KR20020003620A - 고무 보강재용 스틸 코드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단면 형상이 장방형인 강 소선을 연선하여 이루어진 고무 보강재용 스틸 코드에 관한 것이다.

본 발명의 고무 보강재용 스틸 코드는 고무 보강재용으로 사용되는 다수의 소선들이 연선되는 스틸 코드로서, 1 ×n의 연선 구조를 형성하는 다수의 소선들 중에서 적어도 하나 이상의 소선은 그 단면 형상이 장경 축선과 단경 축선의 2축선을 갖는 장방형이며, 이때 장방형 소선의 단면 편평비는 1.05∼2.5이고, 장경은 0.2∼0.5mm이며, 스틸 코드의 중심과 장경 축선의 연장선과 일치하지 않음에 기술적 특징이 있다.

그리고, 본 발명의 스틸 코드는 장방형 소선을 장방형 소파 소선 내지는 나선형의 장방형 소선과 혼합 연선하거나, 1 ×n의 연선 구조를 하는 본 발명의 단층 스틸 코드를 스트랜드로 하여 이 스트랜드 다수를 연선한 다중연 구조의 스틸 코드를 구성할 수도 있으며, 상기의 단층 스틸 코드를 코어 스트랜드로 하여 그 외주면에 다수의 소선층을 형성시키는 다층연 구조의 스틸 코드로 구성하는 것도 가능하다.

본 발명의 고무 보강재용 스틸 코드는 편평 단면을 갖는 장방형 소선의 장경 축선 방향과 스틸 코드의 중심을 일치하지 않도록 한 구조적 특성에 의하여 스틸 코드를 구성하는 인접 소선들 사이의 접촉 면적이 확대되어 내마멸성 개선에 의한 내피로성 향상과 소선의 편평화에 의한 고무와의 접촉 면적 증가로 고무 접착성이현저히 향상되는 바, 이를 사용하는 타이어나 각종 고무 제품의 내구성 증대에 큰 효과가 있을 것으로 기대된다.

Description

고무 보강재용 스틸 코드{Steel cord for reinforcing rubber}

본 발명은 자동차용 타이어 및 각종 공업용 벨트 비롯한 각종 고무 제품의 보강재로 쓰이는 스틸 코드에 관한 것으로, 더 자세하게는 적어도 한 가닥 이상의 편평 단면 형상을 갖는 소선을 구성 요소로 하여 연선하되 편평 단면 형상 소선의 장경 축선이 스틸 코드의 중심과 일치하지 않도록 연선하여 스틸 코드를 구성하는 각 소선들간의 접촉 면적을 증대시켜 소선들간의 면압을 분산시킴과 동시에 고무와의 접촉 면적을 확대하여 스틸 코드의 내마모성과 내피로성을 향상시킴으로써 타이어의 내구성을 증대시키는 타이어 보강재용 스틸 코드에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 타이어 및 공업용 벨트를 비롯한 각종 고무제품의 보강재용으로 사용되는 여러 종류의 보강재 중에서 스틸 코드는 강도, 모듈러스, 내열성, 열전달율, 내피로성, 접착성 등이 타 보강재와 대비시 타이어 보강재의 요구 특성에 가장 적합한 소재로서 특히 자동차의 증가와 함께 그 사용량 또한 급속히 신장되고 있다.

자동차 타이어 및 공업용 벨트를 비롯한 각종 고무 제품의 보강재용으로 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있는 스틸 코드는 여러 가닥의 가는 강선 즉, 다수의 소선들이 꼬임 구조를 형성하는 소선들의 집합체로서, 상기 소선들은 보통 원형의 단면 형상을 하며, 일반적으로 그 구조는 1 ×n의 형식으로 표현된다. 이때, 'n'은 소선의 수이다.

고무 보강재용으로 스틸 코드가 사용되는 각종 고무 제품들 중에서 그 사용 조건이 가장 가혹하면서도 사람의 생명과도 직결되는 것은 자동차 타이어로서, 이러한 타이어에 스틸 코드가 사용될 수 있다면 그 외의 고무 제품에는 당연히 적용될 수 있는 바, 하기에서는 타이어에 사용되는 스틸 코드에 대하여 중점적으로 기술하기로 한다.

