JPS6360287A - 耐蝕性に優れた冷間成形用ばね鋼およびその製造方法ならびにその製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、線細工ばね、うず巻ばね、ねじりコイルばね
、ゼンマイばね、引張コイルばね、圧縮コイルばね等に
使用される。長期にわたり耐蝕性が著しく優れた冷開成
形用ばね鋼およびその製造方法ならびにその製造装置に
関するものである。

「従来技術とその問題点」 ばねｍは、圧縮、引張、捩り２曲げ等の応力を繰り返し
て受ける苛酷な条件のもとで使用されるのが通常である
。したがって、そのばね鋼としての特性を劣化すること
なく防錆することはなかなか困難な問題である。一般に
は、防錆油塗布、塗装、リン酸塩被膜等の処理を施して
いるが、いずれも耐蝕性は劣るものである。

耐蝕性を向上する方法として、この他にメッキ法が用い
られるが、これにはメッキ工程に伴う水素脆性の問題が
ある。これを補うため、ベーキング処理等をしているが
、完全なものではない。また、ばね鋼によってはメ・ツ
キが不可能なものもある。

このため、耐蝕性向上のために一部ステンレスばね鋼が
使用されているが、その耐蝕性も必ずしも満足したもの
ではない。例えば、ばね材として加工率を高めると耐蝕
性が劣化したり、また、使用個所によっては電蝕により
相手材の腐蝕速度を促進させたりする。さらに、材料費
が高くてコスト的な面より制約を受けるから、結局、広
く使用されていないのが実情である。

「発明の目的」 本発明は、このような欠点を解消するためになされたも
のであり、耐蝕性（施行性）、工程の簡略化および経済
性に優れた冷開成形用ばね鋼およびその製造方法ならび
にその製造装置を提供することを目的とするものである
。

「発明の構成」 本発明は、帯状もしくは線状の母材表面に、鉄または鉄
合金を核とし、この核の周囲に鉄−亜鉛合金層を介して
亜鉛または亜鉛合金を被着してなる独立した粒子の集合
体からなるブラスト材を投射するブラスト処理と、水系
もしくは非水系クロメート処理液を浸した処理中を通過
させてその処理被膜を生成せしめるクロメート被膜生成
処理とを施したことを特徴とする耐蝕性に優れた冷開成
形用ばね鋼と、帯状もしくは線状の冷間成形用ばね鋼を
連続移動させる工程中、前記ばね鋼に、鉄または鉄合金
を核とし、この核の周囲に鉄−亜鉛合金層を介して亜鉛
または亜鉛合金を被着してなる独立した粒子の集合体か
らなるブラスト材を投射するブラスト処理と、水系クロ
メート処理液を浸した処理槽中を通過させてその処理被
膜を生成せしめるクロメート被膜生成処理とを施すこと
を特徴とする耐蝕性に優れた冷間成形用ばね鋼の製造方
法と、帯状もしくは線状の冷開成形用ばね鋼を連続移動
させるラインを構成し、このラインに沿い、その進行方
向上手側から、鉄または鉄合金を核とし、この核の周囲
に鉄−亜鉛合金層を介して亜鉛または亜鉛合金を被着し
てなる独立した粒子の集合体からなるブラスト材を投射
し得る投射ロータ（ｃ　１．ｃ　２　）で構成されるブ
ラスト装置（Ｃ）と、水系もしくは非水系クロメート処
理液を浸した処理槽（ｄ）中を通過させてその処理被膜
を生成せしめるクロメート被膜生成装置（Ｄ）とを設置
したことを特徴とする耐蝕性に優れた冷間成形用ばね鋼
の製造装置とを提供したのである。

以下２本発明についてさらに詳細に説明する。

従来、冷開成形用ばね鋼からその用途目的に合わせ２種
々のバネが成形される９例えば、線細工ばね、うず巻ば
ね、ねじりコイルばね、引張りコイルばね、ゼンマイば
ね、圧縮コイルばね等がある。

