KR20220115177A - 싱글 와이어 스틸 코드 및 이를 포함하는 타이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 싱글 와이어 스틸 코드 및 이를 포함하는 타이어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모재 강선이 황동과 코발트를 포함하는 합금으로 도금되고, 단면이 표면 굴곡이 있는 다각형 구조를 가져 스틸 코드와 고무 간의 접착성 및 내피로성이 우수하고, 스틸 사용량을 줄여 타이어의 중량을 감소시킬 수 있는 싱글 와이어 스틸 코드 및 이를 포함하는 타이어에 관한 것이다.

Description

싱글 와이어 스틸 코드 및 이를 포함하는 타이어{SINGLE WIRE STEEL CORD AND TIRE COMPRISING THE SAME}

본 발명은 싱글 와이어 스틸 코드 및 이를 포함하는 타이어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 타이어의 보강재로써 스틸코드층을 구성하는 스틸 코드 및 이를 포함하는 타이어에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 타이어나 컨베이어 벨트 등과 같은 탄성 중합체 제품의 보강용으로 사용되는 여러 종류의 보강재 중에서 스틸 코드(steel cord)는 강도, 모듈러스, 내열성, 열전달율, 내피로성, 접착성 등이 다른 종류의 보강재에 비해서 타이어 보강재에서 요구되는 특성을 만족시키기 때문에 특히 타이어의 보강용으로 많이 사용되어 왔으며 날로 그 사용량이 급속하게 증가되고 있는 추세에 있다.

한편, 내부공간이 공기로 충진된 레디얼(radial) 타이어는 방사선 모양의 카카스 코드를 가지는 레디얼 카카스 부위와, 이 카카스의 반경 방향 외측에 배열되어 트레드 부위를 보강하는 벨트층으로 구성되어 있다. 이와 같은 레디얼 타이어의 벨트층 및 카카스층에는 통상적으로 0.15 내지 0.38 mm 직경의 원형 단면을 갖는 극세강선을 2 내지 20 본 정도 연선 결합시켜 구성된 스틸 코드가 매설되어 이들 벨트층과 카카스층의 보강이 이루어지도록 하고 있다.

이같이 고무제품의 내부에 매설되어 보강재로서의 역할을 하는 스틸 코드의 연선 결합된 단면은 대개가 원형을 띠고 있는 바, 이러한 종래 강연선 스틸 코드의 일 예인 도 1을 참고하여 간략하게 살펴보면 다음과 같다.

도 1의 스틸 코드는 레디얼 타이어의 벨트부에 주로 사용되는 2층연 구조의 스틸 코드로서, 스틸 코드는 세 가닥의 내측 소선을 연합시킨 하연의 주위로 6가닥의 외측 소선이 연합된 이른바 3+6 구조를 취하고 있음을 알 수 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 스틸 코드는 이를 구성하는 소선의 가닥수가 많아 구조가 복잡하고, 스틸 코드의 제조 시 소선 간의 연선을 위한 연선 공정을 필요로 하여 제조공정의 복잡화에 따른 제조비용이 높아지는 문제점이 있다.

그리고, 상기 종래의 스틸 코드는 인접한 소선끼리 서로 접촉한 상태로 결합되어 있음에 따라 코드의 내부에 미세한 공극이 존재하게 되는데, 이러한 공극은 타이어 주행 시 고무 사이로 수분이 침투될 때 강선의 부식을 증폭시키는 통로로 작용하여 고무와 스틸 코드 간의 접착층의 급격한 손상을 초래하여 벨트층과 스틸 코드 사이가 서로 분리되는 치명적인 문제점이 있다.

이에 더하여 종래의 스틸 코드 구조는 타이어의 회전 시 수반되는 반복적인 굴신 운동으로 인해 인장과 압축이 반복되는 가혹한 외압이 스틸 코드로 전달된다. 이에 따라 종래의 스틸 코드 구조는 소선끼리의 접촉으로 인해 접촉부위에서 마멸되는 프렛팅(fretting)이 발생되고, 내피로성의 약화가 초래되기 때문에 결과적으로 타이어의 내구력이 떨어지게 되는 단점이 있다.

