KR20030017970A - 향상된 피로저항을 갖는 아연-코팅된 스틸코드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 스트랜드(18, 20)를 포함하는 열가소성 엘라스토머를 강화시킨 스틸코드(16)에 관한 것이다. 각각의 스트랜드는 둘 또는 그 이상의 스틸 필라멘트(22, 24, 26, 28)를 포함한다. 상기 스틸 필라멘트 중 적어도 일부는 아연 코팅(40)되어 있으며, 아연 코팅층(40)은 2 마이크로미터보다 얇은 두께를 가지며 아연 코팅층과 스틸 사이에 아연-스틸 합금층(42)이 존재함을 특징으로 한다.

Description

향상된 피로저항을 갖는 아연-코팅된 스틸코드 {ZINC-COATED STEEL CORD WITH IMPROVED FATIGUE RESISTANCE}

스틸코드는 타이어 및 컨베이어 벨트와 같은 고무 제품을 강화시키는데 이용할 수 있는 것으로 널리 알려져 있다. 스틸코드는 또한 폴리우레탄과 같은 열가소성 엘라스토머를 강화시키는데 이용할 수 있는 것으로 알려져 있다. 스틸코드와 고무 제품간의 부착 메카니즘은 스틸코드와 열가소성 엘라스토머간의 부착 메카니즘과는 실질적으로 상이하다. 스틸코드와 고무간의 부착은 주로 가황시키는 동안에 스틸코드위에 존재하는 통상적으로 이용가능한 구리 합금 코팅층과 고무 사이에 형성된 결합을 기초로 한 화학적 부착을 나타낸다. 화학적 부착이스틸코드와 열가소성 엘라스토머 사이를 차단하는 것은 아니지만, 부착 메카니즘은 실질적으로 스틸코드와 매트릭스 사이의 기계적 고착에 기초한 것이다. 이러한 기본적 차이로 인해, 고무를 강화시키는 스틸코드가 열가소성 엘라스토머를 강화시키는 스틸코드보다는 향상된 것으로 공지되어 왔다. 고무를 강화시키는 것에 관해서는, 컴팩트 코드와 같이 단일-스트랜드 코드화 되어가고, 하나의 스틸코드(하나의 필라멘트를 강화시켜 종결시킴)에 들어가는 필라멘트 수가 적어졌으며, 필라멘트의 직경이 두꺼워지는 추세이다. 열가소성 엘라스토머를 강화시키는 것에 관해서는, 하나 이상의 스트랜드를 포함하는 다중-스트랜드 스틸코드가 단일-스트랜드 스틸코드보다 상기 다중-스트랜드 스틸코드 외부의 거친 표면에 의해 매트릭스에서 보다 강하게 기계적으로 고착되기 때문에 표준상태로 유지된다.

고무 제품을 강화시킨 스틸코드와 열가소성 엘라스토머를 강화시킨 스틸코드간의 상이한 부착 메카니즘의 또다른 결과는 스틸 필라멘트에 코팅시킨 형태에 따른 것이다. 고무, 특히 타이어를 강화시키기 위한 스틸코드는 놋쇠와 같은 통상적인 구리 합금 코팅이 되어 있는 반면에, 열가소성 엘라스토머를 강화시키기 위한 스틸코드는 통상적으로 아연 또는 아연 합금 코팅으로 되어 있다. 그러나, 상기 아연 코팅은 다음과 같은 결점이 있다. 첫 번째 결점은, 내식성과 허용가능한피로저항 수치를 적절히 겸비하는 것이 어렵다는데 있다. 예를 들어, 아연 코팅의 두께를 증가시키면 내식성이 증가되는 장점을 갖지만 피로저항은 감소되는 단점이 생기게 되며 이것의 역 또한 성립된다. 두 번째 결점은 냉연신(cold drawing) 및 스트랜드와 코드로 꼬는 공정과 같이 아연 코팅된 필라멘트를 가공 처리시키는 동안에 아연 코팅이 다량의 아연 분진 및 아연 입자를 형성하는 것이다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 선행기술의 결점을 극복하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 허용가능한 정도의 피로저항과 내식성을 갖는, 코팅된 스틸코드를 제공하는 것이다.