腐蝕環境下で使用される場合２表面に腐蝕が生ずれば、
腐蝕疲労現象によって強度の劣化または破壊する。この
ため、防錆が種々検討されており、例えば、防錆油を塗
布するとか塗装を行うとか、リン酸塩被膜にするとかが
あるが、いずれもばねとしての引張、圧縮、摩擦等によ
る被膜の剥離等によりその防錆は満足されたものでない
。また、一部、メッキ法によって耐蝕性を向上させたも
のもあるが、その工程上水素浸入による水素脆性に伴う
材料の劣化を免れない。特に、オイルテンパー線にあっ
ては、メッキは水素脆性のため不可能である。

この他、熱処理によるブルーイング、樹脂コーティング
等の方法もあるが、これらも引張、圧縮、摩擦による被
膜の剥離等によりその耐蝕性は満足したものでない。

最近、メッキ処理技術の常識を打ち破った画期的な一連
の処理法が開発され、提案されている（特公昭５９−９
３１２号）。

その方法は、鉄または鉄合金を核とし、この核の周囲に
鉄−亜鉛合金層を介して亜鉛または亜鉛合金を被着して
なる独立した粒子の集合体からなるブラスト材料（以下
、鉄−亜鉛ブラスト材料と称する）を鉄または鉄合金の
表面に投射することにより表面に均一な膜層の亜鉛合金
を施す方法（以下、　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐ　ｆａ
ｔｉｎｇを略してＭＰ法と称する）であり、設備費が安
い、エネルギー消費が少ない、環境汚染要素が少ない等
の数々の絶対的メリットを有する。

上記ＭＰ法により形成される被膜、すなわち鉄−亜鉛合
金被膜（以下、ＭＰ被膜と称する）は第５図にその被膜
構造の模式図で示すように、鉄−亜鉛合金の微小片Ｓが
鋼材Ｍ表面上に膜層された構造を有し全体として多孔質
（ポーラス状）をなす。

本発明は冷間成形ばね鋼母材の表面に上記多孔質な鉄−
亜鉛合金被膜を有するもので、この被膜とは実質的にＭ
Ｐ被膜を指す。

ところで、一般に亜鉛系メッキ被膜はそれ単体では比較
的早期における錆の発生が避は難い。これは前記ＭＰ法
によるＭＰ被膜についても同様である。この錆の発生を
防ぐためには、なんらかの後処理としての薄膜処理を組
合せることが望ましい。

そこで、この発明者等は、上記ＭＰ被膜との組合せで特
に優れた防蝕性を実現する薄膜処理を見い出すべく種々
調査、研究した結果、水系もしくは非水系処理液による
クロメート処理をＭＰ被膜に対して行うことにより著し
く良好な耐蝕性能を確保し得るという事実を見い出した
。この発明はかかる知見よりＭＰ被膜に対してクロメー
ト処理被膜を付与したものである。

クロメート処理被膜は、亜鉛メッキ被膜（／ｇ融亜鉛メ
ッキ、電気亜鉛メッキ）を対象に従来より行われている
ものであるが、ＭＰ被膜における耐蝕性改善の効果は上
記通常の亜鉛メッキ被膜におけるそれとは異質のもので
、常識的な予測を上回っている。これはＭＰ被膜自体の
特質性によるもので、すなわち、同被膜は一般のメッキ
被膜と異なり多孔質状をなし、これに水系もしくは非水
系クロメート処理を施すと、被膜表面のみならず。

その多孔質内部の微小空隙にまで浸透してクロメート被
膜が形成され、これがバリア的効果を発揮し、防蝕効果
を向上しているものと考えられる。

この理由としては２次のように考察される。

電気メッキで得られる通常の被膜は緻密であるため、こ
れにクロメート処理を施したものは下層のメッキ被膜と
上層のクロメート被膜が共に薄板状の形となる。このよ
うな被膜構造においてはメッキ素地に達するような疵が
入った場合、クロメート被膜が有効に機能せず、それに
よる補修が十分になされず耐蝕性劣化の起点となる。

