JP4607416B2 - 耐疲労性が改善された亜鉛被覆鋼コード - Google Patents

Description

【０００１】
［発明の分野］
本発明は、熱可塑性エラストマの補強に適した鋼コード、および複合体に関する。複合体は、マトリックスとしてのポリウレタンのような熱可塑性エラストマと補強材料としての鋼コードからなる。本発明の鋼コードは、多重ストランド鋼コード、すなわち、１本以上のストランド（撚り線）からなる鋼コードである。
【０００２】
［発明の背景］
鋼コードは、タイヤおよびコンベヤベルトのようなゴム製品の補強材として広く知られている。使用される量は少ないが、ポリウレタンのような熱可塑性エラストマの補強材としても知られている。鋼コードとゴム製品間の付着機構は、鋼コードと熱可塑性エラストマ間の付着機構とは実質的に異なっている。鋼コードとゴム間の付着は、加硫中に、鋼コードに通常施されている銅合金皮膜とゴム間に生じる結合に基づく化学的な付着である。鋼コードと熱可塑性エラストマ間にも化学的な付着が全く生じないわけではないが、それらの間の付着機構は実質的に鋼コードとマトリックス間の機械的な固着に基づいている。
この基本的な差異によって、ゴムの補強に用いられる鋼コードは、熱可塑性エラストマの補強に用いられる鋼コードよりも簡単な公知のコード構成を取ることができる。すなわち、ゴムの補強に用いられる鋼コードとして、コンパクトコードのような単一ストランドコードが用いられている。１本の鋼コード内のフィラメントの数が少ないほど（単一フィラメントによる補強もありえる）、フィラメントの直径は太くなる。
他方、熱可塑性エラストマの補強に用いられる鋼コードとしては、多重ストランド鋼コード、すなわち、１本以上のストランドからなる鋼コードが標準的に用いられている。その理由は、単一ストランド鋼コードと比較して、このような多重ストランド鋼コードの外面は粗く、マトリックスに対する機械的な固着性が大きいからである。
【０００３】
ゴム製品の補強に適した鋼コードと熱可塑性エラストマの補強に適した鋼コードとの間において、それらの鋼コードの付着機構が異なる結果、鋼フィラメントに塗布される皮膜の種類も異なる。ゴム、特に、タイヤの補強に用いられる鋼コードには、通常、真鍮のような銅合金の皮膜が施され、熱可塑性エラストマの補強に用いられる鋼コードには、通常、亜鉛または亜鉛合金の皮膜が施される。しかし、このような亜鉛皮膜にはいくつかの課題がある。第１の課題として、耐疲労性を許容レベルに保ちながら耐食性を適切なレベルに保つことが困難である点が挙げられる。すなわち、亜鉛皮膜を厚くすると、耐食性が向上するという利点が得られるが、耐疲労性が低下するという欠点を伴なう。逆に、亜鉛皮膜を薄くすると、耐疲労性が向上するという利点が得られるが、耐食性が低下するという欠点を伴なう。第２の課題として、後続の工程において、亜鉛被覆フィラメントに冷間引抜きやねじり加工などを施してストランドやコードに加工するときに、多量の亜鉛の粉塵および粒子が生じる点が挙げられる。
【０００４】
［発明の要約］
本発明の目的は、従来技術における前述の課題を解決することにある。本発明の他の目的は、許容レベルの耐食性と共に許容レベルの耐疲労性を有する皮膜付き鋼コードを提供することにある。
【０００５】
本発明によれば、熱可塑性エラストマの補強に適した鋼コードが提供される。この鋼コードは、いわゆる多重ストランド鋼コード、すなわち、１本以上のストランドからなる鋼コードである。各ストランドは、２本以上の鋼フィラメントからなる。これらの鋼フィラメントの少なくとも何本かに亜鉛皮膜が施されている。亜鉛皮膜は、２μｍ未満、好ましくは、１μｍ未満、例えば、０．５μｍの厚みを有している。さらに、亜鉛―鋼合金層が亜鉛皮膜と鋼の間に介在されている。
【０００６】
このように特定された亜鉛皮膜、すなわち、比較的薄い亜鉛皮膜（通常の亜鉛皮膜は３から５μｍを超える厚みを有している）と、遷移層としての亜鉛―鋼合金層を組み合わせることによって、以下の利点を得ることができる。すなわち、亜鉛皮膜の厚みが薄いので、鋼フィラメントに引抜きやねじり加工を施して鋼コードを得る後続の工程において、亜鉛の粉塵の生成を低減させることができる。その結果、鋼コードの表面における亜鉛の粉塵や粒子の量が減少するので、熱可塑性エラストマに対する機械的な固着性を向上させることができる。また、鋼と亜鉛との間に遷移層としての亜鉛―鋼合金層が存在するので、鋼フィラメントの耐食性を向上させ、亜鉛皮膜と鋼間の付着性を高めることができる。さらに、この合金層の介在によって、亜鉛の粉塵の生成をさらに低減させることができ、その結果、熱可塑性エラストマに対する亜鉛付き鋼コードの固着性をさらに向上させることができる。
【０００７】
鋼コードのコアに関して、２つの選択が可能である。すなわち、コードコアは、２本以上のフィラメントからなるコアストランドあるいはプラスチック材料、例えば、マトリックスとしての熱可塑性エラストマと同じ種類かつ同じ性質を有するプラスチック材料のいずれによって構成されてもよい。
【０００８】
