卷绕加工性良好的油回火钢丝及其制造方法

专利名称：卷绕加工性良好的油回火钢丝及其制造方法
技术领域：
本发明涉及作为内燃机的阀弹簧或者桥接弹簧等原材料使用的油回火钢丝，尤其涉及在弹簧加工中大幅度改善材料和工具之间的润滑性，从而能谋求弹簧生产性以及弹簧精度的提高的油回火钢丝的制造方法。
背景技术：
对作为上述各种弹簧的原材料使用的线材来说，一般是在经过拉丝加工后，实施被称为油回火的淬火·回火热处理而完成加工。但是，由于这样制造出的线材需要通过卷绕而成形而弹簧，因此在上述加工中，弹簧和加工工具之间的润滑性良好对于提高其生产性非常重要。
作为在对油回火钢丝进行卷绕加工时提高润滑性的技术，至今为止已有很多方法，下面作为其中的代表例，举出了下述(1)～(3)。
(1)将在油回火钢丝的表面生成的氧化皮的成分、厚度以及密接性管理成适当的值，形成加工性良好的氧化被膜的方法(例如，特公平5-14771号公报)(2)替代防锈油，将具有防锈性的润滑油涂敷在回火钢丝上的方法。
(3)将在回火钢丝的表面生成的氧化皮的厚度管理成某一指定厚度以下，作为辅助卷绕性的方法，形成将醇酸树脂、氨基酸系作为主体的树脂等镀敷被膜的方法(例如，特许第3003831号公报)。
另一方面，作为使用于自行车的阀弹簧等的油回火钢丝，近年来认为需要应对以下的期望。
(1)为了与自行车的轻量化要求对应，具有对金属丝强度进行更高强度化、更细径化、以及在高设计应力下使用的倾向。
(2)为了在更狭窄的空间内设置弹簧且确保必要的冲程(stroke)，还增加了例如椭圆形状的异形截面线的使用。而且，在该异形截面线的卷绕加工中，为确保必要的弹簧精度，需要严格控制卷绕过程中的线材旋转。
尤其近年来，伴随着对弹簧的高性能化、轻量化要求，弹簧形状也被形成为能在高的负荷应力下使用的设计，且在很多情况下需要在更高强度下使用硬的材料，在弹簧加工中制造出塑性变形量大的弹簧。
作为具体的评价标准，当用弹簧的平均直径(D)和线径d的比(D/d)表示时，需要一种具有该比小于3.5的弹簧直径并且弹簧的螺距大的弹簧。
在对这样的弹簧进行卷绕加工时，由于材料与工具之间的摩擦和加工中的发热，材料与工具之间的界面温度上升。在进行卷绕加工时，虽然由形成于线材表面的氧化被膜以及防锈油的涂敷而确保了良好的加工性，但在这样的润滑方式中润滑被膜的耐热性不充分，容易在与工具之间引起胶合磨损，导致难以有效生产规定形状的弹簧。
此外，当使用异形截面的线材制造弹簧的情况下，为良好地确保其精度，需要使用多个间隙的小引导件或者销进行固定，再进行卷绕。此外，使用了高强度线材并且是异形截面的线材的弹簧也在增加。
在这样的状况下，仅靠以往的油回火钢丝表面的氧化被膜和防锈油，有时会由防锈油带来的润滑效果变得不那么大，进而有时会有以下的不合理情况。
(1)卷绕销或者引导件等卷绕用工具和金属线表面之间的润滑性不足，容易引起烧粘，导致工具寿命缩短。因此，需要停止机械操作并进行工具交换或者修理等，导致生产性下降。
(2)如果发生烧粘，则作为制品的弹簧的直径或者自由长度(没有负载时的弹簧长度)会产生不均，从而制品精度变差、并且制品成品率下降。
(3)此外，这样的烧粘会在弹簧表面产生线状的有害瑕疵，给弹簧寿命带去坏影响。

发明内容
本发明鉴于以上的事实，其目的在于提供一种能够向润滑被膜赋予充分的耐热性而确保良好的润滑性，且在高强度金属线或者异形截面的油回火钢丝中也能确保良好的卷绕性的油回火钢丝。
为达到上述目的，本发明提供一种油回火钢丝，其要旨在于，在线材表面形成被膜层，该被膜层由从以硫酸盐、硅酸盐以及硼酸盐构成的一组中选择的一种以上的无机盐构成。
所述被膜中的无机盐可以使用从由硅酸钠、硅酸钾、硅酸镁、硫酸钠、硫酸钾、硼酸钠、以及硼酸钾构成的一组中选择的一种以上。
在本发明的油回火钢丝中，优选在由无机盐构成的被膜层中根据需要还含有具备润滑性的油脂成分和/或皂碱成分。
