KR100431050B1 - 엘라스토머보강용강철코드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엘라스토머 보강용 강철코드에 관한 것으로 본 발명 엘라스토머 보강용 강철코드(10)는 펄라이트 조직의 강철사(12, 14)로 구성된다. 강철코드는 x % 의 파단 소성 및 탄성연신율 및 가황 엘라스토머에서 y % 의 탄성 및 소성연신율 능력을 갖되 x 및 y 값은 다음식을 충족시킨다 :

y - 0.50 ≤x ≤ y + 0.50

이 식은 총 파단연신율이 강철코드가 엘라스토머로 매입된 후에도 크게 감소하지 않음을 의미한다. 또한 본 발명의 코드는 엘라스토머의 완전 침투가 가능하다.

Description

엘라스토머 보강용 강철코드

본 발명은 고무타이어 같은 엘라스토머 보강용 강철코드에 관한 것이다.

강철코드는 엘라스토머 보강용으로 널리 공지되어 있다. 보강된 엘라스토머는 소위 복합재료를 형성한다. 강철코드는 필요한 강도를 제공하며 엘라스토머는 필요한 탄성을 제공한다. 일부의 응용 분야에서 강철코드는, 예를들면 레이디얼 타이어벨트의 외각층, 소위 보호층에서 가능한한 엘라스토머의 이동을 따라 갈 수 있어야만 한다. 이들 분야에서 고연신율의 강철코드가 매우 필요하다. 고연신율, 즉 5 - 10 % 의 파단연신율이 소위 고연신율 코드에서 얻어진다. 고연신율 코드는 원하는 정도의 스프링 포텐셜(springy potential)을 갖는 탄성코드를 만들기 위해 고도의 꼬임(즉, 매우 작은 꼬임 피치들)을 갖는 여러 가닥의 강철코드(즉, 여러 가닥으로 구성되되 각 가닥은 다수의 강철필라멘트로 구성됨)인 것이 통상적이다. 이런 코드의 예가 3 x 7 x 0.22 HE - 코드이다. 이들 고연신율 코드는 오래전부터 널리 사용되어왔으나 많은 결점을 갖고 있다. 먼저, 고연신율 코드 제조방법은 코드가 여러 가닥으로 되어 있으며 고도로 꼬여 있기 때문에(즉, 작은 꼬임 단계들은 꼬임 공정의 고출력을 회피한다) 비효율적이며 비용이 많이 든다. 둘째로, 고연신율 코드는 고도로 꼬여있어 강철필라멘트 사이의 유효 공간이 줄어들기 때문에 엘라스토머가 완전히 침투하는 것을 불가능하게 한다. 셋째로, 연신율의 상당부분이 엘라스토머내 강철코드의 매입시 소실된다. 고연신율 코드의 파단연신율은 고무의 경화 후 약 7.4 % 에서 약 2.5 - 4 % 로 감소하는 것이 일반적이다.

본 발명의 목적은 엘라스토머내에 경화된 후에도 총 연신율이 크게 감소되지 않는 강철코드를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 강철코드의 구조적 특성에 관계없이 고연신율을 갖는 강철코드를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 연신율이 높으며 엘라스토머가 완전히 침투할 수 있는 강철코드를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 고도의 가공성을 갖는 강철코드를 제공하는 것이다.

본 발명에 의해 엘라스토머 보강용 강철코드가 제공되는 바, 이 강철코드는 펄라이트 조직의 꼬인 강철필라멘트로 구성된다. 비매입 강철코드는 엘라스토머내에 일단 경화된 강철코드의 탄성 및 소성 연신율 값과 거의 비슷한 탄성 및 소성파단연신율을 갖는다. 탄성 및 소성 파단연신율의 합을 x %, 경화된 엘라스토머에서의 탄성연신능력과 소성연신능력의 합을 y % 라 했을 때, y - 0.50 ≤x ≤y + 0.50 인 경우 연신율 값은 "거의 비슷"하다. 예를 들면 비매입 강철코드의 탄성 및 소성 연신율의 합 x 가 3.5 % 라면, 경화된 엘라스토머내의 강철코드의 탄성연신능력과 소성연신능력의 합 y 는 3.00 - 4.00 % 사이이다. x 와 y 값은 다음 식을 따르는 것이 바람직하다 : y - 0.35 ≤x ≤y + 0.35.