本発明者によって試験された種々のコード構成の内、以下のパラメータを有する７×７の構成が、機械的固着性、耐疲労性、微動磨耗、および耐食性に関してすぐれた結果をもたらすことが判明している。
ｄ₁＋６×ｄ₂ + ６×(ｄ₂+６×ｄ₃)
ただし、 ｄ₁＞１．０５×ｄ₂、
ｄ₂＞１．０５×ｄ₃
【０００９】
本発明はまた、前述の鋼コードによって補強された複合体に関する。このような複合体の例として、ポリウレタンからなるマトリックスによるベルト、例えば、溝付きベルトがある。
【００１０】
［発明の好適な実施例の説明］
以下、本発明を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明による複合ベルト１０の概略図である。ベルト１０は製造プロセス中に形成された溝１２を有している。これらの溝は、製造プロセス中に歯がベルト１０を案内した場所に配置されている。
【００１２】
一変更例として、ベルトの長手方向に溝または歯を設け、いわゆるＶ溝ベルト（図示せず）を構成してもよい。
【００１３】
ベルト１０は、ポリウレタンからなるマトリックス材料１４を有している。ポリウレタン以外の適切な熱可塑性エラストマの例として、熱可塑性ポリオレフィンホモポリマーまたはコポリマー、オレフィンゴム、熱可塑性ポリオレフィンホモポリマーまたはコポリマーが随意混合されたスチレン/共役ジエン/スチレンのブロックコポリマーおよび/またはその完全なあるいは部分的な水素化誘導体、または上述の材料の混合物が挙げられる。これらの熱可塑性エラストマは国際公開番号ＷＯ−Ａ−９９/５５７９３（アドバンスド・エラストマ・システム、およびＮ．Ｖ．べカルトＳ．Ａ）に詳細に記載されている。ベルト１０は、さらに、互いに隣接して平行に配列された数本の鋼コード１６によって補強されている。
【００１４】
熱可塑性エラストマの補強に適した鋼コードは、単一の状態または組合わせた状態において、以下の特徴を有している。
（１）鋼フィラメントは、０．０５ｍｍから０．８０ｍｍ、好ましくは、０．０６ｍｍから０．４０ｍｍの範囲の径を有する。
（２）鋼フィラメントは、０．６０％から１．０５％の炭素、０．１０％から１．１０％のマンガン、０．１０％から０．９０％のシリコン、０．１５％未満、好ましくは、０．１０％未満の硫黄およびリン、さらに随意成分としてクロム（０．２０％から０．４０％以下）、銅（０．２０％以下）、およびバナジウム（０．３０％以下）のような微細合金化元素を含む鋼組成を有する。
（３）機械的固着性が主たる付着機構なので、必ずしも必要ではないが、鋼コードは前述の国際公開番号ＷＯ−Ａ−９９/５５７９３またはＷＯ−Ａ−９９/２０６８２（Ｎ．Ｖ．べカルトＳ．Ａ）に記載されているような付加的な化学的付着機構を随意備えているとよい。
【００１５】
上記の組成を有する鋼ワイヤロッドを出発原料として、本発明による複合製品を以下のようにして得ることができる。鋼ロッドを所定のフィラメント径が得られるまで冷間引抜きする。冷間引抜を繰り返す場合、次の引抜きを可能にするために、適切な熱処理、例えば、パテンチングを行うとよい。最終径が得られたフィラメントを撚ってストランドを形成し、次いで、それらのストランドを撚ることによって鋼コードを得る。撚り加工は、ダブルツイスタ(double-twisters)（バンチング装置）または管式回転機(tubular rotary machines)（ケーブリング装置）を用いて行うとよい。後続の押出成形工程において、鋼コードの多数は、供給巻枠から引抜きおよび矯正加工を施し、並列に隣接して配列し、挿入穴を介して押出成形機に送給し、ここでこれらの鋼コードを熱可塑性エラストマトと共に押出成形する。
【００１６】
補強材料としての鋼コードが並列かつ直線状のパターンで配列された本発明による他の複合製品として、シートの内張り、簡易取付け式横断幕(snap-on profiles)、耐切断性を有する可撓性防護帯片(flexible and protective strips)、手すりなどが挙げられる。
【００１７】
図２は、鋼コード１６の断面図である。この鋼コード１６は複合体１０の補強材として好ましいことが判明している。鋼コード１６は、１本のコアストランド１８と６本の外側ストランド２０を含む。コアストランド１８は、コアとしての１本のフィラメント２２と、そのフィラメント２２の周囲に撚られた６本フィラメント２４を含む。フィラメント２２の径ｄ₁は、フィラメント２４の径ｄ₂よりも少なくとも５％大きい。外側ストランド２０は、それぞれ、コアとしての１本のフィラメント２６とそのフィラメント２６の周囲に撚られた６本のフィラメント２８からなる。フィラメント２６は、フィラメント２４の径ｄ₂と同一の径を有するとよい。フィラメント２６の径ｄ₂は、フィラメント２８の径ｄ₃よりも少なくとも５％大きい。鋼コード１６のコード構成の好ましい一例として、下記のコード構成を挙げることができる（すべての径はｍｍ単位である）。
（０．２１＋６×０．１９）＋６×（０．１９＋６×０．１７５）――（ａ）
【００１８】
鋼コードを構成するフィラメントには、すべて約０．５μｍから１．０μｍの範囲内の平均厚みを有する薄い亜鉛皮膜が施されている。この鋼コードの機械的性質を以下の表に示す。
【００１９】
【表１】

