KR101972456B1 - 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선 및 이의 제조방법 - Google Patents

직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선은 신선 단계를 거친 이후에, 장력이 가해진 상태에서 가열되는 가열 단계를 거치며, 냉각 단계를 거치는 와이어; 상기 와이어의 직경보다 큰 직경으로 이루어지며, 상기 와이어가 권취되는 권취부;를 포함하며, 상기 권취부에 6개월 내지 1년 권취된 상기 와이어의 일단을 일 지점에 고정시키고, 상기 와이어를 수직으로 400mm 내렸을 때, 상기 일 지점으로 부터 수직한 선을 이루는 제1축과, 상기 와이어의 타단이 이루는 간격은 30mm 이하인 것이 바람직하며, 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선의 제조방법은 와이어 준비 단계; 가열 단계; 냉각 단계; 귄취 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선 및 이의 제조방법 {Steel cord and single strand having excellent straightness quality and manufacturing method thereof}
본 발명은 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스틸코드와 단일강선을 가열 및 냉각 처리하여 스틸코드와 단일강선에 잔존하는 응력을 제거함으로써, 스틸코드와 단일강선의 변형시효를 촉진하여 시효후 직선 품질을 향상시킬 수 있는 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 스틸코드와 단일강선은 차량용 타이어나 공업용 벨트 등과 같은 탄성 중합체의 보강용으로 사용되고 있다. 특히, 타이어 보강재로 사용되는 스틸코드와 단일강선은 고무내에서 재료의 보강재로써 역할을 하기 위해 다양한 품질 특성이 요구되고 있다.
타이어 보강재인 스틸코드와 단일강선은 타이어 보강재로 사용되기까지 수개월의 시간이 소요된다. 즉, 일정한 내경을 가진 스풀에 권취된 후, 수개월 후에 사용된다. 이와 같이 권취된 후 수개월 후에 사용되는 스틸코드와 단일강선의 특성상, 스틸코드와 단일강선의 직선성은 타이어 보강재용 스틸코드와 단일강선의 중요한 특성이 된다. 직선성이 불량하면 타이어 제조시 작업 공정성에 영향을 주며, 버클링 및 팁 라이징(Tip rising) 현상을 발생시켜, 타이어 제조사에서 압연 및 재단 공정시 문제가 발생할 수 있다.
스틸코드와 단일강선의 직선성이 변하는 원인은 다음과 같다. 스틸코드와 단일강선은 0.5~1.1C wt%의 탄소강을 소재로 사용한다. 탄소강 내에는 침입형 고용원자인 C와 N이 존재하며, 시간이 지남에 따라 확산이 되어 인접한 전위로 이동하여 고착된다. 따라서 스틸코드와 단일강선의 경우 제조하여 일정한 내경을 가진 스풀에 권취 하면, C와 N 원자의 확산 및 고착에 의해 직선성이 변하게 되고, 직선성 품질 특성이 저하된다.
종래의 스틸코드와 단일강선은 시효 후에 직선성이 우수한 스틸코드와 단일강선을 제공할 수 없는 문제점이 있었다. 즉, 종래의 스틸코드와 단일강선은 제작 초기에 직선 특성이 우수하더라도 일정한 내경을 가진 스풀에 권취되어 장기간 시간이 지나면 탄성구간 이내의 응력하에서 변형시효에 의해 직선 특성이 변하게 되어 직선성 품질 특성을 만족하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 더욱 상세하게는 스틸코드와 단일강선을 가열 및 냉각 처리하여 스틸코드와 단일강선에 잔존하는 응력을 제거함으로써, 스틸코드와 단일강선의 변형시효를 촉진하여 시효후 직선 품질을 향상시킬 수 있는 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드는 신선 단계를 거친 이후에, 장력이 가해진 상태에서 가열되는 가열 단계를 거치며, 냉각 단계를 거치는 와이어; 상기 와이어의 직경보다 큰 직경으로 이루어지며, 상기 와이어가 권취되는 권취부;를 포함하며, 상기 권취부에 6개월 내지 1년 권취된 상기 와이어의 일단을 일 지점에 고정시키고, 상기 와이어를 수직으로 400mm 내렸을 때, 상기 일 지점으로 부터 수직한 선을 이루는 제1축과, 상기 와이어의 타단이 이루는 간격은 30mm 이하이며, 상기 가열 단계의 가열 온도, 가열 시간, 와이어에 가해지는 장력은, 하기 식(A)을 만족하는 것을 특징으로 하는 것이다. 식(A) : T + 13.67 ln(t) + 2.7 τ≥ 425 (식(A)에서 T는 상기 가열 온도의 절대온도(K) 이고, t는 상기 가열 시간(s) 이며, τ는 상기 와이어에 가해지는 장력(kgf))
상술한 문제점을 해결하기 위한 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드의 상기 가열 단계의 가열 온도는 200도(℃) 이하이며, 상기 냉각 단계의 냉각온도는 40도(℃) 이하인 것이 바람직하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드의 제조방법은 신선된 와이어를 준비하는 와이어 준비 단계; 상기 와이어를 장력이 가해진 상태에서 가열시키는 가열 단계; 상기 와이어를 냉각 시키는 냉각 단계; 및 상기 와이어를 상기 와이어의 직경 보다 큰 직경으로 이루어지는 권취부에 권취하는 권취 단계; 를 포함하며,상기 가열 단계의 가열 온도, 가열 시간, 와이어에 가해지는 장력은, 하기 식(A)을 만족하는 것을 특징으로 하는 것이다. 식(A) : T + 13.67 ln(t) + 2.7 τ≥ 425 (식(A)에서 T는 상기 가열 온도의 절대온도(K) 이고, t는 상기 가열 시간(s) 이며, τ는 상기 와이어에 가해지는 장력(kgf)
