JP4004752B2 - 潤滑性に優れる鋼線又は鋼線材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は潤滑性に優れる鋼線又は鋼線材に関する。さらに詳しくは、本発明は表面に加工性や耐焼付き性に優れた潤滑皮膜を有することで、オイルまたは潤滑パウダーを必要とせずに冷間塑性加工が可能で、かつ潤滑皮膜中に全くリンを含まないために熱処理時の浸リン現象をも回避できる鋼線又は鋼線材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、熱間圧延線材を冷間伸線加工して得られる鋼線又は鋼線材は、様々な用途向けに更なる冷間加工が施されている。特に釘、ボルト、ベアリング球などの最終製品に至るまでは複雑な冷間加工工程が施されるために、鋼線又は鋼線材表面に耐焼付き性及び潤滑性を兼ね備えた保護皮膜層を形成しておく必要がある。この皮膜層によって被加工材表面を被覆することで、工具との金属接触を回避でき、さらに被加工材表面の摩擦係数を低下させ負荷や加工熱の発生などを緩和することができるので加工エネルギーの低減化をも実現している。
【０００３】
このような保護皮膜層を有する鋼線又は鋼線材としては、表面に石灰石けんやホウ砂などを付着させたものや、リン酸塩処理などの反応型皮膜を施したものなどがあり、さらに金属石けんや消石灰などの無機物を主成分とした潤滑パウダーを伸線加工時に付着させることで潤滑性をも付与している。なお、比較的厳しい冷間加工が行われる分野に対しては、リン酸塩処理皮膜上に金属石けん層と未反応石けん層を有する潤滑保護皮膜を形成した鋼線又は鋼線材が用いられる場合が多い。
【０００４】
この潤滑保護皮膜は、リン酸塩皮膜上に反応皮膜として形成された金属石けん層と未反応石けん層によって強加工時の大きな面積拡大や多段加工などに対しても十分に追従できるものである。しかし、リン酸塩処理皮膜は化学反応によるものであることから、複雑な処理液管理や多くの工程を必要とするほか、廃水処理や設備投資も含めると多大なコストが必要とされる。さらに、冷間加工後の最終製品を熱処理する際に、リン酸塩皮膜中のリンによる浸リン現象が起こり遅れ破壊の原因となるため、高張力ボルト用などの鋼線又は鋼線材に関してはリン酸塩皮膜は問題視されている。なお、ＪＩＳ−Ｂ１０５１では、１２．９級強度区分のおねじ部品において、引張応力が働く表面に光学顕微鏡で確認できる白色のリン濃化層があってはならないと規定している。
【０００５】
このような問題点を解決するため、リンを含まず、簡便な工程で保護皮膜を形成でき、かつリン酸塩皮膜と金属石けん及び未反応石けん層からなる従来の高潤滑性皮膜と同等な性能を有する保護皮膜の開発が試みられている。
このような技術としては、合成樹脂と水溶性無機塩とを特定の割合で含有した金属材料の塑性加工用潤滑剤組成物が知られている（特開２０００−６３８８０号公報）。この組成物を用いると、被加工材表面に合成樹脂と水溶性無機塩とが均一に析出した皮膜が形成されることによって、工具との直接金属接触を避けることができ、さらに任意の割合で潤滑成分などを皮膜中に含有させることにより、リン酸塩皮膜上に潤滑成分層を形成した場合と同等もしくはそれ以上の潤滑性能を付与することができる。
【０００６】
