一种民用轮胎钉子及其应用的制作方法

本发明涉及镶钉轮胎技术领域，尤其涉及一种民用轮胎钉子及其应用。

背景技术：

防滑轮胎指带有防滑措施的轮胎，通常是在胎面花纹设计上有特色，如增加防滑沟槽、在胎面上镶钉及在轮胎上安装防滑链等。在胎面上镶钉的轮胎可称为镶钉轮胎，其具有卓越的冰雪地抓地力，能保证冬季气候条件下的驾驶安全性，从而发挥汽车的最佳性能。

现有的冰雪地轮胎用钉子如图1所示，图1为现有的冰雪地轮胎用钉子的结构示意图。图1中，1为钉芯，2为钉身。民用轮胎钉子具有实心结构，包括本体即钉身部位，以及单个细长的辅助件即圆柱状钉芯部位。其中，钉身顶部多采用梯形造型，钉身中心为用于结合钉芯的圆柱空间，钉身下部即钉底座。现有的民用胎钉子按总高度不同分为两种，一种钉子钉身高8.8mm，钉子总高10mm；另一种钉子钉身高9.8mm，钉子总高11mm。图2为一种现有钉子的尺寸示意图，其中，钉身高8.8mm，钉子总高10mm；钉底座两端为直角，钉底座最大直径为8mm。

现有钉子的钉身元素组成一般为铝镁合金；按照质量分数计，钉身元素包括：铝Al 65～75％，镁Mg 4～6.5％，碳C 10～17％，氧O 5.5～8.5％。图3为现有钉子钉身的金相图，其中，Mg是主要合金元素，Mg对Al的强化是很明显的，每增加1％Mg，抗拉强度提升34MPa。但是，在上述铝合金中起沉淀强化作用的Al_xMg_y相的分布和尺寸较不均匀，影响合金强度。并且，此类合金不可热处理强化，在合金强度上有所欠缺。因此，现有钉子的钉身硬度一般为1.5～2.2Gap。现有钉子的钉身的硬度较低，不利于实车磨耗性能。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供一种民用轮胎钉子及其应用，本发明提供的民用轮胎钉子的钉身具有较高的硬度，能提升耐磨损性能。

本发明提供一种民用胎钉子，包括钉身，以质量分数计，所述钉身的合金元素包括：

70～85％的铝；

0.5～2.5％的镁；

10～20％的碳；

2～6％的氧；

0.3～1.5％的硅；

2～7％的铜。

优选地，所述钉身的硬度为2.3～2.6Gap。

优选地，所述钉身的合金元素包括：2.5～5％的氧。

优选地，所述钉身的合金元素包括：3～6％的铜。

优选地，所述钉身的合金元素包括：0.5～1.2％的硅。

优选地，所述钉身顶部为平面造型，所述钉身从顶部边缘至侧壁具有多个缺口，所述多个缺口形状相同且沿钉身轴向均匀分布，各缺口边缘具有弧度且到钉身纵轴的距离从上到下连续增大。

优选地，所述钉身从顶部边缘至侧壁具有六个缺口，相对的两个缺口边缘之间的最小距离为5.6mm～5.9mm，各缺口边缘弧度的最大半径为5mm。

优选地，所述钉身下部两端为圆角。

优选地，所述钉身的高度为8.7mm或9.7mm；所述钉身下部两端圆角的半径为0.3mm。

本发明还提供一种镶钉轮胎，其中，在胎面上镶嵌有上文所述的民用胎钉子。

与现有技术相比，本发明钉子的钉身元素组成为铝铜镁合金，按照质量分数计，包括：70～85％的铝Al；0.5～2.5％的镁Mg；10～20％的碳C；2～6％的氧O；0.3～1.5％的硅Si；2～7％的铜Cu。在本发明钉身元素中，Cu是主要合金元素，其中Cu起固溶强化作用，提升合金强度，强度的高低决定硬度的大小，硬度与耐磨性能有直接的关系；Si的加入使硅铝拥有极好的铸造性和抗蚀性，以抵消Cu对抗蚀性的不利影响。本发明此合金系高强度硬铝，可进行热处理强化，在淬火和刚淬火状态下塑性中等，点焊焊接良好。实验结果显示，本发明钉子的钉身硬度为2.3～2.6Gap，耐磨性能得以提升，有利于实车磨损。