본 발명에 따라, 열가소성 엘라스토머를 강화시킨 스틸코드를 제공하였다. 이 스틸코드는 하나 이상의 스트랜드를 포함하는, 다중-스트랜드 스틸코드이다. 각각의 스트랜드는 둘 또는 그 이상의 스틸 필라멘트를 포함한다. 스틸 필라멘트 중 적어도 몇몇은 아연 코팅이 되어있다. 아연 코팅은 2 마이크로미터 보다 얇은, 바람직하게 1 마이크로미터 보다 얇은 (예를 들어, 0.5 ㎛) 두께를 갖는다. 아연-스틸 합금층은 아연 코팅층 스틸 사이에 존재한다.

전형적인 아연 코팅, 즉 상대적으로 얇은 아연 코팅층(통상적인 아연 코팅층은 3 내지 5 마이크로미터보다 두꺼운 두께를 갖는다)과 이와 함께 존재하는 아연-스틸 합금으로 이루어진 전이층(transition alloy layer zinc-steel)은 하기와 같은 이점을 갖는다. 얇은 코팅은 연신 과정 및 스틸코드를 가연(加撚)시키는 동안에 아연 분진이 적게 형성되는 이점을 가지고 있다. 스틸코드의 표면에서 형성되는 아연 분진 및 아연 입자의 감소로 열가소성 엘라스토머에서 기계적 고착이 효과적으로 이루어졌다. 스틸과 아연층 사이에 존재하는 아연-스틸 합금으로 이루어진 전이층은 스틸 필라멘트의 내식성을 증가시키고 아연 코팅과 스틸사이의 부착을 강화시킨다. 이러한 합금층으로 인해 아연 분진이 현저하게 감소되었고 결과적으로, 열가소성 엘라스토머에서 아연 코팅된 스틸코드가 잘 고착되었다.

코드 중심에 있어서, 둘 또는 그 이상의 필라멘트로 이루어진 중심 스트랜드 형태의 코드 중심 및 매트릭스인 열가소성 엘라스토머의 천연 성질을 나타내고 동일한 형태의 가소성 물질 형태의 코드 중심 중에서 하나를 선택하는 것이 가능하다.

발명자들에 의해 다양한 구성을 시험하였으며, 하기의 파라미터를 갖는 7×7 구성은 기계적 고착, 피로저항, 부식 및 내식성에서 우수한 결과를 제공하였다 :

d₁+ 6 × d₂+ 6 × (d₂+ 6 × d₃)

여기에서,

d₁> 1.05 × d₂

d₂> 1.05 × d₃.

본 발명은 또한 상기에 기재한 바와 같이 스틸코드에 의해 강화된 복합물에 관한 것이다. 이러한 복합물의 예로는 벨트가 있으며, 예를 들어 매트릭스로서 폴리우레탄을 사용한, 홈이 있는 벨트이다.

본 발명은 열가소성 엘라스토머를 강화시킨 스틸코드 및 복합물에 관한 것이다. 복합물은 매트릭스로서 폴리우레탄과 같은 열가소성 엘라스토머 및 강화재로서 스틸코드를 포함한다. 스틸코드는 하나 이상의 스트랜드를 포함하는 다중-스트랜드 스틸코드이다.

도면에 관해서 본 발명은 하기에 좀 더 상세하게 기재할 것이다 :

- 도 1 은 본 발명에 따라 복합 벨트의 개략도를 나타낸 것이다 ;

- 도 2, 도 3 및 도 4 는 모두 본 발명에 따라 복합물을 강화시키기 위한 스틸코드의 단면을 나타낸 것이다 ;

- 도 5 는 아연 코팅된 스틸 필라멘트의 단면을 나타낸 것이다.

도 1 은 본 발명에 따라 복합 벨트(10)의 개략도를 나타낸 것이다. 벨트(10)는 홈(12)이 있으며 이 홈은 제조 과정 중에 형성된 것으로 벨트(10)가 이(teeth)를 통과하는 위치에 생성된다.

대안으로서 홈이나, 이가 벨트의 세로방향으로 존재하게 함으로써 벨트의 세로 방향으로 V 형 홈이 파진 벨트(도면에는 나타나 있지 않음)를 구성할 수 있다.