상술한 문제점을 해결하기 위한 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드의 제조방법은 상기 권취부에서 6개월 내지 1년 권취된 상기 와이어의 일단을 일 지점에 고정시키고, 상기 와이어를 수직으로 400mm 내리는 직선성 측정 단계;를 포함하며, 상기 직선성 측정 단계에서, 상기 일 지점으로부터 수직한 선을 이루는 제1축과, 상기 와이어의 타단이 이루는 간격은 30mm 이하인 것이 바람직하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드의 제조방법의 상기 가열 단계의 가열 온도는 200도(℃) 이하이며, 상기 냉각 단계의 냉각온도는 40도(℃) 이하인 것이 바람직하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 단일강선은 신선 단계를 거친 이후에, 장력이 가해진 상태에서 가열되는 가열 단계를 거치며, 냉각 단계를 거치는 와이어; 상기 와이어의 직경보다 큰 직경으로 이루어지며, 상기 와이어가 권취되는 권취부;를 포함하며, 상기 권취부에 6개월 내지 1년 권취된 상기 와이어의 일단을 일 지점에 고정시키고, 상기 와이어를 수직으로 400mm 내렸을 때, 상기 일 지점으로 부터 수직한 선을 이루는 제1축과, 상기 와이어의 타단이 이루는 간격은 30mm 이하이며, 상기 가열 단계의 가열 온도, 가열 시간, 와이어에 가해지는 장력은, 하기 식(A)을 만족하는 것을 특징으로 하는 것이다. 식(A) : T + 13.67 ln(t) + 2.7 τ≥ 425 (식(A)에서 T는 상기 가열 온도의 절대온도(K) 이고, t는 상기 가열 시간(s) 이며, τ는 상기 와이어에 가해지는 장력(kgf))
상술한 문제점을 해결하기 위한 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 단일강선의 상기 가열 단계의 가열 온도는 200도(℃) 이하이며, 상기 냉각 단계의 냉각온도는 40도(℃) 이하인 것이 바람직하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 단일강선의 제조방법은 신선된 와이어를 준비하는 와이어 준비 단계; 상기 와이어를 장력이 가해진 상태에서 가열시키는 가열 단계; 상기 와이어를 냉각 시키는 냉각 단계; 및 상기 와이어를 상기 와이어의 직경 보다 큰 직경으로 이루어지는 권취부에 권취하는 권취 단계; 를 포함하며, 상기 가열 단계의 가열 온도, 가열 시간, 와이어에 가해지는 장력은, 하기 식(A)을 만족하는 것을 특징으로 하는 것이다. 식(A) : T + 13.67 ln(t) + 2.7 τ≥ 425 (식(A)에서 T는 상기 가열 온도의 절대온도(K) 이고, t는 상기 가열 시간(s) 이며, τ는 상기 와이어에 가해지는 장력(kgf))
상술한 문제점을 해결하기 위한 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 단일강선의 제조방법의 상기 권취부에서 6개월 내지 1년 권취된 상기 와이어의 일단을 일 지점에 고정시키고, 상기 와이어를 수직으로 400mm 내리는 직선성 측정 단계;를 포함하며, 상기 직선성 측정 단계에서, 상기 일 지점으로부터 수직한 선을 이루는 제1축과, 상기 와이어의 타단이 이루는 간격은 30mm 이하인 것이 바람직하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 단일강선의 제조방법의 상기 가열 단계의 가열 온도는 200도(℃) 이하이며, 상기 냉각 단계의 냉각온도는 40도(℃) 이하인 것이 바람직하다.
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본 발명은 스틸코드와 단일강선을 가열 및 냉각 처리하여 스틸코드와 단일강선에 잔존하는 응력을 제거함으로써, 일정한 내경의 권취부에 스틸코드와 단일강선을 권취하여 장기간 시간이 지나도 직선성이 변하지 않는 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선를 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 신선변형률이 시멘타이트 부피 분율과 라멜라 간격에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어의 직선성을 측정하는 것을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선 제조방법의 공정도를 나타내는 도면이다.
도 4는 가열 온도에 따른 와이어의 인장강도 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 가열 온도에 따른 와이어의 미세조직 변화를 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 9는 가열 온도에 따른 미세조직 위치별 탄소의 분포를 FIM(Field Ion Microscopy) Image와 APT(Atom Probe Tomography)를 이용하여 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선 제조방법의 가열부, 냉각부, 권취부를 나타내는 도면이다.
도 11 내지 도 12는 가열 온도, 가열 시간, 와이어에 걸리는 장력에 따른 직선성 변화를 나타내는 표이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 스틸코드와 종래의 스틸코드의 직선성을 비교한 표이다.
