ES2239669T3 - Cordon de acero galvanizado con resistencia mejorada a la fatiga. - Google Patents

Abstract

¿ Un cordón de acero (16) adaptado para el refuerzo de elastómeros termoplásticos, comprendiendo dicho cordón de acero más de una hebra (18, 20), comprendiendo cada hebra dos o más filamentos de acero (22, 24, 26, 28), estando provistos al menos algunos de dichos filamentos de acero con un recubrimiento de cinc (40) caracterizado porque dicho recubrimiento de cinc tiene un espesor menor que dos micrómetros y que está presente una capa de aleación cinc¿acero (42) entre el recubrimiento de cinc (40) y el acero (22, 24, 26, 28).

Description

Cordón de acero galvanizado con resistencia mejorada a la fatiga.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un cordón de acero adaptado para el refuerzo de elastómeros termoplásticos y a un material compuesto. El material compuesto comprende un elastómero termoplástico tal como poliuretano como matriz y los cordones de acero como material reforzante. El cordón de acero es un cordón de acero multi-hebra, es decir un cordón de acero que comprende más de una hebra.

Antecedentes de la invención

Los cordones de acero son muy conocidos para reforzar productos de caucho tales como neumáticos y cintas transportadoras. En menor grado, los cordones de acero son conocidos también para reforzar elastómeros termoplásticos tales como poliuretanos. El mecanismo de la adhesión entre los cordones de acero y los productos de caucho es sustancialmente diferente del mecanismo de adhesión entre los cordones de acero y los elastómeros termoplásticos. La adhesión entre los cordones de acero y el caucho es principalmente una adhesión química basada en los enlaces creados durante la vulcanización entre un recubrimiento de aleación de cobre convencional sobre el cordón de acero y el caucho. Aunque la adhesión química no está excluida entre los cordones de acero y los elastómeros termoplásticos, el mecanismo de adhesión está basado sustancialmente en un anclaje mecánico entre los cordones de acero y la matriz.

Debido a esta diferencia básica, los cordones de acero para refuerzo de caucho han conocido una evolución distinta que los cordones de acero para refuerzo de elastómeros termoplásticos.

Con respecto al refuerzo de caucho, se ha registrado una evolución hacia cordones mono-hebra tales como cordones compactos, con menos filamentos en un cordón de acero (que incluso terminan en refuerzos de un solo filamento), y diámetros de filamento más gruesos.

Con respecto al refuerzo de los elastómeros termoplásticos, los cordones de acero multi-hebra, es decir cordones de acero que comprenden más de una hebra, se han mantenido como el patrón, debido a que la superficie exterior más rugosa de dicho cordón de acero multi-hebra ofrece mayor anclaje mecánico en la matriz que un cordón de acero mono-hebra.

Otra consecuencia del diferente mecanismo de adhesión entre los cordones de acero adaptados para el refuerzo de productos de caucho y los cordones de acero adaptados para el refuerzo de elastómeros termoplásticos, es el tipo de recubrimiento aplicado a los filamentos de acero. Mientras que los cordones de acero para refuerzo de caucho, particularmente para neumáticos, tienen un recubrimiento de aleación de cobre convencional tal como latón, los cordones de acero para el refuerzo de elastómeros termoplásticos tienen convenientemente un recubrimiento de cinc o aleación de cinc. Para un cordón de acero de este tipo véase el documento US-A-5 784 874. Sin embargo, un recubrimiento de cinc de este tipo tiene sus inconvenientes.

Un primer inconveniente es que es difícil combinar un nivel adecuado de resistencia a la corrosión con un nivel aceptable de resistencia a la fatiga. De hecho, el aumento del espesor del recubrimiento de cinc conduce a un aumento de la resistencia a la corrosión, lo cual es una ventaja, y una disminución en la resistencia a la fatiga, lo cual es una desventaja, y viceversa.

Un segundo inconveniente es que un recubrimiento de cinc crea una gran cantidad de polvo de cinc y partículas de cinc durante el trabajo aguas abajo de los filamentos galvanizados tal como el estirado en frío y el trenzado en las hebras y el cordón.

Sumario de la invención

Es un objeto de la invención evitar los inconvenientes de la técnica anterior. Es otro objeto de la invención proporcionar un cordón de acero con un recubrimiento, que tiene a la vez un grado aceptable de resistencia a la fatiga y un grado aceptable de resistencia a la corrosión.

