錫量下降。在鍍液中加入過(guò)量的硫酸可有限地抑制沉淀,但不能從根本上解決沉淀的問(wèn)題。加入穩(wěn)定劑后,則大大增加了鍍液的穩(wěn)定性。3.4添加劑添加劑一般對(duì)金屬的平衡電位影響甚小,而對(duì)金屬的極化往往有極大的影響,特別對(duì)于置換反應(yīng),由于添加劑在鋼絲表面可能被吸附或形成表面絡(luò)合物,所以常具有明顯的阻化作用2,如果不加入添加劑只能得到疏松多孔、結(jié)合力差、防銹性差的

10、鍍層。這是由于鋼絲在酸性溶液中的快速溶解使電極表面積累了大量電子,引起電極電位的強(qiáng)烈負(fù)移,導(dǎo)致較高的結(jié)晶過(guò)電位,使得三維晶核在鋼絲表面大量析出并長(zhǎng)大,最終形成了與基體結(jié)合很差的疏松鍍層。加入添加劑后,由于其明顯的吸附及阻化作用,降低了置換反應(yīng)的速度,抑制三維晶核的形成,使晶核的生長(zhǎng)沿平面進(jìn)行,從而得到高質(zhì)量的鍍層。由于銅、錫之間存在一定的電位差(0.473V ,因此要想使銅錫在鋼絲表面上發(fā)生共沉積,必須添加適當(dāng)?shù)奶砑觿?。因添加劑在鋼絲表面的阻化作用常帶有一定的選擇性,一種添加劑可能對(duì)幾種金屬的沉積起作用,而對(duì)另一些金屬則效果不顯著,因此在鍍液中加入適宜的添加劑也是實(shí)現(xiàn)其沉積達(dá)到所需鍍層含錫量的

11、有效方法。根據(jù)對(duì)數(shù)十種添加劑進(jìn)行的系統(tǒng)研究、篩選與優(yōu)化,我們研制的添加劑適用于化鍍青銅,經(jīng)分析測(cè)試,取得了滿意的結(jié)果。3.5鍍液的配方根據(jù)以上的試驗(yàn)研究,我們得出了如下的胎圈鋼絲化鍍錫青銅w (Sn <3%的鍍液配方:5第6期仝奎等:胎圈鋼絲化鍍錫青銅工藝研究硫酸銅5565gL硫酸亞錫15gL硫酸4080m LL穩(wěn)定劑適量添加劑適量3.6鍍液成分對(duì)鍍層的影響(1硫酸銅及硫酸亞錫。硫酸銅和硫酸亞錫是鍍液的主鹽,其含量可在一定范圍內(nèi)變化,但為了保證w(Sn在3%以內(nèi),根據(jù)試驗(yàn),硫酸銅與硫酸亞錫的比應(yīng)大于13。(2硫酸。硫酸能防止硫酸銅及硫酸亞錫的水解,同時(shí)為置換反應(yīng)提供足夠的動(dòng)力,所以應(yīng)保持

12、在一定的范圍(4080m LL,且在此范圍內(nèi)不會(huì)影響鍍層含錫量。(3添加劑。添加劑在鍍青銅化學(xué)反應(yīng)中起著重要的作用,它可使鍍層結(jié)晶致密、光亮,對(duì)金屬的極化有較大的影響。因此應(yīng)保證鍍液中有足夠的添加劑。4鍍層的粘結(jié)力胎圈鋼絲表面的銅錫合金鍍層是一過(guò)渡層,而鍍層的結(jié)合強(qiáng)度直接影響鋼絲與橡膠的結(jié)合力。由于鍍層厚度一般僅為0.15m,依據(jù)通常的纏繞試驗(yàn)很難對(duì)鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度作出正確并有可比性的判斷。而根據(jù)粘結(jié)力試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn):抽出力低的,鋼絲表面露底、無(wú)銅層,極少有掛膠;抽出力高的,鋼絲表面一般掛膠均勻,鋼絲表面仍有銅層存在。因此,胎圈鋼絲表面的銅錫合金鍍層與鋼絲基體間的結(jié)合強(qiáng)度一定要大于鍍層與橡膠的

13、粘接強(qiáng)度。影響鍍層結(jié)合力的因素有:(1鋼絲表面的前處理。鋼絲鍍前其表面未清除干凈,容易造成鍍層粗糙,產(chǎn)生黑斑、發(fā)花,導(dǎo)致與橡膠結(jié)合力差等一系列問(wèn)題。鍍前處理是整個(gè)鍍青銅工藝獲得良好鍍層的先決條件,并對(duì)粘結(jié)力起決定性作用。(2鍍后處理。胎圈鋼絲經(jīng)過(guò)鍍青銅后,錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可穩(wěn)定地控制在3%以下,其抗蝕性比純銅鍍層有所增強(qiáng),但因鍍層極薄,且是陰極性鍍層,不采取鍍后處理極易變色或銹蝕。通過(guò)采用在鋼絲鍍層表面涂防銹劑的方法,使其在鋼絲表面形成一層致密的膜層,達(dá)到防銹的目的,避免影響與橡膠的粘結(jié)力。5結(jié)論(1研究的化鍍青銅鍍液穩(wěn)定,操作方便,鍍層厚度及含錫量易于控制;(2鍍液中硫酸銅與硫酸亞錫的比應(yīng)大于1

14、3;(3硫酸含量在一定范圍內(nèi)變化對(duì)鍍層的含錫量影響很小;(4生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)鍍前處理,鍍液的維護(hù)與管理和鍍后處理,三者缺一不可。參考文獻(xiàn)1方景禮,沈?qū)幰?表面處理工藝手冊(cè).上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.1991,82屠振密.電鍍合金原理與工藝.北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 1993,51(收稿日期:2002-07-30作者簡(jiǎn)介仝奎1963年9月生,鄭州大學(xué)材料工程學(xué)院高級(jí)工程師。竇光聚1957年11月生,高級(jí)工程師,冶金金屬制品行業(yè)生產(chǎn)力促進(jìn)中心總工。(上接第3頁(yè)上吊起檢查托索輪并更換備件,由于產(chǎn)生過(guò)大的局部彎曲,使鋼絲繩在夾板處產(chǎn)生斷絲,通過(guò)無(wú)損探傷發(fā)現(xiàn)整條鋼絲繩有12處斷絲。這說(shuō)明夾板只適于水平方向牽引鋼絲繩時(shí)使用,在垂直起吊時(shí)夾板和U形夾都是不能使用的,要使用專用工具起吊鋼絲繩。4.4設(shè)計(jì)不當(dāng)或張緊力不夠鋼絲繩的安全系數(shù)低于規(guī)定值固然有害,但如果過(guò)大的安全系數(shù)對(duì)WS型鋼絲繩也同樣是有害的。安全系數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)大或鋼絲繩拉緊裝置起不到應(yīng)有的張緊作用,致使鋼絲繩安全系數(shù)過(guò)大,將使鋼絲繩各絲間不能互相壓緊,也是使內(nèi)部細(xì)絲被擠出的重要原因。如某脈動(dòng)索道,使用了 46mm的6×36WS型鋼絲繩,由于設(shè)