본 발명은 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 스틸코드와 단일강선을 가열 및 냉각 처리하여 스틸코드와 단일강선에 잔존하는 응력을 제거함으로써, 스틸코드와 단일강선의 변형시효를 촉진하여 시효후 직선 품질을 향상시킬 수 있는 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명의 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선은 와이어(110)와 상기 와이어(110)가 권취될 수 있는 권취부(120)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 와이어(110)는 신선 단계를 거친 이후에, 장력이 가해진 상태에서 가열되는 가열 단계를 거치며, 냉각 단계를 거치는 것이다. 구체적으로, 상기 와이어는 타이어 보강용으로 사용될 수 있는 스틸코드와 단일강선으로, 0.5 내지 1.1wt% 탄소강의 소재로 이루어질 수 있다.
상기 와이어(110)가 신선 단계를 거치는 것은, 신선공정을 포함하는 공정을 거칠 수 있는 것이다. 구체적으로 상기 와이어(110)는 우수한 강도와 가공성을 확보하기 위하여 파텐팅 처리될 수 있다. 상기 와이어(110)를 파텐팅 처리 함으로써 탄소성분의 시멘타이트와 Fe로 구성된 페라이트의 집합체인 펄라이트 미세조직을 얻게 된다. 파텐팅 처리가 완료된 소재는 황동을 도금하는 도금공정, 0.15 내지 0.4mm 신선하는 신선공정, 1 내지 수십본의 와이어를 연선하여 스틸코드를 만드는 연선공정을 거칠 수 있다.(상기 와이어(110)가 단일강선인 경우 연선공정은 거치지 않을 수 있다.) 상기 와이어(110)가 신선 단계를 거치는 것은, 신선공정을 포함하는 공정이라면 다양한 공정이 포함될 수 있음은 물론이다.
신선공정은 재료에 큰 변형이 수반되는 공정으로, 고탄소강의 펄라이트 조직을 변형시키고 라멜라층 내의 시멘타이트의 분해를 촉진한다. 도 1은 신선변형률이 시멘타이트 부피 분율과 라멜라 간격에 미치는 영향을 나타내는 것이다. 신선병형률이 증가함에 따라 라멜라 간격은 선형적으로 작아지며, 시멘타이트 부피 분율이 감소한다. 이것은 와이어가 신선되는 동안 시멘타이트가 분해되는 것을 의미한다. 따라서, 신선과정에서 발생하는 변형에 의해 시멘타이트가 분해되고, 페라이트 기지상 내에 침입형 고용원자인 C와 N의 분율이 증가하게 된다.
여기서 변형시효는 C나 N 등의 침입형 고용 원자가 시간의 경과와 함께 전위에 고착함으로써 나타나는 것이며, 그 인자로는 고용원자의 밀도 뿐만 아니라 시간, 온도, 전위의 밀도 등을 들 수 있다. 더욱이 신선공정을 통해 큰 소성변형이 수반된 소재의 내부에는 고밀도의 전위가 존재하게 되며, 시효현상을 더욱 촉진시킨다.
즉, 신선이 완료된 강선을 일정 내경을 가진 스풀에 권취하면 시간 경과에 따라 시멘타이트가 분해되어 변형 시효가 발생하게 되고, 직선성의 변화가 수반되어 목표 한 직선성을 얻을 수 없게 된다.
상기 와이어(110)는 신선 단계를 거친 이후에, 장력이 가해진 상태에서 가열되는 가열 단계를 거치며, 냉각 단계를 거침으로써, 고용원자의 확산을 인위적으로 촉진 및 완료를 시키는 것이다. 이를 통해 일정 내경을 가진 상기 권취부(120)에 상기 와이어(110)를 권취한 후에도 시효현상이 발생하지 않게 하는 것이다. 여기서, 상기 권취부(120)는 상기 와이어(110)의 직경에 300배 보다 큰 직경으로 이루어질 수 있는 것으로, 상기 와이어(110)가 권취되는 것이다.
도 2를 참조하여, 구체적으로 시효현상이 발생하지 않게 되는 것을 살펴보면, 상기 권취부(120)에 6개월 내지 1년 권취된 상기 와이어(110)의 일단(111)을 일 지점(150)에 고정시킨고, 상기 와이어(110)를 수직으로 내린다. 이때, 상기 와이어(110)를 400mm까지 내린다. 즉, 상기 와이어(110)의 일단(111)과 상기 와이어(110)의 타단(112)의 거리는 400mm가 된다.
상기 와이어(110)에 시효현상이 발생하지 않는 것은, 상기 일 지점(150)으로부터 수직한 선을 이루는 제1축(151)과 상기 와이어(110)의 타단(112)이 이루는 간격으로 알 수 있게 된다. 본 발명의 타이어 보강용 스틸코드 및 단일강선은, 신선단계를 거친 상기 와이어(110)가 가열 단계, 냉각 단계를 거치면서 상기 일 지점(150)으로부터 수직한 선을 이루는 상기 제1축(151)과, 상기 와이어(110)의 타단(112)이 이루는 간격이 30mm 이하로 되는 것이다.
상기 와이어(110)가 장력이 가해진 상태로 가열되는 가열 단계의 가열 온도는 200도(℃) 이하이며, 상기 와이어(110)가 가열된 이후에 냉각온도는 40도(℃) 이하가 바람직하며, 상온이 될 수 있다. 여기서 상기 가열 온도는 50도(℃) 내지 200도(℃)로 이루어질 수 있으며, 상기 냉각온도는 10도(℃) 내지 40도(℃)로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 와이어(110)를 가열하는 가열 단계의 가열 온도, 가열 시간, 상기 와이어(110)에 가해지는 장력은, 하기 식(A)을 만족하여 이루어질 수 있다.
