JP5859209B2 - 冷間伸線された低炭素鋼フィラメントおよび該フィラメントの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、エラストマー製品または熱可塑性製品の補強に適した鋼フィラメントおよび鋼コードに関する。

本発明はまた、このような鋼フィラメントおよび鋼コードを製造する方法に関する。

タイヤ、インパクトビーム、ホース、自在管などのエラストマー製品の補強に適した鋼フィラメントおよび鋼コードは、従来技術で周知である。

鋼フィラメントおよび鋼コードは、鋼ワイヤロッドから作製される。この鋼ワイヤロッドは通例、以下のような鋼組成を有する。０．６０重量％を超える炭素含有率、０．４０〜０．７０重量％に及ぶマンガン含有率、０．１５〜０．３０重量％に及ぶケイ素含有率、０．０３重量％の最大硫黄および最大リン含有率。他のマイクロ合金元素が添加され得る。例はクロムである。鋼ワイヤロッドは通常、５．５ｍｍまたは６．５ｍｍの直径ｄ_ｓを有する。

ワイヤロッドは、まず、表面上に存在する酸化物を除去するために、機械的脱スケーリングによって、および／またはＨ_２ＳＯ_４もしくはＨＣｌ溶液での化学的酸洗によって浄化する。次にワイヤロッドを水ですすいで乾燥させる。次いで、乾燥したワイヤロッドに最初の一連の乾式伸線操作（ｄｒｙ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ）を受けさせて、直径を第１中間径まで縮小させる。

たとえば約３．０〜３．５ｍｍのこの第１中間径ｄ_１にて、乾式伸線された（ｄｒｙ ｄｒａｗｎ）鋼ワイヤにパテンティング（ｐａｔｅｎｔｉｎｇ）と呼ばれる第１中間熱処理を受けさせる。パテンティングは、最初の約１０００℃の温度までのオーステナイト化と、続いての約６００〜６５０℃の温度でのオーステナイトからパーライトへの変態相を意味する。次いで鋼ワイヤは、さらなる機械的変形のための準備が整う。

その後、鋼ワイヤは、第２の直径縮小ステップにおいて、第１中間径ｄ_１から第２中間径ｄ_２までさらに乾式伸線される。第２直径ｄ_２は通例、１．０ｍｍ〜２．５ｍｍに及ぶ。

この第２中間径ｄ_２では、鋼ワイヤに第２のパテンティング処理、すなわち約１０００℃の温度での再度のオーステナイト化およびその後の６００〜６５０℃の温度での焼入れを受けさせて、パーライトに変態させる。

第１および第２の乾式伸線ステップでの総縮小があまり大きくない場合、ワイヤロッドから直径ｄ_２までの直接伸線操作を実施することができる。

この第２パテンティング処理の後、鋼ワイヤに通常、真鍮コーティングが施される。銅が鋼ワイヤ上にめっきされ、亜鉛が銅の上にめっきされる。熱拡散処理を加えて真鍮コーティングを形成させる。

次に真鍮コートされた鋼ワイヤに、湿式伸線機による最後の一連の断面積縮小を受けさせる。最終製品は、０．６０重量％を超える炭素含有率、２０００ＭＰａを超える抗張力を備え、エラストマー製品の補強に適した、高抗張力鋼フィラメントである。

その広範な使用にも関わらず、上述の工程は、大量のエネルギーを消費するという欠点を有する。さらに詳細には、ダブルパテンティング工程ステップおよびその関連するオーステナイト化炉は、大量のエネルギーを必要とする。単なる例として、１個のオーステナイト化炉は、製造された鋼コード１トン当り３７４キロワットの電力を発生する。実際に、炉および関連する焼入れ工程は、エラストマー製品の補強に適した鋼フィラメントおよび鋼コードの製造中におけるＣＯ_２発生のかなりの部分に相当する。しかしパテンティング工程は必要であり、したがって中止することはできない。このパテンティング工程は、鋼ワイヤの金属構造をさらなる伸線が可能となる状態に回復させる。このパテンティング工程がなければ、鋼ワイヤはさらなる伸線の間に頻繁に破断して、脆くなりすぎる。