De acuerdo con la invención, se proporciona un cordón de acero adecuado para el refuerzo de elastómeros termoplásticos. El cordón de acero es un denominado cordón de acero multi-hebra, es decir el cordón de acero comprende más de una hebra. Cada hebra comprende dos o más filamentos de acero. Al menos algunos de los filamentos de acero están provistos de un recubrimiento de cinc. El recubrimiento de cinc tiene un espesor menor que 2 micrómetros, preferiblemente menor que 1 micrómetro, v.g. 0,5 \mum. Una capa cinc-acero de aleación está presente entre el recubrimiento de cinc y el acero.

El recubrimiento de cinc típico, es decir un recubrimiento de cinc relativamente delgado (los recubrimientos de cinc comunes tienen un espesor mayor que 3 a 5 micrómetros) en combinación con la presencia de una capa de aleación cinc-acero de transición tiene las ventajas siguientes.

El recubrimiento delgado tiene la ventaja de producir menos polvo de cinc durante el estirado y el trenzado aguas abajo del cordón de acero. La menor cantidad de polvo de cinc y partículas de cinc en la superficie del cordón de acero conduce a un mejor anclaje mecánico en el elastómero termoplástico.

La presencia de la capa de transición de una aleación cinc-acero entre el acero y el cinc aumenta la resistencia a la corrosión de los filamentos de acero y aumenta la adhesión entre el recubrimiento de cinc y el acero. La presencia de esta capa de aleación conduce a una reducción mayor aún del polvo de cinc y, como consecuencia, a un mejor anclaje del cordón de acero con el recubrimiento de cinc en el elastómero termoplástico.

Con respecto al núcleo del cordón, son posibles dos alternativas: un núcleo de cordón en forma de una hebra de núcleo con dos o más filamentos y un núcleo de cordón en la forma de un material plástico, v.g. del mismo tipo y naturaleza del elastómero termoplástico de la matriz.

Entre las diversas construcciones ensayadas por los autores de la invención, una construcción 7 x 7 con los parámetros siguientes ha demostrado resultados excelentes con respecto a anclaje mecánico, resistencia a la fatiga, comportamiento de desgaste por rozamiento y resistencia a la corrosión:

d_{1} + 6 \ x \ d_{2} + 6 \ x \ (d_{2} + 6 \ x \ d_{3})

donde

d_{1} > 1,05 \ x \ d_{2}

d_{2} > 1,05 \ x \ d_{3}

La invención se refiere también a un material compuesto reforzado por un cordón de acero como se describe anteriormente en esta memoria. Un ejemplo de un material compuesto de este tipo es una cinta, v.g. una cinta estriada, con poliuretano como matriz.

Breve descripción de los dibujos

La invención se describirá a continuación con mayor detalle haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales

- la Figura 1 muestra una vista esquemática de una cinta de material compuesto de acuerdo con la invención;

- la Figura 2, la Figura 3 y la Figura 4 muestran todas ellas secciones transversales de cordones de acero para el refuerzo de un material compuesto de acuerdo con la invención;

- la Figura 5 muestra una sección transversal de un filamento de acero con un recubrimiento de cinc.

Descripción de las realizaciones preferidas de la invención

La Figura 1 muestra una vista esquemática de una cinta de material compuesto 10 de acuerdo con la invención. La cinta 10 está provista de estrías 12, que son resultado de su proceso de fabricación: las estrías están localizadas en los puntos en los cuales los dientes estaban guiando la cinta 10.

Como alternativa, pueden estar presentes también estrías o dientes en la dirección longitudinal de la cinta, a fin de constituir una denominada cinta estriada en V (no representada).

La cinta 10 tiene un material de matriz 14 de poli-uretano. Otros elastómeros termoplásticos adecuados son homopolímeros o copolímeros termoplásticos poliolefínicos, cauchos olefínicos, copolímeros de bloques de estireno/dieno conjugado/estireno y/o su derivado total o parcialmente hidrogenado, mezclado opcionalmente con un homopolímero o copolímero termoplástico poliolefínico, o mezclas de los anteriores. Tales elastómeros termoplásticos se describen con mayor detalle en el documento WO-A-99/55793 (Advanced Elastomer Systems y N.V. Bekaert S.A.).

La cinta 10 está reforzada adicionalmente con varios cordones de acero 16, que están dispuestos en paralelo adyacentes unos a otros.