これに対し、上記多孔質被膜をベースにその内部の微少
空隙に浸透した形のクロメート被膜を形成させた場合に
は２例えば、素地に達する大きな疵が生じたとしても、
多孔質内部のクロメート被膜が大きく破壊されることな
くそれが有効に艮能して庇部の補修が十分な形で行われ
、耐蝕性は良好に維持されることになるものと考えられ
る。

また、ばねの場合５静的荷重、衝撃荷重、繰返し荷重等
の応力を受けるが、これに酎えるものでなければならな
い。多孔質被膜をベースにその内部にクロメート被膜を
含浸させた構造の被膜の場合は、引張、圧縮等の弾性変
形に対し、ＭＰ被膜−クロメート被膜に亀裂が入ること
なく、また、７．ＩＪ離することもない耐える被膜を有
する。

これは前記したとうり、母材に対してもともと密着性の
優れたブラストによる多孔質のＭＰ被膜をベースにして
、この上にクロメート被膜がその多孔質被膜の表面のみ
ならず、内部の微少空隙まで浸透した形となっているこ
とにより、いわゆる、縦への網状構造が強化され、優れ
た非剥離性を発揮するに外ならないのである。したがっ
て、ばね鋼特有の引張、圧縮の弾性変形に凸子える効果
を奏するのである。

このように母材の表面に多孔質のＭＰ被膜を有し、さら
にその多孔質被膜内部に含浸され、かつその表面を覆う
クロメート処理被膜を有するばね材は極めて優れた耐蝕
性を有し、かっばね特有の引張、圧縮応力による弾性変
形に耐えるものである。

第１図−■、■は本発明に係る耐蝕性に優れた冷間成形
用ばね鋼の製造方法を示す各装置のレイアウト図である
（このうち、■は水系のクロメート処理液を使用するも
の、■は溶剤（非水）系のクロメート処理液を使用する
もの）。

通用対象としては冷間成形用ばね鋼である。この冷間成
形用ばね鋼に以下の表面処理を施す場合、その母材表面
を洗浄して清浄にしておく。ただし、この洗浄は予め行
っておいてもよいし、以下に述べる処理（製造）ライン
で同時に行ってもよい。

このばね鋼の両端をそれぞれロール軸ａ、ｂの外周にロ
ール状に巻き（したがって、一方のロールが未処理ばね
鋼Ａ、他方のロールが処理ばねＳ４Ｂということになる
）、駆動側のロール軸す等を駆動して帯状に連続移動が
できるラインに構成しておく。そして、このラインに沿
って鉄−亜鉛ブラスト材料を投射できる投射ロータｃｌ
、　ｃ２を少な（ともばね鋼の表裏に二台設けたブラス
ト装置Ｃを設置し、これを用いてその母材表面に多孔質
のＭＰ被膜を形成する。このＭＰブラスト材の各独立し
た粒子の大きさは被投射面の性状等によって相違するが
、概ね１６メソシユ（１μφ）以下程度が適当である（
処理対象物の線径等如何によってはこれと異なる場合が
ある）。また、ブラスト材料の材質としては、生成被膜
の性能とブラスト処理条件等により鉄５０〜７０ｗ　ｔ
％、亜３０〜５０ｗ　ｔ％程度が適当である。さらに、
このＭＰ被膜の付着量としては３ｇ／ｍ以上、好ましく
は６〜２０　ｇ　／　ｍ程度とするのがよい。すなわち
、３ｇ／ｍ未満では耐蝕性に対し実質的な効果が得られ
ず、クロメート処理被膜との組合せによる効果が小さい
ためである。