식(A) : T + 13.67 ln(t) + 2.7 τ≥ 425 (식(A)에서 T는 상기 가열 온도의 절대온도(K) 이고, t는 상기 가열 시간(s) 이며, τ는 상기 와이어에 가해지는 장력(kgf))
상기 와이어(110)를 가열하는 가열 단계, 가열된 상기 와이어(110)를 냉각하는 냉각 단계에 대해서는 후술할 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선의 제조방법에서 상세하게 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선의 제조방법은 와이어 준비 단계(S100), 가열 단계(S200), 냉각 단계(S300), 권취 단계(S400), 직선성 측정 단계(S500)를 포함하여 이루어진다. (여기서, 상기 가열 단계(S200)와 상기 냉각 단계(S300)는 상술한 상기 와이어(110)를 가열하는 가열 단계, 가열된 상기 와이어(110)를 냉각하는 냉각 단계와 동일한 것이다.)
상기 와이어 준비 단계(S100)는 신선된 와이어를 준비하는 단계이다. 상기 와이어 준비 단계(S100)는 상기 와이어(110)를 신선하는 단계가 포함되어 있다면, 다양한 공정이 포함될 수 있음은 물론이다.
상기 가열 단계(S200)는 신선된 상기 와이어(110)를 장력이 가해진 상태에서 가열시키는 단계이다. 도 4는 신선된 상기 와이어(110)의 가열 온도에 따른 인장강도의 변화를 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 상기 와이어(110)의 인장강도는 100도(℃) 내지 150도(℃)에서 최대가 되며, 200도(℃) 초과에서는 인장강도가 낮아지게 된다. 이러한 온도 영역에서의 강도 변화는 탄소원자에 의한 전위 잠금 현상에 의해 발생한다. 또한, 200도(℃) 초과에서 강도 저하의 원인은 회복과 재결정 현상에 의해 발생한다.
도 5(a)는 가열하지 않았을 때의 상기 와이어(110)의 미세조직 변화를 나타내며, 도 5(b)는 150도(℃)에서, 도 5(c)는 200도(℃)에서, 도 5(d)는 350도(℃)에서의 상기 와이어(110)의 미세조직 변화를 나타낸다. 도 5에서, Fe로 구성된 페라이트 층은 밝은 부분이며, Fe3C로 구성된 시멘타이트 층은 어두운 부분이다. 펄라이트는 Fe로 구성된 페라이트 층과 Fe3C로 구성된 시멘타이트 층이 교대로 층상으로 형성된 구조를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 신선된 와이어의 미세조직(도5(a))은 펄라이트가 신선방향을 따라 정렬되어 있으며, 200도(℃) 이하에서의 미세조직(5(b), 5(c))과 신선된 와이어의 미세조직은 뚜렷한 차이가 나타나지 않는다. 그러나 350도(℃)에서의 미세조직(5(d))은 둥근 모양의 라멜라 층이 관찰되는 등 회복 과정의 미세구조가 관찰되었다.
도 4 및 도 5의 인장강도와 미세조직의 변화는 탄소의 이동에 의해 나타나는 현상이며, 가열처리를 통해 탄소의 이동 및 전위 고착을 촉진시킬 수 있음을 의미한다. 구체적으로, 200도(℃) 이하에서 상기 와이어(110)를 가열하면, 미세조직은 크게 변화시키지 않으면서 인장강도를 높일 수 있다. 그러나 가열온도가 200도(℃) 보다 과도하게 높아지면, 미세조직 변화가 관찰될 정도로 와이어의 물성 측면이 불리해지며, 인장강도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 즉, 가열하지 않았을 때와 조직적으로 유사하면서도, 가열효과를 충분히 발휘될 수 있는 온도는 200도(℃) 이하가 바람직한 것을 알 수 있다.
도 6 내지 도 9는 온도에 따른 미세조직 위치별 탄소의 분포를 FIM(Field Ion Microscopy)와 APT(Atom Probe Tomography)를 이용하여 나타낸 것이다. 도 6(a) 내지 도 9(a)는 온도에 따른 FIM image를 나타낸 것이며, 도 6(b) 내지 도 9(b)는 온도에 따른 탄소의 분포를 나타내는 것이다. 도 6 내지 도 9에서 밝은 부분은 페라이트를 나타내며, 어두운 부분은 시멘타이트를 나타낸다.
도 6은 신선단계를 거치고 가열 단계가 진행되지 않은 것으로, 페라이트와 시멘타이가 뚜렷이 구분되는 라멜라 구조가 관찰된다. 즉, 신선 직후에는 시멘타이트의 분해가 극히 제한됨을 나타낸다. 여기서 시멘타이트의 분해가 제한되었다는 것은, 신선단계를 거친 와이어에서는 시멘타이트의 분해가 되지 않았기 때문에, 와이어를 권취부에 권취하였을 때 시멘타이트의 분해가 발생하게 되고, 이에 따라 변형시효가 발생할 수 있음을 나타낸다.
