JP4539957B2 - タイヤ用ケーブルビードの環状芯線、そのための芯線及び環状芯線の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、タイヤ用ビードの中で高性能ケーブルビードの芯線を構成する成分の組成に特徴を有するタイヤ用ケーブルビードの環状芯線、そのための芯線及び環状芯線の製造方法に関するものである。

従来、ケーブルビードはタイヤにとって性能アップにつながることは解っていても、製造が非常に複雑で、コストがかかり、その使用は高性能タイヤに限定されている。そのようなケーブルビードの製造方法として一般的な一層巻きのケーブルビードでは、芯線を溶接して環状芯線を作製し、その周りに１本ワイヤを螺旋状に巻き付け、ワイヤの始端と終端とを真鍮製の細管に挿入し、かしめ留めして製造される。

つまり、環状芯線の周面に巻線を螺旋巻回するには、タイヤ用ケーブルビード１本分に相当する長さの巻線を巻装した巻線ボビンから巻線の先端部を環状芯線の所定部位にテープ止め等の手段により固定する。その後、環状芯線をその軸線を中心に回転させると共に、巻線ボビンを巻線を繰り出す方向に自転させて巻線を巻き戻しながら環状芯線の接線軸の周りに公転させる。即ち、巻線ボビンを環状芯線の内径側をくぐらせて巻線ボビンに貯えられた巻線を環状芯線の周面に螺旋巻回するのである。このようにして、巻線の先端部と終端部を真鍮製の細管に挿入し、かしめ留めして断面円形のケーブルビードを製作することができる。

この種の炭素鋼線材としては、タイヤ用のベルトコードやビードワイヤに用いられるものとしては、炭素（Ｃ）が０．７〜０．９質量％、珪素（Ｓｉ）が０．２〜０．７質量％、マンガン（Ｍｎ）が０．２〜０．７質量％及び残部が鉄という組成を有するものが知られている。例えば、強度の向上を図るため、更にクロム（Ｃｒ）が０．２〜０．４質量％添加されているものが知られている（特許文献１を参照）。

また、線材の両端部を溶接して製造されるワイヤソー用エンドレスワイヤとして、炭素が０．０２質量％以下、珪素が０．１０質量％以下、マンガンが０．１０質量％以下等を含有し、残部が鉄という組成を有するものが知られている（例えば、特許文献２を参照）。
特開平５−２１４４４３号公報（第２頁及び第４〜６頁） 特開２００３−５５７４２号公報（第２頁及び第５〜８頁）

ところで、環状芯線を形成する芯線としては、強度が高く、周上均一な強度であることが要求される。しかしながら、１本の芯線にするためには、そのワイヤの始端部と終端部とをつなぐことが必要である。この場合、端部を加工してかしめて押さえても、周上均一な太さとはならない。また、始端部と終端部とを溶接してつなぐことにより、太さは周上均一となるが、次のような問題がある。

１）特許文献１に記載されているように、ビードワイヤに通常使われる高炭素（カーボン）組成（炭素が０．７〜０．９質量％）のワイヤでは、焼鈍を省略して溶接のみとすれば、通常部に対し溶接部の強度は５０％以下となり、脆く曲げに弱く通常部との差が大き過ぎて不適当である。また、溶接部の強度を維持するために、溶接と焼鈍との２つの工程を設ければ強度は通常部の強度の８０％以上を維持できるが、作業時間は２倍以上を要する。更に、溶接工程と焼鈍工程で細心の注意を払い、成功して始めて通常部の８０％以上の強度を維持できる。しかし、溶接の成功率は低く、失敗した場合、その部分を切断して除去し、再度溶接を行う必要がある。その場合、溶接を試みようとしても芯線の長さが短くなって使用できず廃棄せざるを得なくなる。

２）一方、低炭素組成（炭素が０．３０質量％以下）のワイヤを使用すれば、焼鈍は不要となり溶接作業時間を短縮でき、溶接に細心の注意を払わなくても溶接部強度も通常部強度の９０％強を確保することができるが、通常部の強度自体が低過ぎて芯線としては不適当である。特許文献２に記載されている組成のワイヤでも、強度自体が低くなり過ぎ、ケーブルビードの芯線としては不適当である。

