复合碳纤维芯钢丝绳

技术领域

本发明涉及钢丝绳技术领域，尤其涉及复合碳纤维芯钢丝绳。

背景技术

钢丝绳是将力学性能和几何尺寸符合要求的钢丝按照一定的规则捻制在一起的螺旋状钢丝束，钢丝绳由钢丝、绳芯及润滑脂组成。钢丝绳是先由多层钢丝捻成股，再以绳芯为中心，由一定数量股捻绕成螺旋状的绳，在现代社会中具有广泛运用；钢丝绳的应用领域和要求不同，则需要钢丝绳的要求也不同，例如系泊用钢丝绳，因在海洋中使用，海洋环境因为涉及气象、物理化学、流体以及生物等多领域的复杂因素，传统的金属材料并不能很好地满足海洋装备及海洋工程用材料的使用条件。对于海洋工程装备用不锈钢而言，与陆地使用材料不同的是，海洋工程材料会涉及到在深海极端环境下，受到包括高温高压，氯离子腐蚀和海洋微生物的腐蚀等问题。则需要钢丝绳具有良好的柔韧性并且耐磨抗腐蚀能力好。现有的钢丝绳用于海洋工程中常会出现耐应力腐蚀能力不足，寿命差等问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的复合碳纤维芯钢丝绳。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：复合碳纤维芯钢丝绳，包括中心股、中心边股和外层股，整个绳截面由中心股、中心边股和外层股三层组成西鲁式结构，所述中心股、中心边股与外层股的直径之比为1.6 : 1 : 2。

优选地，所述中心股、中心边股和所述外层股的结构相同，所述中心股为碳纤维丝构成，所述中心边股和所述外层股由钢丝构成，所述中心股包括粗丝和填充丝，所述粗丝包括中心粗丝和边粗丝，所述中心粗丝置于所述中心股的中心，所述边粗丝绕所述中心粗丝捻制出第一层，所述填充丝包捻填充在所述第一层的各边粗丝之间的空隙中，所述填充丝外包捻所述边粗丝形成第二层，所述第一层的边粗丝和所述第二层的边粗丝捻制方向不同，所述第一层具有六个边粗丝，第二层为十二个边粗丝，所述填充丝的数量与所述第一层的边粗丝的数量相同。

优选地，所述中心粗丝和所述边粗丝的直径相同，所述粗丝和填充丝的直径之比为1 : 0.35，所述中心股、所述中心边股和所述外层股的各粗丝或填充丝之间的直径之比都为1.6 : 1 : 2。

优选地，所述中心股、中心边股和所述外层股左向或者右向交互捻制成的整绳直径为10mm，所述中心股粗丝直径为0.45mm，所述中心股的填充丝直径0.16mm，所述中心边股粗丝直径0.28mm，所述中心边股的填充丝直径0.1mm，所述外层股的粗丝直径0.55mm，所述外层股的填充丝直径0.2mm。所述中心股、中心边股和外层股为碳纤维丝或钢丝左向或者右向交互捻制成绳股。

优选地，所述中心边股为八个，所述外层股也为八个，所述中心边股和所述外层股一起左向或者右向交互捻制包捻在所述中心股的外侧。

优选地，所述钢丝为奥氏体-铁素体双相不锈钢制成。

复合碳纤维芯钢丝绳的制备工艺，包括以下步骤：

S1：真空冶炼制得双相不锈钢铸锭；

S2：将S1制得的双相不锈钢铸锭进行锻压开坯；

S3：热轧处理，将开坯后的双相不锈钢进行热轧，热轧的开轧温度为1050℃-1150℃，终轧温度为1020℃-1050℃，热轧热变形速率为0.01s-1~1s-1；