여기서 사용된 용어 "탄성 및 소성 연신율"은 총연신율 - 구조연신율로 이해해야 한다. 구조연신율은 필라멘트에 가해진 예비성형의 결과이거나 또는 코드구조의 결과이다. 구조연신율은 주로 50 N 의 인장력, 예를 들어 20 N 의 인장력 미만에서 일어난다. 탄성연신율은 후크의 법칙(6 = E x ε)을 따르며 소성연신율은 주로 코드 파단력의 85 - 90 % 초과시 발생한다.

본 발명의 특정 실시형태에서, 소성연신율이 약 4 % 높아지는데, 이는 후술되는 것처럼 강철코드를 변화시키는 특정 모드의 응력에 의해 얻어진다. 이렇게 높은 소성연신율값은 코드의 구조적 특성(여러 가닥, SS - 방향, 작은 비틀림 단계들...)의 결과가 아니다. 따라서 본 발명은 강철코드구조의 통상적인 형태 - 적어도 탄성 및 소성 부분에 있어서 - 의 영향을 받지 않는 연신율을 나타내는 고연신율 코드를 얻도록 한다. 따라서 편리한 고연신율 코드의 단점들을 피할 수 있는, 즉 강철필라멘트 사이로 엘라스토머가 완전히 침투할 수 있게 하며 제조시 복잡하고 비용이 많이 드는 방법을 필요로 하지 않는 고연신율 강철 코드를 선택하는 것이 가능하게 된다.

총 파단연신율, 즉 탄성, 소성 및 구조 연신율의 합이 약 5 % 인 것이 바람직하다.

전체 강철코드는 응력제거상태인 것이 바람직하다. 응력제거처리는 코드를 최종형태로 꼰 후에 행해진다. 상기 강철코드의 첫 번째 장점은 엘라스토머내에서 고유의 연신율을 유지하는 것이다. 두 번째 장점은 구조적으로 매우 안정하다는 것, 즉 잔류토션이 크지 않고, 고도의 진직도를 가지며 플레어(flare)가 거의 없다는 것이다. 이런 코드는 엘라스토머내 코드매입시 실질적인 가공성 문제를 갖지 않으며 고도로 자동화된 타이어제조공정에서 문제없이 사용될 수 있다. 코드의 이런 고도의 구조적 안전성은 코드에 대한 특징적이며 부가적인 기계적 후처리 없이 얻어진다. 본 발명은 개개 강철필라멘트의 응력제거와 명백히 구분된다. 개별적으로 응력제거된 각 강철필라멘트는 또한 고소성연신율을 갖는다. 이런 응력제거 강철필라멘트를 최종코드로 꼬는 것은 모든 단일 강철필라멘트가 소성 굽힘을 받으며, 꼬는 방식에 따라 모든 단일 강철필라멘트가 자신의 축 둘레로 꼬여진다는 것을 의미한다. 이것은 코드의 소성연신율의 상당한 손실 및 강철필라멘트 내에 내부 인장의 생성을 피할 수 없게 한다.

강철코드의 총연신율은 강철코드구조의 특별한 종류에 관계없지만, 본 발명의 강철코드구조는 개방구조가 바람직하다. "개방구조(open structure)"란 강철코드내로 엘라스토머가 완전히 침투할 수 있는 강철코드구조를 말한다. 이는 엘라스토머가 강철코드의 강철필라멘트 개개를 둘러싸는 것을 의미한다. 개방성은 두 방법으로 얻을 수 있다. 첫 번째 방법은 접선방향 개방구조를 만드는 것이다. 접선방향 개방구조는 비포화 강철필라멘트 층으로 구성되는데, 접선방향 개방 구조란 강철필라멘트 사이에 공간이 존재해서 엘라스토머 물질이 이들 사이로 침투하는 것을 의미한다. 비포화층은 층내 강철필라멘트의 수 및/또는 직경을 적절히 선택하여 형성할 수 있다. 개방성을 얻는 두 번째 방법은 방사상으로 개방된 구조를 만드는 것이다. 방사상 개방구조에서, 구성 강철필라멘트는 이들이 조밀형태에 있을 때 보다 가상의 축으로 부터 더욱 떨어져 있다. 방사상 개방점은 강철필라멘트의 적절한 예비성형으로 얻어질 수 있다. 분명한 것은 방사상 개방성이 접선방향 개방성과 결합될 수 있다는 것이다. 그 예가 3 + 9 구조로서, 3 개의 코어 강철필라멘트를 적절히 예비성형하여 코어의 방사상 개방성을 얻고 9 개의 층 강철필라멘트는 코어 주위의 비포화 층을 형성할 수 있다.