Los cordones de acero adaptados para el refuerzo de elastómeros termoplásticos tienen, sea solos o en combinación, las características siguientes:

-

filamentos de acero con un diámetro comprendido entre 0,05 mm y 0,80 mm, preferiblemente entre 0,06 mm y 0,40 mm;

\newpage

-

los filamentos de acero tienen una composición de acero que está de acuerdo con lo siguiente: un contenido de carbono comprendido entre 0,60% y 1,05%, un contenido de manganeso comprendido entre 0,10% y 1,10%, un contenido de silicio comprendido entre 0,10% y 0,90%, estando limitados los contenidos de azufre y fósforo a 0,15%, preferiblemente a 0,10%;

pueden añadirse elementos de micro-aleación adicionales tales como cromo (hasta 0,20%-0,40%), cobre (hasta 0,20%) y vanadio (hasta 0,30%);

-

aunque no es estrictamente necesario dado que el anclaje mecánico es el mecanismo de adhesión principal, los cordones de acero pueden estar provistos de un sistema de adhesión química adicional tal como el descrito en el documento WO-A-99/55793 ya mencionado, o tal como el provisto en el documento WO-A-99/20682 (N.V. Bekaert S.A.).

Partiendo de una varilla de alambre de acero con la composición arriba mencionada, se fabrica un producto de material compuesto de acuerdo con la invención. La varilla de acero se estira en frío hasta los diámetros de filamento deseados. Los pasos de estirado en frío subsiguientes pueden alternarse con tratamientos térmicos adecuados tales como templado en baño de plomo, a fin de permitir un estirado adicional. Una vez que se obtienen los diámetros finales, los filamentos estirados se trenzan para producir una hebra, y se trenza un número determinado de hebras para dar un cordón de acero. Aparatos convencionales tales como trenzadoras dobles ("aparato de arracimado") o tales como máquinas rotativas tubulares ("aparato de cableado") pueden realizar las operaciones de trenzado. Un múltiplo de los cordones de acero trenzados se estiran y se rectifican luego desde bobinas de suministro, se extienden en paralelo adyacentes unos a otros y se alimentan a través de orificios de inserción a un aparato de extrusión en el cual se añade el elastómero termoplástico.

Otros productos de material compuesto de acuerdo con la invención con un patrón paralelo y recto de refuerzo de cordón de acero son: revestimientos en hoja, perfiles de resorte, tiras flexibles y protectoras resistentes al corte, pasamanos, etc.

La Figura 2 demuestra la sección transversal de un cordón de acero 16, que ha demostrado ser un refuerzo preferible para el material compuesto 10.

El cordón de acero 16 comprende una hebra de núcleo 18 y seis hebras exteriores 20. La hebra de núcleo 18 comprende un filamento 22 como núcleo y seis filamentos 24 trenzados alrededor del filamento 22. El diámetro d_{1} del filamento 22 es al menos 5% mayor que el diámetro d_{2} de los filamentos 24. Las hebras exteriores 20 comprenden cada una un filamento 26 como núcleo y seis filamentos 28 trenzados alrededor del filamento 26. El filamento 26 puede tener el mismo diámetro d_{2} que los filamentos 24. El diámetro d_{2} del filamento 26 es al menos 5% mayor que el diámetro d_{3} de los filamentos 28.

Un ejemplo de una construcción preferible es (expresándose todos los diámetros en mm):

(a)(0,21 + 6 x 0,19) + 6 x (0,19 + 6 x 0,175)

Los filamentos del cordón de acero están provistos todos ellos de un recubrimiento de cinc con un espesor medio de aproximadamente 0,5 \mum a 1,0 \mum.

La Tabla siguiente resume las propiedades mecánicas de este cordón.