第２図はこの傾向を示す実験データ（クロメート処理被
膜の付着量１００ｍｇ　／　ｍ、塩水噴霧試験（ＳＳＴ
　、　ＪＩＳ　−Ｚ　−２３７１）　テあり、６ｇ／ｒ
ｒ？未満の領域において赤錆発生までの時間が急激な減
少傾向を示している。一方、この付着量が３０ｇ／ｍを
超えても耐蝕性の点では問題ないが処理時間が長くなる
ため、経済性を考慮すると３０　ｇ　／　ｍ以下に設定
するのが好ましい。次いで、このブラスト装置Ｃの下流
に水系のクロメート処理液を浸した処理槽ｄ（これの代
わりにスプレー、ロール等も考えられる）を用意してば
ね鋼にクロメート被膜を生成せしめるクロメート被膜生
成装置りを設置しく非水系の場合はクロメート処理槽ｄ
の後にセツティングラインｔを介して別にリンスｉｒを
設け、これらでクロメート被膜処理装置りを構成する）
、ブラスト装置Ｃによって生成せしめられた多孔質のＭ
Ｐ被膜の上にクロメート処理被膜を付着せしめる。

なお、このクロメート処理はその被膜生成機構の面から
一般に■焼付型、■強反応型、■弱反応型の３タイプに
分類される。各々について簡単に説明すれば９次のとお
りである。

■焼付型クロメート 処理液は水溶性クロム酸化合物と遷元剤および水の混合
物であって、これを被処理物の表面に塗布（ロールコー
タ、浸漬等）シ、これを焼付加熱する。加熱により、水
溶性クロム酸化合物が還元されてクロメート被膜が生成
される。

■強反応型クロメート 水溶性クロム酸化合物と強酸および水の混合物からなる
処理液を使用し、これを被処理面に塗布（浸漬、スプレ
ー等）して同面上の亜鉛を熔解しクロムの還元反応を生
じさせ、クロメート被膜を生成させる。

■弱反応型クロメート 処理液は水溶性クロム酸化合物と有機酸等の弱酸と水の
混合物である。これを被処理面に塗布した後、水分を乾
燥蒸発させてクロメート被膜を生成させる。

クロメート処理は、基本的には上記のごとく水系であれ
ばいずれを使用してもよいが、これら３タイプには設備
面、経済性、耐蝕性、クロメート被膜生成の安定性等に
若干の難点がある。これらの点を考慮すれば２次に示す
条件による処理を採用するのが最も好ましい。

すなわち、クロム酸化合物０．１〜５０ｇ／Ｌ硫酸０．
０１〜５ｇ／βを含む水混合物を処理液とし。

これを０．５〜８秒間接触させる方法である。これは、
特に多孔質のＭＰ被膜との相性を考慮して。

本発明者らが実験により見い出した条件である。

処理液のタイプとしては、基本的には強反応型に属する
ものであるが、一般のそれと比較すると。

強酸の量が格段に少なく、また、その接触時間について
も、きわめて短時間になっているところが特徴的である
。この方法を採用すれば、焼付処理を必要としないこと
から設備、エネルギーが不用となり、また一般の強酸型
に比べ処理過程における鉄−亜鉛合金被膜の溶出が抑え
られてクロメート被膜の生成が安定的であるのみならず
、短時間処理によって反応生成物が少ないため、その後
の水洗を省略でき、しかも、特筆すべきは多孔質のＭＰ
被膜との組合せにおいて著しく優れた耐蝕性が実現され
ることである。

ここで、この特殊強反応型における処理条件として、ク
ロム酸化合物量を０．１〜５０ｇ／１．硫酸０．０１〜
５ｇ／ｌを含む水化合物を処理液とし、かつ、接触時間
を０．５〜８秒としたのは、以下に示す理由による。

すなわち、クロム酸化合物量は０．１ｇ／ｊ！未満では
クロム付着量が少なく、耐蝕性能も低い。また、５０ｇ
／ｌを超えるとクロメート反応が促進され、ＭＰ被膜の
溶解が生じる。このため、クロム酸化合物量としては、
　０．１ｇ／　（１、好ましくは１．０〜Ｌｏｇ／ｊ！
である。

