JP5806673B2 - 冷間圧造用ステンレス鋼線 - Google Patents

Description

本発明は、冷間又は温間加工に供される種々の被加工用金属材料に用いられる金属材料塑性加工用潤滑剤組成物、該組成物から形成される潤滑被膜及び該皮膜で被覆された被覆金属材料、並びに被覆金属材料の製造方法に関する。

従来、ステンレス鋼やチタン、ニッケル基合金などの特殊金属材料は、他の通常金属に比して耐食性、耐熱性及び機械的特性など多くの優れた特性を有し、今日の技術進歩に必要不可欠なものとされている。これらの特殊金属材料は、例えば、ねじ、ボルト、ナット、ピン、ロープ、軸受け又はばね等の機械要素製品や種々の機械構成材料に幅広く活用されている。

ところで、前記特殊金属材料は、高強度で硬質かつ靭性に乏しいため、難加工材料に位置付けされる。例えば、これら難加工性の金属材料は、前記種々の製品とするための加工を行う際、材料の割れ、断線又は折損等の加工トラブルが生じやすい。そこで、これらのトラブルを抑制するために、並びに、ダイス、ロール及びパンチ等の加工用工具の長寿命化を図るために、最適な潤滑技術が求められている。

例えば、上記特殊金属材料を細径化する伸線加工や、得られた細線をヘッダー圧造したりばね成形に供する場合、従来、金属材料の表面に、Ｃｕ、Ｎｉ又は他の金属のメッキを施したり、樹脂材料、石灰、蓚酸塩、又は燐酸塩等の有機、無機の種々の潤滑被膜を施すことが行われている。また、このような被覆を形成するものの他、その加工の直前に例えば金属石鹸、二硫化モリブデン、黒鉛、硼砂、石灰などの補助潤滑剤、又はさらに必要に応じて添加される種々の添加剤などを含む補助潤滑剤を並行して使用する併用型の潤滑方法も知られている。

特に上記併用型の潤滑方法は、前記難加工性の金属材料によるねじやボルト、ナットなどを形成する強度の圧造加工や、硬質線材を用いるばね成形などのような過酷な加工処理に有効である。しかしながら、これら潤滑被膜は、前記加工潤滑性能に加え、近年の地球環境にも配慮した組成の検討の必要性がある。

例えば、下記特許文献１には、高級脂肪族モノカルボン酸とジアミン、又は高級脂肪族モノカルボン酸と多塩基酸の混合物とジアミンとの反応によって得られるカルボン酸アマイド系ワックスを含有する金属材料の引き抜き加工用潤滑剤が提案されている。

また、下記特許文献２には、ステンレス鋼線に、厚さ１μｍ以上５μｍ以下のＮｉメッキを施し、更にその表面にハロゲンを含む合成樹脂を被覆して断面減少率６０％以上の伸線加工を加え、表面粗さを０．８ｓ〜１２ｓに調整した自動コイリング用鋼線とし、これによって潤滑性能を改善し、伸線時のダイス寿命向上やコイリング速度向上を図ることが提案されている。

また、下記特許文献３では、環境対応型加工被膜として、Ｋ２ＳＯ４とＮａ２ＳＯ４のうちいずれか一つ又はそれらの混合物を７５〜９０重量％、Ｎａ２Ｂ４Ｏ７を３〜２５重量％、及び非イオン系界面活性剤を２〜１０重量％含有するものからなる硫酸塩皮膜を施したステンレス鋼線が提案されている。

さらに、特許文献４では、コイリング特性に優れたばね用ステンレス鋼線を提供するために、ステンレス鋼線の表面に窒化処理にて窒化層を設け、これを伸線して、表面にクラックによる窒化層のアイランドを所定の大きさで形成し、これによって、付与される補助潤滑剤の収容を高めることが提案されている。

特開平４−２０２３９６号公報 特開平６−２２６３３０号公報 特開平１０−８８１７９号公報 特開平９−８５３３２号公報

しかし、蓚酸塩やリン酸塩で化成被膜処理したものや、さらにその上に金属石けんなどの固体滑剤を付着させた潤滑被膜は、金属材料の塑性加工後、潤滑被膜を除去するために酸洗い、水洗などの処理が必要であり、環境面において問題がある。

