ES2305790T3 - Cuerda de acero con capas abiertas con carga de ruptura elevada. - Google Patents
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Abstract
Una cuerda de acero adaptada para el reforzamiento de elastómeros, comprendiendo dicha cuerda: - un núcleo constituido por un filamento de acero cuyo diámetro es dc, estando dicho núcleo recubierto con un polímero; - seis filamentos intermedios de acero cuyos diámetros son di, el cual es menor o igual que el diámetro dc de dicho núcleo constituido por el filamento de acero, estando dichos filamentos de acero intermedios torcidos alrededor de dicho núcleo constituido por un filamento de acero; - diez u once filamentos exteriores de acero que tienen un diámetro do menor o igual que dicho diámetro di de los filamentos intermedios de acero, estando dichos filamentos exteriores de acero torcidos alrededor de dichos filamentos intermedios de acero, estando dichos filamentos exteriores de acero preformados poligonalmente para permitir la penetración del caucho dentro de dicha cuerda; dicho núcleo constituido por un filamento de acero, dichos filamentos intermedios de acero y dichos filamentos exteriores de acero teniendo todos una resistencia a la tensión de al menos 2600 MPa, teniendo dicha cuerda un diámetro exterior D de acuerdo con la fórmula siguiente: D <_ dc + 2xdi + 2xd0 + 0,1 donde todos los diámetros están expresados en milímetros (mm).
Description
Cuerda de acero con capas abiertas con carga de
ruptura elevada.
La presente invención está relacionada con una
cuerda de acero adaptada para el reforzamiento de elastómeros.
Las cuerdas de acero se utilizan comúnmente para
el reforzamiento de elastómeros tales como los neumáticos de
caucho.
A las cuerdas de acero se les imponen muchos
requerimientos, particularmente para las aplicaciones dinámicas
tales como los neumáticos de caucho. Se requiere que las cuerdas de
acero tengan:
- (a)
- una carga de ruptura elevada;
- (b)
- una resistencia elevada contra la fatiga;
- (c)
- una resistencia elevada contra la corrosión;
- (d)
- un diámetro de la cuerda pequeño.
Una carga de ruptura elevada (a) puede obtenerse
torciendo la cuerda de acero con filamentos que posean una
resistencia elevada a la tensión, es decir, filamentos de acero con
una composición de alto contenido de carbono que hayan estado
sujetos a una elevada deformación final mediante una operación de
tracción, de forma tal de obtener una resistencia elevada a la
tensión. Suponiendo que se parte de un diámetro igual del alambre
de acero para el producto semielaborado, mientras más finos sean los
diámetros de los filamentos finales, mayor será la relación de
deformación y más elevada la resistencia a la tensión que se puede
obtener. La carga de ruptura elevada de la cuerda se obtiene
entonces torciendo los filamentos de tensión elevada en una
configuración compacta, es decir, una configuración con mucha
sección transversal de acero por sección transversal total.
Para obtener una elevada resistencia a la fatiga
(b), se sabe que hay que disminuir el diámetro de los filamentos de
acero individuales que componen la cuerda de acero, incrementar la
resistencia al esfuerzo de los filamentos y evitar el desgaste
interno excesivo de la cuerda. La disminución del diámetro de los
filamentos de acero individuales también aumenta parcialmente la
carga de ruptura elevada (a), ya que la tracción adicional para
lograr filamentos de acero más finos incrementa la resistencia a la
tensión.
Una elevada resistencia contra la corrosión (c)
se obtiene mediante estructuras abiertas de las cuerdas de acero,
que permiten que el elastómero o el caucho penetren en la cuerda de
acero entre los filamentos de acero individuales, de forma de
evitar que la humedad se desplace por los espacios vacíos hacia
adentro y a lo largo de la cuerda de acero. Este carácter abierto
de la cuerda de acero, sin embargo, se opone directamente al
objetivo de obtener una carga de ruptura elevada (a) y una elevada
resistencia a la fatiga, ya que reduce la compactibilidad y la
cantidad de sección transversal de acero por sección transversal
total, y porque para lograr una carga de ruptura elevada y una
elevada resistencia a la fatiga se requieren muchos filamentos
pequeños, lo que dificulta la obtención de una estructura
totalmente abierta.
Se requiere un diámetro de la cuerda pequeño,
(d), para reducir la cantidad necesaria de caucho para impregnar
las cuerdas de acero, y por lo tanto el costo y peso totales del
neumático. Sin embargo, un diámetro de la cuerda pequeño es opuesto
a una carga de ruptura elevada ya que hay menos acero
disponible.