しかし、上記組成物では単一皮膜が耐焼付き性と潤滑性との両機能を担っているため、皮膜塗工時などの付着斑、上部と下部での極端な付着量差、皮膜欠落部の存在などは焼付きの起点となり易くそうなると致命的であるため、特に鋼線又は鋼線材の場合などにおいては皮膜の均一塗布性が重要であるが、これについては考慮されていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の抱える問題を解決するべくなされたものであり、リンを含有しない水性処理液を浸漬法またはスプレー法などにより被塗材に付着させた後に乾燥する簡便な方法により得られ、リン酸塩皮膜上に石けんを塗布した複合皮膜と同等もしくはそれ以上の優れた潤滑性及び耐焼付き性を有する皮膜によって、付着斑無く均一に被覆された潤滑性に優れた鋼線又は鋼線材を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するため鋭意研究を行ってきた結果、ホウ酸のカリウム塩と、平均粒子径が１μｍ以下のポリエチレンワックスと、合成ヘクトライト［Ｓｉ₈（Ｍｇ_aＬｉ_b）Ｏ₂₀（ＯＨ）_cＦ_4-c］^-xＮａ^+x（０＜ａ≦６，０＜ｂ≦６，４＜ａ＋ｂ＜８，０≦ｃ≦４，ｘ＝１２−２ａ−ｂ）とを主成分とする水性処理液を鋼線又は鋼線材に浸漬又はスプレー法などにより塗布し、乾燥することにより、非常に密着性がよく、付着斑が無く均一で、耐熱性、強靱性、自己潤滑性に優れた皮膜を鋼線又は鋼線材表面に形成できることを見い出し、本発明を完成した。
【０００９】
すなわち本発明は、ホウ酸のカリウム塩、平均粒子径が１μｍ以下のポリエチレンワックス及び合成ヘクトライト［Ｓｉ₈（Ｍｇ_aＬｉ_b）Ｏ₂₀（ＯＨ）_cＦ_4-c］^-xＮａ^+x（０＜ａ≦６，０＜ｂ≦６，４＜ａ＋ｂ＜８，０≦ｃ≦４，ｘ＝１２−２ａ−ｂ）を必須成分とする潤滑皮膜を表面に形成させた潤滑性に優れる鋼線又は鋼線材に関する。
前記潤滑皮膜中のポリエチレンワックス含有量は１５〜４０質量％であることが好ましい。また、前記潤滑皮膜の付着量は２〜１５g/ｍ²であることが好ましい。
【００１０】
本発明の鋼線又は鋼線材表面に形成される潤滑皮膜は、ホウ酸のカリウム塩からなる皮膜によって良好な耐焼付き性を示し、潤滑成分として含有するポリエチレンワックスによって優れた自己潤滑性を示す。さらに、ホウ酸のカリウム塩水溶液中にコロイド状に分散している合成ヘクトライトによって、皮膜形成過程での液膜粘性がコントロールされ皮膜が均一に塗布される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の「鋼線又は鋼線材」における「鋼」は炭素鋼のみならず合金鋼や特殊鋼も含む。かかる鋼としては、炭素含有量が０．１〜０．２％程度の軟鋼から高炭素含有量の硬鋼までの炭素鋼、及び炭素鋼に用途に応じてシリコン、マンガン、タングステン、ニッケル、クロム、銅、アルミニウム、モリブデン、バナジウム、コバルト、チタン、ジルコンなどの元素から選ばれる少なくとも１種を含有させた合金鋼や特殊鋼などが挙げられる。
また、鋼線材とは一般的には鋼を熱間加工により線材に加工したままのものをいい、鋼線とは鋼線材を規定サイズ（線径や真円度など）に伸線加工したもの、鋼線材にめっき処理を施したものなど鋼線材をさらなる加工に付したものをいう。
【００１２】
本発明の潤滑性に優れる鋼線又は鋼線材の表面を被覆している潤滑皮膜の主成分であるホウ酸のカリウム塩は、非常に高い溶解度であることで水溶液の乾燥濃縮時に過飽和による結晶化が起こり難く、高度な連続性を有する強靱な皮膜を形成することができる。このため、塑性加工時に大きな面積拡大が起こる場合でも金属素材表面との強固な密着力を保持することができ、被加工材と工具との直接金属接触を安定的に回避する役目を果たしている。ここで使用できるホウ酸のカリウム塩としては一般式［ｘＫ₂Ｏ・ｙＢ₂Ｏ₃・ｚＨ₂Ｏ（y/x=2〜5，ｚ≧０）］で示されるものから選ばれ、２種以上を組み合わせて用いても良いが、皮膜の吸湿性が非常に強いものは実用上の使用範囲が限られることから、実際は四ホウ酸カリウム、五ホウ酸カリウムを用いることが好ましい。
【００１３】