また、特許文献１に提案されている潤滑剤は耐熱性に劣るという問題がある。

さらに、特許文献２では、その構成被膜はハロゲン含有合成樹脂を含み、具体的には四フッ化エチレン樹脂などのフッ素系樹脂や塩素系樹脂であるため、その除去が困難であり、又はその除去に有機溶剤を必要とする。このため、特許文献２の技術も、環境面において問題がある。

特許文献３は、地球環境に対応してはいるが、硫酸塩、硼酸塩自体では潤滑性が乏しく、これらの潤滑被膜では十分な課題解決は図れていない。

さらに、特許文献４のステンレス鋼線では、その表面に形成される前記窒化層のアイランドが、そのまま残留するため、金属材料の表面状態を低下させ、製品価値を減じるという問題がある。

そこで、本発明では、従来の潤滑被膜の課題を解決するべく案出されたもので、潤滑性能に優れ金属材料の加工性能を高めるとともに、金属材料の表面状態を低下することなく容易に除去することができ、環境保全に有効でかつインライン化可能な汎用性の高い冷間圧造用ステンレス鋼線を提供することを目的とする。

本願請求項１に係る発明は、線径が０．５〜１０mmで、引張強さが９００ＭＰａ以下の軟質ステンレス鋼線であって、表面に、（Ａ）硫酸塩、ホウ酸塩又はケイ酸塩よりなる群から選ばれる少なくとも１種の無機塩、（Ｂ）グラファイト、二硫化モリブデン又は窒化ホウ素からなる平均粒径２０μｍ以下の滑物質、並びに（Ｃ）前記無機塩（Ａ）及び滑物質（Ｂ）を固着保持する平均分子量８０００〜５００００のアクリル酸系、スルホン酸系又はポリビニル系の水溶性樹脂材料を含有する固化物からなる潤滑皮膜を具え、前記潤滑皮膜は、構成原料（Ａ）：（Ｂ）：（Ｃ）の重量比が、１：０．５〜３：０．５〜８であり、前記潤滑皮膜は、前記無機塩（Ａ）の少なくとも一部が結晶化した結晶部を有し、前記潤滑皮膜の表面視において、前記結晶部の面積率が４０〜７０％であることを特徴とする冷間圧造用ステンレス鋼線である。

本願請求項１に係る潤滑剤組成物は、固体滑物質の分散剤として使用される樹脂材料（Ｃ）が水溶性であるため、調製が容易であり、固体滑物質を分散させる能力に優れているため分散安定性に優れる。しかも本発明で形成される被膜は、有機溶剤を必要とせず水で容易に除去することができる。さらに、無機塩（Ａ）及び滑物質（Ｂ）が水溶性樹脂材料（Ｃ）によって金属材料表面に強固に保持されるため、蓚酸塩やリン酸塩などによる化成被膜処理などの下地処理を必要とせず、該組成物を直接金属材料表面に塗布し、乾燥させることによって潤滑性能に優れた潤滑被膜を容易に提供することができる。

また、前記樹脂材料（Ｃ）は、より好ましくは、アクリル酸アルキルエステルを主成分とするアニオン性基含有アクリル酸アルキルエステル共重合体である。

前記潤滑被膜は、無機塩（Ａ）と粒径２０μｍ以下の滑物質（Ｂ）及びこれらを金属材料に結合保持する水溶性樹脂材料（Ｃ）で構成され、環境面において改善される。また、潤滑皮膜は、無機塩（Ａ）と滑物質（Ｂ）は前記樹脂材料（Ｃ）によって金属材料表面に強固に保持され、しかも前記無機塩（Ａ）の少なくとも一部が結晶化した結晶部を備えるため、さらに向上した潤滑性能を有し、特に強加工や難加工性の金属材料の潤滑被膜として好適である。

また、前記結晶部が、粒状、短繊維状及び葉脈状のいずれか１種以上の形状を有し、かつ潤滑皮膜の外表面上に凸設された張出部として形成されることが好ましい。

また、上記潤滑被膜は、被加工用金属材料の表面上に０．３〜１２ｇ／ｍ²の付着量で形成されてなる被覆金属材料が好ましい。

このような潤滑被膜を具える被覆金属材料は、塑性変形による成形加工において、金属石鹸、二硫化モリブデン、黒鉛、硼砂又は石灰などの前記補助潤滑剤を第二潤滑物質として併用してもよく、かかる場合には第二潤滑物質は効果的に前記結晶部の間に保持され、潤滑性能のさらなる向上が図られる。また、結晶部の突出によって形成される微小凹凸は潤滑被膜に形成されるものであり、前記特許文献４における窒化層のような異相をあえて設けることなく、潤滑剤の収容効率を高める効果を有する。この為、該表面潤滑剤を除去した金属材料は、表面性の低下が抑制され、仕上げ処理工程を軽減するなど、コストダウンにも貢献する。

