卷繞加工性良好的油回火鋼絲及其製造方法
2023-05-14 19:57:46
專利名稱：卷繞加工性良好的油回火鋼絲及其製造方法
技術領域：
本發明涉及作為內燃機的閥彈簧或者橋接彈簧等原材料使用的油回火鋼絲，尤其涉及在彈簧加工中大幅度改善材料和工具之間的潤滑性，從而能謀求彈簧生產性以及彈簧精度的提高的油回火鋼絲的製造方法。
背景技術：
對作為上述各種彈簧的原材料使用的線材來說，一般是在經過拉絲加工後，實施被稱為油回火的淬火·回火熱處理而完成加工。但是，由於這樣製造出的線材需要通過卷繞而成形而彈簧，因此在上述加工中，彈簧和加工工具之間的潤滑性良好對於提高其生產性非常重要。
作為在對油回火鋼絲進行卷繞加工時提高潤滑性的技術，至今為止已有很多方法，下面作為其中的代表例，舉出了下述(1)～(3)。
(1)將在油回火鋼絲的表面生成的氧化皮的成分、厚度以及密接性管理成適當的值，形成加工性良好的氧化被膜的方法(例如，特公平5-14771號公報)(2)替代防鏽油，將具有防鏽性的潤滑油塗敷在回火鋼絲上的方法。
(3)將在回火鋼絲的表面生成的氧化皮的厚度管理成某一指定厚度以下，作為輔助卷繞性的方法，形成將醇酸樹脂、胺基酸系作為主體的樹脂等鍍敷被膜的方法(例如，特許第3003831號公報)。
另一方面，作為使用於自行車的閥彈簧等的油回火鋼絲，近年來認為需要應對以下的期望。
(1)為了與自行車的輕量化要求對應，具有對金屬絲強度進行更高強度化、更細徑化、以及在高設計應力下使用的傾向。
(2)為了在更狹窄的空間內設置彈簧且確保必要的衝程(stroke)，還增加了例如橢圓形狀的異形截面線的使用。而且，在該異形截面線的卷繞加工中，為確保必要的彈簧精度，需要嚴格控制卷繞過程中的線材旋轉。
尤其近年來，伴隨著對彈簧的高性能化、輕量化要求，彈簧形狀也被形成為能在高的負荷應力下使用的設計，且在很多情況下需要在更高強度下使用硬的材料，在彈簧加工中製造出塑性變形量大的彈簧。
作為具體的評價標準，當用彈簧的平均直徑(D)和線徑d的比(D/d)表示時，需要一種具有該比小於3.5的彈簧直徑並且彈簧的螺距大的彈簧。
在對這樣的彈簧進行卷繞加工時，由於材料與工具之間的摩擦和加工中的發熱，材料與工具之間的界面溫度上升。在進行卷繞加工時，雖然由形成於線材表面的氧化被膜以及防鏽油的塗敷而確保了良好的加工性，但在這樣的潤滑方式中潤滑被膜的耐熱性不充分，容易在與工具之間引起膠合磨損，導致難以有效生產規定形狀的彈簧。
此外，當使用異形截面的線材製造彈簧的情況下，為良好地確保其精度，需要使用多個間隙的小引導件或者銷進行固定，再進行卷繞。此外，使用了高強度線材並且是異形截面的線材的彈簧也在增加。
在這樣的狀況下，僅靠以往的油回火鋼絲表面的氧化被膜和防鏽油，有時會由防鏽油帶來的潤滑效果變得不那麼大，進而有時會有以下的不合理情況。
(1)卷繞銷或者引導件等卷繞用工具和金屬線表面之間的潤滑性不足，容易引起燒粘，導致工具壽命縮短。因此，需要停止機械操作並進行工具交換或者修理等，導致生產性下降。
(2)如果發生燒粘，則作為製品的彈簧的直徑或者自由長度(沒有負載時的彈簧長度)會產生不均，從而製品精度變差、並且製品成品率下降。