일반적으로 자동차용 타이어는 도 1에 도시된 바와 같이, 자동차 휠의 림 부(도면 미도시) 외주면에 밀착 결합되는 비드부(B)와, 주행시 노면에 직접 접촉하게 되는 트레드 부(T)와, 비드 부와 트레드 부를 연결하며 타이어의 측벽 역할을 하는 숄더 부(S) 및 사이드 월 부(C)로 이루어지며, 상기의 형상으로 이루어지는 타이어의 보강을 위하여 트레드 부의 내부에는 스틸 코드(1)가 매입되고, 비드 부에는 비드 보강재용 강선인 비드 와이어(11)(bead wire)가 매입되는 동시에 타이어 전체 단면부를 따라 카카스(12)가 매입되는 구조이다.

상기에서 카카스란, 고무 속에 들어 있는 타이어의 기본 골격으로 공기와 노면 사이에서 끊임없이 변형되므로 특히 유연하면서도 튼튼한 것이 요구되기 때문에 코드(cord)라는 천을 겹겹이 겹쳐서 만드는데, 이전에는 목면을 썼으나 지금은 레이온·나일론·폴리에스테르 등을 사용하거나 또는 아주 가는 강선을 모아 꼰 스틸 코드를 사용하기도 한다.

상기 구조의 타이어는, 트레드 부와 카카스 사이의 고무층에 0.12~0.38㎜ 정도 되는 대략 원형의 단면을 갖는 강선 즉, 소선 2~40 본 정도가 연선 결합되어 꼬임 구조로 제조된 스틸 코드가 일정한 재단 각도로 상호 평행하게 매설됨으로써 안정된 트레드 부를 형성하게 된다.

따라서, 상기의 스틸 코드가 고무 보강재로 사용되는 경우 모재인 고무재와 밀착되나 열과 수분 등의 화학적 열화 요인이 상존하는 열악한 사용 환경에서도 고무와 금속간의 접착력이 유지될 수 있도록 화학적인 접착력이 필요하게 되며, 이에 대한 수단으로 강구된 것이 고무와 금속간의 경계면에 두 물질의 화학적 결합 복합체를 형성시키는 것이다.

상기와 같은 타이어 고무와 스틸 코드의 화학적 접착력이 중요한 것은, 두 물질간의 접착력이 떨어지면 타이어 주행시 도로 노면으로부터 전달되는 반복적인 굴신 응력에 의해 고무로부터 스틸 코드가 쉽게 박리되어 타이어 기능이 급격히 저하하는 것은 물론, 타이어 고무내에 잔존하는 수분이나 트레드 부 손상으로 트레드 부 표면으로부터 형성되는 틈새로 침입하게 되는 외부 수분에 의하여 스틸 코드에 발청을 초래하여 스틸 코드가 열화됨으로써, 상기 스틸 코드의 박리 현상을 더욱 가속화 시키게 되어 타이어의 내구성을 급격히 떨어뜨리기 때문이다.

따라서, 스틸 코드가 보강재로서의 역할을 충분히 발휘하기 위해서는 스틸 코드와 고무간 경계면의 밀착 뿐 아니라 상호간 화학적인 결합 복합체가 형성되어야 하며, 이 복합체가 상기의 밀착력과 함께 타이어의 내구성을 증대시키게 되는 것이다.

상기와 같이 고무와 금속간의 결합 복합체를 두 물질 사이의 경계면에 형성시키기 위하여 일반적으로 스틸 코드를 구성하는 소선의 표면에는 고무와의 화학적 결합 복합체를 잘 형성시키는 구리 또는 구리 합금 특히, 황동 도금층을 형성시키는 것이 일반적이다.

따라서, 화학적인 접착력 향상을 위하여 황동 도금층의 최적 조성과 두께 등에 관한 연구나 황동 도금층위에 또다른 화학 물질을 피복시키는 방법 등에 관한 많은 연구가 진행되고 있으나, 타이어 고무와 스틸 코드의 접착력에 있어서 가장 기본적인 사항인 두 물질간 경계면의 접촉 면적 증대를 위한 현저한 개선은 없었다.