또한, 최근에는 차량 주행속도의 고속화에 부응하여 보다 높은 수준의 내구성을 지니는 타이어가 요구되고 있으며, 환경보호 차원에서 차량의 저연비화를 위해 타이어의 경량화가 요구됨에 따라 스틸 코드 자체의 중량을 낮추고 코드 경을 감소시킬 수 있는 새로운 구조의 스틸 코드의 개발에 관심이 모아지고 있다.

본 발명의 목적은 보강재로서의 스틸 사용량을 줄이고 타이어 무게를 감소시키면서도 접착력이 우수한 스틸 코드를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 스틸 코드를 이용하여 가벼운 타이어를 제공하는 것이다.

상기 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 와이어 스틸 코드는 모재 강선이 황동과 코발트를 포함하는 합금으로 도금되고, 단면이 표면 굴곡이 있는 다각형 구조를 갖는다.

상기 모재 강선의 탄소 함량은 0.60 내지 1.50 중량%일 수 있다.

상기 합금은 구리 60 내지 69 중량%, 아연 30 내지 40 중량% 및 코발트 1 내지 10 중량%로 포함할 수 있다.

상기 단면의 표면 굴곡의 반지름은 상기 싱글 와이어 스틸 코드 단면의 외접원 반지름의 0.05 내지 0.20 배일 수 있다.

상기 싱글 와이어 스틸 코드는 단면이 표면 굴곡이 있는 4 내지 12 각형 구조일 수 있다.

상기 싱글 와이어 스틸 코드의 소선경은 0.20 내지 0.40 mm일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 타이어는 상기 싱글 와이어 스틸 코드를 고무 보강용으로 사용한 것이다.

본 발명의 싱글 와이어 스틸 코드는 다각형 구조와 표면의 굴곡을 통하여 고무와의 접착성 및 내피로성이 우수하고, 코발트를 포함한 도금을 사용하여 노화 접착력이 우수하며, 단선 스틸 코드를 사용하여 보강재의 스틸 사용량을 줄이고 타이어의 중량을 낮출 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 레디얼 타이어 벨트부에 주로 사용되는 2층연 구조의 스틸 코드의 단면을 간략히 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 와이어 스틸 코드의 단면을 간략히 나타낸 그림이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스틸 코드는 모재 강선이 황동과 코발트를 포함하는 합금으로 도금되고, 단면이 도 2를 참조하면 전체적으로 다각형 구조를 가지고, 표면에 굴곡이 있는 싱글 와이어 스틸 코드이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스틸 코드는 종래의 스틸 코드와 같이 여러 가닥의 강선을 서로 연선 결합시킨 구조가 아니라 단지 한 가닥의 강철로 된 소선 만을 이용한 싱글 와이어 스틸 코드로서 보강재로서의 스틸 사용 총량을 감소시킬 수 있고, 타이어 벨트층에 사용되는 경우 벨트층의 두께를 감소시키는 이점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스틸 코드의 모재 강선은 종래 여러 소선을 연선 결합하여 사용하는 스틸 코드에서 사용되는 소선을 사용할 수 있으며, 구체적으로 탄소강으로 이루어지며 바람직하게는 탄소의 함량이 0.60 내지 1.50 중량%의 탄소강을 사용할 수 있다. 상기 탄소강의 탄소 함량이 0.60 중량% 미만인 경우 강도가 떨어져 물리적 충격에 의해 쉽게 끊어질 수 있는 문제가 발생할 수 있으며, 상기 탄소강의 탄소 함량이 1.50 중량% 보다 많은 경우 가공성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.

상기 스틸 코드의 모재 강선을 도금하는 합금은 황동과 코발트의 합금을 사용한다. 종래 스틸 코드의 도금재료로 사용되는 황동과 함께, 코발트를 타이어의 보강재로 사용하면 두 가지 효과가 있다. 첫째로 종래 타이어 업계에서는 고무와 보강제의 접착력 향상을 목적으로 코발트 원료를 고무의 배합제로 직접 사용하고 있으나, 상기 스틸 코드의 도금 재료로 코발트가 포함된 합금을 사용하는 경우 코발트를 고무에 직접적으로 사용하지 않아도 되어 보다 환경 친화적인 타이어 고무 생산이 가능하며, 타이어 생산에 있어 코발트의 총 사용량을 줄일 수 있는 효과가 있다. 둘째로 도금에 코발트가 추가됨으로 인해 스틸 코드와 고무 간의 노화 접착력이 향상되는 효과가 있다.

