JP2012051014A

JP2012051014A - 温間伸線用ステンレス鋼線材及びその伸線方法

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Publication number: JP2012051014A
Application number: JP2010196931A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Tada; 好宣多田; Koji Takano; 光司高野; Yuji Mori; 祐司森; Noboru Yamamoto; 昇山本; Akio Shimizu; 秋雄清水
Original assignee: Nihon Parkerizing Co Ltd; Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Current assignee: Nihon Parkerizing Co Ltd; Nippon Steel Stainless Steel Corp
Priority date: 2010-09-02
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2012-03-15

Abstract

【課題】安価な通電加熱方式であっても安定的に加熱することができ、これにより伸線加工に要するトータルコストを大幅に低減することができる温間伸線用ステンレス鋼線材及びその伸線方法を提供すること。
【解決手段】グラファイトを含有する潤滑被膜を表面に有し、３００℃における摩擦係数が０．３以下であり、且つ体積抵抗率が１×１０^−４Ω・ｍ以下であることを特徴とする通電加熱による温間伸線用ステンレス鋼線材および該温間伸線用ステンレス鋼線材を通電加熱により５０〜６００℃に加熱してから伸線加工することを特徴とする温間伸線用ステンレス鋼線材の伸線方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、温間伸線用ステンレス鋼線材及びその伸線方法に関する。

図１は従来技術に係る冷間伸線技術を示す工程図である。当該図に示すように、従来、ステンレス鋼線材を伸線加工するに際しては、伸線加工の前処理として潤滑被膜処理を行い、化学反応によって潤滑剤と鋼材とを密着させていた。このため、密着度を高めるための潤滑前処理付与又は潤滑剤処理の長時間化、高温化、複数回塗布等により、その処理に要するコストが高額となって、伸線加工に要するトータルコストを低減することは困難であった。

一方、前記の化学反応による潤滑被膜処理とは異なる技術として、これは鍛造加工に関する技術であるが、線材又は鋼線を連続的に供給して、鍛造加工直前にインラインの誘導加熱により加熱してパーツフォーマする技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この技術によれば、誘導加熱により加熱するため、潤滑剤の種類に依存することはない。したがって、スパークの発生を防止することができ、安定的に線材又は鋼線を加熱することができる。
しかしながら、誘導加熱は設備費が高く、前記の化学反応による潤滑被膜処理を行う技術と同様に、加工に要するトータルコストを低減することは困難である。

この問題を解決する技術として、回転電極を通じて直接通電加熱する技術が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
しかしながら、ステンレス鋼線材のヘッダー加工やパーツフォーマ加工用の潤滑材は、蓚酸塩被膜に代表されるように導電性が悪く、通電加熱時にスパークが発生する等、安定して通電加熱することができない。

以上のとおり、加工に要するトータルコストを低減するには通電加熱するのが望ましいが、安価な通電加熱方式にて安定的に加熱することができる、温間伸線用ステンレス鋼線材及びその伸線方法は提案されていなかった。

特開平６−１３４５４３号公報特許平６−７９３８９号公報

本発明の解決すべき課題は、安価な通電加熱方式であっても安定的に加熱することができる、温間伸線用ステンレス鋼線材及びその伸線方法を提供することである。すなわち、伸線加工に要するトータルコストを大幅に低減することである。

本発明者らは、上記課題を解決するために種々検討した結果、ステンレス鋼線材表面に、グラファイトを含有する導電性および高温潤滑性を有する所定の潤滑被膜を形成することにより、安価な通電加熱方式であっても安定的に加熱することができるという技術的知見を得た。本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。

（１）グラファイトを含有する潤滑被膜を表面に有し、３００℃における摩擦係数が０．３以下であり、且つ体積抵抗率が１×１０^−４Ω・ｍ以下であることを特徴とする通電加熱による温間伸線用ステンレス鋼線材。
（２）前記グラファイトの平均粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする前記（１）に記載の温間伸線用ステンレス鋼線材。

（３）前記潤滑被膜中にＭｏＳ_２を含有することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の温間伸線用ステンレス鋼線材。
（４）前記潤滑被膜の付着量が０．１〜３０ｇ／ｍ^２であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の温間伸線用ステンレス鋼線材。

（５）前記（１）〜（４）に記載の温間伸線用ステンレス鋼線材を通電加熱により５０〜６００℃に加熱してから伸線加工することを特徴とする温間伸線用ステンレス鋼線材の伸線方法。