附图说明

图1为现有的冰雪地轮胎用钉子的结构示意图；

图2为一种现有钉子的尺寸示意图；

图3为现有钉子钉身的金相图；

图4为本发明实施例提供的民用胎钉子的一种立体图；

图5为本发明实施例提供的民用胎钉子的另一种立体图；

图6为本发明实施例1提供的钉子的俯视尺寸示意图；

图7为本发明实施例1提供的钉子的主视尺寸示意图；

图8为本发明实施例1提供的钉子钉身的金相图；

图9为本发明实施例2提供的钉子的主视尺寸示意图；

图10为本发明测试镶钉轮胎性能的方式和路面；

图11为本发明测试镶钉轮胎冬季性能的胎面花纹情况。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种民用胎钉子，包括钉身，以质量分数计，所述钉身的合金元素包括：

70～85％的铝；

0.5～2.5％的镁；

10～20％的碳；

2～6％的氧；

0.3～1.5％的硅；

2～7％的铜。

本发明提供的钉子钉身具有较高的强度和硬度，可使耐磨损性能得以提升，利于在冬季轮胎中的应用。

本发明提供的钉子包括钉身，以质量分数计，所述钉身的合金元素包括70～85％的铝，优选包括76％～83％的铝；铝(Al)为本发明合金的主要元素。

在本发明中，以质量分数计，所述钉身的合金元素包括0.5～2.5％的镁，优选包括0.6～2.3％的镁。本发明实施例钉子钉身金相包括AlCuMg，镁(Mg)可对Al起强化作用。

以质量分数计，所述钉身的合金元素包括2～7％的铜，优选包括3～6％的铜。在本发明中，铜(Cu)是主要合金元素，其中Cu起固溶强化作用，可提升合金强度。本发明实施例钉子钉身金相包括Al₂Cu，其有明显的时效强化作用。在本发明合金中，Al_xCu_y相相对较多，分布、尺寸比较均匀，Al_xCu_y相在合金中的固溶强化作用也较明显，对合金的强度提升有利。

在本发明中，以质量分数计，所述钉身的合金元素包括0.3～1.5％的硅，优选包括0.5～1.2％的硅。本发明加入一定量的硅(Si)这种合金元素，能使硅铝拥有极好的铸造性和抗蚀性，以抵消Cu对抗蚀性的不利影响。

以质量分数计，本发明所述钉身的合金元素包括10～20％的碳(C)，优选包括12～15％的碳。所述钉身的合金元素包括2～6％的氧(O)，优选包括2.5～5％的氧。

本发明此合金为铝铜镁合金，其强度高。强度的高低决定硬度的大小，硬度与耐磨性能有直接的关系。在本发明的实施例中，所述钉身的硬度为2.3～2.6Gap，有利于实车磨损。本发明钉身合金系高强度硬铝，可进行热处理强化，在淬火和刚淬火状态下塑性中等，点焊焊接良好。同时，本发明此设计的钉子质量较现有钉子小，对降低轮胎滚动阻力亦有益处。

对于钉子钉身的形状，在本发明的优选实施例中，所述钉身顶部为平面造型，所述钉身从顶部边缘至侧壁具有多个缺口，所述多个缺口形状相同且沿钉身轴向均匀分布，各缺口边缘具有弧度且到钉身纵轴的距离从上到下连续增大。本发明实施例此设计能进一步减小钉子质量，有利于降低轮胎滚动阻力。

参见图4和图5，图4为本发明实施例提供的民用胎钉子的一种立体图；图5为本发明实施例提供的民用胎钉子的另一种立体图。

相较于图1所示的现有钉子，本发明实施例提供的钉子中，钉身钉部为平面造型，并且可呈“梅花状”造型。也就是说，在本发明实施例中，所述钉身从顶部边缘至侧壁具有多个缺口，各缺口形状形同，并且沿钉身轴向均匀分布；各缺口边缘具有弧度且到钉身纵轴的距离从上到下连续增大。