S4：将S3处理后的双相不锈钢进行固溶处理，固溶处理温度为960℃-1080℃，保温0.5-2h后冷却；

S5：钢丝拉拔，将固溶处理后的双相不锈钢进行钢丝拉拔制得尺寸均匀的钢丝；

S6：捻制成绳，将制得的钢丝通过设备一起左向或者右向交互捻制呈绳状；

S7：400-500℃低温退火去绳应力。

优选地，所述双相不锈钢铸锭中各组分的质量分数为Cr：21-23 %，Ni：5-7%，Mo：1-3%，Cu：0.4-0.8%，余量为铁。

优选地，所述双相不锈钢铸锭中各组分的质量分数为Cr：23 %，Ni：7%，Mo：2%，Cu：0.6%，余量为铁。

优选地，S3中热轧处理的双相不锈钢的变形量为45%-80%，S4中固溶处理后的双相不锈钢使用水冷或油冷的方式。

优选地，捻制成绳时，先分别捻制钢丝绳的中心股、中心边股与外层股，将制备的钢丝左向或者右向交互捻制呈绳状构成中心边股和外层股，制备的各中心边股和外层股经400-500℃低温退火消除应力后，将中心边股和外层股以所述中心股为中心一起左向或者右向交互捻制成钢丝绳状，并低温退火消除绳应力。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：（1）本发明的中心股、中心边股和外层股都是预先处理的绳股结构，各股之间相接触的表面积大，钢丝绳耐磨性能好，股之间的摩擦力较大，避免绳股松散，各股的填充丝能够填充第一层边粗丝的间隙中，并且能够使得填充丝和第一层的边粗丝的外侧面在同一弧面上，各边粗丝与填充丝之间接触密切，结构稳定，抗横向变形性能好（2）本发明的各中心股、中心边股以及外层股内的粗丝经过交互捻制，制成绳股，并且各中心股、中心边股和外层股之间也是交互捻制成钢丝绳，本发明的钢丝绳结构紧实，钢丝之间接触应力小，抗横向变形能力大，承载力好，并且海洋作业时，腐蚀介质不易渗入，抗腐蚀能力好，使用寿命长。并且中心股采用碳纤维包捻制成的绳股，保证钢丝绳具有良好的柔韧性，并且通过多条碳纤维丝构成中心股，保证中心股的强度大，钢丝绳的使用寿命长。（3）双相不锈钢热轧处理的不锈钢的变形量45%-80%，双相不锈钢的奥氏体的长条状形态并且与铁素体之间随着变形量的增大，组织均匀，长条状形态的奥氏体能够使其对腐蚀侵入起到导向作用，有效阻碍了横向裂纹的形成与扩展；条状奥氏体越细长，对腐蚀的导向作用越明显，因此在热轧中变形量较大，有效降低Cr23Ni7Mo2Cu0.6双相不锈钢应力腐蚀敏感性，有利于提高本发明在工作时钢丝绳拉伸，进入海洋时，在海水侵蚀时的钢丝绳的耐腐蚀性能。（4）热处理生产工艺过程中，固溶处理在960℃-990℃下保温2h后冷却，此时双相不锈钢具有良好的耐腐蚀性，保证在海洋作业过程中，海水对于双线不锈钢制成的钢丝绳的腐蚀性较小，使得本发明的钢丝绳使用与海洋系泊使用，使用寿命长，耐腐蚀性能高，同时在960℃-990℃保温下，双相不锈钢具有较好的延伸性，方便后续的拉拔，硬度和强度较小，较小模具的磨损，延长模具的使用寿命，降低本发明不锈钢生产时模具的成本。

附图说明

图1为本发明复合碳纤维芯钢丝绳的横截面结构示意图；

图2为本发明复合碳纤维芯钢丝绳的西鲁式结构截面示意图；

图3为本发明的固溶处理不同温度下保温2h水冷后的显微组织图；

图4为本发明在不同变形量下Cr23Ni7Mo2Cu0.6双相不锈钢显微组织图；

图5为本发明的双相不锈钢在5% FeCl3溶液和应力的共同作用的腐蚀坑的表面和剖面形貌。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