(3)此外，這樣的燒粘會在彈簧表面產生線狀的有害瑕疵，給彈簧壽命帶去壞影響。
發明內容
本發明鑑於以上的事實，其目的在於提供一種能夠向潤滑被膜賦予充分的耐熱性而確保良好的潤滑性，且在高強度金屬線或者異形截面的油回火鋼絲中也能確保良好的卷繞性的油回火鋼絲。
為達到上述目的，本發明提供一種油回火鋼絲，其要旨在於，在線材表面形成被膜層，該被膜層由從以硫酸鹽、矽酸鹽以及硼酸鹽構成的一組中選擇的一種以上的無機鹽構成。
所述被膜中的無機鹽可以使用從由矽酸鈉、矽酸鉀、矽酸鎂、硫酸鈉、硫酸鉀、硼酸鈉、以及硼酸鉀構成的一組中選擇的一種以上。
在本發明的油回火鋼絲中，優選在由無機鹽構成的被膜層中根據需要還含有具備潤滑性的油脂成分和/或皂鹼成分。
作為此時被膜中含有的油脂成分，可舉出以石油蠟為代表的蠟類，而作為所述皂鹼成分，可舉出從硬脂酸、棕櫚酸、油酸、亞油酸、以及亞麻酸的鈉鹽或者鉀鹽中選擇的一種以上。此外，當含有油脂成分和/或皂鹼成分的情況下，在被膜中含有的所述油脂成分和/或皂鹼成分的含有量是5～50質量％。
在本發明的油回火鋼絲中，最好在所述被膜表面根據需要還塗敷防鏽油，由此可以提高油回火鋼絲的防鏽性。
另一方面，當製造本發明的油回火鋼絲時，優選方式是，在由硫酸鹽、矽酸鹽、以及硼酸鹽構成的一組中選擇的一種或者兩種以上的無機鹽的水溶液中、或者除了所述無機鹽之外還根據需要含有具有潤滑性的油脂成分和/或皂鹼成分的水溶液中，通過浸漬油回火鋼絲而在線材表面形成所述水溶液塗膜，接著通過對水溶液塗膜中的水份進行乾燥去除，在線材表面形成潤滑性被膜。在該方法中，所述水溶液鍍膜中的固體成分濃度優選1.5～30質量％。
具體實施例方式
本發明者們從提高彈簧用油回火鋼絲的卷繞中的潤滑性以及耐熱性的觀點出發，對能防止燒粘的方法進行考察以及實驗的結果發現了，通過採用上述構成能完全達到上述目的，進而完成了本發明。
目前的彈簧加工中的金屬線和工具之間的潤滑機構是，基於在油回火鋼絲製造過程中生成的線表面的氧化被膜、和塗敷在目前製品的線表面上的防鏽油所具備的潤滑性而實現。另一方面，對於油回火鋼絲的高強度化、異形截面線化或者製品的高精度化的要求、以及提高高速卷繞的生產性的要求等，僅由防鏽油提高潤滑性的對策顯得不夠充分。
此外，對於線表面的氧化被膜，為了與防鏽油之間的保持性或者為了緩和工具與材料之間的直接接觸，需要具備某一程度的被膜厚度，但如果厚度過大，則氧化被膜的密接性變差，而有在卷繞銷之前被膜剝離的不合適的情況。這樣的不合適的情況會導致卷繞性降低。
因此，有必要將氧化薄膜的厚度控制在適當厚度，從而提出了控制氧化被膜的方法(例如，所述特公平5-14771號公報)，但無法充分對應要求特性越來越高的卷繞加工中的潤滑性的改善要求。
對於這樣的要求，本發明者們得到了以下構思，即，將在卷繞加工中的氧化被膜和防鏽油所擔當的功能按以下方式分割，並對形成於彈簧表面的被膜的組成進行適當的控制，以使能賦予這些功能。
(a)對銷等工具和材料(線表面)之間的直接的金屬接觸進行緩和的功能(b)防鏽油所具有的、作為潤滑油的摩擦係數降低功能(c)作為防鏽油而給予線材的作用關於上述(a)功能，確認了不僅僅依靠在油回火處理時生成的線表面的氧化被膜，還通過在線材表面附著、保持硬質的無機微粒，能夠積極地強化在加工時作為工具和材料之間的具有耐熱性的緩衝劑的作用。