本発明に係る温間伸線用ステンレス鋼線材は、安価な通電加熱方式であっても安定的に加熱することができる。このため、一般的に伸線工程でダイス角度の浅い（１０度以下）場合には、鋼材表層部に歪が集中するため割れが発生しやすく、割れ防止のためにダイス角度及びダイスの配置に制約があるが、そのようなダイス制約を不要とすることができる。異形線加工においては、成形不良を防止するための粗成形加工を付与することなく異形線加工が可能である。

また、本発明に係る温間伸線用ステンレス鋼線材は、その表面に形成した潤滑被膜により優れた導電性および高温潤滑性を発揮するので、伸線コストアップ要因となる皮膜処理、伸線スピード規制、減面率規制、あるいは皮膜除去から解放することができる。これは、化学反応によって潤滑剤と鋼材とを密着させていた従来技術においては、密着度を高めるための潤滑前処理付与又は潤滑剤処理の長時間化、高温化、複数回塗布等により、その処理に要するコストが高額となって、伸線加工に要するトータルコストを低減することが困難であったことと比較すると極めて優れた効果の一つである。

また、被膜形成の対象となるステンレス鋼線材としてオーステナイト快削鋼（Ｓ：０．１５質量％以上）または二相ステンレス鋼を選択した場合には、断線、割れ防止のために中間に熱処理を付与することなく、伸線減面率３０％以上の伸線が可能となる。あるいは、高純度フェライトステンレス鋼を選択した場合には、断線、割れ防止のために結晶粒微細化（粒径≦７０μｍ≒グレインサイズナンバー５以上）をすることなく伸線が可能となる。

従来技術に係る冷間伸線方法を示す工程図である。本発明に係る伸線方法を示す工程図である。

本発明に係る伸線方法、すなわち、本発明に係る温間伸線用ステンレス鋼線材の伸線方法においては、図２に示すように、所定のステンレス鋼線材に所定の潤滑被膜を形成し、これを通電加熱により５０〜６００℃に加熱してから温間にて伸線加工する。初めに、通電加熱、伸線加工の対象となる本発明に係る温間伸線用ステンレス鋼線材について説明する。

本発明に係る温間伸線用ステンレス鋼線材は、所定のステンレス鋼線材の表面に所定の潤滑被膜を形成したものであり、被膜形成の対象となるステンレス鋼線材（素材）としては、γ系ステンレス鋼、二層ステンレス鋼、Ｓ含有ステンレス鋼、高純度フェライト系ステンレス鋼等を用いることができる。

ステンレス鋼線材の表面に形成する潤滑被膜について説明する。潤滑被膜を形成した温間伸線用ステンレス鋼線材の３００℃における摩擦係数が０．３を超える場合、通電加熱ができても温間伸線時に焼き付きが生じ易くなる。このため、安定して高生産性の温間伸線ができなくなる。
これを避けるために本発明においては、グラファイトを含有する潤滑被膜を素材表面に形成する。すなわち、潤滑被膜中に導電性と温間潤滑性に優れるグラファイトを混ぜて、潤滑被膜の３００℃における摩擦係数を０．３以下とする。グラファイトの含有量としては、被膜中に５質量％以上含有させることが望ましく、更に好ましくは１０質量％以上含有させることが望ましい。

ステンレス鋼線材の表面に形成する潤滑被膜には、温間伸線の温度に耐え得る耐熱性および鋼線材を取り扱う際に脱落しない密着性と強度が必要である。そのため、潤滑被膜の成分には水溶性無機塩、無機粒子、水溶性樹脂の１種以上に必須成分としてグラファイトを配合した水溶液、或は、水系の分散液に浸漬・乾燥させて被膜形成する。または、通電加熱直前にインラインでこれらを塗布することで被膜形成する。

ここで、水溶性無機塩としては、ホウ酸塩、モリブデン酸塩、タングステン酸塩、りん酸塩、バナジン酸塩、硫酸塩等を用いることができる。被膜中の水溶性無機塩の配合量は９０質量％以下が好ましい。水溶性無機塩の比率が高いと被膜の耐熱性は高くなるが潤滑剤の比率が下がるため摩擦係数が高くなる。

また、無機粒子としては、水酸化カルシウム、シリカ等を用いることができる。無機粒子は密着性を上げるとともに伸線時の高い面圧に耐え、素材とダイスとの金属接触を防止する。被膜中の無機粒子の配合量は９０％以下が好ましい。