종래 상기 두 물질간의 접촉 면적 확대를 위하여 이형 소선을 사용하거나 꼬임 구조에 다소의 변화를 주거나 혹은 이형 소선의 표면 가공을 통하여 두 물질간의 접촉 면적을 증가시키는 등의 방법들이 알려져 있으나, 그 효과가 크지는 않은 실정이다.

그리고, 스틸 코드의 구조적인 측면에서 살펴보면, 스틸 코드를 구성하는 소선들은 인접한 소선들간에 상호 접촉하게 되는 꼬임 구조이다. 따라서, 타이어의 고속 회전에 수반되는 반복적인 굴신운동으로 인하여 인장과 압축이 반복되는 가혹한 외압이 스틸 코드에 전달되면 인접한 소선끼리 반복되는 미세한 마찰로 인하여 서로가 마멸되는 현상이 발생됨으로써, 타이어 내구력에 큰 영향을 주는 스틸 코드의 내피로성이 급격히 저하되며, 이것이 스틸 코드의 유연성과 강성 개선을 위한 연선 구조 즉, 꼬임 구조가 갖는 구조적인 문제점이다.

더욱이, 최근 자동차 성능 향상에 따라 고속 주행에 적합한 보다 더 높은 수준의 타이어 내구성이 요구되어 우수한 고무 접착성과 함께 높은 내피로성을 갖는 스틸 코드의 개발이 더욱 절실한 실정이다.

그러나, 종래에는 제 2도에 도시한 바와 같이, 단순히 원형 단면 형상의 소선(2)을 다수 연선한 상태에서 타이어 고무가 그 표면에 피복되기 때문에, 스틸 코드와 고무와의 접촉 외주면이 적어 스틸 코드와 고무간의 접착이 충분하지 못하였으며, 스틸 코드의 중심부에는 공간이 형성되기도 하고, 각 소선들간의 접촉이 선접촉의 형태를 이루어 인접 소선들간의 접촉 압력이 한곳에 집중됨으로써 스틸 코드의 손상을 쉽게 초래하는 문제가 있다.

본 발명은 상기 스틸 코드의 물리적인 접촉 형태로부터 수반되는 제반 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 고무와의 접착 면적이 확대되면서 소선들 사이로의 고무 침투성이 향상되어 고무와의 접착력이 우수하고, 소선들간의 접촉 형태가 면접촉 상태를 유지함으로써 스틸 코드 자체로서 우수한 내마멸성과 및 내피로성을 갖는 고무 보강재용 스틸 코드를 제공함에 목적이 있다.

도 1은 타이어의 부분 절개 사시도.

도 2는 종래 스틸 코드를 보인 것으로,

(가)는 1 ×3 구조의 단면도이고,

(나)는 1 ×4 구조의 단면도이다.

도 3은 본 발명 스틸 코드를 구성하는 장방형 소선의 단면도.

도 4는 장방형 소선들로만 구성된 본 발명 스틸 코드를 보인 것으로,

(가)는 1 ×3 구조의 단면도이고,

(나)는 1 ×4 구조의 단면도이며,

(다)는 1 ×5 구조의 단면도이다.

도 5는 장방형 소선과 종래 원형 단면 소선으로 복합 구성된 본 발명 스틸 코드를 보인 것으로,

(가)는 1 ×2(1f+1) 구조의 단면도이고,

(나)는 1 ×3(2f+1) 구조의 단면도이며,

(다)는 1 ×3(1f+2) 구조의 단면도이고,

(라)는 1 ×4(2f+2) 구조의 단면도이다.

도 6은 장방형 소선과 장방형 소파 소선으로 복합 구성된 본 발명 스틸 코드를 보인 것으로,

(가)는 1 ×3(2f+1) 구조의 단면도이고,

(나)는 1 ×4(3f+1) 구조의 단면도이며,

(다)는 1 ×4(2f+2) 구조의 단면도이다.

도 7은 장방형 소선과 나선형의 장방형 소선으로 복합 구성된 본 발명 스틸 코드를 보인 것으로,

(가)는 1 ×3(2f+1) 구조의 단면도이고,

(나)는 1 ×4(2f+2) 구조의 단면도이다.