La patente WO 99/31313 A describe una cuerda
compacta que comprende un núcleo recubierto con un polímero y una
cantidad saturada de filamentos torcidos alrededor del núcleo.
Un objetivo general de la presente invención es
evitar los inconvenientes del arte anterior.
Otro objetivo de la presente invención es
proporcionar una cuerda de acero con una carga de ruptura elevada,
una resistencia elevada contra la fatiga y una resistencia elevada
contra la corrosión.
Un objetivo adicional de la presente invención
es proporcionar una cuerda de acero con una carga de ruptura
elevada, un diámetro pequeño de la cuerda de acero y una buena
penetración del caucho.
De acuerdo con la presente invención se
proporciona una cuerda de acero adaptada para el reforzamiento de
elastómeros.
La cuerda de acero comprende:
- -
- un núcleo constituido por un filamento de acero cuyo diámetro es d_{c}; dicho núcleo está recubierto con un polímero;
- -
- seis filamentos intermedios de acero cuyos diámetros son d_{i}, el cual es menor o igual que el diámetro d_{c} del núcleo constituido por el filamento de acero; estos filamentos de acero intermedios están torcidos alrededor de dicho núcleo;
- -
- diez u once filamentos exteriores de acero con diámetros d_{o}, el cual es menor o igual que el diámetro d_{i} de los filamentos intermedios de acero; estos filamentos exteriores de acero están preformados poligonalmente para permitir la penetración del caucho dentro de la mencionada cuerda.
El núcleo constituido por un filamento de acero,
los filamentos intermedios de acero y los filamentos exteriores de
acero tienen todos una resistencia a la tensión de al menos 2600
MPa, por ejemplo, por encima de 2800 MPa.
La cuerda de acero tiene un diámetro exterior D
de acuerdo con la fórmula siguiente:
D \leq d_{c} +
2xd_{i} + 2xd_{0} +
0.1
donde todos los diámetros están
expresados en milímetros
(mm).
El polímero que recubre el núcleo constituido
por un filamento de acero llena los espacios existentes entre dicho
núcleo y los filamentos intermedios de acero, evitando el desgaste
intenso entre los filamentos intermedios de acero y el núcleo
constituido por un filamento de acero.
Preferiblemente, los diámetros d_{c}, d_{i}
y d_{o} de los filamentos de acero deben estar todos entre 0.15
mm y 0.40 mm, por ejemplo, entre 0.17 mm y 0.37 mm, o entre 0.22 mm
y 0.37 mm.
El preformado de los filamentos exteriores de
acero es poligonal, tal como se describe en
EP-B-0 734 468. Un preformado
poligonal de los filamentos de acero exteriores tiene la ventaja de
que la total penetración del caucho hasta los filamentos de acero
intermedios es obtenida por medio de un pequeño grado de
preformación. Este pequeño grado de preformación tiene dos
ventajas.
Una primera ventaja es que no incrementa mucho
el diámetro exterior de la cuerda de acero. Como se mencionó en la
fórmula anterior, el diámetro exterior D de la cuerda es solamente
0.1 mm mayor que la suma de los diámetros de todos los filamentos
de acero individuales junto con el diámetro de la cuerda de
acero.
Una segunda ventaja es que no disminuye
sustancialmente la resistencia a la tensión de los filamentos de
acero preformados poligonalmente. De aquí se comprende que la
deformación plástica que no sea la de la tracción adicional
disminuye usualmente la resistencia a la tensión de los filamentos
de acero preformado. Con un preformado poligonal apropiado, sin
embargo, se controla y limita esta disminución.
La carga de ruptura de la cuerda de acero de la
invención es mayor que 3250 Newton, preferiblemente mayor que 3500
Newton, por ejemplo, mayor que 3700 Newton.
En la cuerda de acero de la invención, o bien el
paso de torsión intermedio es diferente del paso de torsión
exterior, o la dirección de torsión intermedia es diferente de la
dirección de torsión exterior, o ambos.
La cuerda de acero de la invención puede usarse
en un neumático de caucho, y más particularmente en las capas de la
carcasa, en la banda de rodadura en el área del revestimiento
protector del talón o en el talón, pero debe utilizarse
preferiblemente en las capas de ruptura de un neumático de
caucho.
Ahora se describirá la invención con más detalle
haciendo referencia a los dibujos que se incluyen en este
documento
- La Figura 1 muestra una sección transversal de
una realización preferida de una cuerda de acero de la
invención.