また、水溶性樹脂は、鋼線材を取り扱う際の被膜密着性を高めることができる。配合する樹脂としては、本発明の鋼線材を通電加熱する温度で蒸散しないものであれば特に限定されないが、例えば、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂等を用いることができる。水溶性樹脂の配合比率が高いと被膜密着性は高くなるが被膜強度が低下するため、被膜中の水溶性樹脂の配合量は５０％以下が好ましい。

上記説明した潤滑被膜を形成した温間伸線用ステンレス鋼線材の体積抵抗率としては、１×１０^−４Ω・ｍ以下であることが望ましい。体積抵抗率が１×１０^−４Ω・ｍを超えると通電時にスパークが発生し易く、また、短時間で加熱が不可能になり、安定して高生産性の温間伸線ができなくなる。

前記グラファイトの平均粒径としては、１０μｍ以下であることが望ましい。潤滑被膜中のグラファイトは、導電性および温間潤滑性の観点から非常に重要な役割を果たすため、その存在状態は重要である。潤滑被膜中のグラファイトの平均粒径が１０μｍを超えると、温間での密着性が劣化し、温間潤滑性が劣化傾向を示す。好ましくは、潤滑被膜中のグラファイトの平均粒径は８μｍ以下である。

上記のように導電性と温間潤滑性を確保するにはグラファイトが有効であるが、ＭｏＳ_２を含有させると温間潤滑性が更に向上する。そのため、必要に応じて潤滑被膜中にＭｏＳ_２を１質量％以上含有させる。
また、スキンパスなどの伸線加工性を向上させるためには、金属石けん、ＷＡＸなどの固体潤滑粒子を配合すると効果的である。

潤滑被膜の付着量としては、温間潤滑性の確保に有効であるため０．１ｇ／ｍ^２以上を付着させることが望ましい。一方、３０ｇ／ｍ^２を超えて付着させると不経済的であるばかりか、スキンパスなどの伸線加工時に潤滑被膜が脱落してカスとなり作業性を劣化させる。あるいは、工具内に潤滑剤が過剰に入り、工具寿命を低下させる。このため、潤滑被膜の付着量としては、０．１〜３０ｇ／ｍ^２とするのが望ましい。より好ましい範囲は１〜２０ｇ／ｍ^２である。

通電加熱、伸線加工の対象となる本発明に係る温間伸線用ステンレス鋼線材については以上の通りであり、本発明に係る伸線方法においては、このような温間伸線用ステンレス鋼線材を通電加熱により５０〜６００℃に加熱してから温間にて伸線加工する。

通電加熱温度が５０℃未満の場合、伸線での断面、割れ等の抑制効果が小さい。そのため、通電加熱温度を５０℃以上に限定する。一方、６００℃を超えると温間伸線時に厚いスケールが生成し、伸線加工後のバレル研磨等、安価な方法でスケール除去が困難となり、大幅な製造コストアップとなる。このため、通電加熱温度を５０〜６００℃に限定する。より好ましい範囲は２００〜５００℃である。
なお、通電加熱手段としては、伸線前にロール間電極でインラインで通電加熱することが望ましい。

以下に本発明の実施例について説明する。表１に実施例の線材の化学組成を示す。

これらの化学組成の鋼線は、１５０ｋｇの真空溶解炉にて溶解し、φ１８０ｍｍの鋳片に鋳造し、その鋳片をφ９．５〜１５ｍｍまで熱間の線材圧延を行い、１０５０℃で熱間圧延を終了し、そのまま１０５０℃で５分保持後、水冷の連続熱処理を施して、酸洗を行い線材とした。
その後、蓚酸塩被膜を付与したものと、潤滑被膜の導電率を変化させるために水溶性塩機塩、ステアリン酸Ｃａ、グラファイト、ＭｏＳ_２の含有率や粒子径を変化させた溶液へ浸漬して乾燥させたものを供試材として作成した。
その後、２ロール方式（Ｃｕ電極）の通電加熱により常温〜６５０℃に急速加熱を施し、伸線ダイスを用いて各々φ９．４ｍｍまで伸線加工を施した。供試材の試験条件と評価結果の一部を表２に示す。

評価は、潤滑被膜付き鋼線の体積抵抗率、潤滑被膜付き鋼線の高温摩擦係数、潤滑被膜の付着量、潤滑被膜中のグラファイト粒子の平均粒径、通電加熱性（スパーク発生の有無）、伸線時の加工割れを評価した。その評価結果を表２と表３に示す。