潤滑皮膜中のホウ酸のカリウム塩の含量は５０質量％以上であることが好ましく、６０質量％以上であることがさらに好ましい。５０質量％未満であると潤滑皮膜の十分な連続性が阻害され潤滑皮膜の強度が低下するため、被加工材と工具との直接金属接触を安定的に回避することが困難になり加工時の焼付き現象などが発生しやすくなる。なお潤滑皮膜は乾燥皮膜である。
【００１４】
本発明の潤滑性に優れる鋼線又は鋼線材表面を被覆している皮膜に高度な潤滑性を付与しているポリエチレンワックスは潤滑皮膜中に分散状態で存在している。このポリエチレンワックスの平均粒子径は１μｍ以下である必要があり、１μｍを超えて大きくなると潤滑皮膜の強度を極端に低下させ、伸線加工時などに皮膜が追従できなくなる。また、乾燥皮膜中にて十分な潤滑性を発現し、かつ皮膜強度を低下させないために、潤滑皮膜中のワックスの含量は１５〜４０質量％であることが好ましい。
【００１５】
本発明の潤滑性に優れる鋼線又は鋼線材表面を被覆している潤滑皮膜を形成する際に、水性処理液に均一塗布性を付与している合成ヘクトライトは、一般式［Ｓｉ₈（Ｍｇ_aＬｉ_b）Ｏ₂₀（ＯＨ）_cＦ_4-c］^-xＮａ^+x（０＜ａ≦６，０＜ｂ≦６，４＜ａ＋ｂ＜８，０≦ｃ≦４，ｘ＝１２−２ａ−ｂ）を有する合成粘土鉱物である。合成ヘクトライトは３層構造をしており、層状構造における結晶構造各層は、厚さ約１ｎｍの二次元小板よりなっている。そしてこの小板ユニットの中層に存在するマグネシウム原子の一部が低原子価のリチウム原子と同型置換しており、その結果、小板ユニットは負に帯電している。乾燥状態ではこの負電荷はプレート面の格子構造外側にある置換可能な陽イオンと釣り合っており、固相ではこれらの粒子はファンデルワールス力により互いに結合し平板の束を形成している。
【００１６】
このような合成ヘクトライトを水相に分散すると、置換可能な陽イオンが水和されて粒子が膨潤を起こし、高速ディソルバー等の通常の分散機を用いて分散させると安定なゾルを得ることができる。このように水相に分散された状態では小板は表面が負の電荷となり、相互に静電気的に反発し、小板状の一次粒子にまで細分化された安定なゾルになる。しかし粒子濃度を増加したり、イオン濃度を増加した場合、表面負電荷による反発力が減少して、負電荷を帯びた小板面に、正電荷を帯びた他の小板端部が電気的に配向することが可能になり、いわゆるカードハウス構造を形成し、増粘性とチクソトロピー性を呈するようになる。このようにカードハウス構造の結合は電気的引力によるため、この分散液は低剪断域では構造粘性を示し、高剪断域では結合の分離が生じゾル状態になるため優れたチクソトロピー性を示すものと考えられる。合成ヘクトライトの水相分散物は厚さ約１ｎｍの２次元小板すなわち円板状のプレートでプレート面の直径は２０〜４０ｎｍであると考えられている。
【００１７】
合成ヘクトライトは、本発明の鋼線又は鋼線材表面に均一な潤滑皮膜を形成する際に必須である。ホウ酸のカリウム塩水溶液中にコロイド分散状態にて含有される合成ヘクトライトは、この水溶液に対して低剪断における強力な構造粘性を発現する。この構造粘性により被塗材表面に付着した液膜は乾燥工程までの間に急速なゲル化を起こし、液だれによる付着量勾配や付着斑が少ない均一被覆性を実現できる。さらに液膜濃縮に対する粘性向上率が非常に高いため、液膜に内包される潤滑成分などの加熱濃縮による凝集・偏析を物理的に抑制することができ、皮膜の組成均一性は飛躍的に向上する。これらが結果的に本発明の鋼線又は鋼線材の耐焼付き性及び潤滑性能の安定的向上を担っているのである。
【００１８】
潤滑皮膜中の合成ヘクトライトの含量は３質量％以上であることが好ましく、５質量％以上であることがさらに好ましい。３質量％未満であると乾燥過程における粘性向上率が低下し、液膜に内包される潤滑成分などの加熱濃縮による凝集・偏析に対する物理的な抑制効果を十分に発現できなくなり、皮膜の組成均一性が得られなくなる。