도 8은 본 발명의 스틸 코드를 스트랜드로 사용한 다중 및 다층연 스틸 코드를 보인 것으로,

(가)는 3 ×3f 구조의 단면도이고,

(나)는 3f+8+14 구조의 단면도이며,

(다)는 3 ×4f 구조의 단면도이다.

도 9는 장방형 소선을 통형 연선기에서 연선한 본 발명의 스틸 코드를 보인 것으로,

(가)는 1 ×2f 구조의 단면도이고,

(나)는 1 ×3f 구조의 단면도이며,

(다)는 1 ×4f 구조의 단면도이고,

(라)는 1 ×5f 구조의 단면도이다.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

1. 스틸 코드 2. 소선

본 발명의 상기 목적은 장경 축선과 단경 축선의 2축선을 갖는 장방형 단면 형상을 하는 스틸 코드를 구성하는 소선에 의하여 달성된다.

본 발명의 고무 보강재용 스틸 코드는 소선들을 연선함에 있어 적어도 하나 이상의 상기 장방형 단면 형상의 소선을 사용함으로써 소선들간의 접촉 형태를 종래의 선접촉에서 면접촉으로 변화시켜 소선들간의 면압을 효율적으로 분산시키는 구조이다.

본 발명의 스틸 코드를 구성하는 장방형 단면 형상의 소선(이하 '장방형 소선'이라함)은 편평비가 1.05∼2.5 범위이고, 장경은 0.2∼0.5mm 범위임에 기술적 특징이 있으며, 이와 같이 편평비와 장경을 일정 범위로 제한하는 이유는 다음과 같다.

우선 장경의 경우 장방형 소선의 최대 직경인 장경이 0.20㎜미만일 때는 고무 보강재용 소재로써 필요로 되는 인장 강도를 만족시킬 수 없으며, 반대로 장경이 0.5㎜를 초과하게 되면 스틸 코드가 매설되는 타이어의 고무층 두께 증가가 과다하게 되어 타이어의 경량화에 역행될 뿐 아니라 주행시의 승차감이 떨어지게 되는 문제가 있다.

그리고, 편평비의 경우에는 편평비가 1.05 미만일 경우에는 편평화가 미미하여 편평화에 의한 고무와 스틸코드의 접촉 면적 증가를 기대할 수 없으며, 편평비가 2.5를 초과할 경우에는 압연 가공량 과다에 의한 과도한 소성 변형으로 인하여 소선 내부에 균열이 발생될 위험이 클 뿐 아니라 인장강도 및 신율 또한 저하되는 문제가 있다.

본 발명 고무 보강재용 스틸 코드의 상기 기술적 구성과 구체적인 작용효과에 대한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한아래의 설명에 의하여 명확하게 이해될 것이다.

도 3에 본 발명 스틸 코드를 구성하는 장방형 소선의 단면도를, 도 4에 장방형 소선으로 구성되는 1 ×n 형태의 스틸 코드 단면도를 도시하였다.

도시된 바와 같이, 장방형 소선(3)은 강소선(3A)을 모재로 하여 강소선의 표면에 황동 도금층(3B)이 형성되는 구조로서, 장경(a)과 단경(b)의 비인 a/b가 장방형 소선의 편평비가 되고, 장경부와 단경부가 서로 모이게 되는 모서리부(3C)는 냉간 압연 가공에 의하여 직각이 아닌 원호상 내지는 타원상과 비슷한 라운드(round) 형태이며, 이러한 장방형 소선 3본 내지 5본을 1 ×n의 구조로 연선한 스틸 코드의 단면 형상을 도시한 것이 도 4이다.

본 발명의 스틸 코드는 도 4에 도시된 바와 같이 장방형 소선만으로 구성될 수도 있으나, 상기에서 언급했듯이 경우에 따라서는 소선 모두를 장방형 소선들만으로 구성하지 않아도 무방하며, 도 5에 장방형 소선(5A)과 종래의 원형 단면 소선(5B)으로 구성되는 스틸 코드를 도시하였다.