상기 도금의 재료가 되는 황동과 코발트 합금은 구체적으로 구리 60 내지 69 중량%, 아연 30 내지 40 중량% 및 코발트 1 내지 10 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 구리와 아연의 비율은 종래 스틸 코드의 도금에 사용되는 황동의 비율과 같은 범위이며, 상기 코발트가 합금 전체 중량의 1 내지 10 중량%로 포함되는 것이 본 발명의 일 실시예의 특징이다. 상기 코발트의 비율이 1 중량% 미만으로 포함되면 코발트로 인한 효과가 미미하여, 상기 스틸 코드와 고무 간의 노화 접착력 향상을 기대하기 힘든 문제가 발생할 수 있으며, 상기 코발트의 비율이 10 중량%보다 많이 포함되면 황동의 비율이 떨어져 코팅의 기계적 강도가 떨어지고 내압에 의해 코팅이 쉽게 터지거나 찢어지는 문제가 발생할 수 있다.

상기 스틸 코드는 단면이 전체적으로 다각형 구조를 가지면서도 평평한 단면의 다각형이 아닌 작은 굴곡이 표면에 형성되어 있어 거친 표면을 갖는 것이 특징이다. 상기 표면의 굴곡으로 스틸 코드의 비표면적이 향상되고, 타이어의 보강재로서 사용될 때 고무와의 접착력이 향상되는 효과를 가진다.

구체적으로 상기 스틸 코드의 표면 굴곡 반지름은 스틸 코드 단면 다각 구조의 외접원의 반지름을 R이라할 때, 표면 굴곡의 반지름은 0.05 R 내지 0.2R인 것이 바람직하다. 표면 굴곡의 반지름이 상기 범위보다 작은 경우 표면적 향상이 크지 않고 스틸 코드의 접착력 향상 효과가 미미하며, 상기 범위보다 큰 경우, 스틸 코드의 전체적인 다각구조 형상을 잃고 굴곡이 있는 원의 형상이 되어 오히려 스틸 코드의 접착력이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.

상기 스틸 코드 단면의 다각형 구조는 구체적으로 표면에 굴곡이 있는 4각형 내지 12각형의 구조를 가질 수 있다. 종래의 원형 스틸 코드의 경우 1,2 벨트를 감는 과정에서 상기 적층된 두 벨트(1,2 벨트)가 서로 밀리지 않게 하기 위하여 상기 1,2 벨트가 원주 방향을 기준으로 20° 내지 30°의 각도를 갖고 있다. 하지만 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스틸 코드 단면의 다각형 구조가 4각 이상의 다각형인 경우 1,2 벨트를 감는 과정에서 벨트 간 각도를 주지 않더라도 상기 적층된 두 벨트가 서로 밀리지 않는 장점이 있으나, 13각 이상의 다각형의 경우 전체적인 형상이 원에 가까워져 다각형으로 인한 상기 효과가 미미해지는 문제가 발생할 수 있다.

상기 싱글 와이어 스틸 코드의 소선경은 0.20 내지 0.40 mm 인 것이 바람직하다. 상기 스틸 코드의 소선경이 0.20mm 미만인 경우 소선이 너무 가늘어져 보강재료로서 충분한 인장강도를 만족시키기 어렵고, 표면의 굴곡을 주기에 기술적으로 어려운 문제가 발생할 수 있다. 또한 상기 스틸 코드의 소선경이 0.40 mm 보다 큰 경우 선경이 너무 굵어지게 되고 이에 따라 타이어 벨트 및 카카스의 두께가 두꺼워지고 타이어의 무게가 증가하며, 더 이상의 벨트 두께 증가에 따른 피로성능 향상을 보장하기 힘든 문제가 있을 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 타이어는 전술한 싱글 와이어 스틸 코드를 고무 보강용으로 사용한 것이다.

상기 타이어는 승용차용 타이어, 레이싱용 타이어, 비행기 타이어, 농기계용 타이어, 오프로드(off-the-road) 타이어, 트럭 타이어 또는 버스 타이어 등일 수 있다. 또한, 상기 타이어는 레디얼(radial) 타이어 또는 바이어스(bias) 타이어일 수 있으며, 레디얼 타이어인 것이 바람직하다.

