鋼線材的連續表面處理方法與流程
2023-06-01 16:24:06 1
本發明涉及鋼線材的連續表面處理方法。
背景技術：
以往，為了順利地進行拉伸加工或鍛造加工等冷加工，對熱加工後的鋼線材進行磷酸鹽覆膜處理。該磷酸鹽覆膜處理是使鋼線材浸泡在儲存了磷酸鹽溶液的覆膜液槽從而在線材表面形成覆膜的處理，通常是在線卷繞狀態下以分批方式(batch system)處理線材。即，施予磷酸鹽覆膜處理前的鋼線材被卷繞成線卷，首先，將其浸泡在酸洗槽，通過在該酸洗槽中的酸清洗，將阻礙磷酸鹽覆膜的形成的氧化皮從上述鋼線材的表面去除(除鱗)。除鱗後的鋼線材的線卷被浸泡在覆膜液槽中，在該覆膜液槽進行磷酸鹽覆膜處理。
這種分批方式的處理具有可以大量生產且處理成本低廉的優點，但另一個方面，存在需要處理大量的廢液的問題、以及在線材和線材接觸的部分酸洗液或覆膜液不能夠完全浸入從而產生酸洗或覆膜處理不均勻的問題。作為解決上述問題的方法，探討了對束狀的鋼線材連續地進行除鱗(descaling)、覆膜處理、冷加工等線內方式(inline system)。
該線內方式首先對從線卷卷出的鋼線材進行以噴砂處理等物理方式的除鱗，然後，使其通過覆膜液槽內形成覆膜，故此，該方式可以有效地抑制分批方式處理時成為問題的不均勻處理等。但是，由於磷酸鹽覆膜通過化學反應而形成，因此該方式存在處理時間長，並且，如果想提高線速度從而提高生產能力，則需要安排巨大設備空間的問題。
為了解決這樣的線內方式處理的問題，研發了如專利文獻1～專利文獻3所示的技術。
專利文獻1公開了使用鐵鋅顆粒對線材進行噴淨，以便在線材的表面形成鐵鋅合金層，然後形成磷酸鹽覆膜，由此能夠提高鋼線材的走線速度的技術。
專利文獻2公開了在施予磷酸鹽覆膜處理前，使用規定的表面調整用前處理液來進行前處理，由此能夠將磷酸鹽覆膜的結晶細微化的技術。上述前處理液至少以0.001～30g/L的濃度含有粒徑為5μm以下的Mn的磷酸鹽粒子，且含有鹼金屬鹽或銨鹽或者它們的混合物，並且，該前處理液的pH值被調整為4～13。
專利文獻3提出了替代噴砂處理及表面調整劑，使用超高壓的噴水將研磨劑和水一起投射到線材，以形成所期望的鋼線材表面形狀，由此在短時間內形成磷酸鹽覆膜的鋼材的表面處理方法。
然而，上述各專利文獻1～3記載的技術存在以下的問題。
專利文獻1記載的技術，由於其包含的除鱗工序使用了鐵鋅顆粒這樣特殊顆粒，因此存在處理成本顯著變高的缺點。
專利文獻2記載的除鱗工序使用了表面調整劑，其雖然對磷酸鹽覆膜的結晶細微化具有較大的效果，但是，由於反應速度本身不是很高，因此不能夠充分地滿足生產效率。
專利文獻3的除鱗工序使用了超高壓噴水，隨著研磨劑及水的噴射壓的提高，鋼線材表面的加工變質變得明顯。該加工變質越明顯，在後續工序進行拉伸加工或鍛造加工等冷加工時，產生鋼線材的破裂或拉模燒結等加工不良的可能性就越高。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻1：日本專利公開公報特開昭62－207512號
專利文獻2：日本專利公開公報特開2003－160882號