【００２０】
以下の試験条件下において、コード構成（ａ）の鋼コードに対するベルト耐久テストを行った。
プーリ径ｒ＝４０ｍｍ、
軸荷重＝１５０ｋｇ、
周期＝１００サイクル/分、
【００２１】
なお、比較のために、以下のコード構成を有する鋼コードに対するベルト耐久テストも行った。
（０．２０＋６×０．１７５）＋６×（０．１７５＋６×０．１７５）――（ｂ）
【００２２】
２，１５０，０００サイクル後に、鋼コード（ｂ）において摩擦腐蝕が観察されたが、鋼コード（ａ）においては摩擦腐蝕は観察されなかった。
【００２３】
上記の鋼コードは一般式（７×７）のコード構成である。必要とされるコードの開口率および外側ストランドの変形度に応じて、他の適切なコード構成、例えば、（１９＋８×７）、（７×１９）、（１×７＋７×７）、（１９＋９×７）、および（１×３＋５×７）などのコード構成を採用することができる。
【００２４】
図３は、本発明による複合体の補強に用いられる鋼コード１６の一変更例を示している。図１の鋼コード（ａ）との主な差は、コアストランドのコアがプラスチック材料３０、例えば、補強されるマトリックス材料と同じ系列のポリウレタンによって形成されている点にある。このプラスチック材料３０は、フィラメント２４が完全に閉鎖した構造を取るのを防ぐために設けられている。なお、鋼フィラメントのいずれにも約０．５μｍから１．０μｍの範囲内の平均厚みを有する薄い亜鉛皮膜が施されている。
【００２５】
図４は、本発明による複合体の補強に用いられる鋼コード１６の他の変更例を示している。鋼コード１６のコアは、その全体がプラスチック材料３２によって形成されている。プラスチック材料３２は、ストランド２０が閉鎖した構造を取るのを防ぎかつ互いに接触するのを防ぐのに十分な厚みを有している。すなわち、プラスチック３２を設けることによって、オープン構造を取ることができ、かつ隣接するストランド２０間の微動腐蝕の発生を防ぐことができる。各ストランド２０のコアは、他のプラスチック材料３４によって形成され、７本の外側フィラメント２８がそのプラスチック材料の周囲を包囲している。なお、鋼コードフィラメントのいずれにも約０．５μｍから１．０μｍの範囲内の平均厚みを有する薄い亜鉛皮膜が施されている。
【００２６】
図５は、本発明による亜鉛被覆鋼フィラメント３６の断面を示している。鋼フィラメント３６は、鋼コアと２μｍ未満の亜鉛皮膜４０を有している。鋼コア３８（約１００％鋼）と亜鉛皮膜４０（約１００％亜鉛）との間に、亜鉛―鋼合金からなる遷移層４２が介在している。このような遷移層は、鋼ワイヤを電気亜鉛メッキではなく溶融亜鉛メッキすることによって得ることができる。溶融亜鉛メッキ作業において、鋼ワイヤは、溶融亜鉛槽を通過して亜鉛が被覆された状態で溶融亜鉛槽から引き出される。ここで、鋼ワイヤを垂直方向において溶融亜鉛層から引き出した場合、比較的厚くかつ粗い亜鉛−鋼合金層と共に厚い亜鉛層が形成される。厚い亜鉛層と鋼−亜鉛合金層は以下の理由で好ましくない。すなわち、厚い亜鉛層は、後続の引抜きおよび撚り工程において、多量の亜鉛の塵埃および粒子を生成する。鋼−亜鉛合金層は耐食性を向上させるが、極めて脆く、その結果、耐疲労性を低下させる。一方、鋼ワイヤを水平線からわずかの角度だけ傾けて引き出し、かつセラミック布などによって機械的に拭き取ることによって、垂直方向に引き出した場合と比較して、以下の３つの特徴が得られる。
（ａ）亜鉛皮膜の厚みの減少
（ｂ）亜鉛―鋼遷移層の厚みの減少
（ｃ）亜鉛−鋼遷移層の粗さの平坦化
【００２７】
上記の３つの特徴によって、矛盾する２つの要件、すなわち、十分な耐疲労性と十分な耐食性を調和させることができる。亜鉛皮膜の厚みの減少（ａ）と亜鉛−鋼遷移層の厚みの減少（ｂ）によって、耐疲労性を向上させることができる。また、亜鉛―鋼遷移層の存在（ｂ）によって、亜鉛−鋼遷移層が存在しない場合と比較して著しく高められた許容レベルの耐食性を確保することができる。さらに、亜鉛皮膜の厚みの減少（ａ）と亜鉛−鋼遷移層の粗さの平坦化（ｃ）によって、後続の引抜きおよび撚り工程における亜鉛の塵埃および粒子の生成を低減させることができる。また、脆い遷移層の厚みの減少（ｂ）と亜鉛−鋼遷移層の粗さの平坦化（ｃ）、さらに亜鉛皮膜の厚みの減少（ａ）によって、冷間引抜工程およびねじり工程の間における亜鉛皮膜の破断をなくすことができる。
【００２８】
表２は、溶融亜鉛被覆処理において垂直方向に亜鉛槽から引き出された鋼フィラメントからなる参照鋼コード（１）と、溶融亜鉛被覆処理において水平面に対してわずかな角度だけ傾けて亜鉛槽から引き出された鋼フィラメントからなる本発明の鋼コード（２）との間の耐疲労性の差を示している。
【００２９】
【表２】