강철코드는 최소 2150 MPa 의 인장강도를 갖는 것이 바람직하다.

0.2 % 영구신장상태에서 강철코드의 항복강도는 코드 인장강도의 최소 88 %(예를 들면 최소 90 % 또는 92 %)인 것이 바람직하다. 이렇게 높은 항복강도는 이미 꼬여진 코드에 대한 응력제거처리 및 부가적인 기계적 후처리 부재의 결과이다.

본 발명 강철코드의 일실시예는 두 그룹의 강철필라멘트로 구성된다 : 하나 이상의 강철필라멘트로된 제 1 군과 둘 이상의 강철필라멘트로된 제 2 군. 제 1 군이 두 개의 강철필라멘트를 가지면, 이들 두 강철필라멘트는 꼬여지거나 아닐 수 있다. 제 2 군의 강철필라멘트는 제 1 군 주위에 꼬여져 제 1 군 주위에 비포화층을 형성하는데, 이는 제 2 군의 강철필라멘트 사이의 층에 공간이 존재하며 엘라스토머가 이 층을 통해 제 1 군으로 침투함을 의미한다. 이런 유형의 강철코드구조는비제한적인 방식으로 다음과 같이 구성될 수 있다 :

- 2 + n, 미국특허 제 4,408,444 호에 따라 제조되되 제 1 군의 두 강철필라멘트는 꼬여지지 않으며 n 은 2 - 4 범위 ;

- 1 + m, 제 1 군의 한 개 강철필라멘트는 코어역할을 하고 제 2 군의 m 개 강철필라멘트는 층역할을 하며 m 은 3 - 9 범위 ;

- 2 + m, 제 1 군의 두 강철필라멘트는 꼬여져서 코어역할을 하고 제 2 군의 m 개 강철필라멘트는 층역할을 하며 m 은 3 - 9 범위 ;

제 2 군 강철필라멘트의 비포화층 및 제 1 군내 최대수의 두 강철필라멘트로 인해 이런 강철코드구조는 완전한 고무침투를 가능하게 한다.

상당한 소성연신율외에, 본 발명에 따른 강철코드는 상당한 구조연신율을 역시 갖는 바, 이는 예를 들면 적절한 예비성형 및 후성형에 의해 각 강철필라멘트에 파동상을 줌으로써 얻어진다. 이렇게 하여, 완전한 고무침투를 갖는 고연신율의 1 x n 코드(n 은 2 - 5 범위)가 얻어질 수 있다.

도 1 은 본 발명 코드의 제 1 실시형태의 횡단면도,

도 2 는 본 발명 코드의 제 2 실시형태의 횡단면도,

도 3 은 본 발명 코드의 제 3 실시형태의 횡단면도,

도 4 는 본 발명 코드와 공지의 고연신코드의 연신율 곡선 비교도,

도 5 는 강철코드의 통상적인 연신율 곡선의 예시도.

도 1 은 2 + 2 코드(10)의 단면을 보여준다. 제 1 군은 두 개의 비꼬임 강철필라멘트(12)로 구성되고, 제 2 군은 제 1 군 주위로 및 서로 꼬여져서 제 1 군 주위에 비포화 층을 만드는 두 강철필라멘트(14)로 구성된다. 이런 코드는 단일의 꼬임단계로 생산될 수 있다. 도 2 는 2 + 6 강철코드(10)의 횡단면을 보여준다. 제 1 군은 서로 꼬여진 두 강철필라멘트(12)로 구성된다. 제 2 군은 제 1 군 둘레에 꼬여진 6 개의 강철필라멘트(14)로 구성된다. 제 2 도에서 볼 수 있는 것처럼, 제 2군에 의해 생성된 층은 비포화되어 고무가 침투할 수 있다. 이런 코드는 두 단계로 생산될 수 있다.