本発明の目的は、従来技術の欠点を回避することである。

本発明の目的はまた、より少ないエネルギーを要する製造工程による鋼フィラメントを提供することである。

本発明の別の目的は、オーステナイト化炉および他の中間熱処理の使用を回避することである。

本発明の第１の態様によれば、エラストマー製品の補強に適した鋼フィラメントが提供される。鋼フィラメントはプレーン（ｐｌａｉｎ）炭素組成を有する。

プレーン炭素組成は、できる限りケイ素およびマンガンを除いて、すべての元素が０．５０重量％未満、たとえば０．２０重量％未満、たとえば０．１０重量％未満の含有率を有する鋼組成である。

ケイ素は、最大１．０重量％、たとえば最大０．５０重量％、たとえば０．３０重量％または０．１５重量％の量で存在する。

マンガンは、最大２．０重量％、たとえば１．０重量％、たとえば０．５０重量％または０．３０重量％の量で存在する。

本発明において、炭素含有率は０．２０重量％にまで、たとえば０．１０重量％にまで及び、たとえば０．０６重量％にまで及ぶ。最小炭素含有率は、約０．０２重量％であり得る。

プレーン炭素組成は、主にフェライトまたはパーライトマトリクスを有し、主に単相である。フェライトまたはパーライトマトリクスには、マルテンサイト相、ベイナイト相またはセメンタイト相はない。

鋼フィラメントは、エラストマー製品との接着を促進するコーティング、たとえば亜鉛または真鍮を備えている。鋼フィラメントは、０．６０ｍｍ未満の最終径まで伸線され（ｄｒａｗｎ）、１２００ＭＰａを超える最終抗張力を有する。

この低炭素鋼フィラメントの伸線（ｄｒａｗｉｎｇ）は、低い炭素含有率のために、中間パテンティング工程およびアニーリングなどのその他の熱処理なしに行うことができる。

鋼フィラメントは、たとえば直径５．５ｍｍのワイヤロッドから０．６０ｍｍ未満のフィラメント径まで直接伸線され、９８％を超える断面積の縮小が生じる。０．４５ｍｍ以下の最終径では、９９％を超える断面積の縮小が実現されている。

たとえば真鍮のコーティングは、５．５ｍｍ〜０．６０ｍｍの中間ワイヤ径で行うことができる。次に真鍮コートされた鋼ワイヤは、再び中間熱処理を用いずに、最終フィラメント径までさらに伸線される。真鍮コーティングは２つの機能を有する。第１に、最終製品において、真鍮は真鍮中の銅とゴムとの間の硫黄架橋を生成することによって、ゴムとの接着を促進する。第２に、真鍮は低炭素鋼よりも柔らかい材料であり、真鍮は最終伸線段階の間に潤滑剤として機能して、鋼フィラメントに上述のような断面積の高度の縮小を受けさせる。この高い変形性のために、高いレベルの最終抗張力が得られる。

従来技術文書のＪＰ−Ａ−０５／１０５９５１は、低炭素鋼ワイヤを開示している。しかしこの低炭素鋼ワイヤは、１つ以上の中間熱処理を受ける。

従来技術文書のＵＳ−Ａ−５，８３３，７７１は、タイヤ補強用の、炭素含有率の低い鋼ワイヤを開示している。しかし鋼ワイヤは、元素の中でもたとえば６〜１０％のニッケルおよび１６％〜２０％のクロムを含むステンレス鋼組成を有する。これはプレーン炭素組成ではない。

従来技術文書のＷＯ−Ａ−８４／０２３５４は、高強度の低炭素鋼ロッドおよび鋼ワイヤを開示している。しかしこの鋼ワイヤは、マルテンサイト、ベイナイトおよび／またはオーステナイトなどの第２相が分散したフェライトマトリクスを有する、２相鋼組成を有する。この２相鋼は、プレーン炭素鋼とは異なる。

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様による１つ以上の低炭素鋼フィラメントを有する鋼コードが提供される。

好ましくは鋼コードは、本発明の第１の態様による低炭素鋼フィラメントのみからなる。

好適な鋼コード構造物の例は、タイヤのブレーカまたはベルト層の補強に好適である総鋼コード構造物：２×１、３×１、４×１、５×１、１＋４、１＋５、１＋６、２＋２、３＋２、２＋３である。

本発明の第３の態様によれば、エラストマー製品の補強に適した鋼フィラメントを製造する方法が提供される。方法は、
ａ．０．０８重量％までの炭素含有率を有する鋼ワイヤロッドを提供するステップと；
ｂ．この鋼ワイヤロッドを０．６０ｍｍ未満の最終径および最高１２００ＭＰａを超える抗張力まで直接伸線して、それによりパテンティングなどのいずれの中間熱処理も回避するステップと；
ｃ．この鋼フィラメントにエラストマー製品との接着を促進するコーティングを施すステップと；
を含む。