此外還確認，作為具體的無機微粒，最優選硫酸鹽、矽酸鹽、以及硼酸鹽等。即，對於油回火鋼絲，如果在線材表面形成含有上述各種無機鹽的被膜層，則能夠有效地發揮上述(a)的功能。此外，作為強化上述(b)功能的方法，如果根據需要，在被膜中積極地還含有油脂類或者皂鹼類等潤滑成分，則能夠進一步改善潤滑性。此外，關於上述(c)功能，通過根據需要在被膜層表面再塗敷防鏽油，能夠發揮該功能。此外，還確認了上述被膜層中的各成分不會對防鏽油的防鏽性帶去壞影響。
本發明的油回火鋼絲，基本上是將由無機鹽構成的被膜層形成在其表面而形成的，而作為能夠在此時使用的無機鹽，可舉出硫酸鉀、硫酸鈉等硫酸鹽，矽酸鈉、矽酸鉀、矽酸鎂等矽酸鹽，以及硼酸鈉、硼酸鉀等硼酸鹽，並且它們可單獨使用、或者兩種以上組合使用。其中，考慮到耐熱性以及環境調和性，尤其優選矽酸鈉、矽酸鉀以及矽酸鎂等矽酸鹽，硫酸鈉以及硫酸鉀等硫酸鹽。
在本發明的線材表面形成的被膜層中，除了上述無機鹽之外，還可以根據需要含有油脂成分和/或皂鹼成分，而這些成分起到向被膜賦予潤滑性的作用[上述(b)的功能]。
作為上述油脂成分，可舉出以石油蠟為代表的蠟類，而作為所述皂鹼成分，可舉出從硬脂酸、油酸、棕櫚酸、油酸、亞油酸、以及亞麻酸的鈉鹽或者鉀鹽中選擇的一種以上。此外油脂成分或者皂鹼成分在被膜中的含有量優選在5～50質量％程度。即，如果被膜中的油脂成分或者皂鹼成分的含有量不足5質量％，則潤滑性的賦予效果不充分，而如果超過50質量％，則無機鹽的比例變少，使得被膜強度以及耐熱性不足，很難應對強力加工。
通過將含有上述成分的潤滑性被膜層形成於油回火鋼絲的表面，能夠向潤滑性被膜賦予充分的耐熱性並確保良好的潤滑性，進而能夠實現對於高強度金屬線或者異形截面的油回火鋼絲也能確保良好卷繞性的油回火鋼絲，而作為這樣的油回火鋼絲，最好根據需要在所述被膜表面進一步塗敷防鏽油，並由此能夠向油回火鋼絲賦予防鏽性(所述(c)功能)。作為此時使用的防鏽油，可使用至今一般使用的防鏽油，例如可舉出石油系碳氫化物和防鏽添加劑的混合物。
本發明的油回火鋼絲是將含有上述成分的被膜層形成於線材表面上的油回火鋼絲，而關於該被膜層的形成方法，可以採用以下方法，即，例如在上述各種無機鹽的水溶液中、或者除了所述無機鹽之外還根據需要以適當比例含有具有潤滑性的油脂成分和皂鹼成分的水溶液中，通過浸漬油回火鋼絲而在線材表面上形成所述水溶液塗膜，接著通過對水溶液塗膜中的水份進行乾燥去除，在線材表面形成潤滑性被膜。
在該方法的實施過程中，所述水溶液中的固體成分濃度(即，無機鹽、根據需要含有的油脂成分和/或皂鹼成分等的濃度)優選1.5～30質量％。如果該固體成分濃度小於1.5質量％，則不能獲得由潤滑性被膜產生的效果，而如果超過30質量％，則會由於過飽和而在被膜分布中產生不均，使被膜均勻性變差。
本發明適用於就彈簧直徑來說彈簧的平均直徑(D)和線徑的比(D/d)小於3.5且彈簧螺距大的彈簧時很有效，但在本發明中作為對象的彈簧並不限定於此，在所述比(D/d)為3.5以上時也能發揮其效果。