도 3 은 본 발명 강철코드(10)의 또 다른 실시예의 횡단면을 보여준다. 강철코드는 4 개의 강철필라멘트(16)로 구성되되, 필라멘트 중 하나 이상은 파형으로 소성형성되어서 인장력이 강철코드(10)에 가해져도 강철필라멘트 사이에 틈이 생성된다. 이런 개방 강철코드는 단일 단계로 생산될 수 있다. 각 강철필라멘트에 부여되는 파형의 형태는 통상 파형, 파고 및 피치에 따라 크게 달라질 수 있다. 그러나 바람직하게는 파형의 피치가 코드 피치보다 매우 작아서 각 강철필라멘트 사이에 미세틈을 만드는 것이 좋다. 파형은 평면형 또는 공간형일 수 있다. 전형적인 예는 미국특허 제 5,020,312 호에 기재된 것처럼, 두 치차 사이로 각 강철필라멘트를 통과시켜 얻은 파형이다. 또 다른 예는 유럽특허출원 제 0462716 호에 기재된 것처럼 나선 파형이다. 또 다른 예는 국제공개 제 95/16816 호에 언급된 것처럼, 다각 파형이다.

도 4 는 두 연신율곡선(18, 20)을 보여준다. 횡축은 % 로 표시된 연신율 ε 이며 종축은 MPa 또는 N/㎟으로 표시된 인장강도 R_m이다. 곡선(18)은 구조연신율을 갖는 공지의 고연신율코드의 연신율곡선이다. 이 곡선은 작은 초기하중에 대해 상대적으로 큰 연신율(강철의 탄성계수 E 보다 훨씬 작은 기울기)을 보여주며 총 파단연신율은 이런 코드가 일단 고무에 매입되면 제한된다. 곡선(20)은 소성연신율을 갖는 본 발명의 고연신율 코드의 연신율 곡선이다. 이 곡선은 작은 초기하중에 대해 상대적으로 작은 연신율(탄성계수와 거의 같은 기울기)을 보여주며 파단연신율은 고무에 매입되지 않은 경우 5 % 이상이고 고무내에 경화된 후에도 그대로 크게 유지된다.

구조, 탄성 및 소성 연신율 사이의 차이는 제 5 도에 예시된 연신율 곡선(22)에 나타나 있다. 이 곡선은 세 영역으로 구별될 수 있다. 첫 번째 영역(24)은 작은 하중(50 N 이하)에 비해 상대적으로 큰 초기 연신율이 특징이며 이 초기 연신율은 구조연신율(대부분) 및 탄성연신율(소부분)로 구성된다. 두 번째 영역(26)은 선형관계가 특징으로 순수 탄성 부분이다. 세 번째 영역(28)은 곡선이 선형관계로 부터 벗어나는 점에서 시작하며 비선형 포화곡선이 특징이다. 이 영역은 소성연신율만으로 구성된다. 요약하면, 구조연신은 첫번째 영역에서만 일어나며 탄성연신은 첫 번째 및 두 번째 영역에서 일어나고 소성연신은 세 번째 영역에서 일어난다. 그러나 일부 강철 코드 구조물은 상당한 구조연신율을 갖지 않는다.