專利文獻3：日本專利公開公報特開平7－80772號
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種鋼線材的連續表面處理方法，既能抑制鋼線材表面的加工變質，又能以低成本和高生產效率對鋼線材在短時間內形成磷酸鹽覆膜。
本發明所提供的鋼線材的連續表面處理方法，是連續地處理冷加工前的鋼線材的表面的方法，其包括：將磷酸鹽覆膜連續地形成在所述鋼線材的工序；在形成該磷酸鹽覆膜前，對所述鋼線材表面噴射包含顆粒狀研磨粒子的漿料，使得在該鋼線材的表面生成新生面的除鱗工序。
附圖說明
圖1是表示本發明的實施方式涉及的連續表面處理方法的工序的示意圖。
具體實施方式
以下，基於附圖對本發明的連續表面處理方法的實施方式進行詳細說明。
如圖1所示，本發明的連續表面處理方法是對鋼線材(條鋼線材)W進行拉伸等冷加工的生產線1(拉伸生產線和鍛造生產線)的方法。具體而言，本實施方式的連續表面處理方法包括：為了確保在拉伸加工之際拉模5和鋼線材W之間的潤滑在上述鋼線材W的表面上形成作為潤滑劑的基礎的磷酸鹽覆膜的覆膜工序P5；和為了提高潤滑性在上述磷酸鹽覆膜上賦予可覆蓋該磷酸鹽覆膜的含有金屬皂等的潤滑劑的循環工序P6。
具體而言，如圖1所示，本實施方式的連續表面處理方法包括：卷出工序P1、校正工序P2、除鱗工序P3、預熱(線材預熱)工序P4、上述覆膜處理P5、上述潤滑處理工序P6、乾燥工序P7、拉伸工序P8、卷繞工序P9。上述卷出工序P1，鋼線材被從供給站2的線卷卷出。上述校正工序P2，將在上述卷出工序P1卷出的鋼線材W通過校正機3校正為直線狀。上述除鱗工序P3除去附著在鋼線材W的表面的氧化皮。上述線材預熱工序P4對除鱗後的鋼線材W進行預熱。上述覆膜處理P5，將上述預熱後的鋼線材W浸泡在被覆液槽，在此，在該鋼線材的表面形成磷酸鹽覆膜。上述潤滑處理工序P6，對覆膜處理後的鋼線材賦予可以覆蓋上述覆膜的金屬皂等的潤滑劑。該潤滑劑，在之後的拉伸工序P8進行冷加工時，形成在鋼線材W的表面和拉模之間所需要的潤滑狀態。卷繞工序P9將施加了拉伸等冷加工後的鋼線材W進行卷繞。
上述除鱗工序P3與上述覆膜處理工序P5之間的上述預熱工序P4，也可以根據規格而省略。而且，在潤滑處理工序P6使用的潤滑劑為液體的情況下，在該潤滑處理工序P6和上述拉伸工序P8之間，例如，也可以進行使上述潤滑油乾燥的乾燥工序P7。
其次，對以上述連續表面處理方法表面處理的鋼線材及構成該連續表面處理方法的各工序的內容進行說明。
以本實施方式的連續表面處理方法處理的鋼線材W是用熱軋機以長尺寸的線狀壓延鋼或不鏽鋼等的鋼線材，其直徑為5.0mm～55mm。該鋼線材W在上述壓延後作為線卷而被卷繞。上述壓延後，為了調整鋼線材的組織或機械特性等，也可以追加對該鋼線材W以間歇爐或連續爐等進行的熱處理。
上述卷出工序P2將該鋼線材W從配置在供應臺2的鋼線材W的線卷線狀地卷出。該供應臺2是支撐熱軋後的鋼線材的線卷以便使鋼線材的線卷的軸心朝向上下方向或水平方向的設備。鋼線材W的卷出，例如，通過將該鋼線材W向線卷的上方或生產線的下遊側拔出而解卷，或者，使線卷本身在水平面內一邊旋轉一邊卷出鋼線材W來進行。