(實施例)以下，根據實施例，具體展示了本發明的作用效果，但下述實施例不是限定本發明的性質，符合上述·後述宗旨的適宜變更都包含在本發明的技術範圍之內。
利用通常的淬火、回火處理，製作出如下表1所示的各鋼種的閥彈簧用高強度油回火鋼絲。此時，在各油回火鋼絲的表面上形成有與以往劑同等厚度的氧化被膜(後述表2)。此外，在此時，製作出線材截面形狀是橢圓形的和圓形的線材的同時，對其拉伸強度也進行了測定。
表1
在從上面獲得的各油回火鋼絲的表面，採用下述①～⑤的方法形成潤滑性被膜。此時，為強化防鏽性，使用一般用作鐵系材料用防鏽油的石油系碳氫化物和防鏽添加劑的混合物作為防鏽油，塗敷在所述被膜上。
在固體成分量被調整為11質量％的、含有矽酸鈉、矽酸鉀以及硫酸鉀的70℃水溶液中，浸漬油回火鋼絲，再通過乾燥去除水分，從而在線材表面形成了被膜。
在含有矽酸鈉、矽酸鉀以及硼酸鉀的水溶液中配合蠟，並將其水溶液中的固體成分量調整為11.5質量％後，在室溫(25℃)下的該溶液中，浸漬油回火鋼絲，再通過乾燥去除水分，從而在線材表面形成了被膜。
在含有矽酸鈉以及矽酸鉀的水溶液中配合蠟，並將其水溶液中的固體成分量調整為8.5質量％後，在室溫(25℃)下的該溶液中，浸漬油回火鋼絲，再通過乾燥去除水分，從而在線材表面形成了被膜。
在含有矽酸鈉以及矽酸鉀的水溶液中配合作為皂鹼成分的硬脂酸鈉，並將其水溶液中的固體成分量調整為10質量％後，在室溫(25℃)下的該溶液中，浸漬油回火鋼絲，再通過乾燥去除水分，從而在線材表面形成了被膜。
在含有矽酸鈉、矽酸鉀以及矽酸鎂的水溶液中配合蠟，並將其水溶液中的固體成分量調整為8.5質量％後，在室溫(25℃)下的該溶液中，浸漬油回火鋼絲，再通過乾燥去除水分，從而在線材表面形成了被膜。
對於獲得的油回火鋼絲，測定拉伸強度的同時進行卷繞加工而製成各種D/d的彈簧，並調查了彈簧的線圈直徑的標準離差σ(D)和自由長度的標準離差σ(H)。自由長度的標準離差σ(H)，是用標準離差σ(H)除以自由長度H(mm)的、每1mm自由長度的標準離差[標準離差σ(H)/H]來表示。此外，用適當的方法觀察表面，並同時調查了由於彈簧加工中的線表面和工具之間的潤滑不良而引起線狀瑕疵(粘著)從而必須進行工具的研磨·修正的卷繞個數。
將其結果表示在下面的表2中。另外，在下面的表2中還表示了對於僅塗敷通常的防鏽油的的線材(下述表2的No.1、3、6、11)進行了相同評價後的結果。
表2
從該結果，考察如下。首先，與通常的僅有氧化被膜和防鏽油的例子(No.1、3、6、11)相比，在滿足本發明規定的條件的例子(No.2、4、5、7～10、12～15)中，線圈直徑的標準離差、自由長度的標準離差哪一個都很小，而且產生「粘著」現象為止的卷繞數多，1個批次(10000個)的卷繞結束為止不需要進行銷研磨。即，可獲知，由於本發明的油回火鋼絲的製品即彈簧的精度優良，因此對工具的損傷少，其結果不需要無用的計劃時間，提高生產性。另外，本發明者們通過調查確認了，本發明中使用的潤滑劑成分在製造彈簧的工序的回火處理或者噴丸硬化中，也不會給品質或者工作環境帶去壞影響。