また、前記軟質ステンレス鋼線は、固溶化熱処理仕上げを経たものを加工率３０％以下の伸線加工されたものであるのが好ましい。

本実施形態に係る被膜金属材料の一例を示す拡大斜視図である。 潤滑被膜の外面を拡大した顕微鏡写真であり、結晶部が点状と短繊維状の混在した張出部として形成されている結晶部の分布状態を示す。 潤滑被膜の外面を拡大した顕微鏡写真であり、結晶部が葉脈状の張出部として形成されている分布状態の一例を示す。 被覆金属材料の製造プロセスを例示する工程図である。 結晶部の面積率と、圧造加工における加工寿命との関係を示す関係図である。 潤滑被膜を除去した後の、金属材料の加工製品の表面状態を示す拡大写真である。

１ 被覆金属材料
２ 金属線
３ 潤滑皮膜
Ｋ 結晶部

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
図１に示されるように、被覆金属材料１は、長尺状の金属線２と、その外表面全体をほぼ一様に覆う潤滑被膜３とを有し、金属線２と潤滑被膜３は一体化するとともに、該潤滑被膜３は、その一部組成の結晶化による結晶部Ｋを有する。

前記金属線２は、その目的や用途に応じて選定された金属材料の線材である。該金属材料としては、従来より塑性加工に適用されているものが使用できる。このような金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、チタン又はチタン合金、ニッケル又はニッケル合金、ニオブ又はニオブ合金などの難加工性の金属材料が好適であり、その中でも加工硬化特性の大きい前記ステンレス鋼やチタン合金が望ましい。また、前記塑性加工には、圧造加工、プレス加工、曲げ加工、転造加工又はばね加工等の種々のものが含まれる。

特に、前記圧造加工やプレス加工は、金属材料を瞬間的に押圧し大きく張出変形させるため、本発明の潤滑皮膜は、材料の変形割れや工具類の欠損を抑制するのに有効である。また、本発明の潤滑皮膜は、ばね成形においても、所定のばね弾性を持つ高強度の金属細線を用いた塑性加工に有効である。

また、冷間圧造加工用の金属線２としては、例えば、線径が０．０１〜２０mm程度、好ましくは０．５〜１０mmで、かつ、その引張強さが９００ＭＰａ以下に軟質仕上げした金属線材が好適である。一方、ばね用の金属線２としては、例えば、線径が０．０１〜１０mm程度で、かつ、引張強さ１６００〜２６００ＭＰａ程度の高強度特性を具える冷間伸線加工された金属線材が好適に用いられる。金属材料がステンレス鋼である場合、上記のような強度特性を得るために、前者の圧造加工用金属線では、例えば固溶化熱処理仕上げしたものや、これを更に加工率３０％以下（好ましくは３〜２０％）の軽度の伸線加工や圧延加工でスキンパス仕上げされたものが好ましい。また、後者のばね用金属線では、最終仕上げが例えば加工率６０％以上の冷間伸線加工によって加工硬化されたものが好ましい。

金属線２の断面形状は、円形又は非円形のいずれでも良い。また、金属線２は、その長手方向の表面粗さや形状も任意に設定される。例えば、金属線２は、長手方向に沿って外径を周期的に変化させた波付け形状のものでもよい。さらに、潤滑皮膜で覆われる金属材料は、長尺な線材の他、棒状、帯状、シート状乃至塊状など種々形状品に対して幅広く採用でき、本発明はこれら形状のものも含む。

このような金属材料（本形態では金属線２）を被覆する潤滑被膜３は、本発明では次の３種類の構成材を含有する金属材料塑性加工用潤滑剤組成物から形成される。第一構成材として、硫酸塩、ホウ酸塩、ケイ酸塩、リン酸塩、モリブデン酸塩及びタングステン酸塩よりなる群から選ばれる少なくとも１種の無機塩（Ａ）が使用される。また、第二構成材として、平均粒径２０μｍ以下の微粒子状の滑物質（Ｂ）が使用される。さらに、第三構成材として、水溶性樹脂材料（Ｃ）が使用され、これは前記無機塩（Ａ）と滑物質（Ｂ）を固着保持する働きを有する。潤滑被膜３は、これら構成材（Ａ）〜（Ｃ）を所定の比率で配合した水性潤滑剤組成物を前記金属材料に塗布し、乾燥固化することによって得られる。そして本発明は、これら構成材からなる潤滑被膜２において、前記無機塩（Ａ）の少なくとも一部が結晶化した結晶部Ｋを有することを特徴とする。