また、硫酸の量を０．０１〜５ｇ／１１としたのは、０
．０１未満では溶出し易いクロメート処理となり。

他方５ｇ／ｉｔを超えるとクロメート反応が促進され、
ＭＰ被膜の溶解が生じるためである。なお７好ましくは
、０．１〜１ｇ／！である。

また、接触時間を０．５〜８秒としたのは、０．５秒未
満ではＭＰ被膜層にクロメート液が十分浸透せず、他方
、８秒を超えると、浸漬処理の場合はＭＰ被膜の反応溶
解が進み、処理液の劣下が著しくなるためである。

水系クロメート処理被膜の付着量としては、特に限定す
るものではないが、実際上は３０ｍｇ／ｒ＋？以上、好
ましくは、６０〜３００ｍｇ／ｍが適当である。

すなわち、３０ｍｇ／ｍ未満では耐蝕性に対する寄与率
が低く　、　６０ｍｇ／　ｍ未満でも十分な効果が得ら
れない。このような傾向は第２図に示す実験データ（Ｍ
ＰＭ膜付着量；１０ｇ／耐、ＳＳＴの結果）から明らか
である。他方、　　３００ｍｇ／ｒ＋（を超えるとクロ
ムの溶出率が高くなって、特に公害面で不利となる。

なお、クロメート処理としては、この他にトリクロール
フルオロエタン等のハロゲン系溶３’ＦＪ　トアルコー
ル類を使用する非水系のものもあり、耐蝕性の点で水系
のものとほとんど変わらない。したがって、処理材の性
質等に合わせ、水系と非水系を適宜選択することになる
。

第１表は、各種のクロメート処理に基づく被膜を多孔質
のＭＰ被膜に組合せた場合の耐蝕性を示すデータ（ＭＰ
被膜：１２ｇ／ｒｒ？、クロメート被膜１１０ｍｇ／ｒ
ｒｆ）である。

このデータから明らかなごとく、水系もしくは非水系ク
ロメート処理の被膜は、いずれの場合にも耐蝕性、クロ
メート溶出性において良好な性能が得られ、ｖｋれた耐
蝕性が確保されている。

なお１以上のクロメート被膜生成装置りでの処理後、適
宜脱水ロールＥや乾燥用ブロワ−Ｆを通過させ、必要に
応じて所要の処理を施しておく。

「実施例−■」 次に１本発明の実施例について説明する。

ゼンマイばね用ばね鋼を第１図−Ｉ、ＩＩに示した処理
工程で第２表−１に示す処理条件によって連続的に処理
して表面処理を行った。

処理後のばね鋼を任意の個所より約１０００長さに切断
して耐蝕性試験を行った。

その結果を第３表に示す（耐蝕性テストはＪＩＳ−Ｚ−
２３７１による塩水噴霧テストによる）。

第３表の耐蝕性テスト結果かられかるように。

本発明例であるＭＰ−１，）、１Ｐ−２ともに耐蝕性に
優れていることがわかる。特に切断端部においても５０
０Ｈｒで発錆をみてない。

このことからも、ばね加工前に連続的に表面処理するこ
とが好ましいことがわかる。

次いで、処理後のばね鋼を２ｍの長さで切断してゼンマ
イ状とし、　２０，０００回の繰り返し弛緩疲労テスト
後にＪＩＳ　−Ｚ　−２３７１による塩水噴霧テストに
よる耐蝕性テストを行った。

その結果を第４表に示した。

第４表の結果より、前記したように、　２０，０００回
の繰り返し弛緩疲労テストにおいても処理被膜の剥離が
ないことがわかる。

また、比較例である塗料を塗装したばね鋼は繰り返し弛
緩疲労テスト中塗膜に亀裂が入り、さらに、塗膜が剥離
し、その結果耐蝕性も劣下していることがわかる。

「実施例−■」 コイルスプリング用線材（ＳＷＰＢ、　１．６φ）を第
１図−１，ｆｆに示した処理工、程により、第２表−１
、ＩＩに示す処理条件によって連続的に処理して表面処
理を行い、そのサンプルをＭＰ３．ＭＰ４とした。

