JP4566961B2

JP4566961B2 - 鋼線伸線装置

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Publication number: JP4566961B2
Application number: JP2006227322A
Authority: JP
Inventors: 敏行小林
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2026-08-24
Also published as: JP2008049366A

Description

本発明は、延性の優れたブラスめっき鋼線を製造可能な鋼線伸線装置に関する。

タイヤ補強用スチールコードの素線等に用いられるゴム物品補強用鋼線として、表面にブラスめっきを施したブラスめっき鋼線が用いられている。このブラスめっき鋼線は、パテンティング等の熱処理とブラスめっき処理とを施した鋼線を、多段スリップ型湿式伸線装置を用いて所望の線径まで伸線して製造される。このブラスめっき鋼線とゴムとの接着に関して、例えば、タイヤ製造時の加硫工程において、ブラスめっき鋼線とゴムとを接触させた状態で加熱することにより、ゴム中の硫黄とブラスめっき中の銅とが反応して接着層が形成されることが知られている。この接着層は、加硫工程において速やかにかつ確実に形成されること（初期接着性能）、及び、形成された接着層がゴム物品の使用時に水分や熱によって劣化しないこと（耐久接着性能）が求められている。
多段スリップ型湿式伸線装置に用いられる鋼線引抜用のダイスとしては、タングステンカーバイト（ＷＣ）などの硬質の炭化物または窒化物の粉末を焼結してなる超硬合金を用いて形成した超硬合金ダイスが用いられていたが、タイヤ補強用スチールコードの素線等に用いられる高強度鋼線の製造においては、従来の伸線以上の発熱を伴うために、製造されるブラスめっき鋼線の延性を確保するのが困難であるだけでなく、ダイスの引抜穴の穴壁面が荒れてブラスめっき鋼線の引抜抵抗が大きくなり、ブラスめっき鋼線の表面のブラスめっき層の引張残留応力を十分に緩和することが困難であった。
そこで、多段スリップ型湿式伸線装置の最終ダイス、又は、最終ダイスと最終ダイスより上流側の数個のダイスとして、上記超硬合金ダイスに代えて、超硬合金よりも硬い焼結ダイヤモンドを用いて形成した焼結ダイヤモンドダイスを用いることが知られている。焼結ダイヤモンドダイスは、優れた自己潤滑性（低摩擦抵抗）と優れた耐磨耗性とを備え、鋼線伸線時の発熱を抑制できるので、ブラスめっき鋼線の表面のブラスめっき層の引張残留応力を十分に緩和することができ、ゴムとの接着性に優れたブラスめっき鋼線を得ることができる。
特開２００３−３１３７８８号公報特開２００３−３４２８８３号公報特開２００４−６６２７１号公報

しかしながら、鋼線に対する減面率の大きい焼結ダイヤモンドダイスを用いた場合、即ち、焼結ダイヤモンドダイスの引抜穴の直径ｄが、この焼結ダイヤモンドダイスの引抜穴に入ってくるブラスめっき鋼線の直径ｄ１よりも小さく、直径ｄと直径ｄ１との差が大きい場合には、伸線時の発熱が大きくなり、延性の優れたブラスめっき鋼線を製造できない場合がある。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、延性の優れたブラスめっき鋼線を製造可能な鋼線伸線装置を提供することを目的とする。

本発明に係る鋼線伸線装置は、ブラスめっきを施した鋼線を複数のダイスを用いて伸線加工する鋼線伸線装置において、最終ダイス及び最終ダイスの前段に設置される１つ又は複数のダイスが、焼結ダイヤモンドにより形成され、かつ、引抜穴を通過する鋼線に対する減面率が１％未満となるような直径の引抜穴を備え、最終ダイス及び最終ダイスの前段に設置される１つ又は複数のダイスに形成された引抜穴の直径が同じであり、これらダイスのベアリング長の合計値が、これらダイスの引抜穴の直径の４０％以上２００％以下に設定されたことを特徴とする。
最終ダイス、あるいは、最終ダイス及び最終ダイスの前段に設置される１つ又は複数のダイスの引抜穴の直径が、ダイスに入る直前の鋼線の断面の直径±０．００２ｍｍの寸法に形成されたことも特徴とする。
最終ダイス、あるいは、最終ダイス及び最終ダイスの前段に設置される１つ又は複数のダイスが、粒径１μｍ以下の単結晶ダイヤモンドのダイヤモンド粒子を焼結して形成されたことも特徴とする。