벨트(10)는 폴리우레탄으로 이루어진 매트릭스 물질(14)을 갖는다. 그밖의 다른 적절한 열가소성 엘라스토머로는 폴리올레핀 동종중합체 또는 공중합체, 올레핀 고무, 스티렌/복합 디엔/스티렌 및/또는 그것의 전체 또는 일부가 수소첨가된 유도체의 블록-공중합체, 임의로 열가소성 폴리올레핀 동종중합체 또는 공중합체와의 복합, 또는 상기한 것의 배합이 있다. 이러한 열가소성 엘라스토머는 제 WO-A-99/55793 호에 상세히 기재되어 있다(향상된 엘라스토머 시스템 및 엔.브이. 베카에르트 에스.에이.). 벨트(10)는 여러 개의 스틸코드(16)로 더 강화되었고 이 스틸코드는 서로가 인접하여 평행하게 놓여있다

열가소성 엘라스토머를 강화시킨 스틸코드는 다음의 특성을 단독으로 또는 조합하여 갖는다 :

- 0.05 ㎜ 내지 0.80 ㎜, 바람직하게는 0.06 ㎜ 내지 0.40 ㎜ 범위의 직경을 갖는 스틸 필라멘트 ;

- 다음에 따른 스틸 조성을 갖는 스틸 필라멘트 : 0.60 % 내지 1. 05 % 범위의 탄소 함량, 0.10 % 내지 1.10 % 범위의 망간 함량, 0.10 % 내지 0.90 % 범위의 실리콘 함량, 0.15 %, 바람직하게는 0.10 % 까지 제한되는 황 및 인 함량 ; 크롬(0.20 % - 0.40 % 까지), 구리(0.20 % 까지) 및 바나듐(0.30 % 까지)과 같은 부가적인 미량 - 합금 성분이 첨가될 것이다;

- 엄밀히 말하여 기계적 고착이 주요 부착 메카니즘이므로 필수적인 것은 아니지만, 스틸코드는 이미 언급된 제 WO-A-99/55793 호에 기재되었거나 제 WO-A-99/20682 호(엔.브이. 베카에르트 에스.에이.)에 제시된 바와 같이 부가적인 화학적 부착 시스템을 수반할 것이다.

상기 언급한 조성을 갖는 스틸 선재로부터 본 발명에 따른 복합 산물을 제조하였다. 상기 스틸 선재를 냉연신하여 바람직한 필라멘트 직경을 수득하였다. 연이은 냉연신 단계에서 한층 더 연신할 수 있도록 패턴팅과 같은 적당한 열처리로 교체할 수 있다. 최종 직경을 수득하면, 연신된 필라멘트를 꼬아서 스트랜드를 형성하였으며 다수의 스트랜드를 꼬아서 스틸코드를 형성하였다. 더블 - 트위스터[번칭장치(bunching apparatus)] 또는 관 회전기계[tubular rotary machines, 케이블 장치(cabling apparatus)]와 같은 통상적인 장치로 꼬임을 줄 수 있다. 그런 다음 다수의 꼬여진 스틸코드를 연신하고 공급 스풀로부터 곧게 펴서 서로 인접하도록 평행하게 놓은 뒤 열가소성 엘라스토머가 첨가되는 압출성형 장치의 유입구로 삽입하였다.

평행한 일직선 형태의 스틸코드 강화재를 갖는 본 발명의 다른 복합 산물은 시트-라이닝(Sheet-lining), 스냅식 프로필(Snap-on profile), 내절단성의 가요성(cut-resistant flexible) 및 보호성 스트립(Strip) 및 핸드레일 등을 포함한다.

도 2 는 스틸코드(16)의 단면도이며 이 스틸코드는 복합물(10)의 바람직한 강화재이다. 스틸코드(16)는 1 개의 중심 스트랜드(18) 및 6 개의 외부 스트랜드(20)로 구성되어 있다. 중심 스트랜드(18)는 중심에 하나의 필라멘트(22)와 이 필라멘트(22)를 중심으로 꼬여져 있는 6 개의 필라멘트(24)로 구성되어 있다. 필라멘트(22)의 직경 d₁은 필라멘트(24)의 직경 d₂보다 적어도 5 % 더 크다. 각 외부 스트랜드(20)는 중심에 하나의 필라멘트(26)와 이 필라멘트(26)를 중심으로 꼬여져 있는 6 개의 필라멘트(28)로 구성되어 있다. 필라멘트(26)는 필라멘트(24)와 동일한 직경 d₂를 갖는다. 필라멘트(26)의 직경d₂는 필라멘트(28)의 직경 d₃보다 적어도 5 % 더 크다. 바람직한 구성의 예는 다음과 같다 (모든 직경을 ㎜ 로 나타내었다) :

( 0.21 + 6 × 0.19 ) + 6 × ( 0.19 + 6 × 0.175 ) (a)

스틸코드 필라멘트는 평균 약 0.5 ㎛ 내지 1.0 ㎛ 의 두께로 얇게 아연 코팅되어 있다. 하기의 표는 이 코드의 기계적 특성을 요약하여 나타낸 것이다.