３）従って、中間域の炭素組成（炭素が０．５〜０．６質量％）のワイヤを用い、始端部と終端部をつなぐ溶接及び焼鈍の作業を細心の注意を払って行っていた。炭素の含有量が０．５〜０．６質量％の線材を用いることにより、０．７〜１．０質量％の線材に比べて溶接の成功率は高まるが、それでも溶接の成功率は１００％ではないため、細心の注意を払って溶接と焼鈍の作業を行い、作業時間を２倍以上かけても廃棄せざるを得ないものが出ていた。

本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、溶接作業が容易になると共に、通常部及び溶接部の強度を確保することができ、溶接後の焼鈍作業を省略することができるタイヤ用ケーブルビードの環状芯線、そのための芯線及び環状芯線の製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明のケーブルビードの環状芯線は、鉄（Ｆｅ）を主成分とし、炭素（Ｃ）を０．１〜０．３質量％、珪素（Ｓｉ）及びマンガン（Ｍｎ）の両成分を合せて２．２〜２．９質量％並びにクロム（Ｃｒ）を０．３〜０．５質量％含有するタイヤ用ケーブルビードの芯線を環状に曲げ形成し、その始端部と終端部とを溶接接合し、その溶接接合後の焼鈍作業を省略してなることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明のケーブルビードの環状芯線の製造方法は、鉄（Ｆｅ）を主成分とし、炭素（Ｃ）を０．１〜０．３質量％、珪素（Ｓｉ）及びマンガン（Ｍｎ）の両成分を合せて２．２〜２．９質量％並びにクロム（Ｃｒ）を０．３〜０．５質量％含有するタイヤ用ケーブルビードの芯線から、タイヤ用ケーブルビードの環状芯線を製造する製造方法であって、前記タイヤ用ケーブルビードの芯線を環状に曲げ形成し、その始端部と終端部とを溶接した後、焼鈍作業を省略してばり取り作業を行うことを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明のケーブルビードの環状芯線の製造方法は、前記タイヤ用ケーブルビードの芯線は前記マンガン（Ｍｎ）の含有量を珪素（Ｓｉ）の含有量より多くなるように設定したものである。

本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
請求項１に記載の発明のケーブルビードの環状芯線によれば、炭素の含有量を０．１〜０．３質量％に設定した。このため、芯線の始端部と終端部とを接合する溶接が容易となる。更に、珪素及びマンガンの両成分を合せた含有量を２．２〜２．９質量％並びにクロムの含有量を０．３〜０．５質量％に設定した。従って、通常部及び溶接部の強度を確保することができ、溶接後の焼鈍作業を省略することができる。

請求項２に記載の発明のケーブルビードの環状芯線の製造方法によれば、ケーブルビードの芯線の始端部と終端部とを溶接する際に、溶接作業が容易で、溶接作業を行った後に焼鈍作業を省略してばり取り作業に移ることができ、作業工程の簡略化を図ることができる。
また、請求項１に係る発明の環状芯線による効果を発揮できる材料を提供することができる。
請求項３に記載の発明のケーブルビードの環状芯線の製造方法によれば、特にマンガンの作用によってケーブルビードの芯線の通常部及び溶接部の強度を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態におけるタイヤ用のケーブルビード１１を構成するために、芯線１２を円環状に曲げ、それらの始端部と終端部とを溶接して溶接部１３を形成し、環状芯線１４を作製する。環状芯線１４において、溶接部１３以外の部分が通常部である。図１及び図２に示すように、ケーブルビード１１においては、環状芯線１４の周面に１本の巻線１５が所定周回分（本実施形態では８回）螺旋状に巻回されている。環状芯線１４の外周の１箇所には結合部材１６が取付けられ、その結合部材１６に巻線１５の始端部が挟入状態で保持されている。また、巻線１５の終端部が結合部材１６に対して始端部と反対側から挿入されて保持されている。