(工業上的可利用性)本發明具有以上構成，其在彈簧的卷繞加工中，通過提高線和工具之間的潤滑膜的耐熱性且改善潤滑性本身，在使用高強度線對加工嚴格的D/d小的彈簧進行加工時，加工變得容易，並能具體發揮下述(a)～(c)的效果。
(a)製品彈簧的自由長度的標準離差、線圈直徑的標準離差變小，加工成品率提高。
(b)加工工具的壽命變長，工具交換或者修正中使用的時間縮短，提高了生產性。
(c)彈簧表面不容易產生「粘著」引起的瑕疵，製品可靠性提高。
此外，根據本發明的油回火鋼絲，能夠發揮如如下效果(1)最適合於更需要潤滑性的截面為橢圓形狀的異形截面線的加工中、(2)適合於工具表面的面壓力高的大直徑的線材的卷繞中、(3)通過提高被膜的耐熱性，能夠提高卷繞速度，從而有助於提高生產性。
權利要求
1.一種油回火鋼絲，其特徵是在線材表面形成有被膜層，該被膜層由從由硫酸鹽、矽酸鹽以及硼酸鹽構成的一組中選擇的一種以上的無機鹽構成。
2.如權利要求1所述的油回火鋼絲，其特徵是所述無機鹽是從由矽酸鈉、矽酸鉀、矽酸鎂、硫酸鈉、硫酸鉀、硼酸鈉、以及硼酸鉀構成的一組中選擇的一種以上。
3.如權利要求1或者2所述的油回火鋼絲，其特徵是在由無機鹽構成的被膜層中還含有具有潤滑性的油脂成分和/或皂鹼成分。
4.如權利要求3所述的油回火鋼絲，其特徵是所述油脂成分是蠟類，所述皂鹼成分是從硬脂酸、棕櫚酸、油酸、亞油酸、以及亞麻酸的鈉鹽或者鉀鹽中選擇的一種以上。
5.如權利要求3或者4所述的油回火鋼絲，其特徵是在被膜中含有5～50質量％的所述油脂成分和/或皂鹼成分。
6.如權利要求1～5中任何一項所述的油回火鋼絲，其特徵是在所述被膜表面還塗敷有防鏽油。
7.一種卷繞加工性優良的油回火鋼絲的製造方法，其特徵是在製造權利要求1所述的油回火鋼絲時，在含有由硫酸鹽、矽酸鹽、以及硼酸鹽構成的一組中選擇的一種以上的無機鹽的水溶液中，浸漬油回火鋼絲而在線材表面形成所述水溶液塗膜，接著通過將水溶液塗膜中的水份進行乾燥去除，在線材表面形成潤滑性被膜。
8.一種卷繞加工性優良的油回火鋼絲的製造方法，其特徵是在製造權利要求2～5中的任何一項所述的油回火鋼絲時，在含有由硫酸鹽、矽酸鹽、以及硼酸鹽構成的一組中選擇的一種以上的無機鹽，和具有潤滑性的油脂成分和/或皂鹼成分的水溶液中，浸漬油回火鋼絲而在線材表面形成所述水溶液塗膜，接著通過將水溶液塗膜中的水份進行乾燥去除，在線材表面形成潤滑性被膜。
全文摘要
本發明公開了一種油回火鋼絲，在線材表面形成有被膜層，其中，該被膜層由從由硫酸鹽、矽酸鹽以及硼酸鹽構成的一組中選擇的一種以上的無機鹽構成，而且，在所述被膜中根據需要還含有具有潤滑性的油脂成分和/或皂鹼成分，由此，能夠提供一種向潤滑被膜賦予充分的耐熱性而確保良好的潤滑性，且作為高強度金屬線或者異形截面的油回火鋼絲也能確保良好的卷繞性的油回火鋼絲。
文檔編號C23C30/00GK1745195SQ200380109268
公開日2006年3月8日 申請日期2003年12月26日 優先權日2003年1月31日
發明者藤原忠義, 神保鐵男, 山本文男 申請人:神鋼鋼線工業株式會社, 日本發條株式會社