本発明の鋼線伸線装置によれば、最終ダイス及び最終ダイスの前段に設置される１つ又は複数のダイスが、焼結ダイヤモンドにより形成され、かつ、引抜穴を通過する鋼線に対する減面率が１％未満となるような直径の引抜穴を備えたので、鋼線の減面率が１％未満となるようなダイスによるスキンパス伸線によって鋼線のブラスめっき表層部を集中的にかつ安定的に加工できるとともに、焼結ダイヤモンドにより形成された最終ダイスの優れた自己潤滑性（低摩擦抵抗）と優れた耐磨耗性とによって鋼線伸線時の発熱を抑制することができ、しかも、最終ダイス及び最終ダイスの前段に設置される１つ又は複数のダイスに形成された引抜穴の直径を同じ寸法とし、これらダイスのベアリング長の合計値が、これらダイスの引抜穴の直径の４０％以上２００％以下にしたことで、延性の優れたブラスめっき鋼線を製造できる。
ダイスの引抜穴の直径が、ダイスに入る直前の鋼線の断面の直径±０．００２ｍｍの寸法に形成されたので、鋼線のブラスめっき表層部の加工が安定して行われることによって、ゴムとの接着性に優れ、かつ、延性の優れたブラスめっき鋼線を製造できる。
最終ダイス及び最終ダイスの前段に設置される１つ又は複数のダイスとして、粒径１μｍ以下の単結晶ダイヤモンドのダイヤモンド粒子を焼結して形成されたダイスを用いたことで、製造されるブラスめっき鋼線の延性が向上する。

以下、本発明の最良の形態について、図１及び図２に基づき説明する。図１は鋼線伸線装置を示し、図２は最終パスを示し、図３は従来例及び各実施例の条件とその条件での伸線加工評価結果とを示す。

図１を参照し、鋼線伸線装置１０を説明する。鋼線伸線装置１０は、表面にブラスめっきを施した鋼線（以下、ブラスめっき鋼線という）１１を巻出す巻出部１６、潤滑液１５が満たされた潤滑液槽１８、伸線されたブラスめっき鋼線１１を巻き取る巻取部１７を備える。潤滑液槽１８内の潤滑液１５中には、複数の伸線パス１２、最終段の伸線パス（以下、最終パスという）１２Ｚ、複数の駆動キャプスタン１３，１４を備える。最終パス１２Ｚは１つ以上のダイスを備える。巻出部１６から巻き出されたブラスめっき鋼線１１は、潤滑液槽１８中の複数の伸線パス１２及び最終パス１２Ｚのダイスの引抜穴を通過することにより伸線加工されて巻取部１７に巻き取られる。

図２を参照し、鋼線伸線装置１０の最終パス１２Ｚを説明する。最終パス１２Ｚは１つ以上の焼結ダイヤモンドダイス１を備える。図２では、２つの焼結ダイヤモンドダイス１を備えた最終パス１２Ｚを例示した。焼結ダイヤモンドダイス１は、ダイヤモンドニブ３とダイヤモンドニブ３を内部に保持する保持体４とにより形成される。ダイヤモンドニブ３は、粒径１μｍ以下の単結晶ダイヤモンドのダイヤモンド粒子をコバルト金属のようなバインダーで焼結した後このバインダーを除去して形成された焼結ダイヤモンドに精密な引抜穴２が形成されたものである。最終パス１２Ｚの少なくとも一番後ろのダイス設置位置には焼結ダイヤモンドダイス１（以下、最終ダイス１Ｚという）が設置される。最終パス１２Ｚにおける最終ダイス１Ｚは、引抜穴２の直径ｄが、最終ダイス１Ｚの引抜穴２を通過するブラスめっき鋼線１１に対する減面率が２％未満となるように形成されたものである。即ち、最終ダイス１Ｚに入る直前のブラスめっき鋼線１１の断面積をＸ１とし、最終ダイス１Ｚを通過後のブラスめっき鋼線１１の断面積をＸ２とした場合に、（Ｘ１−Ｘ２）／Ｘ１が０．０１未満となるように設定された直径ｄの引抜穴２を備えた焼結ダイヤモンドダイス１を最終ダイス１Ｚとして用いる。例えば、最終ダイス１Ｚに入る直前のブラスめっき鋼線１１の断面の直径（以下、入線径という）をｄ１とした場合に、引抜穴２の直径ｄがｄ１±０．００２ｍｍの寸法に形成された最終ダイス１Ｚを使用する。