このように構成されたケーブルビード１１の芯線１２の組成は、鉄（Ｆｅ）を主成分とし、炭素（Ｃ）が０．１〜０．３質量％、珪素（シリコン、Ｓｉ）及びマンガン（Ｍｎ）の両成分を合せて２．２〜２．９質量％並びにクロム（Ｃｒ）が０．３〜０．５質量％含有されている。マンガン（Ｍｎ）の含有量が珪素（Ｓｉ）の含有量より多くなるように設定されることが、芯線１２の強度を確保する点から好ましい。更には、珪素の含有量に対するマンガンの含有量の比率は、１．６０〜１．７５であることが好ましい。この比率が１．６０未満の場合には芯線１２の通常部及び溶接部１３の強度が不足する傾向となる。一方、１．７５を越える場合には芯線１２の伸線性が低下する傾向となる。

芯線１２には、その製造過程で不可避的不純物が通常含まれてくる。そのような不可避的不純物としては、アルミニウム（Ａｌ）、硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）等が挙げられる。これらの不可避的不純物のうち、アルミニウムは延性の低下を引き起こすため、０．０３質量％以下の含有量であることが好ましい。また、硫黄及びリンは０．０２５質量％以下の含有量であることが好ましい。前記の炭素、珪素、マンガン、クロム及び不可避的不純物以外の残部が鉄である。

上記組成のうち、炭素は鋼線の強度を確保するのに有効かつ経済的な元素である。炭素の含有量を０．３質量％以下の低含有量とし、焼鈍作業の廃止を可能とするものである。炭素の含有量は好ましくは０．１５〜０．３０質量％である。炭素の含有量が０．１質量％未満の場合には目標とするワイヤ強度が得られなくなり、０．３質量％を越える場合には、溶接時に芯線１２に焼きが入り、焼鈍しなければならなくなる。

珪素は炭素鋼の脱酸剤でありながら、高含有量とすることにより、芯線１２の強度を向上させる機能を発揮することができる。珪素の含有量は、０．８〜１．１質量％であることが好ましい。珪素の含有量が０．８質量％未満の場合には、芯線１２として必要な強度が得られない。一方、その含有量が１．１質量％を越える場合には、ワイヤとして伸線後における捻回特性等の延性を低下させ、芯線としては不適当となる。この珪素は、マンガン及びクロムと組み合わせることによって芯線１２の強度を相乗的に向上させることができる。

マンガンは、通常の含有量（０．７質量％以下）よりも高含有量とすることによって芯線１２の強度向上に寄与することができる。更に、マンガンを珪素及びクロムと組合せて相乗効果を発揮させることによって芯線１２の強度を一層向上させることができる。マンガンの含有量は好ましくは１．４〜１．８質量％、更に好ましくは１．４〜１．７質量％である。マンガンの含有量が１．４質量％未満の場合には、芯線１２として必要な強度を得ることが難しい。一方、その含有量が１．８質量％を越える場合には、ワイヤとしての伸線性が低下し、伸線が困難となる。

クロムは金属組織を微細化し、マンガン及び珪素との組合せによって芯線１２の強度を向上させている。クロムの含有量が０．３質量％未満の場合には芯線１２の強度を確保することが難しい。一方、その含有量が０．５質量％を越える場合には、ワイヤの製造過程で熱入れ作業の作業時間が長くなると共に、ワイヤのコストが高騰し過ぎて不適当である。

このような組成のワイヤ（芯線１２）は、全体として均一なベイナイト組織になっており、即ちパーライトの生成温度とマルテンサイトの生成温度の中間の温度範囲で生じた組織となっている。従って、ワイヤは靭性に富み、伸線加工性に優れ、しかも芯線１２は溶接時に焼鈍を必要としない。

さて、ケーブルビードの芯線１２を調製する場合には、鉄（Ｆｅ）を主成分とし、炭素（Ｃ）の含有量を前記の範囲に減少させ、珪素（Ｓｉ）及びマンガン（Ｍｎ）の含有量を前記の範囲に増加させ、更にクロム（Ｃｒ）の含有量を前記の範囲で添加するように設定し、芯線１２用のワイヤを調製する。そのワイヤについて、伸線機を用いて母線から所定の太さ、例えば直径３mmになるまで伸線する。