도 7은 신선단계를 거치고 150도(℃)로 가열 단계가 진행된 것이다. 도 7(a) 및 도 7(b)를 참조하면, 밝은 부분과 어두운 부분이 균등하게 배열되어 있는 것으로, 탄소 원자가 모든 영역에서 균질하게 분포되어 있음을 알 수 있다. 또한, 탄소 농도가 4 내지 5at%로 와이어내 평균 탄소 함량과 일치한다. (상술한 바와 같이 와이어는 0.5 내지 1.1wt%의 탄소강으로 이루어질 수 있으며, 도 6 내지 도 9에서는 0.92wt%의 탄소강으로 이루어져 있다. at%는 atomic%로 특정 원소에 대한 원자비를 나타낸다. 0.92wt%를 at%로 환산하면 4.5at% 정도가 되며, 따라서 Fe라는 모재(와이어) 내에 평균적으로 들어있는 탄소의 원자비가 4.5at%가 된다. 도 7(b)를 살펴보면, 탄소의 원자비가 전구간에서 4 내지 5at%를 나타내고 있는데, 이는 탄소 원자가 모재(와이어)에 균질하게 분포되어 있다는 것을 의미한다.)
즉, 신선 단계 후 와이어를 150도(℃)로 가열함으로써 탄소가 이동하는 것을 나타내며, 가열 단계에 의해 시효 현상을 촉진 시킬 수 있음을 의미한다. 시효 현상이 촉진된다는 것은, 와이어가 권취부에 권취되기 이전에 가열 단계에 의해 시효 현상이 이미 진행되어, 추후에 시효 현상이 발생하지 않게 할 수 있는 것이다.
도 8은 신선단계를 거치고 200도(℃)로 가열 단계가 진행된 것으로, 도 8(a) 및 도 8(b)를 보면, 도 7 대비 불균질한 탄소 분포가 나타난다. 탄소 농도가 높은 지역은 시멘타이트의 탄소 농도인 25at%보다 낮으며, 탄소 농도가 낮은 지역은 150도(℃)로 가열한 와이어의 평균 탄소 농도보다 낮은 2 내지 3at%가 나타난다.(여기서, 시멘타이트는 Fe3C를 의미하며, Fe3C는 Fe 기지 상내 6.67wt%의 C(탄소)를 포함한다. Fe3C는 약 25at%로 환산되며, 상기에서 시멘타이트 탄소 농도인 25at%보다 낮다는 것은 기존의 시멘타이트 영역이 분해되어 탄소가 기지상태로 분해되었거나, 아니면 기존에 전위 혹은 입계면에 C가 집적되어 탄소농도가 높은 지역이 나타났다는 것을 의미한다.)
즉, 가열 온도가 150도(℃)에서 200도(℃)로 상승함에 따라 탄소가 지속적으로 확산을 하며, 탄소 농도가 높은 영역은 종래의 시멘타이트 영역이거나 전위가 집적된 페라이트 라멜라 영역으로 간주된다.
도 9는 신선단계를 거치고 350도(℃)로 가열 단계가 진행된 것으로, 도 9(a) 및 도 9(b)를 보면, 도 8의 미세조직과 뚜렷한 차이가 관찰된다. 도 9의 FIM Image는 도 6의 신선 단계를 거치고 가열 단계를 거치지 않은 와이어의 FIM Image와 비슷하게 밝고 어두운 영역이 뚜렷히 대비되지만, 구상화된 어두운 라멜라 영역이 관찰된다. 작은 시멘타이트 또는 구상화된 탄소가 입계를 따라 발생하였으며, 페라이트 내 탄소 농도는 더 낮은 온도에서 가열된 와이어보다 더욱 낮아진다.
즉, 신선단계를 거치고, 온도별 가열 단계에 따른 인장강도와 미세조직 관찰 결과를 보면, 가열 온도가 150도(℃) 이하에서는 코트렐 분위기에 의해 C와 N과 같은 침입형 고용원자가 확산에 의해 전위에 고착되어 인장강도가 증가하게 되며, 이로 인해 권취부에 권취 후에도 소성 변형하기 어려운 와이어를 얻을 수 있게 되는 것이다. 하지만, 가열 온도가 200도(℃)를 넘으면 미세조직의 회복 및 시멘타이트 구상화에 의해 인장강도가 하락하게 되어, 와이어 품질 특성인 절단력 하락을 초래하므로, 가열 조건을 적용하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 고온 가열처리는 제조 원가 상승을 동반하므로, 가장 바람직하게는 150도(℃) 이하가 좋다.
상술한 바와 같이 상기 가열 단계(S200)의 가열 온도는 200도(℃) 이하에서 이루어지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 150도(℃) 이하가 좋다.(가열온도는 50도(℃) 내지 200도(℃) 일 수 있다.) 또한, 도 4를 참조하면, 인장강도를 향상시키기 위해 상기 가열 단계(S200)의 가열 온도는 80도(℃) 내지 150도(℃)가 바람직하다.
상기 냉각 단계(S300)는 상기 가열 단계(S200)를 거친 상기 와이어(110)를 냉각시키는 단계이다. 상기 가열 단계(S200)를 거친 상기 와이어(110)는 상기 와이어(110) 내의 C와 N이 확산하기 좋은 환경에 노출되어 있기 때문에, 냉각이 충분히 되지 않고 권취가 되면 변형시효를 완전히 억제할 수 없다. 따라서, 상기 냉각 단계(S300)는 상기 가열 단계(S200)를 거친 상기 와이어(110)를 냉각시켜야 한다.