다음 시험 조건하에서의 벨트 내구성을 시험하였다 :

- 풀리(pulley) 직경 r = 40 ㎜

- 축 하중 = 150 ㎏

- 회수 = 1 분당 100 사이클.

상기 코드(a)를 다음의 코드와 비교하였다 :

( 0.20 + 6 × 0.175 ) + 6 × ( 0.175 + 6 × 0.175 ) (b)

코드(b)에서는 2,150,000 사이클 이후에 마찰에 의한 부식이 나타나는 반면에 코드(a)에서는 2,150,000 사이클 이후에도 마찰에 의한 부식이 나타나지 않았다.

상기 스틸코드는 다음의 공식에 해당되는 7×7 구성을 갖는다.

외부 스트랜드에서 요구되는 개방 상태 및 변형 정도를 조건으로 하는 그밖의 다른 적절한 스틸코드의 구성은 다음과 같다 :

- 19 + 8 × 7

- 7 × 19

- 1 × 7 + 7 × 7

- 19 + 9 × 7

- 1 × 3 + 5 × 7.

도 3 은 본 발명에 따른 복합물을 강화시키기 위한 대안적인 스틸코드 (16)를 나타낸 것이다. 도 1 의 스틸코드(a)와의 주요한 차이는 중심 스트랜드의 중심이 예를 들어, 강화하려는 매트릭스 물질과 동일한 종류의 폴리우레탄과 같은 가소성 물질(30)이라는 것이다. 이 가소성 물질(30)은 필라멘트(24)가 완전히 밀폐된 구조를 형성하는 것을 예방하는데 필수적이다. 이 스틸 필라멘트도 평균 약 0.5 ㎛ 내지 1.0 ㎛ 의 두께로 얇게 아연 코팅되어 있다.

도 4 는 본 발명에 따른 복합물을 강화시키기 위한 또다른 대안적인 스틸코드(16)를 나타낸 것이다. 이 스틸코드(16)의 중심은 스트랜드

(20)가 밀폐된 구조를 이루고 서로 접촉하는 것을 예방하기에 충분한 두께의 가소성 물질(32)로 완전히 형성되어 있다. 따라서 이 가소성 물질(32)로 인해 개방 구조가 형성되며 인접한 스트랜드(20) 간에 부식이 생기는 것을 막아준다. 스트랜드에서, 각 스트랜드(20)의 중심은 다른 가소성 물질(34)로 형성되어 있다. 7 개의 외부 필라멘트(28)가 다른 가소성 물질(34)을 둘러싸고 있다. 또한, 이 스틸코드 필라멘트도 평균 0.5 ㎛ 내지 1.0 ㎛ 의 두께로 얇게 아연 코팅되어 있다.

도 5 는 본 발명에 따른 아연 코팅된 스틸 필라멘트(36)의 단면도를 나타낸 것이다. 스틸 필라멘트(36)는 스틸 중심 및 2 마이크로미터보다 얇은 아연 코팅층(40)으로 구성되어 있다. 스틸 중심[(38), 약 100 % 스틸]과 아연 코팅층[(40), 약 100 % 아연] 사이에 아연-스틸 합금으로 이루어진 전이 층(42)이 존재한다. 이러한 전이층은 아연의 전기용착(electrolytic deposition ) 방법과는 대조적으로, 용융 작용에 의해 스틸 와이어를 아연 코팅시켜 수득할 수 있다. 용융 작용에서 스틸 와이어를, 용융시킨 아연 욕조로 이동시켜 아연으로 코팅되도록 욕조에 놓아두었다. 스틸 와이어를 욕조에 수직으로 둔다면, 상대적으로 두껍고 거친 아연-스틸 합금층과 함께 두꺼운 아연층이 존재하게 된다. 두꺼운 아연층 및 스틸-아연 합금층은 단점을 갖는다. 두꺼운 아연층은 연이은 연신 및 꼬임 단계 중에 다량의 아연 분진 및 아연 입자를 발생시킨다. 스틸-아연 합금층은 내식성을 증가시키지만 피로저항은 감소시키며 잘 부서지기 쉽다. 스틸 와이어를 수평선에 대하여 작은 각도로 욕조에 기울여 놓고 예를 들어, 세라믹 천으로 상기 스틸 와이어를 기계적으로 문지른다면, 수직으로 둔 스틸 와이어와 다른 3 가지 차이점이 나타날 것이다 :