【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による複合ベルトの概略図である。
【図２】 本発明による複合体の補強に用いられる鋼コードの断面図である。
【図３】 本発明による複合体の補強に用いられる鋼コードの断面図である。
【図４】 本発明による複合体の補強に用いられる鋼コードの断面図である。
【図５】 亜鉛皮膜付き鋼フィラメントの断面図である。

Claims (10)

1. 熱可塑性エラストマの補強に適した鋼コードであって、前記鋼コードは、１本以上のストランドを含み、前記ストランドは各々２本以上の鋼フィラメントを含み、前記鋼フィラメントの少なくとも何本かに亜鉛皮膜が施されているような鋼コードにおいて、前記亜鉛皮膜は２μｍ未満の厚みを有し、亜鉛−鋼合金層が前記亜鉛皮膜と鋼との間に介在することを特徴とする鋼コード。
2. 前記亜鉛皮膜は、１μｍ未満の厚みを有する請求項１に記載の鋼コード。
3. 前記鋼コードは、コードコアと、前記コードコアの周囲に前記コードコアと接触して撚られた３本以上の外側ストランドを含む請求項１または２のいずれかに記載の鋼コード。
4. 前記コードコアは、プラスチック材料である請求項３に記載の鋼コード。
5. 前記コードコアは、２本以上のフィラメントからなるコアストランドである請求項３に記載の鋼コード。
6. 前記鋼コードは、下記の式、
   ｄ₁＋６×ｄ₂ + ６×(ｄ₂+６×ｄ₃)
   ただし、 ｄ₁＞１．０５×ｄ₂、
   ｄ₂＞１．０５×ｄ₃
   によって表されるコアストランドと６本の外側ストランドからなる請求項５に記載の鋼コード。
7. マトリックス材料として機能する熱可塑性エラストマと、補強材料として機能する請求項１から６のいずれか１つに記載の鋼コードを含む複合体。
8. 前記複合体は、ベルトである請求項７に記載の複合体。
9. 前記ベルトは、溝付きベルトである請求項８に記載の複合体。
10. 前記熱可塑性エラストマは、ポリウレタンである請求項７から９のいずれか１つに記載の複合体。

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