상기 냉각 단계(S300)의 냉각 온도는 40도(℃) 이하인 것이 바람직하며, 상기 냉각 단계(S300)의 냉각 온도는 10도(℃) 내지 40도(℃) 일 수 있다. 구체적으로 상기 냉각 단계(S300)는 상온에서 이루어지는 것이 가장 바람직하다. 상기 냉각 단계(S300)는 다양한 방법으로 이루어질 수 있으며, 공냉식, 수냉식 등의 방법이 사용될 수 있다.
상기 권취 단계(S400)는 상기 가열 단계(S200)와 상기 냉각 단계(S300)를 거친 상기 와이어(110)를 상기 와이어(110)의 직경에 보다 큰 직경으로 이루어지는 상기 권취부(120)에 권취하는 단계이다. 상기 권취부(120)의 직경은 상기 와이어(110)의 직경에 300배 보다 큰 직경으로 이루어지는 것으로, 상기 권취부(120)의 직경이 상기 와이어(110)의 직경에 300배 보다 작으면 권취할 때 문제가 발생한다. 따라서 상기 권취부(120)의 직경은 상기 와이어(110)의 직경에 300배 보다 큰 것이 바람직하다.
도 10을 참조하면, 상기 와이어(110)는 가열부(130)에서 상기 가열 단계(S200)가 진행되고, 상기 냉각부(140)에서 상기 냉각 단계(S300)를 진행된 후에 상기 권취부(120)에 권취된다. 여기서, 상기 가열부(130)에는 제1온도센서(131)가 마련되어, 상기 가열 단계(S200)에서 상기 와이어(110)에 가해지는 온도를 파악하고 조절할 수 있으며, 상기 냉각부(140)에는 제2온도센서(141)가 마련되어, 상기 냉각 단계(S300)에서 상기 와이어(110)에 가해지는 온도를 파악하고 조절할 수 있다.
본 발명의 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선의 제조방법은 상기 직선성 측정 단계(S500)를 더 포함할 수 있다. 도 2를 참조하면, 상기 직선성 측정 단계(S500)는, 상기 권취부(120)에서 6개월 내지 1년 권취된 상기 와이어(110)의 일단(111)을 상기 일 지점(150)에 고정시키고, 상기 와이어(110)를 수직으로 400mm 내리는 단계이다.
상기 가열 단계(S200)와 상기 냉각 단계(S300)를 거쳐 상기 권취부(120)에 권취된 상기 와이어(110)는 변형시효가 상기 가열 단계(S200)에서 이미 진행되었기 때문에, 상기 권취부(120)에 상기 와이어(110)를 권취하더라도 변형시효가 발생하지 않게된다. 이와 같은 부분은 상기 직선성 측정 단계(S500)에서 확인될 수 있다.
구체적으로, 상기 직선성 측정 단계(S500)에서 상기 일 지점(150)으로부터 수직한 선을 이루는 상기 제1축(151)과, 상기 와이어(110)의 타단(112)이 이루는 간격은 30mm 이하로 이루어질 수 있게 된다.
상기 가열 단계(S200)는 장력이 가해진 상태에서 상기 와이어(110)가 가열되는 것으로, 상기 와이어(110)에 가해지는 장력, 상기 와이어(110)의 가열 온도, 상기 와이어(110)를 가열하는 시간 등이 변화될 수 있다. 상기 가열 단계(S200)를 통해 변형 시효를 촉진시키기 위해서는, 상기 가열 단계(S200)의 상기 가열 온도, 가열 시간, 상기 와이어(110)에 가해지는 장력은, 하기 식(A)을 만족하는 것이 바람직하다.
식(A) : T + 13.67 ln(t) + 2.7 τ≥ 425 (식(A)에서 T는 상기 가열 온도의 절대온도(K) 이고, t는 상기 가열 시간(s) 이며, τ는 상기 와이어에 가해지는 장력(kgf))
식(A)의 상한값이 600을 초과하면 경제적, 작업성 측면에서 비효율적이 되므로, 식(A)는 600 ≥ T + 13.67 ln(t) + 2.7 τ≥ 425 로도 이루어질 수 있다.
상기 식(A)을 만족하는 가열 온도와 가열 시간으로 가열 처리하면 침입형 고용원자인 C와 N이 충분히 확산하여 전위로의 고착이 되기 때문에 권취 전에 변형시효 촉진이 완료되어 상기 권취부(120)에 상기 와이어(110)를 권취 후 장기간 시간이 지나도 변형이 발생되지 않는다. 일정 온도에서 식(A)을 만족하지 않는 가열 시간이 적용되면 상기 와이어(110)의 직진성이 제조 직후보다 굴곡반경이 작아지게 되고 상기 와이어(110)를 타이어로 사용하기 위해 타이어 제조 공정이 진행될 때 버클링 또는 팁라이징 현상을 발생시키게 된다.
또한, 상기 가열 단계(S200)에서 상기 와이어(110)에 인가되는 장력은 가열 온도 및 가열 시간에 영향을 준다. 상술한 바와 같이 상기 가열 단계(S200)는 침입형 고용원자의 확산을 통해 변형시효를 촉진하는 역할을 한다. 상기 와이어(110)에 인가되는 장력이 증가하면 상기 와이어(110)의 직진성은 증가하게 되고, 동일한 가열 조건에서 더 높은 직진성 향상 효과가 나타난다. 따라서, 상기 가열 단계(S200)에서 상기 와이어(110)에 장력을 가하면, 가열 온도 및 가열 시간을 감소시킬 수 있게 된다.
