汽车轮胎金相样品制备方法

一、背景

轮胎是在各种车辆或机械上装配的接地滚动的圆环形弹性橡胶制品。通常安装在金属轮辋上，能支承车身，缓冲外界冲击，实现与路面的接触并保证车辆的行驶性能。轮胎常在复杂和苛刻的条件下使用，它在行驶时承受着各种变形、负荷、力以及高低温作用，因此必须具有较高的承载性能、牵引性能、缓冲性能。同时，还要求具备高耐磨性和耐屈挠性，以及低的滚动阻力与生热性。世界耗用橡胶量的一半用于轮胎生产，可见轮胎耗用橡胶的能力。

轮胎通常由外胎、内胎、垫带3 部分组成。外胎是由胎体、缓冲层（或称带束层）、胎面、胎侧和胎圈组成。

1. 胎体：又称胎身。通常指由一层或数层帘布层（具有强度、柔软性和弹性）与胎圈组成整体的(作为)充气轮胎的受力结构。

2. 缓冲层（或称带束层）：斜交轮胎胎面与胎体之间的胶帘布层或胶层，不延伸到胎圈的中间材料层。用于缓冲外部冲击力，保护胎体，增进胎面与帘布层之间的粘合。

3. 胎面：外胎Z外面与路面接触的橡胶层。胎面用来防止胎体受机械损伤和早期磨损，向路面传递汽车的牵引力和制动力，增加外胎与路面(土壤)的抓着力，以及吸收轮胎在运行时的振荡。

4. 胎侧是轮胎侧部帘布层外层的胶层，用于保护胎体，又有弹性。

5. 胎圈是轮胎安装在轮辋上的部分，由胎圈芯和胎圈包布组成，起固定轮胎作用。胎圈芯：由钢圈，三角胶条和胎圈芯包布制成的胎圈部分。钢丝圈：有镀铜钢丝缠绕成的刚性环，是将轮胎固定到轮辋上的主要部件。

二、制备要求

本实验制备汽车外胎样品，由胎体、缓冲层、胎面、胎侧和胎圈组成。简单来讲是由多层橡胶和多层钢丝及帘布混合构成的，如图4 中1#样品，或者仅由橡胶及钢丝构成的基础部分，如图4 中2#样品和3#样品。

切割过程中，韧性的橡胶容易变形，且容易粘结在切割片上，从而使样品发生烧伤，或者对切割片进行损害。而钢丝的强度相对较高，在切割过程中对切割片产生阻力，发生瞬时的切割应力的变化。同时，研磨和抛光的过程中橡胶容易变形，并包粘住钢丝，从而影响结构分析。因此，需要获得切割表面良好，平整度高以便于后续进行研磨和抛光制备是轮胎样品的主要制备要求，且客户希望更好地分析橡胶与钢丝之间的结合面。

三、实验设备

1. 切割设备

根据样品大小及形状选择砂轮切割机，如AbrasiMatic 300 或Delta系列等，并配合使用垂直型夹具进行夹持样品（如图2 所示）。

图1 轮胎样品切割使用的设备及夹具

2. 镶嵌设备

由橡胶和钢丝混合构成的复合材料，不能承受一般热压镶嵌方式的高温及高压力，因此建议采用冷镶嵌的方式进行镶嵌。另外，鉴于橡胶材料对稳定的敏感性，为了保证树脂和样品材料之间的紧密结合，对于冷镶嵌树脂类型的选择，建议使用收缩率低的环氧树脂，而不是丙烯酸类型的树脂，如EpoThin 2 或EpoxiCure2 等。使用环氧树脂时，可以选择使用真空镶嵌设备来提高镶嵌质量，如图2 所示。

图2 冷镶嵌环氧树脂及真空镶嵌设备

3. 研磨设备

橡胶和钢丝混合构成的复合材料在研磨和抛光的过程中，既要求橡胶部分不会发生变形，又要求钢丝部分无划痕。本程序研磨时，需使用较大研磨颗粒的碳化硅砂纸将切割损伤变形层去除，为了防止大颗粒的金刚石抛光液的嵌入，尽量使用多次砂纸研磨的方式。当损伤层减少到一定的程度，可以使用金刚石或者氧化铝抛光液进行抛光。本制备中使用EcoMet Pro 250 & AutoMet 250，见图3。

图3 研磨抛光使用耗材及设备

四、制备方案

根据金相试样制备标准指南《ASTM E3-11 2011》以及标乐研发的《Buehler SumMet》手册制定该样品的制备方案，如表1 所示。

表1. 橡胶和钢丝混合构成的复合材料制备方案

五、结果分析

1. 切割效果

                                      图4. 原始样品                                图5. 1#样品（外胎）切割效果

                                      图6.2#样品切割效果                        图7.3#样品切割效果

橡胶和钢丝混合构成的复合材料在切割过程中，应当遵循Z小面积切割原则（MACC：切割时，应使切割片与样品接触面积小且保持不变，从而使切割过程中施加在切割片磨料上的压力尽可能小并保持不变），尽量保持匀速切割，并使用中等粘结强度的砂轮切割片来切割样品。夹持样品的时候尽量将样品加持稳定，避免切割过程中橡胶发生弹性回复，导致切割失稳，进而破坏样品及切割片。

2. 镶嵌效果

使用流动性较好、收缩率较低的环氧型树脂，可使得橡胶与树脂之间保持良好的结合性，便于在后续研磨和抛光的过程中减少橡胶部分的弹性活动。如果橡胶与树脂之间的缝隙过大，在研磨和抛光的制备中，样品容易被拉出，且橡胶发生较大的弹性活动，无法真实地分析橡胶与钢丝之间的结合情况，不利于制备后的分析。

3. 研磨抛光效果图

                         图8. 1# 50X BF（3μm金刚石抛光）       图9. 1# 50X BF （0.05μm金刚石抛光）

                      图10.2# 200X BF（3μm金刚石抛光）        图11. 2# 200X BF （0.05μm金刚石抛光）

              图12.3# 200X BF （3μm金刚石抛光）           图13. 3# 200X BF （0.05μm金刚石抛光）

对于橡胶和钢丝混合构成的复合材料轮胎样品，1#~3#样品属于成熟样品，橡胶具有一定的硬度，能够承受研磨和抛光过程中的力作用，可以获得较好的制备效果。注意橡胶及钢丝的不同特性，因此要综合考虑两者在使用不同制备耗材时的优缺点。若分析钢丝与橡胶之间的结合情况，可以使用更高放大倍数的光学显微镜或者使用电镜来分析。