潤滑被膜付き線材の体積抵抗率は、線材に潤滑被膜処理をした後に、４端子法によりＡＣミリオームハイテスタ３５６０型により測定した。なお、被膜保護のため純銅板を挟んで電極とした。本発明例の線材ではすべて１．０×１０^−４Ω・ｍ以下の範囲であった。

潤滑被膜の摩擦係数は、鋼線から長さ１００ｍｍ片を採取し、トライボギア試験機（新東科学製ＦＷ１４）で評価した。試験片を３００℃に加熱した状態で、試験片の長手方向に、ＳＵＪ２のシリンダー（５ｍｍφ×１０ｍｍ長さ）を摺動距離５０ｍｍ、摺動速度１０ｍｍ／ｓｅｃ、垂直加重５ｋｇで往復摺動させ、１０回目の摩擦係数で評価した。本発明例では、３００℃における摩擦係数がすべて０．３以下であった。

鋼線の潤滑被膜の付着量は、次の手順で潤滑剤を完全に剥離し、剥離前後の重量差から被膜量を算出した。まず、１００ｍｍ長さの試験片を１００℃の電気オーブンで乾燥し、初期の質量を測定する。
その後、イソプロピルアルコール６０％、ノルマルヘプタン３０％、エトキシエタノール１０％に調整した沸騰状態の溶剤に１５分間浸漬する。
その後水洗して、６０℃のアルカリ剥離液（日本パーカライジング株式会社製：ファインクリーナーＤ５４１０を１リットル当りの水に２０ｇ溶かした液）に６０分浸漬して、水洗する。
次いで、常温の１５％の硝酸に１５分浸漬、その後水洗して潤滑被膜を完全に剥離した。
剥離した試料は完全に乾燥させて、剥離前後の重量を測定した。表２に示すように本発明例では潤滑被膜の付着量はすべて０．１ｇ／ｍ^２以上であった。

潤滑被膜中のグラファイト粒子の平均粒径は、１００ｍｍ長さの試験片を純水中で超音波洗浄し、洗浄水を０．２μｍ穴径のフィルターでろ過して、グラファイト粒子を抽出した。そして、ろ過したグラファイト粒子は完全に乾燥させて、ＳＥＭ観察（倍率５００倍）にて、ランダムに２０箇所の視野を選び、該視野中に存在する全粒子（５個以上）の長径・短径の二軸平均径を測定し、それらの平均径を算出した。ただし、ＳＥＭ画像中で凝集によって粒子の一部が他の粒子で隠れてしまっている粒子や、凝結によって粒子の一部が他の粒子と接合されているような、１つの粒子として粒子径の測定が困難なものについては粒子径測定対象から除くこととした。

通電加熱性は、通電加熱によりスパークが発生することなく、所定の温度に通電加熱が可能で、安定して温間伸線が可能か否かで評価した。スパークが発生せずに安定して所定の温度に安定して通電加熱可能である場合を○：合格、スパークが発生または予定の温度に安定して通電加熱が不可能である場合を×：不合格とした。

伸線時の加工割れは、伸線後に割れ無く加工できたかどうかで評価した。１００ｋｇ伸線し、加工割れが全くない場合を◎、加工割れが１割未満である場合を○：合格、加工割れが１割以上ある場合を×：不合格として評価した。表３に示すように本発明例では、加工割れが１割未満であった。

一方、比較例は、本発明の範囲外にあり、通電加熱性、高温での摩擦係数、伸線時の加工割れ性に劣っており、本発明の優位性は明らかである。

Claims

グラファイトを含有する潤滑被膜を表面に有し、３００℃における摩擦係数が０．３以下であり、且つ体積抵抗率が１×１０^−４Ω・ｍ以下であることを特徴とする通電加熱による温間伸線用ステンレス鋼線材。
前記グラファイトの平均粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の温間伸線用ステンレス鋼線材。
前記潤滑被膜中にＭｏＳ_２を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の温間伸線用ステンレス鋼線材。
前記潤滑被膜の付着量が０．１〜３０ｇ／ｍ^２であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の温間伸線用ステンレス鋼線材。
請求項１〜４に記載の温間伸線用ステンレス鋼線材を通電加熱により５０〜６００℃に加熱してから伸線加工することを特徴とする温間伸線用ステンレス鋼線材の伸線方法。