コーティングは、本明細書の上で説明したように、最終フィラメント径で、または好ましくは中間径で提供することができる。

これらの工程ステップａ〜ｃの後に、各種のこのような低炭素フィラメントを相互にまたは他のフィラメントとともにねじって鋼コードを形成する工程ステップが続くことがある。

中間熱処理を回避することによって、従来技術の状況と比較して、ＣＯ_２発生を最大３％を超えるまで低減することができた。

本発明の第４の態様によれば、本発明の第１の態様による低炭素鋼フィラメントまたは本発明の第２の態様による低炭素鋼コードが、エラストマー製品または熱可塑性製品に使用される。

好適なエラストマー製品は、タイヤ、コンベヤベルト、タイミングベルト、ホース、自在管などである。好適な熱可塑性製品は、インパクトビームおよび自在ホースである。

本発明の鋼フィラメント（第１の態様）および本発明の鋼コード（第２の態様）は、タイヤのブレーカまたはベルト層の補強に特に好適である。本発明による低炭素フィラメントおよび低炭素鋼コードは、２０００ＭＰａを超える抗張力はないが、タイヤのブレーカまたはベルト層に必要な硬度を与える。

本発明による鋼コードは以下のように作製できる。

開始生成物は、炭素含有率が０．０４重量％〜０．０８重量％に及ぶプレーン炭素組成によるワイヤロッドである。ワイヤロッドの完全組成は次の通りである：炭素含有率０．０６重量％、ケイ素含有率０．１６６重量％、クロム含有率０．０４２重量％、銅含有率０．１７３重量％、マンガン含有率０．３８２重量％、モリブデン含有率０．０１３重量％、窒素含有率０．００６重量％、ニッケル含有率０．０７７重量％、リン含有率０．００７重量％、硫黄含有率０．０１３重量％。

一般に、言及したように、ケイ素含有率は１．０重量％より低く、マンガン含有率は２．０％より低い。さらに、Ｃｒ、Ｃｕ、ＮｉおよびＭｏの量は、０．２０％に制限されている。リンおよび硫黄の量は、０．０３０重量％に制限されている。Ｎの量は、０．０１５％に制限されている。

ワイヤロッドは、５．５ｍｍのワイヤロッド径から２．０ｍｍの中間径まで乾式伸線される。

この２．０ｍｍの中間径にて、最初に銅をたとえばＣｕ−ピロリン酸浴中で鋼ワイヤに電気めっきして、次に亜鉛をたとえばＺｎＳＯ_４浴中で鋼ワイヤに電気めっきし、その後、ワイヤに真鍮コーティングを施すために熱拡散処理を加える。

熱拡散は、４５０℃〜６００℃の温度までの加熱を含む。しかしこの処理は、わずか２〜３秒しか続かない。この温度は、オーステナイト化温度ほど高くない。さらに熱拡散は、鋼ワイヤの金属構造の変化を実現しない。