作为此时被膜中含有的油脂成分，可举出以石油蜡为代表的蜡类，而作为所述皂碱成分，可举出从硬脂酸、棕榈酸、油酸、亚油酸、以及亚麻酸的钠盐或者钾盐中选择的一种以上。此外，当含有油脂成分和/或皂碱成分的情况下，在被膜中含有的所述油脂成分和/或皂碱成分的含有量是5～50质量％。
在本发明的油回火钢丝中，最好在所述被膜表面根据需要还涂敷防锈油，由此可以提高油回火钢丝的防锈性。
另一方面，当制造本发明的油回火钢丝时，优选方式是，在由硫酸盐、硅酸盐、以及硼酸盐构成的一组中选择的一种或者两种以上的无机盐的水溶液中、或者除了所述无机盐之外还根据需要含有具有润滑性的油脂成分和/或皂碱成分的水溶液中，通过浸渍油回火钢丝而在线材表面形成所述水溶液涂膜，接着通过对水溶液涂膜中的水份进行干燥去除，在线材表面形成润滑性被膜。在该方法中，所述水溶液镀膜中的固体成分浓度优选1.5～30质量％。
具体实施例方式
本发明者们从提高弹簧用油回火钢丝的卷绕中的润滑性以及耐热性的观点出发，对能防止烧粘的方法进行考察以及实验的结果发现了，通过采用上述构成能完全达到上述目的，进而完成了本发明。
目前的弹簧加工中的金属线和工具之间的润滑机构是，基于在油回火钢丝制造过程中生成的线表面的氧化被膜、和涂敷在目前制品的线表面上的防锈油所具备的润滑性而实现。另一方面，对于油回火钢丝的高强度化、异形截面线化或者制品的高精度化的要求、以及提高高速卷绕的生产性的要求等，仅由防锈油提高润滑性的对策显得不够充分。
此外，对于线表面的氧化被膜，为了与防锈油之间的保持性或者为了缓和工具与材料之间的直接接触，需要具备某一程度的被膜厚度，但如果厚度过大，则氧化被膜的密接性变差，而有在卷绕销之前被膜剥离的不合适的情况。这样的不合适的情况会导致卷绕性降低。
因此，有必要将氧化薄膜的厚度控制在适当厚度，从而提出了控制氧化被膜的方法(例如，所述特公平5-14771号公报)，但无法充分对应要求特性越来越高的卷绕加工中的润滑性的改善要求。
对于这样的要求，本发明者们得到了以下构思，即，将在卷绕加工中的氧化被膜和防锈油所担当的功能按以下方式分割，并对形成于弹簧表面的被膜的组成进行适当的控制，以使能赋予这些功能。
(a)对销等工具和材料(线表面)之间的直接的金属接触进行缓和的功能(b)防锈油所具有的、作为润滑油的摩擦系数降低功能(c)作为防锈油而给予线材的作用关于上述(a)功能，确认了不仅仅依靠在油回火处理时生成的线表面的氧化被膜，还通过在线材表面附着、保持硬质的无机微粒，能够积极地强化在加工时作为工具和材料之间的具有耐热性的缓冲剂的作用。
此外还确认，作为具体的无机微粒，最优选硫酸盐、硅酸盐、以及硼酸盐等。即，对于油回火钢丝，如果在线材表面形成含有上述各种无机盐的被膜层，则能够有效地发挥上述(a)的功能。此外，作为强化上述(b)功能的方法，如果根据需要，在被膜中积极地还含有油脂类或者皂碱类等润滑成分，则能够进一步改善润滑性。此外，关于上述(c)功能，通过根据需要在被膜层表面再涂敷防锈油，能够发挥该功能。此外，还确认了上述被膜层中的各成分不会对防锈油的防锈性带去坏影响。
本发明的油回火钢丝，基本上是将由无机盐构成的被膜层形成在其表面而形成的，而作为能够在此时使用的无机盐，可举出硫酸钾、硫酸钠等硫酸盐，硅酸钠、硅酸钾、硅酸镁等硅酸盐，以及硼酸钠、硼酸钾等硼酸盐，并且它们可单独使用、或者两种以上组合使用。其中，考虑到耐热性以及环境调和性，尤其优选硅酸钠、硅酸钾以及硅酸镁等硅酸盐，硫酸钠以及硫酸钾等硫酸盐。
在本发明的线材表面形成的被膜层中，除了上述无机盐之外，还可以根据需要含有油脂成分和/或皂碱成分，而这些成分起到向被膜赋予润滑性的作用[上述(b)的功能]。
作为上述油脂成分，可举出以石油蜡为代表的蜡类，而作为所述皂碱成分，可举出从硬脂酸、油酸、棕榈酸、油酸、亚油酸、以及亚麻酸的钠盐或者钾盐中选择的一种以上。此外油脂成分或者皂碱成分在被膜中的含有量优选在5～50质量％程度。即，如果被膜中的油脂成分或者皂碱成分的含有量不足5质量％，则润滑性的赋予效果不充分，而如果超过50质量％，则无机盐的比例变少，使得被膜强度以及耐热性不足，很难应对强力加工。