最終ダイス１Ｚの直径ｄが入線径ｄ１より大きい場合には、最終ダイス１Ｚの引抜穴２を通過するブラスめっき鋼線１１に対する減面率は実質０％になるが、実際の操業では微妙な芯ずれやブラスめっき鋼線１１の振動を伴うので、最終ダイス１Ｚの引抜穴２の直径ｄを入線径ｄ１よりも０．００２ｍｍ程度大きくしてやれば、ブラスめっき鋼線１１の表面と最終ダイス１Ｚの引抜穴２の穴壁面とが接触し、ブラスめっき鋼線１１の表面のブラスめっきは最終ダイス１Ｚによる加工を受ける。減面率が０％であると、下地の鋼材への影響が少ないので、かえって好ましい場合がある。

最終パス１２Ｚが最終ダイス１Ｚの他にダイスを備えない構成とする場合は、引抜穴２のベアリング長（引抜穴２の軸心に沿った方向の長さ）Ｌが、引抜穴２の直径の３０％以上８０％以下に形成された最終パス１２Ｚを用いる。引抜穴２の直径ｄがブラスめっき鋼線１１の入線径ｄ１±０．００２ｍｍの寸法に形成され、ベアリング長Ｌが引抜穴２の直径の３０％以上８０％以下の最終ダイス１Ｚを用いたことで、減面率が０％である場合を含めて、ブラスめっき鋼線１１のブラスめっき表層部の加工が安定して行われるので、ゴムとの接着性に優れ、かつ、延性の優れたブラスめっき鋼線１１を製造できる。ベアリング長Ｌを引抜穴２の直径の８０％以下としたのは、ダイスの製作において、ベアリング長Ｌが引抜穴２の直径の８０％超えるようなダイスを製作することが困難であり、また、ブラスめっき鋼線１１と最終ダイス１Ｚの引抜穴２の穴壁面との接触による発熱が大きくなって、製造されるブラスめっき鋼線１１の機械的特性に悪影響を与える可能性があるからである。

以上の場合、鋼線伸線装置１０は、複数の伸線パス１２に設けられるダイスとしてはすべて超硬合金ダイスを使用し、最終パス１２Ｚが最終ダイス１Ｚのみを備え、粒径１μｍ以下の単結晶ダイヤモンドのダイヤモンド粒子を焼結して形成された焼結ダイヤモンドダイス１を最終ダイス１Ｚとして使用し、この最終ダイス１Ｚが、引抜穴２を通過するブラスめっき鋼線１１に対する減面率が１％未満となるような直径ｄの引抜穴２として、例えば、ブラスめっき鋼線１１の入線径ｄ１±０．００２ｍｍの寸法に形成された引抜穴２を備えるとともに、さらに、ベアリング長Ｌが引抜穴２の直径の３０％以上８０％以下とされた構成とした。この構成によれば、まず、焼結ダイヤモンドダイス１を鋼線伸線装置１０の最終ダイス１Ｚのみに使用するので、鋼線伸線装置１０のダイスコストを抑えることができる。さらに、減面率が１％未満となるようなダイスによるスキンパス伸線によってブラスめっき鋼線１１のブラスめっき表層部を集中的にかつ安定的に加工できるとともに、焼結ダイヤモンドにより形成された最終ダイスの優れた自己潤滑性（低摩擦抵抗）と優れた耐磨耗性とによって鋼線伸線時の発熱を抑制することができる。したがって、鋼線伸線装置１０のダイスコストを抑えることができるとともに、ゴムとの接着性に優れ、かつ、延性の優れたブラスめっき鋼線１１を製造できる。