この中間径では、パテンティングは行われない。同様に、この中間径では、アニーリングなどの他の加熱処理は行われない。

真鍮の代替として、亜鉛で鋼ワイヤを電気めっきすることができる。

真鍮コーティングに戻ると、次に２．０ｍｍの真鍮コートされた鋼ワイヤを最終径０．４５ｍｍで１４００ＭＰａの最終フィラメントまで湿式伸線する。

最後に、いくつかのこのような低炭素０．４５フィラメントをねじって１＋５×０．４５鋼コードとする。この低炭素鋼コードは、１２７０ニュートンの破壊荷重を有する。

本発明のコードの他の例は：
３＋２×０．４５
１＋４×０．４５
である。

鋼ワイヤを亜鉛で電気めっきした場合、ねじられた鋼コードにシランプライマーを以下の方法で塗布することができる。
任意の浄化操作の後、鋼コードは、該目的のために当分野で公知の有機感応性シラン、有機官能性チタン酸塩および有機官能性ジルコン酸塩から選択されるプライマーによってコーティングされ得る。好ましくは、限定されるわけではないが、有機官能性シランプライマーは、以下の式：
Ｙ−（ＣＨ_２）_ｎ−ＳｉＸ_３
の化合物から選択され、
式中：
Ｙは、−ＮＨ_２、ＣＨ_２＝ＣＨ−、ＣＨ_２＝Ｃ（ＣＨ_３）ＣＯＯ−、２，３−エポキシプロポキシ、ＨＳ−および、Ｃｌ−から選択される有機官能基を表し、
Ｘは、−ＯＲ、−ＯＣ（＝Ｏ）Ｒ’、−Ｃｌから選択されるケイ素官能基を表し、ＲおよびＲ’は独立して、Ｃ_１−Ｃ_４アルキル、好ましくは−ＣＨ_３、および−Ｃ_２Ｈ_５から選択され；ならびに
ｎは、０と１０の間の、好ましくは０から１０までの、最も好ましくは０から３までの整数である。

上述の有機官能性シランは、市販製品である。

本発明による工程を適用することによって、鋼コード１トン当り７０ｋｇのＣＯ_２削減が実現された。結果として、本発明の鋼コードのカーボンフットプリントは、従来の鋼コードと比較して低減されている。

Claims (10)

1. エラストマー製品または熱可塑性製品の補強に適した鋼フィラメントであって、
   前記鋼フィラメントが０．２０質量％までに及ぶ炭素含有率を有したプレーン炭素組成を有し、このプレーン炭素組成は、ケイ素が最大１．０質量％、マンガンが最大２．０質量％、クロム、銅、ニッケルおよびモリブデンがそれぞれ０．２０質量％未満、リンおよび硫黄がそれぞれ０．０３０質量％未満、窒素が０．０１５質量％未満、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、且つ前記鋼フィラメントは、フェライトまたはパーライトマトリクスの単相の組織を有し、
   前記鋼フィラメントが、エラストマー製品との接着または熱可塑性製品との接着を促進するコーティングを備えており、
   前記鋼フィラメントが０．６０ｍｍ未満の最終径を有しており、
   前記鋼フィラメントが１２００ＭＰａを超える最終抗張力を有する、
   鋼フィラメント。
2. 前記鋼フィラメントが０．０２質量％の最小炭素含有率を有する請求項１に記載の鋼フィラメント。
3. エラストマー製品または熱可塑性製品の補強に適した鋼コードであって、請求項１又は２に記載の１つ以上の鋼フィラメントを含む、鋼コード。
4. 前記鋼コードが、２×１、３×１、４×１、５×１、１＋４、１＋５、１＋６、２＋２、３＋２、２＋３からなる群に属する構造を有する請求項３に記載の鋼コード。
5. エラストマー製品または熱可塑性製品の補強に適した鋼フィラメントを製造する方法であって、
   ａ．０．２０質量％までの炭素含有率を有したプレーン炭素組成を有する鋼ワイヤロッドを提供するステップであって、このプレーン炭素組成は、ケイ素が最大１．０質量％、マンガンが最大２．０質量％、クロム、銅、ニッケルおよびモリブデンがそれぞれ０．２０質量％未満、リンおよび硫黄がそれぞれ０．０３０質量％未満、窒素が０．０１５質量％未満、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、且つ前記鋼フィラメントは、フェライトまたはパーライトマトリクスの単相の組織を有するステップと；
   ｂ．前記鋼ワイヤロッドを中間径の鋼ワイヤまで直接伸線し、これによって中間熱処理も回避するステップと；
   ｃ．前記鋼フィラメントにエラストマー製品または熱可塑性製品との接着を促進するコーティングを施すステップと；
   ｄ．前記コーティングされた鋼ワイヤを、０．６０ｍｍ未満の最終径及び１２００ＭＰａを超える抗張力を有する鋼フィラメントまでさらに伸線するステップと；
   を含む方法。
6. エラストマー製品または熱可塑性製品の補強に適した鋼コードを製造する方法であって、
   ａ．請求項５に記載の鋼フィラメントを製造するステップと；
   ｂ．このような１つ以上の鋼フィラメントをねじって鋼コードとするステップと；
   を含む方法。
7. エラストマー製品または熱可塑性製品における、請求項１又は２に記載の鋼フィラメント又は請求項３又は４に記載の鋼コードの使用。
8. 請求項１又は２に記載の１つ以上のフィラメントを含むエラストマー製品又は熱可塑性製品。
9. 前記エラストマー製品がタイヤである請求項８に記載のエラストマー製品。
10. 前記熱可塑性製品がインパクトビームである請求項８に記載の熱可塑性製品。