通过将含有上述成分的润滑性被膜层形成于油回火钢丝的表面，能够向润滑性被膜赋予充分的耐热性并确保良好的润滑性，进而能够实现对于高强度金属线或者异形截面的油回火钢丝也能确保良好卷绕性的油回火钢丝，而作为这样的油回火钢丝，最好根据需要在所述被膜表面进一步涂敷防锈油，并由此能够向油回火钢丝赋予防锈性(所述(c)功能)。作为此时使用的防锈油，可使用至今一般使用的防锈油，例如可举出石油系碳氢化物和防锈添加剂的混合物。
本发明的油回火钢丝是将含有上述成分的被膜层形成于线材表面上的油回火钢丝，而关于该被膜层的形成方法，可以采用以下方法，即，例如在上述各种无机盐的水溶液中、或者除了所述无机盐之外还根据需要以适当比例含有具有润滑性的油脂成分和皂碱成分的水溶液中，通过浸渍油回火钢丝而在线材表面上形成所述水溶液涂膜，接着通过对水溶液涂膜中的水份进行干燥去除，在线材表面形成润滑性被膜。
在该方法的实施过程中，所述水溶液中的固体成分浓度(即，无机盐、根据需要含有的油脂成分和/或皂碱成分等的浓度)优选1.5～30质量％。如果该固体成分浓度小于1.5质量％，则不能获得由润滑性被膜产生的效果，而如果超过30质量％，则会由于过饱和而在被膜分布中产生不均，使被膜均匀性变差。
本发明适用于就弹簧直径来说弹簧的平均直径(D)和线径的比(D/d)小于3.5且弹簧螺距大的弹簧时很有效，但在本发明中作为对象的弹簧并不限定于此，在所述比(D/d)为3.5以上时也能发挥其效果。
(实施例)以下，根据实施例，具体展示了本发明的作用效果，但下述实施例不是限定本发明的性质，符合上述·后述宗旨的适宜变更都包含在本发明的技术范围之内。
利用通常的淬火、回火处理，制作出如下表1所示的各钢种的阀弹簧用高强度油回火钢丝。此时，在各油回火钢丝的表面上形成有与以往剂同等厚度的氧化被膜(后述表2)。此外，在此时，制作出线材截面形状是椭圆形的和圆形的线材的同时，对其拉伸强度也进行了测定。
表1

在从上面获得的各油回火钢丝的表面，采用下述①～⑤的方法形成润滑性被膜。此时，为强化防锈性，使用一般用作铁系材料用防锈油的石油系碳氢化物和防锈添加剂的混合物作为防锈油，涂敷在所述被膜上。
在固体成分量被调整为11质量％的、含有硅酸钠、硅酸钾以及硫酸钾的70℃水溶液中，浸渍油回火钢丝，再通过干燥去除水分，从而在线材表面形成了被膜。
在含有硅酸钠、硅酸钾以及硼酸钾的水溶液中配合蜡，并将其水溶液中的固体成分量调整为11.5质量％后，在室温(25℃)下的该溶液中，浸渍油回火钢丝，再通过干燥去除水分，从而在线材表面形成了被膜。
在含有硅酸钠以及硅酸钾的水溶液中配合蜡，并将其水溶液中的固体成分量调整为8.5质量％后，在室温(25℃)下的该溶液中，浸渍油回火钢丝，再通过干燥去除水分，从而在线材表面形成了被膜。
在含有硅酸钠以及硅酸钾的水溶液中配合作为皂碱成分的硬脂酸钠，并将其水溶液中的固体成分量调整为10质量％后，在室温(25℃)下的该溶液中，浸渍油回火钢丝，再通过干燥去除水分，从而在线材表面形成了被膜。
在含有硅酸钠、硅酸钾以及硅酸镁的水溶液中配合蜡，并将其水溶液中的固体成分量调整为8.5质量％后，在室温(25℃)下的该溶液中，浸渍油回火钢丝，再通过干燥去除水分，从而在线材表面形成了被膜。
对于获得的油回火钢丝，测定拉伸强度的同时进行卷绕加工而制成各种D/d的弹簧，并调查了弹簧的线圈直径的标准离差σ(D)和自由长度的标准离差σ(H)。自由长度的标准离差σ(H)，是用标准离差σ(H)除以自由长度H(mm)的、每1mm自由长度的标准离差[标准离差σ(H)/H]来表示。此外，用适当的方法观察表面，并同时调查了由于弹簧加工中的线表面和工具之间的润滑不良而引起线状瑕疵(粘着)从而必须进行工具的研磨·修正的卷绕个数。