最終パス１２Ｚを２つ以上の焼結ダイヤモンドダイス１で形成する場合、即ち、最終ダイス１Ｚ及び最終ダイス１Ｚの前段に設置される１つ又は複数のダイスにより形成する場合、最終ダイス１Ｚ及び最終ダイス１Ｚの前段に設置される１つ又は複数のダイスに形成された引抜穴２の直径はすべて同寸法とする。例えば、ブラスめっき鋼線１１の入線径ｄ１±０．００２ｍｍとする。また、１つ１つのダイスのベアリング長Ｌの合計値である総ベアリング長は、ダイスの引抜穴２の直径の４０％以上２００％以下とした。総ベアリング長を引抜穴２の直径の２００％以下としたのは、総ベアリング長が２００％超えると、ブラスめっき鋼線１１と最終ダイス１Ｚの引抜穴２の穴壁面との接触による発熱が大きくなって、製造されるブラスめっき鋼線１１の機械的特性に悪影響を与える可能性があるからである。

この場合、鋼線伸線装置１０は、複数の伸線パス１２に設けられるダイスとしてはすべて超硬合金ダイスを使用し、最終パス１２Ｚが最終ダイス１Ｚとその他のダイスを１つ以上備え、粒径１μｍ以下の単結晶ダイヤモンドのダイヤモンド粒子を焼結して形成された焼結ダイヤモンドダイス１を最終ダイス１Ｚ及びその他のダイスとして使用し、これらダイスが、引抜穴２を通過するブラスめっき鋼線１１に対する減面率が１％未満となるような直径ｄの引抜穴２として、例えば、ブラスめっき鋼線１１の入線径ｄ１±０．００２ｍｍの寸法に形成された引抜穴２を備えるとともに、総ベアリング長が引抜穴２の直径の４０％以上２００％以下とされた構成とした。この構成によれば、減面率が１％未満となるようなダイスによるスキンパス伸線によって鋼線のブラスめっき表層部を集中的にかつ安定的に加工できるとともに、焼結ダイヤモンドにより形成された最終ダイス１Ｚの優れた自己潤滑性（低摩擦抵抗）と優れた耐磨耗性とによって鋼線伸線時の発熱を抑制することができる。したがって、延性の優れたブラスめっき鋼線１１を製造できる。

図３に、各実施例及び従来例の条件とこれらの条件で鋼線伸線装置１０により伸線加工されて得られた抗張力約３２００ＭＰｓ級のブラスめっき鋼線１１での伸線加工評価を示す。従来例１では、最終パス１２Ｚ及びその他のすべての伸線パス１２のダイスとして超硬合金ダイスを用いた。図３の初期接着性、耐久接着性、延性値、ダイスコストは、従来例１での値を基準１００で表した場合の相対的な評価指数値で表してある。初期接着性、耐久接着性、延性値は、値が大きいほど優れていることを示し、ダイスコストは、値が小さいほど優れていることを示す。従来例２では、最終パス１２Ｚ及びその他のすべての伸線パス１２のうち、最終パス１２Ｚ及び最終パス１２Ｚの前段２つの伸線パス１２に用いる３つのダイスとして粒径１μｍの焼結ダイヤモンドにより形成された焼結ダイヤモンドダイス１を用いた。従来例２では、得られるブラスめっき鋼線１１の性能評価（初期接着性、耐久接着性、延性値）は優れているが、ダイスコストが高い。実施例１乃至実施例５では、最終パス１２Ｚ以外のすべての伸線パス１２のダイスとして超硬合金ダイスを用いた。

実施例１では、最終パス１２Ｚを第１ダイス（最終ダイス１Ｚ）のみで構成し、第１ダイスの減面率が０％、第１ダイスのベアリング長（＝総ベアリング長）が第１ダイスの引抜穴２の直径の３０％である。
実施例２では、最終パス１２Ｚを第１ダイス（最終ダイス１Ｚ）のみで構成し、第１ダイスの減面率が０％、第１ダイスのベアリング長（＝総ベアリング長）が第１ダイスの引抜穴２の直径の５０％である。
実施例３では、最終パス１２Ｚを第１ダイス（最終ダイス１Ｚ）のみで構成し、第１ダイスの減面率が０％、第１ダイスのベアリング長（＝総ベアリング長）が第１ダイスの引抜穴２の直径の７０％である。
実施例１乃至実施例３では、使用した焼結ダイヤモンドダイス１は、最終パス１２Ｚにおける最終ダイス１Ｚとしての第１ダイスだけであるので、ダイスコストは同じであるが、第１ダイスの引抜穴のベアリング長を３０％から７０％の範囲内で長くするほど、初期接着性、耐久接着性、延性値が良くなることがわかった。