复合碳纤维芯钢丝绳，包括中心股、中心边股和外层股，整个绳截面由中心股100、中心边股200和外层股300三层组成西鲁式结构，所述中心股100、中心边股200与外层股300的直径之比为1.6 : 1 : 2。中心边股200的直径小于中心股100的直径，方便中心边股能够包捻在所述中心股100的外侧，在该直径比例下，外层股300能够相互紧密的贴合并包捻在中心边股200的外侧，不会出现外层股“跳丝”的现象，明确给出中心股100、中心边股200以及外层股300之间的直径比例配比，方便制造该双相不锈钢钢丝绳。中心股100、中心边股200和外层股300都是预先处理的绳股结构，各股之间相接触的表面积大，钢丝绳耐磨性能好，股之间的摩擦力较大，避免绳股松散。

如图1和图2，所述中心股100、中心边股200和所述外层股300的结构相同，所述中心股为碳纤维丝构成，所述中心边股和所述外层股由钢丝构成，所述中心股100包括粗丝110和填充丝120，所述粗丝110包括中心粗丝111和边粗丝112，中心股的填充丝和粗丝为碳纤维丝，而中心边股和外层股的填充丝和粗丝都为钢丝制成，所述中心粗丝111置于所述中心股的中心，所述边粗丝112绕所述中心粗丝捻制出第一层101，所述填充丝120包捻填充在所述第一层101的各边粗丝112之间的空隙中，提高各绳股的抗挤压能力，所述填充丝120外包捻所述边粗丝112形成第二层102，第一层101边粗丝、第二层102边粗丝与该填充丝120之间紧密接触的接触面积较不加填充丝的面积大，使得绳股的各粗丝110和填充丝120之间摩擦力大，避免第一层101和第二层102使用时发生断层。所述第一层101的边粗丝112和所述第二层102的边粗丝112捻制方向不同，所述第一层101具有六个边粗丝112，第二层102为十二个边粗丝112，所述填充丝120的数量与所述第一层101的边粗丝112的数量相同。本发明在使用过程中过程中配重的一端为旋转自由状态，因此对钢丝绳的不旋转性有较高要求，各中心股、中心边股以及外层股内的粗丝经过交互捻制，制成绳股，防止在使用过程中，各绳股松散，进入到海洋环境中时，在海洋内的海水压力作用下破损并会使得海水及其容易的进入到个绳股内部，极易造成绳股内部腐蚀，缩短了钢丝绳的使用寿命。并且中心股采用碳纤维包捻制成的绳股，保证钢丝绳具有良好的柔韧性，并且通过多条碳纤维丝构成中心股，保证中心股的强度大，钢丝绳的使用寿命长。

所述中心粗丝111和所述边粗丝112的直径相同，所述粗丝110和填充丝120的直径之比为1 : 0.35，如图2，填充丝120能够填充第一层101边粗丝111的间隙中，并且能够使得填充丝120和第一层的边粗丝111的外侧面在同一弧面上，各边粗丝与填充丝之间接触密切，结构稳定，抗横向变形性能好。并且所述中心股100、所述中心边股200和所述外层股300的各粗丝或填充丝之间的直径之比都为1.6 : 1 : 2，保证捻制出的中心股100、中心边股200以及外层股300的直径之比符合要求。

在一实施例中，所述中心股100、中心边股200和所述外层股300左向或者右向交互捻制成的整绳直径为10mm，所述中心股100粗丝110直径为0.45mm，所述中心股100的填充丝120直径0.16mm，所述中心边股200粗丝直径0.28mm，所述中心边股200的填充丝直径0.1mm，所述外层股300的粗丝直径0.55mm，所述外层股300的填充丝直径0.2mm。所述中心股100、中心边股200和外层股300为碳纤维丝或钢丝左向或者右向交互捻制成绳股。在实际生产中，构成中心股100，中心边股200和外层股300的粗丝和填充丝的直径可有±0.01mm的误差范围。本发明的双相不锈钢钢丝绳结构紧实，钢丝之间接触应力小，抗横向变形能力大，承载力好，并且海洋作业时，腐蚀介质不易渗入，抗腐蚀能力好，使用寿命长。