도 11 내지 도 12는 상기 식(A)을 이용하여 가열 온도, 가열 시간, 상기 와이어(110)에 가해지는 장력을 조건별로 가열 및 냉각 처리한 후 시간경과에 따른 직선 변화를 나타낸 것이다. 도 11 내지 도 12에 적용된 상기 와이어(110)는 2×0.30의 구조를 적용하였다. ( 2×0.30 의 구조는 0.3mm로 이루어진 2본의 와이어가 연합된 구조이다.)
도 11은 장력이 0.5kgf, 1kgf, 2kgf, 4kgf 일 때 가열 온도 및 가열 시간에 따른 직선성 변화를 나타냈었으며, 도 12는 장력이 6kgf, 8kgf, 10kgf 일 때 가열 온도 및 가열 시간에 따른 직선성 변화를 나타낸 것이다. 여기서, 직선성(mm)은 상기 직선성 측정 단계(S500)에서 측정되는 것으로, 상기 와이어(110)의 일단(111)을 상기 일 지점(150)에 고정시키고, 상기 와이어(110)를 수직으로 400mm 내린 후, 상기 일 지점(150)으로부터 수직한 선을 이루는 상기 제1축(151)과, 상기 와이어(110)의 타단(112)이 이루는 간격을 측정한 것이다. 또한, 직선변화는 제조직후의 직선성과 7달 경과 후의 직선성의 차이를 나타내는 것이다.
도 11 내지 도 12를 살펴보면, 장력, 가열 온도, 가열 시간이 증가할수록 직선성의 변화가 작음을 알 수 있으며, 장력이 4kgf 이상에서는 고정된 가열 온도 및 가열 시간 조건에 따른 직선성 변화가 작음을 알 수 있다.
도 13은 장력을 4kgf 적용하고, 가열온도 150도(℃)에서 2초간 가열한 실시 예와 종래의 스틸코드의 시간에 따른 직선성 변화를 비교하여 나타낸 것이다. 도 13을 참조하면, 종래의 스틸코드에 비하여 본 발명의 스틸코드는 직선변화가 크게 감소한 것을 알 수 있으며, 이는 직선 품질이 향상된 것을 나타낸다.
즉, 충분한 가열 온도와 가열 시간을 적용하면 침입형 고용원자의 확산이 활발하게 되고 변형시효를 촉진시켜 상기 와이어(110)를 상기 권취부(120)에 권취시켜도 직선변화가 작은 스틸코드와 단일강선을 제조 가능하며, 장력이 높을 수록 직선성이 유리한 효과가 있다. 구체적으로는, 상기 식(A)를 만족시키는 장력, 가열 온도, 가열 시간을 만족시키면, 직선성이 30mm 이내인 스틸코드와 단일강선을 제작할 수 있다.
상술한 본 발명의 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선 및 이의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명은 스틸코드와 단일강선을 가열 및 냉각 처리하여 스틸코드와 단일강선에 잔존하는 응력을 제거함으로써, 일정한 내경의 권취부에 스틸코드와 단일강선을 권취하여 장기간 시간이 지나도 직선성이 변하지 않는 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선를 제공할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 본 발명은 가열 처리를 통해서 스틸코드 및 단일강선에 변형시효를 촉진할 수 있는 것이다. 종래의 스틸코드와 단일강선은 타이어 보강재로 사용하기 위해서 수개월의 시간이 필요하였으며, 이를 위해 일정한 내경을 가진 스풀에 권취되어 사용되었다. 종래의 스틸코드와 단일강선은 스틸코드와 단일강선이 스풀에 권취되는 동안 변형시효가 발생하여 직선성에 문제가 있었다. 그러나 본 발명은 권취부에 스틸코드와 단일강선에 권취되는 동안 발생할 수 있는 변형시효를, 가열 처리 및 냉각 처리를 통해 미리 발생시켜, 권취 후에 변형시효가 발생하지 않게 하여 직선성이 우수한 스틸코드와 단일강선을 제공할 수 있는 장점이 있다.
이와 함께, 본 발명은 와이어를 권취부에 장기간 권취하여도 직선성이 변하지 않게 하기 위한 가열 단계의 조건(가열 온도, 가열 시간, 와이어에 가해지는 장력)을 식(A)를 통해 도출함으로써, 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드와 단일강선을 제공할 수 있는 장점이 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위를 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110...와이어 111...와이어 일단
112...와이어 타단 120...권취부
130...가열부 131...제1온도센서
140...냉각부 141...제2온도센서
150...일 지점 151...제1축
S100...와이어 준비 단계
S200...가열 단계
S300...냉각 단계
S400...권취 단계
S500...직선성 측정 단계

Claims (12)

  1. 타이어 보강용 스틸코드에 있어서,
    신선 단계를 거친 이후에, 장력이 가해진 상태에서 가열되는 가열 단계를 거치며, 냉각 단계를 거치는 와이어;
    상기 와이어의 직경보다 큰 직경으로 이루어지며, 상기 와이어가 권취되는 권취부;를 포함하며,
    상기 권취부에 6개월 내지 1년 권취된 상기 와이어의 일단을 일 지점에 고정시키고, 상기 와이어를 수직으로 400mm 내렸을 때,
    상기 일 지점으로 부터 수직한 선을 이루는 제1축과, 상기 와이어의 타단이 이루는 간격은 30mm 이하이며,
    상기 가열 단계의 가열 온도, 가열 시간, 와이어에 가해지는 장력은, 하기 식(A)을 만족하는 것을 특징으로 하는 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드.