La Figura 1 nuestra la sección transversal de
una cuerda de acero 10 de acuerdo con la invención. La cuerda de
acero 10 comprende un núcleo constituido por un filamento de acero
12 de 0.30 mm. Este núcleo constituido por un filamento de acero 12
se ha recubierto con anterioridad, por ejemplo, por medio de un
proceso de extrusión, por un polímero 12 tal como el tereftalato de
polietileno (PET). El PET ha demostrado ser un polímero adecuado
debido a su baja absorción de humedad y a su elevada resistencia
contra el desgaste mecánico con los filamentos próximos. Antes del
proceso de torsión de la cuerda de acero 10, el diámetro del núcleo
constituido por un filamento de acero 12 recubierto con el PET 14
es de alrededor de 0.38 mm.
Una capa intermedia de seis filamentos
intermedios de acero 16 está torcida alrededor del núcleo
constituido por un filamento de acero 12 recubierto con el PET 14.
El diámetro de los filamentos intermedios de acero 16 es de 0.30
mm. El paso de torsión de los filamentos intermedios de acero 16 es
de 9 mm en la dirección S. Debido a la presión radial de los
filamentos de la capa intermedia 16, el PET 14 fluye un poco entre
los filamentos intermedios de acero 16. Una capa exterior de 11
filamentos exteriores de acero 18 está torcida alrededor de los
filamentos intermedios de acero 16. Los filamentos exteriores de
acero 18 se han preformado poligonalmente de acuerdo con
EP-B1-0 734 468. El diámetro de los
filamentos exteriores de acero 18 es de 0.28 mm. El paso de torsión
de los filamentos exteriores de acero 18 es de 18 mm en la dirección
S.
Las características de la cuerda pueden
resumirse como:
30PC + 6x0.30 +
11x0.28 HT BETRU® 9/18
S/S
donde PC significa "recubierto
con polímero", HT es "tensión elevada" y BETRU® se refiere a
los filamentos preformados poligonalmente en la capa
exterior.
La Tabla 1, que aparece a continuación, resume
algunas propiedades de esta cuerda.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
La cuerda de la Tabla 1 combina una carga de
ruptura elevada (mayor que 3250 Newton) con una configuración densa
(un diámetro menor que 1.60 mm) y una penetración total del caucho
(cero caída de presión y sin secciones con porosidad).
\vskip1.000000\baselineskip
El polímero usado en la prueba es un PET, con
las propiedades siguientes:
- -
- punto de fusión cristalino: 255-258ºC;
- -
- Punto de ablandamiento Vicat DIN 53 460: 180-190ºC;
- -
- Módulo E DIN 53 457 ISO 527: 2500 MPa;
- -
- Resistencia a la tensión DIN 53 455 - ISO 527: > 60 MPa;
- -
- Elongación DIN 53 455 - ISO 527: > 50%;
- -
- Dureza DIN 53 456: 120 - 125 MPa;
- -
- Absorción de humedad (20ºC, 50% de humedad relativa): 0.3%.
\vskip1.000000\baselineskip
Se pueden obtener cargas de ruptura elevadas si
se usan filamentos con una elevada resistencia a la tensión por
ejemplo filamentos con una resistencia a la tensión superior a los
3000 Mpa.
Este es el caso del ejemplo siguiente:
0.30 + 6x0.30 +
11x0.28 HT BETRU® 10/20
S/S
donde PC significa "recubierto
con polímero", UHT es "tensión ultra elevada" y BETRU® se
refiere a los filamentos preformados poligonalmente en la capa
exterior.
La Tabla 2 resume los resultados de esta
cuerda.
\vskip1.000000\baselineskip
Como se puede deducir de la Tabla 2, se ha
fabricado una cuerda de la invención con una carga de ruptura no
menor que 3879 Newton, un diámetro promedio menor que 1.50 mm y con
una penetración total del caucho. Hasta ahora no se había alcanzado
esta combinación particular de parámetros.
En una perspectiva más amplia, los filamentos de
acero de una cuerda de acero de acuerdo con la invención tienen
usualmente un diámetro que varía entre 0.03 mm y 0.80 mm, y
preferiblemente entre 0.05 mm y 0.37 mm.
