JP2011200913A - 冷間鍛造用鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】鋼板の少なくとも片面に、シラノール結合に起因する成分、耐熱樹脂、無機酸塩、潤滑剤の各成分が膜厚方向に濃度勾配を有することで、鋼板との界面側から順に、密着層とベース層と潤滑剤層の3層に識別可能な傾斜型の3層構造を有する表面処理皮膜を設け、各層の厚みを規定した。
【選択図】図1
Description
まず、図1を参照しながら、本発明に係る冷間鍛造用鋼板の構成について説明する。図1は、本発明に係る冷間鍛造用鋼板の構成を模式的に示す説明図である。
冷間鍛造用鋼板1の素地となる鋼板10としては、例えば、熱延鋼板、冷延鋼板、各種めっき鋼板、ステンレス鋼板、高炭素鋼板などを用いることができ、特に限定されるものではない。めっき鋼板の例としては、亜鉛めっき鋼板、アルミニウムめっき鋼板、ニッケルめっき鋼板、亜鉛とニッケル、鉄、アルミニウム、チタン、マグネシウム、クロム、マンガン、スズなどの1種または2種以上の金属との合金めっき鋼板などがある。
表面処理皮膜100は、当該皮膜中の各成分が膜厚方向に濃度勾配を有することで、表面処理皮膜100と鋼板10との界面側から表面処理皮膜100の表面側に向かって、密着層110、ベース層120、潤滑剤層130の順に3層に識別可能な傾斜型の3層構造を有する皮膜である。
密着層110は、冷間鍛造時の加工に伴う表面処理皮膜100と素地である鋼板10との密着性を確保し、冷間鍛造用鋼板1と金型との焼き付きを防止する役割を有する。具体的には、密着層110は、表面処理皮膜100と鋼板10との界面側に位置し、シラノール結合に起因する成分を、表面処理皮膜100を構成する3層のうちで最も多く含む層である。
ベース層120は、冷間鍛造時における鋼板追従性を向上させ、また、潤滑剤131を保持し、金型との焼き付きに対する硬さおよび強度を冷間鍛造用鋼板1に付与し、さらには、潤滑剤130を保持する役割を有する。具体的には、ベース層120は、密着層110と潤滑剤層130との間に中間層として位置し、耐熱樹脂および無機酸塩を、主成分として、表面処理皮膜100を構成する3層のうちで最も多く含む層である。
潤滑剤層130は、表面処理皮膜100の潤滑性を向上させ、摩擦係数を低減する役割を有する。具体的には、潤滑剤層120は、表面処理皮膜100の最表面側に位置し、潤滑剤131を、表面処理皮膜100を構成する3層のうちで最も多く含む層である。
以上説明したように、本発明に係る冷間鍛造用鋼板1においては、鋼板10側に密着層110、皮膜表面側に潤滑剤層130、これらの間にベース層120の3つの層を存在させることが重要であり、いずれの層が欠けても、本発明で意図している冷間鍛造に耐え得る潤滑性を発揮することができない。また、密着層110、ベース層120、潤滑剤層130の各層の厚みが上述した範囲内でない場合にも、本発明で意図している冷間鍛造に耐え得る潤滑性を発揮することができない。従って、本発明では、密着層110、ベース層120、潤滑剤層130の各層が形成されているかどうかを確認する方法、および、これらの膜厚を測定する方法も重要となる。
以上、本発明に係る冷間鍛造用鋼板の構成について詳細に説明したが、続いて、このような構成を有する本発明に係る冷間鍛造用鋼板の製造方法について説明する。
本発明に係る冷間鍛造用鋼板の製造方法に用いる表面処理液は、水溶性シランカップリング剤、水溶性無機酸塩、水溶性耐熱樹脂および潤滑剤を含むが、無機酸塩、耐熱樹脂および潤滑剤の詳細については上述したので、ここでは説明を省略する。