如图1，所述中心边股200为八个，所述外层股300也为八个，所述中心边股200和所述外层股300一起左向或者右向交互捻制包捻在所述中心股100的外侧。八股钢丝绳结构较其他股钢丝绳结构具有较高的耐疲劳性能，柔然性好，能够与绳轮形成良好配合，在张力补偿绳制造方面具有优势，使用与海洋工程中系泊使用，并且中心边股200和外层股300之间一起交互捻制制成钢丝绳，各股之间接触紧密，避免了中心边股200和外层股300之间发生断层的现象，严重影响钢丝绳的使用寿命，同时中心边股200和外层股300之间交互捻制，避免使用时绳股松散，提高钢丝绳的抗应变性能，同时当使用时钢丝绳发生旋转时，无论旋转方向是正时针还是逆时针方向，钢丝绳的中心边股200或者外层股300中总会有一个的各绳股之间逐渐紧密，保证该钢丝绳使用时的抗压能力，同时也能减少海洋水进入到钢丝绳的中心股内，造成中心股发生腐蚀。

复合碳纤维芯钢丝绳的，包括以下步骤：

S1：真空冶炼制得双相不锈钢铸锭；

S2：将S1制得的双相不锈钢铸锭进行锻压开坯；

S3：热轧处理，将开坯后的双相不锈钢进行热轧，热轧的开轧温度为1050℃-1150℃，终轧温度为1020℃-1050℃，热轧热变形速率为0.01s-1~1s-1；在此热加工参数下，保证热轧过程中不同变形量下，双相不锈钢稳定，不会发生双相不锈钢失稳现象，热轧处理的热加工双相不锈钢中的铁素体和奥氏体比例基本保持稳定，减少热加工过程中冷却时金属间相的析出。

S4：将S3处理后的双相不锈钢进行固溶处理，固溶处理温度为960℃-1080℃，保温0.5-2h后冷却；如图3，固溶处理时将双相不锈钢在不同温度下保温2h后冷却，其中(a) 为900℃, (b) 930为℃, (c) 为960℃, (d) 为990℃, (e) 为1020℃, (f) 为1050℃, (g)为1080℃, (h) 为1110℃。图中浅色为奥氏体，深色为铁素体在保温2h后，随着固溶温度的升高，Cr23Ni7Mo2Cu0.6双相不锈钢中铁素体比例上升而奥氏体比例下降，在930℃-960℃内达到1:1，但该温度下钢中会有析出金属间相，并且较高的固溶温度对组织的均匀性有利。并对不同温度保温固溶处理后的双相不锈钢在3.5%质量分数的NaCl溶液中电学腐蚀研究，各参数如表1。

表1不同固溶温度试样在3.5wt.%NaCl溶液中的电化学腐蚀参数

从表1中可以看出960℃固溶时具有最好的腐蚀抗性，同时也对不同温度保温后的双向不锈钢的性能进行研究，发现随着温度的升高，双相不锈钢的硬度和强度都呈现出先下降后上升趋势，硬度和强度分别在1020℃和1050℃达到最小值，延伸率则表现为先升高后降低，990℃时达到最大值，钢丝的拉拔变形过程希望材料具有较高的塑性、较低的变形抗力以及良好的组织均匀性，较低的硬度有利于降低模具的磨损，因此较佳的工艺参数可以为固溶处理在960℃-990℃下保温2h，此时双相不锈钢具有良好的耐腐蚀性，保证在海洋作业过程中，海水对于双线不锈钢制成的钢丝绳的腐蚀性较小，使得本发明的钢丝绳使用与海洋系泊使用，使用寿命长，耐腐蚀性能高，同时在960℃-990℃保温下，双相不锈钢具有较好的延伸性，方便后续的拉拔，硬度和强度较小，较小模具的磨损，延长模具的使用寿命，降低本发明不锈钢生产时模具的成本。