将其结果表示在下面的表2中。另外，在下面的表2中还表示了对于仅涂敷通常的防锈油的的线材(下述表2的No.1、3、6、11)进行了相同评价后的结果。
表2

从该结果，考察如下。首先，与通常的仅有氧化被膜和防锈油的例子(No.1、3、6、11)相比，在满足本发明规定的条件的例子(No.2、4、5、7～10、12～15)中，线圈直径的标准离差、自由长度的标准离差哪一个都很小，而且产生“粘着”现象为止的卷绕数多，1个批次(10000个)的卷绕结束为止不需要进行销研磨。即，可获知，由于本发明的油回火钢丝的制品即弹簧的精度优良，因此对工具的损伤少，其结果不需要无用的计划时间，提高生产性。另外，本发明者们通过调查确认了，本发明中使用的润滑剂成分在制造弹簧的工序的回火处理或者喷丸硬化中，也不会给品质或者工作环境带去坏影响。
(工业上的可利用性)本发明具有以上构成，其在弹簧的卷绕加工中，通过提高线和工具之间的润滑膜的耐热性且改善润滑性本身，在使用高强度线对加工严格的D/d小的弹簧进行加工时，加工变得容易，并能具体发挥下述(a)～(c)的效果。
(a)制品弹簧的自由长度的标准离差、线圈直径的标准离差变小，加工成品率提高。
(b)加工工具的寿命变长，工具交换或者修正中使用的时间缩短，提高了生产性。
(c)弹簧表面不容易产生“粘着”引起的瑕疵，制品可靠性提高。
此外，根据本发明的油回火钢丝，能够发挥如如下效果(1)最适合于更需要润滑性的截面为椭圆形状的异形截面线的加工中、(2)适合于工具表面的面压力高的大直径的线材的卷绕中、(3)通过提高被膜的耐热性，能够提高卷绕速度，从而有助于提高生产性。
权利要求
1.一种油回火钢丝，其特征是在线材表面形成有被膜层，该被膜层由从由硫酸盐、硅酸盐以及硼酸盐构成的一组中选择的一种以上的无机盐构成。
2.如权利要求1所述的油回火钢丝，其特征是所述无机盐是从由硅酸钠、硅酸钾、硅酸镁、硫酸钠、硫酸钾、硼酸钠、以及硼酸钾构成的一组中选择的一种以上。
3.如权利要求1或者2所述的油回火钢丝，其特征是在由无机盐构成的被膜层中还含有具有润滑性的油脂成分和/或皂碱成分。
4.如权利要求3所述的油回火钢丝，其特征是所述油脂成分是蜡类，所述皂碱成分是从硬脂酸、棕榈酸、油酸、亚油酸、以及亚麻酸的钠盐或者钾盐中选择的一种以上。
5.如权利要求3或者4所述的油回火钢丝，其特征是在被膜中含有5～50质量％的所述油脂成分和/或皂碱成分。
6.如权利要求1～5中任何一项所述的油回火钢丝，其特征是在所述被膜表面还涂敷有防锈油。
7.一种卷绕加工性优良的油回火钢丝的制造方法，其特征是在制造权利要求1所述的油回火钢丝时，在含有由硫酸盐、硅酸盐、以及硼酸盐构成的一组中选择的一种以上的无机盐的水溶液中，浸渍油回火钢丝而在线材表面形成所述水溶液涂膜，接着通过将水溶液涂膜中的水份进行干燥去除，在线材表面形成润滑性被膜。
8.一种卷绕加工性优良的油回火钢丝的制造方法，其特征是在制造权利要求2～5中的任何一项所述的油回火钢丝时，在含有由硫酸盐、硅酸盐、以及硼酸盐构成的一组中选择的一种以上的无机盐，和具有润滑性的油脂成分和/或皂碱成分的水溶液中，浸渍油回火钢丝而在线材表面形成所述水溶液涂膜，接着通过将水溶液涂膜中的水份进行干燥去除，在线材表面形成润滑性被膜。
全文摘要
本发明公开了一种油回火钢丝，在线材表面形成有被膜层，其中，该被膜层由从由硫酸盐、硅酸盐以及硼酸盐构成的一组中选择的一种以上的无机盐构成，而且，在所述被膜中根据需要还含有具有润滑性的油脂成分和/或皂碱成分，由此，能够提供一种向润滑被膜赋予充分的耐热性而确保良好的润滑性，且作为高强度金属线或者异形截面的油回火钢丝也能确保良好的卷绕性的油回火钢丝。
文档编号C23C30/00GK1745195SQ200380109268
公开日2006年3月8日 申请日期2003年12月26日 优先权日2003年1月31日
发明者藤原忠义, 神保铁男, 山本文男 申请人:神钢钢线工业株式会社, 日本发条株式会社