【００１９】
本発明の潤滑性に優れる鋼線又は鋼線材表面を被覆している潤滑皮膜を形成する際に、水性処理液の粘性を調整するために粘性調整剤を皮膜強度に影響を及ぼさない範囲内で含有させることができる。粘性調整剤としては一般に用いられるものを使用することができ、例えばヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸アミド、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコールなどの有機高分子系増粘剤などが挙げられる。粘性調整剤は、使用する場合、通常、潤滑皮膜中２０質量％未満の含有量とする。
【００２０】
本発明の潤滑性に優れる鋼線又は鋼線材の表面を被覆している潤滑皮膜を形成するには上記各成分を所定量含有する水性処理液を調製し、被塗材である鋼線又は鋼線材の表面に塗布し、ついで乾燥すればよい。
水性処理液の固形分濃度については特に制限はないが、付着ムラを回避し皮膜の均一付着性を保持するためには固形分濃度は５質量％以上であることが好ましく、１０質量％以上であることがさらに好ましい。水性処理液の固形分濃度が５質量％未満であると均一な皮膜形成が難しくなる。
【００２１】
本発明の潤滑性に優れる鋼線又は鋼線材の潤滑皮膜を形成するのに使用する水性処理液を被塗材に塗布するに先立って、被塗材の被塗面を清浄にするための前処理を行うのが適当である。かかる前処理は、制限されるものではないが、通常、酸洗い→水洗又は酸洗い→水洗→脱脂→水洗などによって行う。
【００２２】
水性処理液の塗布は、浸漬、スプレー、流しかけ、静電塗布等の常法により行えばよい。なお、塗布は被塗材表面が水性組成物で十分に覆われれば良く、水性処理液温度や塗布時間には特に制限はない。しかし、塗布後の処理液膜は乾燥する必要があるため、乾燥を促すためには水性処理液温度を４０〜９０℃程度にし、被処理材表面温度が十分に上昇する塗布時間を考慮することが好ましい。また乾燥は常温放置でも構わないが、通常６０〜１５０℃で１０〜６０分行うのが好適である。
【００２３】
潤滑皮膜の付着量は多すぎると伸線加工や冷間鍛造時のカス発生量が多くなり、工具周りや加工油の汚染を生じる。少なすぎると均一被覆性の限界を生じ焼付きなどが発生する。かかる観点から潤滑皮膜の付着量は２〜１５ｇ／ｍ²であるのが好ましい。
【００２４】
【実施例】
本発明の実施例を比較例と共に挙げることによって、本発明をその効果と共にさらに具体的に説明する。
実施例１〜５、比較例１〜５
表１に示す成分及び割合で、鋼線又は鋼線材に用いる水性処理液を調製した。
【００２５】
試験
（１）試験片
均一付着性試験：ＳＣＲ４４０鋼線 直径８．４ｍｍφ×長さ３００ｍｍ
伸線試験：Ｓ４５Ｃ球状化焼鈍材 直径３ｍｍφ、長さ３０００ｍｍ
（２）皮膜処理工程
以下の処理工程にて皮膜処理を行った。
（Ａ）実施例１〜５又は比較例１〜４の場合
▲１▼酸洗：塩酸の１７．５％水溶液、温度４０℃、浸漬１０分
▲２▼水洗：水道水、６０℃、浸漬３０秒
▲３▼処理液塗布：実施例又は比較例の水性処理液、６０℃、浸漬６０秒
▲４▼乾燥：８０℃、３分
【００２６】
（Ｂ）比較例５の場合
▲１▼酸洗：塩酸の１７．５％水溶液、温度４０℃、浸漬１０分
▲２▼水洗：水道水、６０℃、浸漬３０秒
▲３▼化成処理：市販のリン酸亜鉛化成処理剤（登録商標 パルボンド１８１Ｘ、日本パーカライジング(株)製）、濃度９０ｇ／Ｌ、温度８０℃、浸漬１０分
▲４▼水洗：水道水、室温、浸漬３０秒
▲５▼石けん処理：市販の反応石けん潤滑剤（登録商標 パルーブ２３５、日本パーカライジング(株)製）、濃度７０ｇ／Ｌ、温度８０℃、浸漬５分