上述校正工序P3使用校正機3校正上述鋼線材W的捲曲。該校正機3具有多個校正輥4，這些校正輥4進行強制解除從供應臺2卷出的鋼線材W的捲曲。具體而言，在熱軋後通過讓卷繞成線狀的鋼線材W依次通過上述多個校正輥4來解除該鋼線材W的捲曲。被校正機3校正為直線狀的鋼線材被供給到下個除鱗工序P3。
上述除鱗工序P3從被校正機3校正為直線狀的鋼線材W的表面除去氧化皮。在本實施方式，通過向上述鋼線材W的表面噴射包含顆粒狀研磨粒子的漿料的溼式噴砂(wet blast)進行該表面上的除鱗。該除鱗工序P3的詳細情況後述。
上述預熱工序P4將除鱗後的鋼線材W在磷酸鹽覆膜處理前進行預熱。該預熱，例如，通過對去除了氧化皮的鋼線材W噴加熱的水或蒸氣，或者，通過高頻感應加熱等直接加熱鋼線材來進行，據此，鋼線材W被預熱到與用於磷酸鹽覆膜處理的溫度大約相同的溫度。該預熱能促進在該預熱後形成磷酸鹽覆膜時的化學反應，可以增加該磷酸鹽覆膜的形成速度。該預熱的詳細情況也稍後再述。
上述處理工序P5，通過向磷酸鹽覆膜液浸泡鋼線材W，在該鋼線材W的表面形成磷酸鹽覆膜。該覆膜，擔負著在上述的拉伸等冷加工過程中將潤滑劑引入拉模內的載體的任務，作為潤滑油使用的石灰皂或金屬皂等的基礎層而形成。
磷酸鹽覆膜通過化學反應而形成，處理溫度越高就越促進該化學反應。因此，不僅鋼線材W而且覆膜處理液也優選預熱到與線材的溫度大約相同的溫度60℃～80℃左右。認為：通過提高全酸度促進侵蝕反應，從而促進覆膜反應。因此，提高全酸度作為縮短覆膜處理時間的方法是有效的。
上述潤滑處理工序P6，對在上述覆膜處理工序P5被磷酸鹽覆膜覆蓋的鋼線材W的表面賦予含有石灰皂的金屬皂的潤滑劑以便覆蓋該被覆膜。在該潤滑劑為液體的情況下，優選在其次的乾燥工序P7進行對該潤滑油的乾燥。對被這樣的潤滑劑覆蓋的鋼線材W，通過加工設備(在拉伸工序P8為拉伸機5)進行在拉伸工序P8作為代表的冷加工。通過上述潤滑劑對上述鋼線材W的覆蓋可以鋼線材W一邊被潤滑一邊被進行冷加工，能夠順利地進行鋼線材的加工。
該連續表面處理方法，作為上述覆膜處理工序P5的前處理，包括上述除鱗工序P3，並且，在該除鱗工序P3中，對鋼線材W的表面噴射包含顆粒狀研磨粒子的漿料。如前述所述，優選在上述覆膜處理工序P5之前進行預熱工序P4。上述除鱗工序P3和預熱工序P4，既能抑制上述鋼線材W的表面的加工變質又能在鋼線材W的表面短時間內形成生產效率高的磷酸鹽覆膜。其詳細情況在以下進行說明。
上述除鱗工序P3，如上所述，包括使用噴射包含顆粒狀研磨粒子的漿料的溼式噴砂進行除鱗的情況。上述溼式噴砂，通過將作為水和硬質粒子混合成的混合物的漿料以高壓的空氣從多個噴嘴朝向對象物噴射，使該漿料與鋼線材W的表面產生衝擊從而剝離該鋼線材W表面的氧化皮。