고무 보강재로서 고무속에 매설되는 본 발명 스틸 코드의 인장 강도는 270kgf/mm²이상, 파단 신율은 1.5∼3% 범위가 적절하고, 고무와 우수한 접착성을 획득하기 위하여서는 최종 습식 신선 후 얻어진 황동 도금층의 두께가 0.07∼1.5㎛ 범위에서 형성되도록 하는 것이 바람직하며, 황동도금층의 구리 함량은 55~70% 범위가 되도록 제어하는 것이 좋다.

그 외에 황동도금의 제3 원소인 Co, Fe, Ni 등을 0.1~5.0wt% 함유하도록 3원합금도금하게 되면 더욱 우수한 내부식성과 함께 고무 접착성, 특히 시효 접착성에서 우수한 접착 특성을 얻을 수 있다.

그리고, 본 발명의 스틸 코드는 장방형 소선을 연선함에 있어서, 적어도 하나의 장방형 소선에 대하여 장경 축선 방향이 스틸코드의 중심과 일치하지 않도록 하여 인접 소선들간의 접촉 면적을 확대시키는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 연선기 내 공급 보빈으로부터 풀려나오는 다수의 소선들이 최초로 모여 꼬이는 장소인 연입점 바로 입구에 스틸 코드의 단면과 유사한 배선용 경판을 장착하여야 한다.

본 발명의 장방형 소선들로 구성되는 스틸 코드와 종래 원형 단면 형상 소선들만으로 구성되는 스틸 코드를 비교 평가하기 위하여 직경 5.5㎜, 0.82wt% C의 고 탄소강 소재인 POSCORD 82A 선재를 원재료로 하여 산세, 건식신선, 열처리, 황동도금 공정을 순차적으로 거친후, 세물 습식 신선 공정을 통하여 얻어진 선경 0.3mm의 강 소선을 사용하여 3가닥 소선으로 구성되는 본 발명 스틸 코드와 종래 스틸 코드를 최종 공정인 연선 공정에서 비틀림 2도 연선기(더블 반챠)를 사용하여 제조하였으며, 그 물성을 비교한 결과는 다음의 표1과 같다.

구 분	비교예 1	실시예 1	실시예 2
구 조	1 ×3	1 ×3	1 ×3
특 징	0f + 3	3f	2f + 1
코드 피치(mm)	16	16	16
선경(mm)	장경	0.30	0.336	0.364
	단경	0.30	0.234	0.211
편 평 비	1	1.43	1.72
장방형 소선수	0	3	2
내피로성	100	133	131
고무접착성	100	112	115
파단신율(%)	2.4	2.4	2.4
저하중 신율(%)	0.161	0.166	0.169

* 상기 표1에서 내피로성과 고무접착성은 비교예 1에 대한

상대평가임.

상기 표1에서 내피로성은 스틸 코드 시편을 가로 5㎜ 세로 2.5㎜의 직사각형 단면적을 갖는 소형 고무시편 몰드의 중앙에 매설 시키 후, 35kgf/cm²의 100% 모듈러스를 갖는 고무 화합물을 이용하여 굴곡 응력 부여용인 3개의 풀리가 좌우로 반복 이동하면서 고무속의 스틸 코드 시편이 소선들간의 마찰에 의한 마모 및 피로 등에 의해 파단될 때까지 왕복 사이클의 반복 횟수를 측정하여 비교예 1을 기준으로 상대평가 하였다.

고무 접착성은 미국 표준 시험 방법인 ASTM 2229에 의하여 실시하였으며, 저하중 신율은 통상 0.25~5.1kgf범위의 낮은 하중에서 시편의 늘어난 신율을 백분율로 표시한 것으로서, 이 값이 클수록 취급시 작업성이 불리하나 상기 표1에 나타난 정도의 미미한 상승은 별 의미가 없다.

상기 표1에서와 같이, 본 발명의 실시예 1과 2의 스틸 코드는 종래의 스틸코드인 비교예 1에 비하여 내피로성이 현저히 향상된 특성을 보이고 있음을 알 수 있는 바, 이는 본 발명의 스틸 코드가 소선의 편평화와 장경 축선 방향이 스틸코드의 중심과 일치되지 않도록 하여 인접 소선들끼리의 접촉 면적을 넓힐 수 있어 마찰에 의한 마모 현상을 억제시킨 결과이다.