▲６▼乾燥：８０℃、３分
【００２７】
（３）評価試験
＜加工追従性＞
線速１００ｍ／ｍｉｎでの伸線試験を以下の加工度にて行い、伸線加工後の残存皮膜質量にて皮膜の加工追従性を評価した。
加工度：４連伸での断面減少率＝４７．７％（線径３．００ｍｍφ→２．１７ｍｍφ）
断面減少率＝（加工前の断面積−加工後の断面積）／加工前の断面積×１００
評価基準：
○ 残存皮膜質量が２．０ｇ／ｍ²以上。
△ 残存皮膜質量が１．０ｇ／ｍ²以上、２．０ｇ／ｍ²未満。
× 残存皮膜質量が１．０ｇ／ｍ²未満。
【００２８】
＜均一付着性＞
下記処理条件にて潤滑皮膜を形成した後に、これを２等分に切断した時の各部分での皮膜の付着量を測定し、各部分での付着量と両部分の平均付着量から下式により付着量勾配率（％）を計算することにより均一付着性を評価した。
付着量勾配率＝（各部分付着量−平均付着量）／平均付着量×１００
処理条件：
上述した処理液塗布工程に続いて、４５度の角度にて１０秒間の液切り保持工程を導入し、１００℃の熱風乾燥機で１０分間の乾燥を行った。
付着量の測定
潤滑皮膜付着時の切断片の質量と潤滑皮膜剥離後の切断片の質量との差を付着量とし、皮膜剥離はアルカリ脱脂液に浸漬後１０分間超音波洗浄することにより行った。
評価基準：
○ 付着量勾配率が±５％未満
△ 〃 が±５％以上±１５％未満
× 〃 が±１５％以上
【００２９】
以上の試験結果を表１に示す。表１から明らかなように、実施例１〜５の水性処理液により形成された潤滑皮膜は伸線試験による実用的な加工追従性能を十分に満足するものであった。さらには、潤滑性能を十分に発揮するために実用上特に重要である均一付着性についても優れた結果であった。
一方、合成ヘクトライトを含有しない比較例１は、良好な潤滑性を示すものの特に皮膜の均一付着性に問題が残るため工業的使用に不安がある。平均粒子径が１μmを超えるポリエチレンワックスを用いた比較例２及び３は、伸線試験による加工追従性が悪く、比較例３については合成ヘクトライトを含有しないため均一付着性も悪かった。皮膜ベースとしてホウ酸ナトリウムを用いた比較例４は、特に伸線試験における皮膜の加工追随性が悪いことから、鋼線又は鋼線材をオイルレスまたは潤滑パウダレスで冷間塑性加工するための潤滑皮膜剤としては不安がある。比較例５のリン酸塩皮膜に反応石けん処理を行ったものは、本発明とほぼ同等の潤滑性能を示すが、廃水処理や液管理が必要で簡便な設備では使用できず、反応を伴う廃棄物を生じるため、環境負荷が大きい。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の潤滑性に優れる鋼線又は鋼線材は、鋼線又は鋼線材表面に本発明に用いる水性処理液を付着させたあと、乾燥する簡便な方法によって、従来のリン酸塩処理＋反応石けん潤滑処理と同等もしくはそれ以上の潤滑性を有する皮膜で均一に被覆されたものである。これによりコイル状の鋼線又は鋼線材表面などを簡便な方法で均一被覆でき安定した性能が確保できるほか、従来のリン酸塩法と比べて廃棄物が少なく、作業環境も良好であるため産業上の利用価値も極めて大きい。

Claims (3)

1. ホウ酸のカリウム塩、平均粒子径が1μｍ以下のポリエチレンワックス及び合成ヘクトライト［Ｓｉ₈（Ｍｇ_aＬｉ_b）Ｏ₂₀（ＯＨ）_cＦ_4-c］^-xＮａ^+x（０＜ａ≦６，０＜ｂ≦６，４＜ａ＋ｂ＜８，０≦ｃ≦４，ｘ＝１２−２ａ−ｂ）を必須成分とする潤滑皮膜を表面に形成させた潤滑性に優れる鋼線又は鋼線材。
2. 潤滑皮膜中のポリエチレンワックスの含有量が１５〜４０質量％である請求項１記載の鋼線又は鋼線材。
3. 潤滑皮膜の付着量が２〜１５ｇ／ｍ²である請求項１又は２記載の鋼線又は鋼線材。