上記表面処理液の鋼板10への塗布方法としては、例えば、鋼板10を表面処理液中に浸漬させる方法等を用いることができる。この場合、鋼板10を予め表面処理液の温度より高く加温しておくか、さもなければ、乾燥の際に温風で乾燥させることが必要である。具体的には、例えば、鋼板10を80℃程度の温水中に1分程度浸漬させた後、40℃〜60℃程度の温度の表面処理液に1秒程度浸漬し、その後、室温で2分程度乾燥させることにより、密着層110、ベース層120および潤滑剤層130からなる3層構造の傾斜型の表面処理皮膜100を形成することができる。
表面処理皮膜100を構成する各層の膜厚は、表面処理液の塗布量、表面処理液中の各成分の濃度、表面処理液と素地である鋼板10との反応性、親水性/疎水性を適宜制御することにより、上述したような膜厚の範囲となるよう調整することができる。
以上のように、水溶性シランカップリング剤、水溶性無機酸塩、水溶性耐熱樹脂および潤滑剤を水に溶解または分散させた表面処理液を鋼板10に塗布した後に乾燥させることにより、傾斜型の表面処理皮膜100が形成される理由を、本発明者は以下のように推定している。まず、上記のように鋼板10を予め表面処理液の温度より高く加温しておくと、鋼板10の温度が表面処理液の温度より高いので、表面処理液が鋼板10上に塗布されて形成された薄膜内では、固液界面の温度が高い一方で、気液界面の温度が低くなるため、薄膜内に温度差が生じ、溶媒となる水が揮発することから、薄膜内で微小な対流が起きる。また、常温の鋼板10に常温の表面処理液を塗布して形成された薄膜を温風により乾燥する場合には、気液界面の温度が高くなり、気液界面で表面張力が低下し、これを緩和するために薄膜内で微小の対流が起こる。上記のいずれの塗布・乾燥方法の場合も、対流が起こるとともに、空気との親和力の高い成分(例えば、潤滑剤)と、金属や水との親和力の高い成分(例えば、無機酸塩や耐熱樹脂)とに分離する。そして、徐々に水が揮発して膜状になった際には、各成分の濃度勾配を有する傾斜型の皮膜が形成される。
以上説明したような本発明に係る冷間鍛造用鋼板は、簡便な処理工程で、かつ、地球環境保全の観点からも好適な方法で製造可能であるとともに、優れた潤滑性を有する。従って、近年の環境対策を背景に、エネルギー消費の多い熱間鍛造や多量の材料ロスが発生する切削加工などの形状変形の大きい加工分野からの移行により、更に厳しい塑性加工や複雑な加工を要求される場合であっても、金型との焼き付きやカジリを発生することなく、問題なく加工することができる。
まず、下記の表1に示す成分を含有した表面処理液(薬剤)a〜qを調製した。なお、表1中で、無機酸塩として硝酸亜鉛とリン酸の組み合わせを使用しているのは、リン酸亜鉛が水に極めて溶けにくい一方で、酸には溶解するため、水に可溶性の硝酸亜鉛とリン酸との組み合わせにより、リン酸亜鉛を生成し、表面処理液中に存在させるようにするためである。
次に、上記のようにして調製した表面処理液a〜qを用いて、以下の方法により、傾斜型の3層構造の表面処理皮膜が板の両面に形成された冷間鍛造用鋼板(No.1〜29)を製造した(下記表3を参照)。
本実施例では、高周波GDSを用いて膜厚の測定を行った。詳細には、表面処理皮膜の最表面から、高周波GDSの測定チャートにおいて、潤滑剤の代表元素(Mo、Cなど)のピーク強度の最大値の1/2のピーク強度を有する部分の深さ(膜厚方向の位置)までを、潤滑剤層の厚みとした。また、表面処理皮膜と鋼板との界面から、高周波GDSの測定チャートにおいて、シラノール結合に起因する成分の代表元素(Si)のピーク強度の最大値の1/2のピーク強度を有する部分までの深さ(膜厚方向の位置)までを、密着層の厚みとした。さらに、潤滑剤の代表元素(Mo)のピーク強度の最大値の1/2のピーク強度を有する部分から、シラノール結合に起因する成分の代表元素(Si)のピーク強度の最大値の1/2のピーク強度を有する部分までを、ベース層の厚みとした。また、潤滑剤層(潤滑剤成分)とベース層(無機塩成分)の代表元素、および、ベース層(無機塩成分)と密着層(シラノール結合に起因する成分)の構成元素が同じ場合には、他の元素を用いて測定した。