    식(A) : T + 13.67 ln(t) + 2.7 τ≥ 425 (식(A)에서 T는 상기 가열 온도의 절대온도(K) 이고, t는 상기 가열 시간(s) 이며, τ는 상기 와이어에 가해지는 장력(kgf))
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열 단계의 가열 온도는 200도(℃) 이하이며,
    상기 냉각 단계의 냉각온도는 40도(℃) 이하인 것을 특징으로 하는 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드.
  3. 삭제
  4. 타이어 보강용 스틸코드의 제조방법에 있어서,
    신선된 와이어를 준비하는 와이어 준비 단계;
    상기 와이어를 장력이 가해진 상태에서 가열시키는 가열 단계;
    상기 와이어를 냉각 시키는 냉각 단계; 및
    상기 와이어를 상기 와이어의 직경 보다 큰 직경으로 이루어지는 권취부에 권취하는 권취 단계; 를 포함하며,
    상기 가열 단계의 가열 온도, 가열 시간, 와이어에 가해지는 장력은, 하기 식(A)을 만족하는 것을 특징으로 하는 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드의 제조방법.
    식(A) : T + 13.67 ln(t) + 2.7 τ≥ 425 (식(A)에서 T는 상기 가열 온도의 절대온도(K) 이고, t는 상기 가열 시간(s) 이며, τ는 상기 와이어에 가해지는 장력(kgf)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 권취부에서 6개월 내지 1년 권취된 상기 와이어의 일단을 일 지점에 고정시키고, 상기 와이어를 수직으로 400mm 내리는 직선성 측정 단계;를 포함하며,
    상기 직선성 측정 단계에서, 상기 일 지점으로부터 수직한 선을 이루는 제1축과, 상기 와이어의 타단이 이루는 간격은 30mm 이하인 것을 특징으로 하는 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 가열 단계의 가열 온도는 200도(℃) 이하이며,
    상기 냉각 단계의 냉각온도는 40도(℃) 이하인 것을 특징으로 하는 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 스틸코드의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 타이어 보강용 단일강선에 있어서,
    신선 단계를 거친 이후에, 장력이 가해진 상태에서 가열되는 가열 단계를 거치며, 냉각 단계를 거치는 와이어;
    상기 와이어의 직경보다 큰 직경으로 이루어지며, 상기 와이어가 권취되는 권취부;를 포함하며,
    상기 권취부에 6개월 내지 1년 권취된 상기 와이어의 일단을 일 지점에 고정시키고, 상기 와이어를 수직으로 400mm 내렸을 때,
    상기 일 지점으로 부터 수직한 선을 이루는 제1축과, 상기 와이어의 타단이 이루는 간격은 30mm 이하이며,
    상기 가열 단계의 가열 온도, 가열 시간, 와이어에 가해지는 장력은, 하기 식(A)을 만족하는 것을 특징으로 하는 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 단일강선.
    식(A) : T + 13.67 ln(t) + 2.7 τ≥ 425 (식(A)에서 T는 상기 가열 온도의 절대온도(K) 이고, t는 상기 가열 시간(s) 이며, τ는 상기 와이어에 가해지는 장력(kgf))
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가열 단계의 가열 온도는 200도(℃) 이하이며,
    상기 냉각 단계의 냉각온도는 40도(℃) 이하인 것을 특징으로 하는 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 단일강선.
  10. 타이어 보강용 단일강선의 제조방법에 있어서,
    신선된 와이어를 준비하는 와이어 준비 단계;
    상기 와이어를 장력이 가해진 상태에서 가열시키는 가열 단계;
    상기 와이어를 냉각 시키는 냉각 단계; 및
    상기 와이어를 상기 와이어의 직경 보다 큰 직경으로 이루어지는 권취부에 권취하는 권취 단계; 를 포함하며,
    상기 가열 단계의 가열 온도, 가열 시간, 와이어에 가해지는 장력은, 하기 식(A)을 만족하는 것을 특징으로 하는 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 단일강선의 제조방법.
    식(A) : T + 13.67 ln(t) + 2.7 τ≥ 425 (식(A)에서 T는 상기 가열 온도의 절대온도(K) 이고, t는 상기 가열 시간(s) 이며, τ는 상기 와이어에 가해지는 장력(kgf))
  11. 제10항에 있어서,
    상기 권취부에서 6개월 내지 1년 권취된 상기 와이어의 일단을 일 지점에 고정시키고, 상기 와이어를 수직으로 400mm 내리는 직선성 측정 단계;를 포함하며,
    상기 직선성 측정 단계에서, 상기 일 지점으로부터 수직한 선을 이루는 제1축과, 상기 와이어의 타단이 이루는 간격은 30mm 이하인 것을 특징으로 하는 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 단일강선의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 가열 단계의 가열 온도는 200도(℃) 이하이며,
    상기 냉각 단계의 냉각온도는 40도(℃) 이하인 것을 특징으로 하는 직선 품질이 우수한 타이어 보강용 단일강선의 제조방법.
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