실시예

본 발명에 따라 꼬임방향 S/S, 꼬임피치 9mm/18mm 의 2 x 0.33 + 6 x 0.33 고연신율 강철코드는 다음과 같이 얻어진다 :

- 각 강철필라멘트는 마지막 중간패턴팅처리(intermediate patenting treatment)를 거쳐 황동층으로 피복된다 ;

- 피복된 강철필라멘트는 최종직경 0.33mm, 2900 MPa 의 인장강도 R_m이 될때까지 습식인발된다 ;

- 습식인발된 강철필라멘트는 공지방식으로 이중꼬임장치에 의해 2 x 0.33 + 6 x 0.33 최종코드로 꼬여진다 ;

- 이렇게 꼬여진 2 x 0.33 + 6 x 0.33 코드는 이 코드를 코드속도에 맞는 길이의 고주파 또는 중주파 유도코일에 통과시켜 응력제거처리한다 ; 약 300 ℃ 의 특정온도에서 일정시간의 열처리에 의해 소성 파단연신율의 증가없이 약 10 % 의 인장강도 감소가 얻어지는 것이 관찰된다 ; 그러나 약 400 ℃ 이상으로 약간의 온도 증가시 소성 파단연신율 증가와 동시에 인장강도의 계속적인 감소가 관찰된다 ; 이렇게하여 0.33 mm 직경 코드에 대해 소성연신율은 6 % 이상 증가될 수 있으며 인장강도는 2900 MPa 에서 2500 MPa 로 감소한다.

황동피복 강철필라멘트 또는 강철코드는, 반드시 필요한 것은 아니지만, 응력제거처리중 황동에 생길 수 있는 아연산화층을 제거하거나 피하기 위해 산침지할 수 있다. 표 1 은 본 발명의 2 x 0.33 + 6 x 0.33 코드의 특성 일부를 요약한 것으로 공지된 3 x 7 x 0.22 HE 코드의 해당특성과 비교하였다 :

[표 1]

표 1 에서 알 수 있는 것처럼, 총 파단연신율은 본 발명 코드가 고무에 매입된 후에도 크게 감소하지 않는다. 이것은 꼬임처리된 최종 코드에 가해진 응력제거처리의 결과이다. 이 열처리는 고무경화온도보다 높은 온도에서 실시하므로 경화공정은 본 발명 코드의 특성을 "더이상 변화시킬 수 없다". 본 발명 코드의 또 다른 장점은 피로저항이 습한 환경에서 크게 감소하지 않는 반면 공지 고인장율코드는 50 % 이하로 감소한다는 것이다. 이것은 공지코드에서는 불완전하나 본 발명 코드에서는 완전한 고무침투의 결과이다.

표 2 는 본 발명의 1 + 5 코드와 응력제거처리되지 않은 1 + 5 코드를 비교한 것이다.

[표 2]

공지 1 + 5 코드의 총 파단연신율은 3.25 % 이고 고무에 매입 후에는 1.72 % 로 감소한다. 반면에 본 발명 1 + 5 코드는 6.69 % 의 고연신율을 가지며 고무에 매입 후에도 높은 수준을 유지한다. 펄라이트 조직 강철필라멘트 대신 마르텐사이트 조직 강철필라멘트의 경우, 약 5 % 의 총 파단연신율은 달성하기 힘들며, 비매입시 고파단연신율을 얻더라도 일단 코드가 엘라스토머내에 경화되면 이 연신율이 크게 감소하는 것이 관찰되었다.

상기 특성외에 본 발명 강철코드는 고무같은 엘라스토머의 보강을 가능하게 하는 다음과 같은 특성을 갖는다 :

- 강철필라멘트의 직경은 0.04 - 1.1 mm, 보다 자세하게는 0.15 - 0.6 mm, 예를 들면 0.20 - 0.45 mm 이다.

- 강의 성분은 최소한 탄소 0.60 %(예를 들면 최소 0.80 % 이고 최대 1.1 %), 망간 0.20 - 0.90 %, 실리콘 0.10 - 0.90 % 로 구성된다 ; 황 및 인은 0.03 % 이하로 유지되는 것이 바람직하다 ; 크롬(0.2 - 0.4 %까지), 붕소, 코발트, 니켈, 바나듐같은 다른 원소들이 부가 성분으로 첨가될 수 있다 ;