하기 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 자세하게 설명하나, 하기 실시예는 본 발명의 예시일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

[실험예: 스틸 코드 변경에 따른 물성변화 측정]

본 발명의 일 실시예의 스틸 코드로 0.35mm의 직경을 가지면서 표면에 굴곡을 가진 8각형 구조의 싱글 와이어를 사용하였다. 상기 스틸 코드는 구리 63 중량%, 아연 33 중량%, 코발트 4 중량%로 이루어진 합금에 의해 도금되었으며, 카본 함량이 0.82 중량%인 탄소강을 모재 강선으로 사용하였다.

하기 표 1에서 비교예 1과 비교예 2는 종래 일반적으로 사용되는 스틸 코드를 사용하였다.

하기 표 1은 스틸 코드의 단면 구조와 도금된 합금 구성을 달리하여 그에 따른 물성을 측정하였으며, 비교를 간편히 하기 위하여 비교예 1의 결과값을 100으로 하고 비교예 1의 물성에 대한 상대적인 값으로 표현하였다.

구분		비교예 1	비교예 2	실시예 1	비고
구조		1 x 2(0.30mm)	0.35mm 원형	0.35mm 표면 굴곡
도금(wt%)		Cu:63.5/Zn:36.5	Cu:63.5/Zn:36.5	Cu:62/Zn:34/Co:4
초기 접착력(index)		100	107	121	ASTM2229 (단위 면적당 접착력 Index)
노화 접착력(index)	습열 (70℃, 96%RH, 7days)	100	109	135
	염수 (20% NaCl,7days)	100	113	134
	공기(100℃, 7days)	100	114	133
	물(70℃, 7days)	100	116	133
피로	RBT (Rotating Beam Test)	PASS	PASS	PASS	90 kgf/cm2 조건에서 100 만회 이상
	염회	PASS	PASS	PASS	100D 조건 30 회 이상
타이어 중량(index)		100	96	96	타이어 사이즈 225/45R17

상기 표 1을 참조하면, 도금에 포함된 코발트와 스틸 코드 표면의 굴곡으로 인해 접착력이 증가한 것을 알 수 있다. 비교예 2와 실시예 1의 초기 접착력을 보면 표면 굴곡에 의해 접착력이 약 14%가 향상된 것을 확인할 수 있다. 또한 비교예 2와 실시예 1의 노화 접착력을 비교해보면 초기 접착력 보다 더욱 큰 폭으로 상승 했음을 확인할 수 있다. 상기 노화 접착력의 큰 상승은 도금에 코발트가 포함되었기 때문이다.

실시예 1의 타이어 중량의 경우 비교예 1과 비교하면 약 4%정도의 중량 절감 효과가 나타난 것을 확인할 수 있다.

피로 성능의 경우 모두 기준을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

이와 같이 싱글 와이어를 타이어에 적용하여 타이어 중량을 절감하고, 코발트 도금 및 표면 굴곡을 통해 접착 비표면적을 늘려 접착력 향상을 기대 할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

1. 모재 강선이 황동과 코발트를 포함하는 합금으로 도금되고,
   단면이 표면 굴곡이 있는 다각형 구조를 갖는 싱글 와이어 스틸 코드.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 모재 강선의 탄소 함량은 0.60 내지 1.50 중량%인 것을 특징으로 하는 싱글 와이어 스틸 코드.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 합금은 구리 60 내지 69 중량%, 아연 30 내지 40 중량% 및 코발트 1 내지 10 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 싱글 와이어 스틸 코드.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 단면의 표면 굴곡의 반지름은 상기 싱글 와이어 스틸 코드 단면의 외접원 반지름의 0.05 내지 0.20 배인 것을 특징으로 하는 싱글 와이어 스틸 코드.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 싱글 와이어 스틸 코드는 단면이 표면 굴곡이 있는 4 내지 12 각형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 싱글 와이어 스틸 코드.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 싱글 와이어 스틸 코드의 소선경은 0.20 내지 0.40 mm인 것을 특징으로 하는 싱글 와이어 스틸 코드.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 싱글 와이어 스틸 코드를 고무 보강용으로 사용한 타이어.

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