本发明优选在钉身侧壁均匀设置六个缺口，即呈“梅花状”。在本发明的优选实施例中，相对的两个缺口边缘之间的最小距离为5.6mm～5.9mm。本发明实施例各缺口具有弧形边缘，其最大半径可为5mm。

在本发明的优选实施例中，所述钉身下部两端为圆角，更利于钉子镶入轮胎橡胶钉孔。其中，所述钉身下部两端圆角的半径优选为0.3mm。本发明提供的民用胎钉子的总高度不变，即总高为10mm或11mm。在本发明的优选实施例中，所述钉身的高度为8.7mm或9.7mm。

此外，本发明对钉子钉芯的成分和形状等没有特殊限制，采用现有的钉芯即可。其中，所述钉子钉芯的硬度可为20～26Gap，优选为20～22Gap。本发明对钉子的制备方法也没有特殊限制，按照本领域常规的钉子零件制备工序操作，即得。

在本发明的实施例中，钉身上部梅花状由模具铸造而成，中心留有钉芯的圆柱空间，下部的圆盘状底座通过冷镦机使用局部镦粗工艺，将原先的一部分横截面增大，得到所需形状底座。钉芯材质为C、O、Si、Ti、Co、Er以一定质量比例组成的硬质合金，铸造成一定尺寸的圆柱状。通过合适的方式结合至钉身上，以使钉芯相对于钉身紧密固定。其中，结合方式包括使用焊接接头或黏合剂或机械冲压，嵌入钉身预留的圆柱状空间处，并从钉身的外端延伸至钉身内部，从而获得用于民用轮胎的钉子。

本发明还提供了一种镶钉轮胎，其中，在胎面上镶嵌有上文所述的民用胎钉子。

本发明对轮胎的橡胶成分和结构设计等没有特殊限制；在轮胎硫化后，本发明可将所述民用胎钉子安装于轮胎胎冠部位的钉孔中，以保持冬季轮胎的行驶能力，特别是提升轮胎的冰地性能。

本发明所设计的钉子具有较高的强度和硬度，耐磨性能得以提升，减少轮胎钉子的磨损与掉落率等，可更好地应用于冬季轮胎中。本发明提供的钉子能够改善轮胎的冰地启动、制动及冬季条件下的操控性能，以满足法规要求和市场需求。同时，本发明此设计的钉子重量较轻，对轮胎滚动阻力的降低更为有利。

为了进一步理解本申请，下面结合实施例对本发明提供的民用胎钉子及其应用进行具体地描述。

实施例1

采用钉身模具，按照常规工艺进行铸造，得到钉身铝合金铸件，常规淬火，再进行自然放置等常规时效处理，得到钉身半成品；

根据扫描电子显微镜SEM等分析，结果显示，以质量分数计，钉身的合金元素包括：78.04％的铝；0.67％的镁；12.3％的碳；3.18％的氧；0.83％的硅；4.98％的铜。钉身上部为梅花状、中心留有钉芯的圆柱空间。

将钉身半成品下部通过冷镦机使用局部镦粗工艺，将原先的一部分横截面增大，得到圆盘状底座。

钉芯材质为C、O、Si、Ti、Co、Er以一定质量比例组成的硬质合金，铸造成一定尺寸的圆柱状。通过合适的方式结合至钉身上，以使钉芯相对于钉身紧密固定。其中，结合方式为机械冲压，嵌入钉身预留的圆柱状空间处，并从钉身的外端延伸至钉身内部，获得用于民用轮胎的钉子。

所述钉子的结构如图4～7所示，图4为本发明实施例提供的民用胎钉子的一种立体图；图5为本发明实施例提供的民用胎钉子的另一种立体图；图6为本发明实施例1提供的钉子的俯视尺寸示意图；图7为本发明实施例1提供的钉子的主视尺寸示意图。

所述钉身顶部为平面造型，所述钉身从顶部边缘至侧壁具有六个缺口，所述六个缺口形状相同且沿钉身轴向均匀分布，各缺口边缘具有弧度且到钉身纵轴的距离从上到下连续增大；所述钉身下部两端为圆角。