본 발명의 실시예 1과 2는 비교예 1에 비하여 고무 접착성 측면에서도 향상된 결과를 보여주고 있는데, 그것은 스틸 코드와 고무 사이의 접촉 면적이 확대되었기 때문이다.

또한, 스틸 코드를 구성하는 소선들의 틈새로 보다 유리한 고무 침투성을 확보하기 위하여 도 6과 7과 같이 장방형 소선(6)(7)을 스틸 코드 피치보다 작은 피치의 웨이브를 갖는 장방형 소파소선 또는 나선형의 장방형 소선(6A)(7A)과 혼용하여 연합시키는 것도 바람직하다.

그리고, 도 8에 본 발명의 스틸 코드(8)(8A)를 스트랜드로 사용하여 구성되는 또다른 실시예로써 다중연 3 ×3f(가), 3 ×4f(다) 구조와 다층연 3f+8+14(나) 구조의 단면도를 도시하였다.

도 9에 도시된 스틸 코드는 장방형 소선을 통형 연선기에서 연선한 것으로서, 더블 반챠 연선기에서 피치 1회당 수반되는 한번의 비틀림이 통형 튜브라 연선기에서는 수반되지 않기 때문에 소선들 사이에 틈새가 형성됨으로써 고무의 침투성이 향상되는 바, 상기와 같은 연선 방법으로 스틸 코드를 제조하는 것도 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와같이, 본 발명의 스틸코드는 편평 단면을 갖는 장방형 소선의 장경 축선 방향과 스틸 코드의 중심을 일치하지 않도록 하여 회전 날개의 형상을 유지한 구조 특성에 의하여 저하중 신율의 큰 상승없이 스틸 코드를 구성하는 인접 소선들 사이의 접촉 면적이 확대되어 내마멸성 개선에 의한 내피로성 향상과 소선의 편평화에 의한 고무와의 접촉 면적 증가로 고무 접착성이 현저히 향상되는 바, 이를 사용하는 타이어나 각종 고무 제품의 내구성 증대에 큰 효과가 있을 것으로 기대된다.

Claims (5)

1. 고무 보강재용으로 사용되는 다수의 소선들이 연선되는 스틸 코드로서, 1 ×n(n:2∼6, n은 소선 가닥수)의 연선 구조를 형성하는 다수의 소선들 중에서 적어도 하나 이상의 소선은 그 단면 형상이 장경 축선과 단경 축선의 2축선을 갖는 장방형이며, 적어도 하나의 장방향 소선에 대하여 장경 축선의 연장선과 스틸 코드의 중심이 일치하지 않음을 특징으로 하는 고무 보강재용 스틸 코드.
2. 제 1항에 있어서, 상기 장방형 단면 형상을 갖는 소선의 단면 편평비는 1.05∼2.5이고, 장경은 0.2∼0.5mm이며, 장경부와 단경부가 만나는 모서리부는 원호상 내지는 타원상의 형태임을 특징으로 하는 고무 보강재용 스틸 코드.
3. 제 1항에 있어서, 상기 스틸 코드를 구성하는 장방형 단면 형상을 갖는 소선들 중에서 적어도 하나는 소파 소선 내지는 나선형 소선이 혼용됨을 특징으로 하는 고무 보강재용 스틸 코드.
4. 제 1항 1 ×n의 연선 구조를 하는 단층 스틸 코드를 스트랜드로 하고, 이 1×n 구조의 스트랜드를 다수 연선한 다중연 구조임을 특징으로 하는 고무 보강재용 스틸 코드.
5. 제 1항 1 ×n의 연선 구조를 하는 단층 스틸 코드를 스트랜드로 하고, 이 1 ×n 구조의 스트랜드를 코어 스트랜드로 하여 그 외주면에 다수의 소선층을 형성시키는 다층연 구조임을 특징으로 하는 고무 보강재용 스틸 코드.