S5：钢丝拉拔，将固溶处理后的双相不锈钢进行钢丝拉拔制得尺寸均匀的钢丝；

S6：捻制成绳，将制得的钢丝通过设备一起左向或者右向交互捻制呈绳状；

S7：400-500℃低温退火去绳应力。

所述双相不锈钢铸锭中各组分的质量分数为Cr：21-23 %，Ni：5-7%，Mo：1-3%，Cu：0.4-0.8%，余量为铁。优选地，所述双相不锈钢铸锭中各组分的质量分数为Cr：23 %，Ni：7%，Mo：2%，Cu：0.6%，余量为铁。真空冶炼时先将铁熔炼成熔融状态时一次加入铬、镍、钼以及铜的金属粉末进行冶炼，海洋工程系泊用钢丝绳在使用过程中长期受到日曝雨淋、污染腐蚀、变动应力的作用，强度、耐腐蚀性能与抗疲劳性能是绳索的重要性能指标，这些性能极大程度上都取决于钢的化学成分，采用Cr-Ni-Mo-Cu合金体系的双相不锈钢，保证钢丝绳加工的变形量大。

优选地，S3中热轧处理的双相不锈钢的变形量为45%-80%，如图4，在其他条件保持一致，不同变形量下双相不锈钢的显微组织， 其中(a) 为15%变形量； (b) 为30%变形量；(c) 为45%变形量；(d) 为60%变形量。如图4，变形量为15%时组织与固溶态相似，条状奥氏体间呈交叉方向分布，形状粗而短，变形30%时奥氏体条开始拉长，方向趋于一致，变形量增大至45%时，奥氏体完全沿轧制方向分布，变形60%时条状奥氏体宽度进一步减小，呈现纤维状形貌，双相不锈钢热轧过程中，随着变形量的增加，组织内的奥氏体和铁素体均匀性越高。使用质量百分数为5%的 FeCl3溶液在拉伸速率为0.00006mm/s（等效应变速率2×106s-1）作用下对双相不锈钢进行表面腐蚀，如图5，腐蚀坑的表面和剖面形貌，（a）（b）表面形貌，（c）（d）剖面形貌 Cr23Ni7Mo2Cu0.6双相不锈钢在5% FeCl3溶液和应力的共同作用下，奥氏体相优先发生腐蚀溶解，铁素体相得到保护，奥氏体的长条状形态能够使其对腐蚀侵入起到导向作用，有效阻碍了横向裂纹的形成与扩展。条状奥氏体越细长，对腐蚀的导向作用越明显，因此增大了变形量对降低Cr23Ni7Mo2Cu0.6双相不锈钢应力腐蚀敏感性有利，因而，增大变形量有利于提高本发明在工作时钢丝绳拉伸，进入海洋时，在海水侵蚀时的钢丝绳的耐腐蚀性能。

S4中固溶处理后的双相不锈钢使用水冷或油冷的方式，采用有冷或水冷的冷却方式冷却时，避免双相不锈钢组织与力学性能发生变化，保证双相不锈钢冷却过程中不会析出金属间相，同时，保证双相不锈钢的塑性和耐腐蚀性能，使得制成的钢丝绳耐腐蚀性能高，使用寿命长。

优选地，捻制成绳时，先分别捻制钢丝绳的中心股、中心边股与外层股，将制备的钢丝左向或者右向交互捻制呈绳状构成中心边股和外层股，制备的各中心边股和外层股经400-500℃低温退火消除应力后，保证各股之间的钢丝的不变形性能高，同时各股中的钢丝分别交互捻制，保证捻制的各股不易松散，同时工作时，中心边股和外层股的各股的钢丝之间不易侵入海水造成腐蚀，提高钢丝绳的耐腐蚀性能。将中心边股和外层股以所述中心股为中心一起左向或者右向交互捻制成钢丝绳状，并低温退火消除绳应力。提高产品的性能防止钢丝绳在绳应力的作用下发生变形，同时才用左向或者右向交互捻制，钢丝绳的不旋转性能好，耐疲劳性能良好。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。