上述多個噴嘴，被配備在沿周向排列的多個位置，優選在3個以上的位置。該多個噴嘴以隔開幾乎均等的角度間隔沿繞鋼線材的軸心的周向而配備，被配置成讓基於該多個噴嘴的多個噴射區域能全周向地覆蓋鋼線材的表面為宜。各噴嘴的位置優選以讓各噴嘴的噴射區域相互不幹擾的方式分散於鋼線材的傳送方向上。具體而言，該多個噴嘴優選沿著金屬線材的軸心的傳送方向鋸齒狀地(沿著鋼線材的軸心觀察時噴嘴被沿著周向左右交替地分布)配置，或者螺旋狀地配置。
上述溼式噴砂，通過將漿料的噴射壓調整到適當的範圍，可以將噴射的研磨材料給對象物帶來的衝擊抑制成較小，在這種情況下，與噴砂處理(shot blast)或水噴射(噴射壓在100MPa左右)相比較，不容易給對象造成損壞。具體而言，在不使用液體的乾式噴砂處理(dry shot blast)或即使用水但以非常高的空氣壓力進行水噴射的情況下，產生在鋼線材的表面的加工變質層有變厚的傾向，在冷加工時可能導致鋼線材的破裂或拉模燒結等的加工不良。對此，如果進行將水和硬質粒子的混合物的漿料以適當的噴射壓噴到鋼線材的溼式噴砂，與噴砂處理或水噴射相比較，可以使產生在鋼線材的表面的加工變質層變薄，可以使通過研磨材料的衝擊硬化的鋼線材表面的加工硬化量和加工硬化深度等變小。因此，在後述的磷酸鹽覆膜處理後的冷加工過程中，引起鋼線材的破裂或拉模燒結等加工不良的可能性可顯著地降低。
具體而言，上述漿料，例如，優選以0.2MPa以上0.6MPa以下的噴射壓進行噴射。0.2MPa以上的噴射壓使後述的新生面的形成成為可能。而且，0.6MPa以下的噴射壓與用比該噴射壓高的噴射壓進行的處理相比較，抑制鋼線材的破裂或拉模燒結等加工不良的效果更為顯著。
該方法的特徵在於上述的漿料含有顆粒狀研磨粒子。該顆粒狀研磨粒子是指在JIS Z0311作為噴砂處理用金屬系研磨材料而規定的顆粒，該粒子在使用前的狀態為具有稜角而角突出的形狀，在其表面之中的圓形部分粒子佔全表面的比例為1/2以下。因此，該顆粒狀研磨粒子是在JIS Z 0311規定的噴射處理用金屬系研磨材料，即，與「在使用前的狀態為不存在稜角、破碎面或其它銳利的表面凹陷，長徑為短徑的兩倍以內的球形狀的粒之」在形狀上有很大區別。
如果使用這種顆粒狀研磨粒子，即使是用比如上所述水噴射低的噴射壓噴射漿料的溼式噴砂，也可以在鋼線材的表面形成許多凹凸。並且，由於通過基於顆粒狀研磨粒子的角部的細微的表面切削在鋼線材的表面能獲得新生面，在後續的磷酸鹽覆膜處理過程中能夠促進化學反應，短時間內就可以得到磷酸鹽覆膜。也就是說，只要將上述漿料中的上述顆粒狀研磨粒子的含有率設定在通過向上述金屬線材W的表面噴射上述漿料在該表面就能夠生成上述新生面的程度即可。在此，「新生面」是指通過上述漿料的噴射能夠切削上述氧化皮以及金屬線材W的舊錶層而出現其下側的金屬線材W的新部分的表面。
構成上述顆粒狀研磨粒子的金屬的種類沒有限定。出於除鱗工序的可加工性的考慮，上述金屬優選選定成由硬度比被處理的鋼線材的硬度更高的粒子來構成。具體而言，顆粒狀研磨粒子，出於防止向鋼線材表面的刺入殘留的考慮等，優選使用韌性較好的鋼或不鏽鋼。
另一方面，在上述「預熱工序」，通過將鋼線材預熱到接近磷酸鹽覆膜處理使用的磷酸鹽覆膜液的溫度，因為能夠促進形成磷酸鹽覆膜時的化學反應，所以該預熱的處理條件也很大程度地影響連續表面處理的效率。