- 강철필라멘트는 아연같은 내식성 피복층, 또는 황동이나 구리 - 아연 - 니켈(예를 들면 64 %/ 35.5 %/0.5 %) 및 구리 - 아연 - 코발트(예를 들어 64 %/ 35.7% / 0.3 %)같은 소위 삼원황동처럼 고무에의 접착성을 증가시키는 피복층이나 아연 - 코발트 또는 아연 - 니켈 같은 구리가 없는 접착층으로 피복되는 것이 좋다 ; 종래 황동층은 니켈, 코발트 또는 구리의 상부 플래시(flash)와 함께 제공될 수 있다 ; 공지된 이들 상부 플래시는 이들이 응력제거처리중 황동내 아연이 표면으로이동하는 것과 아연산화물 집적을 방지하므로 본 발명에 매우 유리할 수 있다;

니켈 상부층의 경우, 적절한 양의 니켈은 피복층의 1 - 4 % 질량 % 임이 입증되었는 바, 1 % 이하 니켈양은 효과가 미미하고 4 % 이상은 초기 접착성 수준이 감소한다.

본 발명은 모든 통상의 인장강도에 적합하며 2150 - 3500 MPa 및 그 이상의 최종 인장강도에 효과가 있다. 그러나 응력제거 열처리의 결과 약 10 - 15 % 의 인장강도 감소를 고려해야만 한다. 예를 들어 3500 MPa의 최종인장강도가 요구되면, 각 강철필라멘트는 약 4000 MPa 인장강도로 인발되어야 하며, 2150 MPa 의 최종인장강도가 요구되면, 각 강철필라멘트는 약 2400 MPa 인장강도로 인발되어야만 한다.

Claims (13)

1. 엘라스토머 보강용 강철코드에 있어서, 펄라이트 조직의 강철필라멘트로 구성되고, 소성 및 탄성 파단연신율이 x %, 경화된 엘라스토머에서 탄성 및 소성 연신능력이 y % 일 때 식 y - 0.50 ≤x ≤y + 0.50 을 만족하는 것을 특징으로 하는 엘라스토머 보강용 강철코드.
2. 제 1 항에 있어서, 강철코드의 총 파단연신율의 최소 5 % 임을 특징으로 하는 엘라스토머 보강용 강철코드.
3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 강철코드 전체가 응력제거상태임을 특징으로 하는 엘라스토머 보강용 강철코드.
4. 제 3 항에 있어서, 강철코드의 최종인장강도가 최소 2150 MPa 임을 특징으로 하는 엘라스토머 보강용 강철코드.
5. 제 3 항에 있어서, 0.2 % 영구신장상태에서 코드의 항복강도가 코드 인장강도의 최소 88 % 임을 특징으로 하는 엘라스토머 보강용 강철코드.
6. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 강철코드가 개방구조를 가져서 엘라스토머의고무침투가 가능함을 특징으로 하는 엘라스토머 보강용 강철코드.
7. 제 6 항에 있어서, 하나 이상의 강철필라멘트가 제 1 군을 형성하고 나머지 강철필라멘트가 둘 이상의 강철필라멘트로된 제 2 군을 형성하되, 제 2 군이 제 1 군 둘레를 감아서 제 1 군 주위에 비포화 층을 형성함을 특징으로 하는 엘라스토머 보강용 강철코드.
8. 제 7 항에 있어서, 제 2 군이 3 - 9 개의 강철필라멘트로 구성됨을 특징으로 하는 엘라스토머 보강용 강철코드.
9. 제 7 항 또는 8 항에 있어서, 제 1 군이 1 또는 2 개의 강철필라멘트로 구성됨을 특징으로 하는 엘라스토머 보강용 강철코드.
10. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 강철코드의 구조연신율이 최소 0.5 %임을 특징으로 하는 엘라스토머 보강용 강철코드.
11. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 강철필라멘트의 직경이 0.04 - 1.10 mm 범위임을 특징으로 하는 엘라스토머 보강용 강철코드.
12. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 강철필라멘트가 황동피복층을 가지며 황동피복층 상부에 니켈, 코발트 또는 구리의 상부 플래시가 있음을 특징으로 하는 엘라스토머 보강용 강철코드.
13. 제 4 항에 있어서, 0.2 % 영구신장상태에서 코드의 항복강도가 코드 인장강도의 최소 88 % 임을 특징으로 하는 엘라스토머 보강용 강철코드.

Images