Los filamentos de acero tienen una composición
comprendida en las siguientes estipulaciones: un contenido de
carbono que varía desde el 0.70 hasta el 1.15%, un contenido de
manganeso que varía desde 0.10 hasta el 1.10%, un contenido de
silicio que va desde 0.10 hasta el 0.90%, contenidos de azufre y
fósforo no mayores del 0.15%, preferiblemente hasta el 0.01%; se
pueden añadir elementos adicionales tales como cromo (hasta 0.20 o
0.40%), cobre (hasta el 0.20%), níquel (hasta el 0.30%), cobalto
(hasta el 0.20%) y vanadio (hasta el 0.30%).
La resistencia a la tensión R_{m} final de los
filamentos depende de su diámetro: por ejemplo, un filamento de 0.2
mm para tensión normal tiene una Rm superior a los 2800 Mega Pascal
(MPa) aproximadamente, un filamento de 0.2 mm para tensión elevada
(HT) tiene una Rm superior a los 3400 MPa aproximadamente, un
filamento de 0.2 mm para tensión súper elevada (SHT) tiene una
R_{m} superior a los 3600 Mpa aproximadamente y un filamento de
0.2 mm para tensión ultra elevada (UHT) tiene una Rm superior a los
4000 MPa aproximadamente.
Para las resistencias a la tensión más elevadas,
es adecuada la siguiente composición del acero: un contenido de
carbón que varía desde 0.90% hasta el 1.10%, un contenido de silicio
inferior al 0.40%, un contenido de manganeso por debajo del 0.50% y
un contenido de cromo que varía desde el 0.10% hasta el 0.30%.
Los filamentos de acero se recubren con una capa
que facilita la adhesión del caucho: recubrimientos con aleaciones
de cobre tales como latón (ya sea con bajo contenido de cobre (63.5%
Cu), o con elevado contenido de cobre (67.5% Cu), o con un
recubrimiento de latón complejo (Ni + latón, latón + Co...) o de
bronce. También son posibles recubrimientos con cinc y con
aleaciones de cinc (por ejemplo, con aluminio o magnesio) tratados
con silanos para la adhesión del caucho.
La cuerda de acero de acuerdo con la invención
puede fabricarse por medio de una máquina de torsión tubular
conocida o preferiblemente por medio de un dispositivo conocido de
torsión doble. El recubrimiento del núcleo constituido por un
filamento de acero con el polímero puede hacerse antes del proceso
de torsión por medio de un proceso de extrusión.
Claims (5)
1. Una cuerda de acero adaptada para el
reforzamiento de elastómeros, comprendiendo dicha cuerda:
- -
- un núcleo constituido por un filamento de acero cuyo diámetro es d_{c}, estando dicho núcleo recubierto con un polímero;
- -
- seis filamentos intermedios de acero cuyos diámetros son d_{i}, el cual es menor o igual que el diámetro d_{c} de dicho núcleo constituido por el filamento de acero, estando dichos filamentos de acero intermedios torcidos alrededor de dicho núcleo constituido por un filamento de acero;
- -
- diez u once filamentos exteriores de acero que tienen un diámetro d_{o} menor o igual que dicho diámetro d_{i} de los filamentos intermedios de acero, estando dichos filamentos exteriores de acero torcidos alrededor de dichos filamentos intermedios de acero, estando dichos filamentos exteriores de acero preformados poligonalmente para permitir la penetración del caucho dentro de dicha cuerda;
- dicho núcleo constituido por un filamento de acero, dichos filamentos intermedios de acero y dichos filamentos exteriores de acero teniendo todos una resistencia a la tensión de al menos 2600 MPa,
teniendo dicha cuerda un diámetro exterior D de
acuerdo con la fórmula siguiente:
D \leq d_{c} +
2xd_{i} + 2xd_{0} +
0.1
donde todos los diámetros están
expresados en milímetros
(mm).
2. Una cuerda de acero de acuerdo con la
reivindicación 1 donde todos los diámetros d_{c}, d_{i} y
d_{0} varían entre 0.15 mm y 0.40 mm.
3. Una cuerda conforme a cualquiera de las
reivindicaciones precedentes donde dicha cuerda tiene una carga de
ruptura de al menos 3250 Newton.
4. Una cuerda de acero de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, estando dichos filamentos
intermedios de acero torcidos con un paso de torsión intermedio,
estando dichos filamentos exteriores de acero torcidos con un paso
de torsión exterior, siendo dicho paso de torsión intermedio
diferente de dicho paso de torsión exterior.
5. Una cuerda de acero de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, estando dichos filamentos
intermedios de acero torcidos en una dirección de torsión
intermedia, estando dichos filamentos exteriores de acero torcidos
en una dirección de torsión exterior, siendo dicha dirección de
torsión intermedia igual a dicha dirección de torsión exterior.
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