例如，如果在預熱過程中加熱鋼線材的溫度不足60℃，則預熱的效果變小，不能夠充分地形成磷酸鹽覆膜。反之，如果預熱超過80℃的溫度，則會使磷酸鹽覆膜的液溫過度地上升，引起加水分解，使得覆膜處理液變質，生產效率和成本方面反而不好。
另外，如果將因溼式噴砂成為溼潤狀態的鋼線材為了預熱使其變成乾燥狀態，則預熱時在鋼線材的表面形成氧化覆膜，在磷酸鹽覆膜的形成處理有可能引起反應的阻礙。但是，在80℃以下的低溫預熱不超過60秒的期間進行時，在該預熱過程中氧化覆膜幾乎不會形成到具有較大厚度。因此，在預熱過程中生成的氧化覆膜在其後的磷酸鹽覆膜形成之際不會產生因上述反應的阻礙，據此，能夠獲得通過預熱促進化學反應的優異效果。
如上所述，本發明提供的鋼線材的連續表面處理方法，不會給鋼線材的表面帶來顯著的加工變質，可以在短時間內以低成本和高生產效率對鋼線材形成磷酸鹽覆膜。該方法是對冷加工前的鋼線材的表面連續地處理的方法，其包括：連續地在上述鋼線材形成磷酸鹽覆膜的工序；在形成該磷酸鹽覆膜前，對上述鋼線材的表面噴射包含顆粒狀研磨粒子的漿料，使得在該鋼線材的表面生成新生面的除鱗工序。
當使用上述顆粒狀研磨粒子時，該顆粒狀研磨粒子的角部細微地切削表面，從而在鋼線材的表面生成新生面，故此促進後續磷酸鹽覆膜處理過程中的化學反應，可以在短時間內得到磷酸鹽覆膜。
因此，該連續表面處理方法，通過將上述漿料的噴射壓調整在適當的範圍，例如，在0.2MPa以上0.6MPa以下的範圍，進行溼式噴砂還能促進上述磷酸鹽覆膜的形成，據此，可以使生成在鋼線材的表面的加工變質層和鋼線材表面的加工硬化量、加工硬化深度等變小。
並且，當包括預熱工序(該預熱工序在上述除鱗工序後且上述覆膜處理工序前，進行預熱上述鋼線材)的情況下，通過該預熱工序，可以使上述鋼線材的溫度接近磷酸鹽覆膜液的溫度，例如接近60℃以上80℃以下的溫度，據此，可以促進形成磷酸鹽覆膜之際的化學反應。因此，可以在更短時間內對鋼線材高效率地形成磷酸鹽覆膜。
(實施例)
其次，通過參照實施例及比較例對上述連續表面處理方法的作用效果進一步進行詳細說明。
上述實施例及比較例都是基於對鋼(SUJ2)制的鋼線材(φ11.0mm)按照球狀化退火、連續表面處理、拉伸、鍛造的順序進行的實驗。上述連續表面處理包含基於溼式噴砂的除鱗、預熱、磷酸鹽覆膜處理、使用石灰皂的潤滑以及乾燥。
上述實驗條件的詳細如下所示。
(1)通過除鱗應去除的氧化皮
化學組成：Fe3O4(60％)、Fe2O3(40％)
厚度：2μm
(2)關於溼式噴砂
使用的設備：Macoho株式會社製造的通用溼式噴砂裝置
研磨材料：VULKAN INOX GmbH.制GRITTAL GH10
平均研磨劑半徑：0.113μm
空氣壓力：0.4Mpa
線材與噴嘴角度：90℃左右
線材與噴嘴的距離：100mm
漿料中的研磨劑濃度：15％
(3)關於預熱
使用的熱介質：溫水(40～80℃)
處理時間：60秒
(4)關於磷酸鹽覆膜
使用的磷酸鹽處理劑：日本Parkerizing PB-3670X
總酸度：90pt※
覆膜液溫度：40℃～80℃