本実施例では、下記に示す評価方法および評価基準により、上記のようにして製造された冷間鍛造用鋼板の皮膜密着性および加工性を評価した。
皮膜密着性の評価は、平ビード金型を用いた引抜き摺動試験にて行った。サイズ30×200mmでエッジの剪断バリを落としたものを試験片に供した。摺動前のサンプルを蛍光X線分析装置にて皮膜の構成主元素の強度を測定した。
加工性の評価は、スパイク試験方法にて実施した。スパイク試験は、図2の(a)に示すように、ロート状の内面形状を有するダイ3の上に、円柱状のスパイク試験片2を載せて、この後プレート1を介して荷重を掛けてスパイク試験片2をダイ3内に押し込んで、図2の(b)に示す加工後のスパイク試験片2の形状に成型する。このようにしてダイ形状に従うスパイクを形成し、この際のスパイク高さ(mm)で潤滑性を評価した。従って、スパイク高さが高い方が潤滑性に優れるとの評価となる。
Claims (5)
- 鋼板の少なくとも片面に、Si−X−O(Xは、前記鋼板の構成成分である金属)で表されるシラノール結合に起因する成分、耐熱樹脂、無機酸塩および潤滑剤の各成分を含む表面処理皮膜を有し、
前記表面処理皮膜は、前記各成分が膜厚方向に濃度勾配を有することで、前記表面処理皮膜と前記鋼板との界面側から順に、密着層とベース層と潤滑剤層の3層に識別可能な傾斜型の3層構造を有し、
前記密着層は、前記シラノール結合に起因する成分を前記3層の中で最も多く含み、0.1nm以上100nm以下の厚みを有する層であり、
前記ベース層は、前記耐熱樹脂および前記無機酸塩を前記3層の中で最も多く含み、かつ、前記無機酸塩の含有量が前記耐熱樹脂100質量部に対して0.01質量部以上10質量部以下であり、0.1μm以上15μm以下の厚みを有する層であり、
前記潤滑剤層は、前記潤滑剤を前記3層の中で最も多く含み、0.1μm以上10μm以下の厚みを有する層であり、
前記潤滑剤層の厚みに対する前記ベース層の厚みの比は、0.2以上10以下であることを特徴とする、冷間鍛造用鋼板。 - 前記無機酸塩は、リン酸塩、ホウ酸塩、ケイ酸塩、モリブデン酸塩およびタングステン酸塩からなる群より選択される少なくとも1種の化合物であることを特徴とする、請求項1に記載の冷間鍛造用鋼板。
- 前記耐熱樹脂は、ポリイミド樹脂であることを特徴とする、請求項1または2に記載の冷間鍛造用鋼板。
- 前記潤滑剤は、ポリテトラフルオロエチレン、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、酸化亜鉛およびグラファイトからなる群より選択される少なくとも1種であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の冷間鍛造用鋼板。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の冷間鍛造用鋼板の製造方法であって、
水溶性シランカップリング剤、水溶性無機酸塩、水溶性耐熱樹脂および潤滑剤を含む水系の表面処理液を鋼板の少なくとも片面に塗布した後に、前記表面処理液を乾燥させることにより、前記鋼板の少なくとも片面に前記表面処理皮膜を形成することを特徴とする、冷間鍛造用鋼板の製造方法。
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