所述钉子外观尺寸如以上图中所注公差标准判定，其中，各缺口边缘弧度的最大半径为5mm(参见图5中的R5)；如图6所示，相对的两个缺口边缘之间的最小距离为5.9mm；钉身下部两端圆角的半径为0.3mm(参见图7中的R0.3)。

图7中，①钉芯露出量，②钉子总高，③主体直径，④钉身造型宽度，⑤底部直径、⑥底部厚度、⑦钉芯直径、⑧钉身中部直径、⑨主体高度、⑩钉身上段高度、钉身高度，底部台阶直径；本实施例钉子总高度为10mm(参见图7中的②)，钉身的高度为8.7mm(参见图7中的)。

关于钉身金相，根据GB/T3246.1-2012《变形铝及铝合金制品组织检验方法：第一部分：显微组织检验方法》，委托上海材料研究所利用光学显微镜进行物理测试，结果如图8所示，图8为本发明实施例1提供的钉子钉身的金相图。根据图8可知，本发明提供的钉子的钉身金相包括：α(Al)+Al₂Cu+AlCuMg+AlFeMnSi。时效析出的Al₂Cu有明显的时效强化作用。Al_xCu_y相相对较多，分布、尺寸也比较均匀，Al_xCu_y相在合金中的固溶强化作用也较明显，对合金的强度提升有利。

对钉芯和钉身金相硬度测试，硬度测试方法：使用纳米压痕仪(Angilent G200)的XP中的连续刚度测试方法，其它分析点从第一点开始按垂直每200nm测试一个点，共测试五个点取平均值。测试温度为：21.4℃，实验所测钉子样本由美国标乐公司制作成符合实验条件。结果显示，本发明钉子硬度(Gap)：钉芯硬度为20.8，钉身硬度为2.39。本发明有利于实车磨损，减少对路面的损伤，满足Over-Run法规要求。

实施例2

按照实施例1的方法，获得用于民用轮胎的钉子，其钉身合金组成同实施例1。

图9为本发明实施例2提供的钉子的主视尺寸示意图，图9中，各标号尺寸名称与图7相同；本实施例钉子总高度为11mm(参见图9中的②)，钉身的高度为9.7mm(参见图9中的)，其余尺寸与实施例1相同。

本发明钉子硬度(Gap)：钉芯硬度为20.8，钉身硬度为2.39。本发明有利于实车磨损，减少对路面的损伤，满足Over-Run法规要求。

实施例3

一、芬兰测试机构&轮胎杂志Test World Ltd依照北欧Over-Run法规测试镶钉轮胎175/65R14

测试结果显示：

TW-TT14-OR705现有钉子(尺寸如图2所示)，未通过法规认证测试。

TW-TT16-OR1128report B本发明实施例1所述钉子，通过法规认证测试。测试方法和结果如表1～3所示，表1为测试方法&结果，表2为各荷重及规格认证条件明细，表3为现有钉子和本发明新钉对比成绩。测试方式&路面如图10所示，图10为本发明测试镶钉轮胎性能的方式和路面。结果表明，本发明钉子顺利通过Over-Run测试，符合法规要求。

表1测试方法&结果

表2各荷重及规格认证条件明细

注：针对轿车、SUV、货车、轻型商务车的镶钉胎。

表3现有钉子和本发明新钉对比成绩

二、依照Test World冰雪地测试条件对镶钉轮胎的冬季性能进行测试

测试地区为中国东北地区，测试轮胎如图11所示，图11为本发明测试镶钉轮胎冬季性能的胎面花纹情况。测试结果参见表4，表4为现有钉子和本发明提供的钉子的冬季性能测试成绩。根据表4的测试成绩可知，本发明新钉较现有钉子更利于轮胎冬季性能提升。

表4现有钉子和本发明提供的钉子的冬季性能测试成绩

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于使本技术领域的专业技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，是能够实现对这些实施例的多种修改的，而这些修改也应视为本发明应该保护的范围。