處理時間：10秒
※用於表示總酸度的「pt」是磷酸鹽覆膜處理液的濃度單位，是指為了中和10mm磷酸鹽覆膜處理液所需要的0.1N的NaOH的ml數。
(5)關於潤滑
使用的石灰皂：井上石灰工業MAC－A20
處理溫度：40℃～80℃
處理時間10秒
(6)其它
拉伸的壓縮率：12％(φ11mm→φ10.3mm)
鍛造：前方擠壓加工，壓縮率50％
上述實驗的結果如表1所示。在表1中，表示「拉伸結果」和「鍛造結果」的符號之中，「×」表示立即產生了燒結或破裂的情況，「○」表示沒有產生燒結且沒有產生破裂並且可以進行冷加工的情況，「△」表示雖然沒有產生燒結但是拉模的壽命有點變短出現了燒結的先兆的情況。本發明的發明人通過該實驗確認了在「拉伸結果」及「鍛造結果」都不是×的情況下處理後的鋼線具有充分的性能，以此為優選實施例，將只有一方不是×的實施例作為次級實施例來對待。
當關注於表1的實驗例1～實驗例5時，使用了球狀的研磨粒子進行除鱗的實驗例1～3的覆膜附著量為2.7g/m2～3.2g/m2，相對與此，使用了顆粒狀研磨粒子進行除鱗的實驗例4、5的覆膜附著量為5.0g/m2、5.2g/m2，則可以看出覆膜附著量大幅增加。因此，通過使用顆粒狀研磨劑(研磨粒子)進行除鱗，可以大幅度地提高生產效率。
另外，當關注於表1的實驗例4、實驗例5時，使用了水噴射(WJ)進行除鱗的實驗例4與使用了溼式噴砂(WB)進行除鱗的實驗例5，則覆膜附著量幾乎相同。然而，從「拉伸結果」和「鍛造結果」觀察到溼式噴砂(WB)比水噴射(WJ)具有更為優異的拉伸性和鍛造性。具體而言，實驗例4表示雖然可以拉伸但是鍛造困難的情況，相對與此，實驗例5表示拉伸及鍛造都可以得到良好結果的情況。由此，可以得出利用溼式噴砂以適當的噴射壓的除鱗能夠抑制對鋼線材的表面的加工變質，提高拉伸和鍛造等可加工性的效果更為顯著。
另一方面，當關注於表1的實驗例6～實驗例8時，則可以得出預熱溫度越高覆膜附著量就越增加，拉伸性和可加工性變好。預熱溫度為40℃的實驗例6表示覆膜附著量為4.2g/m2，鍛造後的樣品看到呈示燒結的先兆的光澤，預熱溫度為60℃及80℃的實驗例8及實驗例9表示覆膜附著量變為5.0g/m2～6.4g/m2，鍛造後的表面也變成更好的狀態。由此，可以得出：在覆膜處理前，先進行預熱，優選進行60℃以上80℃以下的預熱，從而提高走線速度，生產效率大幅上升。
此外，當將研磨劑的材質為氧化鋁的實驗例9、與顆粒狀研磨劑的材質為鋼的實驗例8相比時，雖然覆膜附著量幾乎相同但是拉模壽命有點變短，其「拉伸結果」和「鍛造結果」的評價為△。認為這原因在於，氧化鋁比鋼的韌性差，在除鱗過程中該氧化鋁會刺入殘存於線材，從而在後續工序的拉伸加工和鍛造加工時產生燒結。故此，顆粒狀研磨劑的材質優選為韌性高的鋼。
另外，此次公開的實施例只不過是例舉了本發明的特點，但對本發明沒有任何限制。特別是在此次公開的實施例中沒有明確公開的事項，例如，運轉條件或操作條件、各種參數、構成物的尺寸、重量、體積等，並不偏離本領域技術人員通常實施的範圍，採用普通的本領域技術人員容易想到的值。