続いて、図１に示すように、芯線１２を円環状に曲げ、それらの始端部と終端部とを溶接して溶接部１３を形成し、環状芯線１４を作製する。このとき、芯線１２の炭素の含有量（即ちワイヤの炭素の含有量）を減少させたため、溶接作業を簡単かつ速やかに行うことができる。炭素含有量の減少に伴う芯線１２の強度の低下は、珪素及びマンガンの増量と、クロムの添加とにより十分に補うことができる。

以上詳述した本実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
・ 本実施形態におけるタイヤ用のケーブルビード１１の芯線１２においては、炭素の含有量を０．１〜０．３質量％という少量に設定した。このため、芯線１２の始端部と終端部とを接合する溶接作業が容易となり、溶接の失敗がなくなると共に、溶接時間を短縮することができ、かつ溶接部１３の品質を安定させることができる。

更に、珪素及びマンガンの両成分を合せた含有量を２．２〜２．９質量％とし、かつクロムの含有量を０．３〜０．５質量％に設定した。従って、通常部及び溶接部の強度を確保することができ、溶接後の焼鈍作業を省略することができる。

具体的には、芯線１２の通常部における強度が直径３．０ｍｍで９，５００Ｎ以上（１３４４ＭＰａ以上）であり、溶接部１３における強度が通常部における強度の７５％以上を得ることができる。かつ、溶接部１３における強度は直径３．０ｍｍで７５００Ｎ以上（１０６０ＭＰａ以上）を確保することができ、溶接部１３での極端な強度低下を防止することができる。

・ また、マンガンの含有量を珪素の含有量より多くなるように設定したことから、特にマンガンの作用によって通常部及び溶接部１３の強度を向上させることができる。
・ ケーブルビード１１の環状芯線１４は、前記の組成を有する芯線１２を環状に曲げ形成し、その始端部と終端部とを溶接した後、焼鈍作業を省略してばり取り作業を行うことにより製造される。このため、ケーブルビード１１の芯線１２の始端部と終端部とを溶接する際に、溶接作業が容易で、溶接作業を行った後に焼鈍作業を省略してばり取り作業に移ることができ、作業工程の簡略化及び品質の安定化を図ることができる。

以下に実施例及び比較例を挙げ、前記実施形態を更に具体的に説明する。
（実施例１〜３及び比較例１〜５）
炭素（Ｃ）、珪素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）の組成を表１及び表２に示すように設定し、実施形態を具体化した実施例１〜３及び従来例を示す比較例１〜５としての芯線１２用のワイヤを得た。尚、不可避的不純物として、アルミニウムが０．０３質量％以下、硫黄及びリンが０．０２５質量％以下含まれていた。残部は鉄（Ｆｅ）である。これらのワイヤについて、通常の乾式伸線機を用いて、母線から直径３．０ｍｍの太さになるまで伸線した。

次いで、溶接機として白山（株）製加熱圧接機ＢＳ−３Ａ型の溶接機を用い、各ワイヤを円環状に曲げてそれらの始端部と終端部とを同一条件で溶接した。この溶接作業について、実施例１〜３では炭素（Ｃ）の含有量を０．１〜０．３質量％に減少させたため、容易に行うことができた。そして、各ワイヤの通常部及び溶接部１３における強度を測定した。即ち、（株）島津製作所製の最大荷重５トンの引張試験機を用い、ＪＩＳ Ｇ ３５１０に準じて各ワイヤをそれぞれ把持し、引張速度５０ｍｍ／分で、ワイヤの通常部と溶接部１３における強度を測定した。強度はニュートン（Ｎ）、引張り強さは（ＭＰａ）で表した。そられの結果を表１及び表２に示した。尚、表１及び表２において、溶接時間の基準値１００は溶接のみの場合（実施例１〜３、比較例１及び比較例３〜５）の値を示し、その基準値に対する百分率は溶接及び焼鈍の合計時間を溶接のみの時間で割った百分率を示している（比較例２）。