実施例４；５では、最終パス１２Ｚに、最終ダイス１Ｚと最終ダイス１Ｚ以外のダイスとして複数の焼結ダイヤモンドダイス１を設けた場合である。実施例４では、最終パス１２Ｚに、焼結ダイヤモンドダイス１を用いた第１ダイス及び第２ダイス（最終ダイス１Ｚ）を設けた場合であり、第１ダイスと第２ダイスの引抜穴２の直径がそれぞれ同じであり、第１ダイス及び第２ダイスの減面率がともに０％である。そして、第１ダイスのベアリング長が第１ダイスの引抜穴２の直径の３０％、第２ダイスのベアリング長が第２ダイスの引抜穴２の直径の３０％であって、総ベアリング長が、第２ダイスの引抜穴２の直径の６０％である。実施例５では、最終パス１２Ｚに、焼結ダイヤモンドダイス１による第１ダイス乃至第３ダイス（最終ダイス）を設けた場合であり、第１ダイス乃至第３ダイスの引抜穴２の直径がそれぞれ同じであり、第１ダイス乃至第３ダイスのそれぞれの減面率が０％である。そして、第１ダイス乃至第３ダイスのそれぞれのベアリング長が抜穴２の直径の５０％であり、総ベアリング長が、１５０％である。
実施例４では、従来例２と比べてダイスコストを低くできて、得られたブラスめっき鋼線１１の性能評価（初期接着性、耐久接着性、延性値）は従来例２と同じように優れていた。
実施例５では、従来例２と比べて得られたブラスめっき鋼線１１の延性値が優れていた。
実施例４；５によれば、最終パス１２Ｚに複数の焼結ダイヤモンドダイス１による複数のダイスを設ける場合には、ダイスの減面率を０％とし、複数のダイスの総ベアリング長を６０％から１５０％の範囲内に設定することで、従来例２よりも延性の優れたブラスめっき鋼線１１を得られることがわかった。

初期接着性は以下の方法で求めた。各実施例及び従来例の各条件でブラスめっき鋼線１１を作成し、各条件で作成したブラスめっき鋼線１１をそれぞれ１６０℃で７分〜１５分間加硫した後、得られたゴム鋼線複合体につき、ゴムから鋼線を剥離し、その後のゴム付着率を測定した。図３では、各実施例及び従来例での結果を、従来例１の場合を基準１００とした評価指数値で表示した。値が大きいほど初期接着性が優れていることを示す。

耐久接着性は以下の方法で求めた。各実施例及び従来例の各条件でブラスめっき鋼線１１を作成し、各条件で作成したブラスめっき鋼線１１をそれぞれ１６０℃で１５分間加硫した後、得られたゴム鋼線複合体を湿度９５％及び温度７５℃の大気圧雰囲気中に７日〜１４日間放置し、その後、ゴムから鋼線を剥離し、ゴム付着率を測定した。図３では、各実施例及び従来例での結果を、従来例１の場合を基準１００とした評価指数値で表示した。値が大きいほど耐久接着性が優れていることを示す。