TABLA 1

	Dirección de trenzado Z	Dirección de trenzado S
Densidad lineal (g/m)	10,13	10,03
Carga de rotura F_{m} (N)	3139	3139
Resistencia a la tracción R_{m} (MPa)	2436	2459
Límite aparente de elasticidad para elongación permanente	2067	2103
0,2% R_{p \ 0,2} (Mpa)
R_{p \ 0,2}/R_{m} (%)	85	86
Módulo de elasticidad E_{mod} (MPa)	139103	145156

TABLA 1 (continuación)

	Dirección de trenzado Z	Dirección de trenzado S
Elongación permanente para carga máxima A_{g} (%)	1,14	1,25
Porcentaje de elongación total a la fractura A_{t} (%)	2,95	2,95
Grado de preformación de las hebras exteriores (%)	97	98

En un ensayo de duración de cinta con las condiciones de ensayo siguientes:

- diámetro de polea r = 40 mm

- carga axial = 150 kg

- frecuencia = 100 ciclos por minuto

Este cordón (a) se ha comparado con el cordón siguiente:

(b)(0,20 + 6 x 0,175) + 6 x (0,175 + 6 x 0,175)

Para el cordón (b), era visible la corrosión por fricción al cabo de 2 150 000 ciclos, mientras que para el cordón (a) no era visible corrosión por fricción alguna después de 2 150 000 ciclos.

El cordón de acero anterior corresponde a la fórmula general: 7 x 7.

Otras construcciones adecuadas de cordón de acero son (sujetas a la estructura abierta y el grado de deformación requeridos de las hebras exteriores):

- 19 + 8 x 7

- 7 x 19

- 1 x 7 + 7 x 7

- 19 + 9 x 7

- 1 x 3 + 5 x 7

La Figura 3 ilustra un cordón de acero alternativo 16 para el refuerzo de un material compuesto de acuerdo con la invención. La diferencia principal con el cordón de acero (a) de la Figura 1 es que el núcleo de la hebra de núcleo es ahora un material plástico 30, v.g. un poliuretano de la misma familia que el material matriz a reforzar. Este material plástico 30 es necesario para prevenir que los filamentos 24 formen una estructura completamente cerrada. Los filamentos de acero están provistos también todos ellos con un recubrimiento delgado de cinc que tiene un espesor medio de aproximadamente 0,5 \mum a 1,0 \mum.

La Figura 4 ilustra otro cordón de acero alternativo adicional 16 para el refuerzo de un material compuesto de acuerdo con la invención. El núcleo del cordón de acero 16 está formado ahora completamente por un material plástico 32, que es lo bastante grueso para impedir que las hebras 20 formen una estructura cerrada y entren en contacto unas con otras. Así, el material plástico 32 contribuye a obtener una estructura abierta y favorece la evitación de desgaste por rozamiento entre las hebras 20 adyacentes.

Al nivel de las hebras, el núcleo de cada hebra 20 está formado por otro material plástico 34. Siete filamentos exteriores 28 rodean este otro material plástico 34.

En este caso, nuevamente, los filamentos del cordón de acero están provistos todos ellos de un recubrimiento delgado de cinc con un espesor medio de aproximadamente 0,5 \mum a 1,0 \mum.

La Figura 5 muestra la sección transversal de un filamento de acero galvanizado 36 de acuerdo con la invención. El filamento de acero 36 tiene un núcleo de acero y un recubrimiento de cinc 40 de espesor menor que 2 micrómetros. Entre el núcleo de acero 38 (aproximadamente 100% acero) y el recubrimiento de cinc 40 (aproximadamente 100% cinc), está presente una capa de transición 42 de una aleación cinc-acero.

Dicha capa de transición puede obtenerse si, en contraste con un método de deposición electrolítica de cinc, el alambre de acero se recubre de zinc por medio de una operación de inmersión en caliente. En una operación de inmersión en caliente, el alambre de acero se desplaza a través de un baño de cinc fundido y sale del baño galvanizado.

Si el alambre de acero sale del baño verticalmente, está presente una capa gruesa de cinc junto con una capa de aleación cinc-acero relativamente gruesa y rugosa. Tanto la capa gruesa de cinc como la capa de aleación acero-cinc presentan desventajas. La capa gruesa de cinc produce demasiado polvo de cinc y partículas de cinc durante los pasos subsiguientes de estirado y trenzado. La capa de aleación acero-cinc, aunque aumenta la resistencia a la corrosión, es demasiado quebradiza y da como resultado una disminución en la resistencia a la fatiga.

Si el alambre de acero sale del baño formando un pequeño ángulo con respecto a una línea horizontal y si el alambre de acero que sale se frota mecánicamente, v.g., por medio de una tela cerámica, se observan tres diferencias con respecto a la salida en vertical:

(a) un espesor reducido del recubrimiento de cinc;

(b) un espesor reducido de la capa de transición cinc-acero;

(c) una reducción en la rugosidad de la capa de transición cinc-acero.