表１に示したように、実施例１〜３においては、ワイヤの組成として炭素（Ｃ）を０．１〜０．３質量％に減少させたが、珪素（Ｓｉ）及びマンガン（Ｍｎ）の両成分を合せて２．２〜２．９質量％に増加させ、クロム（Ｃｒ）を０．３〜０．５質量％含有させた。このため、ワイヤの通常部及び溶接部１３における強度を高めることができ、強度保持率も８１％以上の高い値を確保することができ、かつ溶接後に焼鈍作業を省略することができた。

一方、表２に示したように、ワイヤの組成として炭素が０．５６質量％という場合（比較例１）、通常部におけるワイヤ強度は高いが、溶接後に焼鈍を行っていないため溶接部における強度が低かった。比較例１と同じ材料で溶接後に焼鈍を実施した比較例２は溶接部の強度は向上したが、溶接時間を２倍以上要した。溶接後の焼鈍を省略でき、溶接部における強度保持率を高めるため、炭素含有量を低下させ、マンガン及び珪素の増量、クロムの添加を行った比較例３、４及び５では、通常部における強度自体が不足した。

尚、前記実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
・ クロムの含有量を前記範囲内で高く設定した場合には、マンガン及び珪素の含有量を前記範囲内で低く設定したり、クロムの含有量を前記範囲内で低く設定した場合には、マンガン及び珪素の含有量を前記範囲内で高く設定したりすることができる。

・ 珪素とマンガンの含有量について、マンガンの含有量を高くしたときには珪素の含有量を低くし、マンガンの含有量を低くしたときには珪素の含有量を高くすることができる。

・ ニッケルを添加して鋼の靭性を向上させるように構成することも可能である。
次に、前記実施形態から把握できる技術的思想について以下に記載する。
(1) 前記珪素（Ｓｉ）の含有量に対するマンガン（Ｍｎ）の含有量の比率が１．６０〜１．７５であるタイヤ用ケーブルビードの芯線。このように構成した場合、芯線の通常部及び溶接部の強度を向上させることができる。

(2) 前記珪素（Ｓｉ）の含有量は０．８〜１．１質量％及びマンガン（Ｍｎ）の含有量は１．４〜１．８質量％であるタイヤ用ケーブルビードの芯線。このように構成した場合、芯線の通常部及び溶接部の強度を向上させることができる。

実施形態におけるケーブルビードを示す一部破断正面図。 ケーブルビードを示す断面図。

符号の説明

１１…ケーブルビード、１２…芯線、１４…環状芯線。

Claims (3)

1. 鉄（Ｆｅ）を主成分とし、炭素（Ｃ）を０．１〜０．３質量％、珪素（Ｓｉ）及びマンガン（Ｍｎ）の両成分を合せて２．２〜２．９質量％並びにクロム（Ｃｒ）を０．３〜０．５質量％含有するタイヤ用ケーブルビードの芯線を環状に曲げ形成し、その始端部と終端部とを溶接接合し、その溶接接合後の焼鈍作業を省略してなることを特徴とするタイヤ用ケーブルビードの環状芯線。
2. 鉄（Ｆｅ）を主成分とし、炭素（Ｃ）を０．１〜０．３質量％、珪素（Ｓｉ）及びマンガン（Ｍｎ）の両成分を合せて２．２〜２．９質量％並びにクロム（Ｃｒ）を０．３〜０．５質量％含有するタイヤ用ケーブルビードの芯線から、タイヤ用ケーブルビードの環状芯線を製造する製造方法であって、
   前記タイヤ用ケーブルビードの芯線を環状に曲げ形成し、その始端部と終端部とを溶接した後、焼鈍作業を省略してばり取り作業を行うことを特徴とするタイヤ用ケーブルビードの環状芯線の製造方法。
3. 前記タイヤ用ケーブルビードの芯線は前記マンガン（Ｍｎ）の含有量を珪素（Ｓｉ）の含有量より多くなるように設定したものであることを特徴とする請求項２に記載のタイヤ用ケーブルビードの環状芯線の製造方法。

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