延性値は、繰返し捻り試験により求めた。繰返し捻り試験は、以下の要領で行った。各実施例及び従来例の各条件で作成したそれぞれのブラスめっき鋼線１１にブラスめっき鋼線１１の軸に沿った方向に張力をかけてブラスめっき鋼線１１の軸線が直線になるようにブラスめっき鋼線１１を保持した状態で、ブラスめっき鋼線１１を一方向に所定回数Ｎ₀回捻った後に逆方向に同量だけ捻り戻す。これを１サイクルとして繰返し、ブラスめっき鋼線１１にクラックを発生させる。ここで、所定回数Ｎ₀回とは、ブラスめっき鋼線１１の直径の１００倍の長さ当たり３回に相当する捻り回数であり、ブラスめっき鋼線１１の長さをＬ（ｍｍ）、ブラスめっき鋼線１１の直径をｄ（ｍｍ）とすれば、Ｎ₀＝３×（Ｌ／１００ｄ）で表わされる値である。
繰返し捻り試験値（＝延性値）ＲＴは、上記繰返し捻り試験においてブラスめっき鋼線１１にクラックが発生するまでに加えた捻り及び捻り戻しの総量を、長さ１００ｄ当たりの捻り回数で表した値で、以下のようにして求める。Ｎ₀回の捻り及び捻り戻しサイクルをｎ回繰返した次のサイクルで、Ｎ_f1回(Ｎ_f1≦Ｎ₀)捻った時点でクラックが発生したとすると、繰返し捻り試験値ＲＴ（回／１００ｄ）は、以下の式で表わせる。
ＲＴ＝（２ｎＮ₀＋Ｎ_f1）／（Ｌ／１００ｄ）
また、Ｎ₀回の捻り及び捻り戻しサイクルをｎ回繰返した次のサイクルはＮ₀回の捻りで、ここからＮ_f2回(Ｎ_f2≦Ｎ₀)捻り戻した時点でクラックが発生したとすると、繰返し捻り試験値ＲＴ（回／１００ｄ）は、以下の式で表わせる。
ＲＴ＝｛（２ｎ＋１）Ｎ₀＋Ｎ_f1｝／（Ｌ／１００ｄ）
上記繰返し捻り試験の好適条件は以下の通りである。
（１）ブラスめっき鋼線の長さ‥‥約５０ｍ
（２）ブラスめっき鋼線の軸方向張力 ‥‥約１．０ｋｇ
（３）ブラスめっき鋼線の捻り速度 ‥‥約３０回／分
（４）クラック発生の検出‥‥クラック発生に伴うアコースティックエ
ミッション（ＡＥ）波を検出
ＡＥ波は、固体が変形または破壊する際の歪エネルギーの開放によって発生する弾性波で、これをＡＥセンサを用いて電気信号として検出することにより、試験片が破断する以前の微小なクラック発生をも正確に検出することができるので、繰返し捻り試験によるブラスめっき鋼線のクラック発生を精度良く評価することができる。図３では、各実施例及び従来例での結果を、従来例１の場合を基準１００とした評価指数値で表示した。値が大きいほど延性値（捻回特性値）が優れていることを示す。

最終ダイス１Ｚ、あるいは、最終ダイス１Ｚ及び最終ダイスの前段に設置される１つ又は複数のダイスが、引抜穴２を通過するブラスめっき鋼線１１に対する減面率が２％程度となるような直径の引抜穴２を備えた構成の鋼線伸線装置１０としてもよい。この構成でも、ダイス仕上げ公差を考慮した場合、ゴムとの接着性に優れ、かつ、延性の優れたブラスめっき鋼線を製造できる。

鋼線伸線装置を示す図（最良の形態）。最終パスの構成例を示す図（最良の形態）。従来例及び各実施例の条件とその条件での伸線加工評価結果とを示す図。

符号の説明

１Ｚ最終ダイス、２引抜穴、１０鋼線伸線装置。

Claims

ブラスめっきを施した鋼線を複数のダイスを用いて伸線加工する鋼線伸線装置において、最終ダイス及び最終ダイスの前段に設置される１つ又は複数のダイスが、焼結ダイヤモンドにより形成され、かつ、引抜穴を通過する鋼線に対する減面率が１％未満となるような直径の引抜穴を備え、最終ダイス及び最終ダイスの前段に設置される１つ又は複数のダイスに形成された引抜穴の直径が同じであり、これらダイスのベアリング長の合計値が、これらダイスの引抜穴の直径の４０％以上２００％以下に設定されたことを特徴とする鋼線伸線装置。
最終ダイス、あるいは、最終ダイス及び最終ダイスの前段に設置される１つ又は複数のダイスの引抜穴の直径が、ダイスに入る直前の鋼線の断面の直径±０．００２ｍｍの寸法に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の鋼線伸線装置。
最終ダイス、あるいは、最終ダイス及び最終ダイスの前段に設置される１つ又は複数のダイスが、粒径１μｍ以下の単結晶ダイヤモンドのダイヤモンド粒子を焼結して形成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鋼線伸線装置。