次いで、上記ニガ法で得られた線材をコイリング−焼鈍
（３２０℃Ｘ２０分）−製品の工程で平均径２１φ、長
さ２６ｍ、巻数９．３２のものを１００個製造し、その
耐蝕性テスト（ＪＩＳ−Ｚ　−２３７１）を行った結果
を第５表に示す。なお２比較例として、ＭＦＺｎ−３（
クロメート処理）の同スプリングを採用した。

この結果から９本発明法は、コイル成形時に引張、圧縮
力等がかかっても、被膜が剥離することなく成形できる
こと、さらに、３２０℃の焼鈍熱処理によっても、被膜
が破壊されないことが判る。

「発明の効果」 以上説明したごとく１本発明に係る冷開成形用ばね鋼は
、ＭＰ法による多孔質のＭＰ被膜とクロメート処理に基
づくクロメート被膜との相乗効果によって著しく良好な
耐蝕性能を有することが判明した。特に、ばね鋼特有の
苛酷な引張、圧縮等弾性変形に対して被処理被膜が亀裂
剥離することなく、耐蝕性能を発揮する。そして、これ
を前記した製造方法ならびに装置で製造すれば、このよ
うに申し分のない品質のものを一貫した製造ラインで能
率的、経済的に製造でき、安価な冷間成形用ばね鋼を提
供することができたのである。

【図面の簡単な説明】

第１図−Ｉ、ｎは本発明に係る冷開成形用ばね鋼の連続
製造装置の工程図、第２図はＭＰ被膜量と赤錆発生まで
の時間との関係を示すグラフ、第３図はクロメート被膜
付着量と赤錆発生までの時間との関係を示すグラフ、第
４図はＭＰ処理した素材の断面図である。 代理人　　弁理士　　板　野　嘉　男 第２表−１（７７＜系クロメート処理液の場合の条件）
第３表（ＪＩＳ−Ｚ−２３７１による耐蝕テスト）第４
表（２０，０００回繰り返し試験後の耐蝕テスト）第５
表（ＪＩＳ　−Ｚ−２３７１ニよる耐蝕テスト）第３図 赤 クロメート付着量（ｍｇ／イ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）、帯状もしくは線状の母材表面に、鉄または鉄合
   金を核とし、この核の周囲に鉄−亜鉛合金層を介して亜
   鉛または亜鉛合金を被着してなる独立した粒子の集合体
   からなるブラスト材を投射するブラスト処理と、水系も
   しくは非水系クロメート処理液を浸した処理中を通過さ
   せてその処理被膜を生成せしめるクロメート被膜生成処
   理とを施したことを特徴とする耐蝕性に優れた冷間成形
   用ばね鋼。
2. （２）、帯状もしくは線状の冷間成形用ばね鋼を連続移
   動させる工程中、前記ばね鋼に、鉄または鉄合金を核と
   し、この核の周囲に鉄−亜鉛合金層を介して亜鉛または
   亜鉛合金を被着してなる独立した粒子の集合体からなる
   ブラスト材を投射するブラスト処理と、水系クロメート
   処理液を浸した処理槽中を通過させてその処理被膜を生
   成せしめるクロメート被膜生成処理とを施すことを特徴
   とする耐蝕性に優れた冷間成形用ばね鋼の製造方法。
3. （３）、帯状もしくは線状の冷間成形用ばね鋼を連続移
   動させるラインを構成し、このラインに沿い、その進行
   方向上手側から、鉄または鉄合金を核とし、この核の周
   囲に鉄−亜鉛合金層を介して亜鉛または亜鉛合金を被着
   してなる独立した粒子の集合体からなるブラスト材を投
   射し得る投射ロータ（ｃ１、ｃ２）で構成されるブラス
   ト装置（Ｃ）と、水系もしくは非水系クロメート処理液
   を浸した処理槽（ｄ）中を通過させてその処理被膜を生
   成せしめるクロメート被膜生成装置（Ｄ）とを設置した
   ことを特徴とする耐蝕性に優れた冷間成形用ばね鋼の製
   造装置。