( a ) 아연 코팅층의 두께 감소 ;

( b ) 아연-스틸 전이층의 두께 감소 ;

( c ) 아연 - 스틸 전이층의 거칠기 감소 .

이러한 모든 3 가지 차이점으로 인해 두 상반되는 요구조건인 내식성과 허용가능한 피로저항 수치를 적절히 겸비할 수 있게 되었다. 아연 코팅층의 감소된 두께(a) 및 아연-스틸 전이층의 감소된 두께(b)가 피로저항을 증가시킨다. 아연-스틸 전이층(b)의 존재로 아연-스틸 전이층이 존재하지 않는 경우에 비해 상당히 높은, 허용가능한 내식성이 야기되었다. 아연 코팅층의 감소된 두께(a) 및 아연-스틸 전이층의 거칠기 감소(c)에 의해 연이은 냉연신 단계 중에 아연 분진 및 아연 입자가 덜 발생하게 되었다. 부서지기 쉬운 전이층의 두께가 감소하고(b) 전이층의 감소된 거칠기(c)로 인해 냉연신 단계 및 꼬임 단계 동안에 아연 코팅층의 감소된 두께(a)에서 더이상 파열이 일어나지 않았다.

하기의 표 2 는 아연으로 용융 코팅하고 아연 욕조에 수직으로 놓아 둔 스틸 필라멘트로 구성된 참조 스틸코드 ① 과 아연으로 용융 코팅하고 수평면에 대해 작은 각도로 기울여 놓은 본 발명의 스틸코드 ② 사이의 피로저항의 차이를 나타낸 것이다.

Claims (10)

1. 둘 또는 그 이상의 스틸 필라멘트 중 적어도 일부가 아연 코팅된 스틸 필라멘트를 포함하는 각각의 스트랜드를 하나 이상 포함하는, 열가소성 엘라스토머를 강화시킨 스틸코드에 있어서, 아연 코팅층은 2 마이크로미터보다 얇은 두께를 가지며 아연 코팅층과 스틸 사이에 아연-스틸 합금층이 존재함을 특징으로 하는 열가소성 엘라스토머를 강화시킨, 향상된 피로저항을 갖는 아연-코팅된 스틸코드.
2. 제 1 항에 있어서, 아연 코팅은 1 마이크로미터보다 얇은 두께를 가짐을 특징으로 하는 스틸코드.
3. 상기 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 스틸코드는 코드 중심 및 셋 또는 그 이상의 외부 스트랜드를 포함하며 이 외부 스트랜드는 상기 코드 중심을 기준으로 꼬여져 있으며 이 코드 중심과 접촉되어 있음을 특징으로 하는 스틸코드.
4. 제 3 항에 있어서, 코드 중심이 가소성 물질임을 특징으로 하는 스틸코드.
5. 제 3 항에 있어서, 코드 중심은 둘 또는 그 이상의 필라멘트로 이루어진 중심 스트랜드임을 특징으로 하는 스틸코드.
6. 제 5 항에 있어서, 스틸코드는 다음의 공식

   d₁+ 6 × d₂+ 6 × (d₂+ 6 × d₃)

   여기에서,

   d₁> 1.05 × d₂및

   d₂> 1.05 × d₃

   에 따라 중심 스트랜드 및 6 개의 외부 스트랜드로 이루어짐을 특징으로 하는 스틸코드.
7. 매트릭스 물질로서 열가소성 엘라스토머 및 강화재로서 상기 전 항 중 어느 한 항의 스틸코드를 포함하는 복합물.
8. 제 7 항에 있어서, 복합물은 벨트임을 특징으로 하는 복합물.
9. 제 8 항에 있어서, 벨트는 홈이 파인 벨트임을 특징으로 하는 복합물.
10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 열가소성 엘라스토머가 폴리우레탄임을 특징으로 하는 복합물.