Las tres diferencias conducen en conjunto a una reconciliación entre los dos requerimientos en conflicto de resistencia suficiente a la fatiga y resistencia suficiente a la corrosión.

El espesor reducido del recubrimiento de cinc (a) y el espesor reducido de la capa de transición cinc-acero (b) conducen a un aumento en la resistencia a la fatiga.

La presencia de la capa de transición cinc-acero (b) da como resultado una resistencia aceptable a la corrosión, que es significativamente mayor que el caso en que no existe capa de transición cinc-acero.

El espesor reducido del recubrimiento de cinc (a) y la reducción en la rugosidad de la capa de transición cinc-acero (c) conducen a manos producción de polvo de cinc y partículas de cinc durante los pasos de estirado en frío subsiguientes. La reducción en el espesor del recubrimiento de cinc (a), el estirado en frío no conduce a más fracturas durante los pasos de estirado en frío y los pasos de trenzado, dado que la capa de transición quebradiza se reduce también en espesor (b) y dado que la capa de transición tiene una rugosidad (c) reducida.

La Tabla 2 siguiente proporciona una indicación de la diferencia en resistencia a la fatiga entre un cordón de acero de referencia \code{1} compuesto de filamentos de acero galvanizados por inmersión en caliente y que sale verticalmente del baño de cinc y un cordón de acero de la invención \code{2} galvanizado por inmersión en caliente y que sale del baño de cinc en un pequeño ángulo con el plano horizontal.

TABLA 2

	Cordón de acero de	Cordón de acero de
	referencia \code{1}	la invención \code{2}
Peso de cinc (g/kg)	80,1	26,1
Espesor de cinc (\mum)	3,3	1,1
Resistencia a la fatiga Hunter en seco (términos relativos)	100	131
Resistencia a la fatiga Hunter en húmedo (términos relativos)	100	117
Número de ciclos de flexión antes de la fractura del cordón	100	472
embebido bajo carga de tracción (términos relativos)

Claims (10)

1. Un cordón de acero (16) adaptado para el refuerzo de elastómeros termoplásticos, comprendiendo dicho cordón de acero más de una hebra (18, 20), comprendiendo cada hebra dos o más filamentos de acero (22, 24, 26, 28), estando provistos al menos algunos de dichos filamentos de acero con un recubrimiento de cinc (40) caracterizado porque dicho recubrimiento de cinc tiene un espesor menor que dos micrómetros y que está presente una capa de aleación cinc-acero (42) entre el recubrimiento de cinc (40) y el acero (22, 24, 26, 28).

2. Un cordón de acero (16) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho recubrimiento de cinc (40) tiene un espesor menor que un micrómetro.

3. Un cordón de acero (16) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual dicho cordón de acero comprende un núcleo de cordón (18, 32) y tres o más hebras exteriores (20) trenzadas alrededor de dicho núcleo de cordón y en contacto con dicho núcleo de cordón.

4. Un cordón de acero (16) de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual dicho núcleo de cordón es un material plástico (32).

5. Un cordón de acero (16) de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual dicho núcleo de cordón es una hebra de núcleo (18) con dos o más filamentos (24).

6. Un cordón de acero (16) de acuerdo con la reivindicación 5, en el cual dicho cordón de acero es un cordón de acero con una hebra de núcleo (18) y seis hebras exteriores (20) de acuerdo con la fórmula:

d_{1} + 6 \ x \ d_{2} + 6 \ x \ (d_{2} + 6 \ x \ d_{3})

donde

d_{1} > 1,05 \ x \ d_{2} y

d_{2} > 1,05 \ x \ d_{3},

donde

d_{1} es el diámetro del filamento (22) en el núcleo de cordón (18);

d_{2} es el diámetro de los filamentos (24) del núcleo de cordón (18) y el diámetro de los filamentos (26) de las hebras (20); y

d_{3} es el diámetro de los filamentos (28).

7. Un material compuesto que comprende un elastómero termoplástico como material matriz y un cordón de acero (16) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores como material de refuerzo.

8. Un material compuesto de acuerdo con la reivindicación 7, en el cual dicho material compuesto es una cinta (10).

9. Un material compuesto de acuerdo con la reivindicación 8, en el cual dicha cinta (10) es una cinta estriada.

10. Un material compuesto de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9 en el cual dicho elastómero termoplástico es un poliuretano.