前記第一構成材の無機塩（Ａ）は、潤滑被膜のキャリア性、耐圧性を向上させるもので、水溶性であり、これと併用する樹脂材料（Ｃ）と共に、所定温度に加熱することで容易に水に溶解する。無機塩（Ａ）は、塗膜の乾燥に伴って少なくともその一部を結晶化できるものが好適する。

前記無機塩（Ａ）としては、例えば、硫酸ナトリウム、硫酸カリウムなどの硫酸塩、硼酸ナトリウム、硼酸カリウム、硼酸アンモニウムなどの硼酸塩、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウムなどのケイ酸塩、リン酸亜鉛、リン酸カルシウムなどのリン酸塩、モリブデン酸アンモニウム、モリブデン酸ナトリウムなどのモリブデン酸塩、又はタングステン酸ナトリウムなどのタングステン酸塩等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、あるいは２種以上組み合わせて用いられてもよい。特に、硫酸カリウムや硼酸ナトリウムは、伸線にて優れたキャリア効果をもたらし、かつ、水溶性で結晶は耐圧に優れる為、本発明において好適である。

第二構成材は、前記無機塩（Ａ）とともに潤滑被膜３を構成する滑物質（Ｂ）であり、潤滑被膜において摩擦抵抗を低下させる機能を発揮する。滑物質（Ｂ）としては、例えばグラファイト、二硫化モリブデン、窒化ホウ素、二硫化タングステン、フッ化黒鉛又はＰＴＦＥなどが好適に用いられる。これら滑物質は、そのいずれかを単独であるいは任意な２種以上組み合わせて用いることができる。滑物質（Ｂ）の平均粒径は２０μｍ以下であるが、その下限は、１μｍ以上であることが好ましい。滑物質（Ｂ）の形状は特に限定されないが、例えば微粒子状のものが好ましい。

前記滑物質（Ｂ）は、その被覆処理やその後の加工に伴って形状変化することが推測される。しかし、その平均粒径が２０μｍを超えるような粗大なものでは、これを潤滑剤として液中に混合する際、底部に堆積しやすくなって一様な被覆状態が得られ難い。また、粗大粒子では、被膜表面性状を低下させる。かかる観点から、滑物質（Ｂ）のより好ましい平均粒径は１５μm以下である。なお、前記平均粒径とは、その一群から任意に抽出した複数の粒子を測定した各粒子の最大寸法の平均を意味するものとする。

グラファイトは、特にすべり性に優れ良好な潤滑性能をもたらすとともに、軽度の衝撃で容易に細粒化でき、また耐熱性や導電性にも優れる。このため、グラファイトは、本発明の前記滑物質（Ｂ）として特に好適である。したがって、これを含む潤滑皮膜は、例えば圧造加工のように瞬間的に大きな圧力を受けるような加工に用いる場合には、その負荷圧力を吸収して発生熱による焼き付きを防ぐ。また、グラファイトを含む潤滑皮膜は、直接通電で行われる温間加工の際、加熱を容易なものとし、工具寿命の増大や加工割れなどのトラブル軽減に寄与する。

また第三構成材である水溶性の樹脂材料（Ｃ）は、これが潤滑被膜として固化した状態で、前記無機塩（Ａ）及び滑物質（Ｂ）を金属材料２に強固に固着させる固着性を発揮する。該樹脂材料（Ｃ）は、溶液状態で滑物質（Ｂ）に斤力を生じさせたり、水溶液の粘度上昇を生じさせて滑物質（Ｂ）の沈降を防止したり、界面活性剤として滑物質（Ｂ）を親水性として分散を安定化させる特性が必要とされる。また、前記潤滑被膜はその加工後にしばしば除去することが行われる。その場合、特殊な溶媒等を用いることなく水やお湯で容易に溶解できるよう、前記樹脂材料（Ｃ）は、水溶性をもたらす平均分子量が５０００〜１０００００の電気的性質を有する樹脂材料によるものとしている。

すなわち、前記平均分子量が５０００未満のものでは、潤滑剤組成物の粘度が低下し、その付着量が減少するとともに、固着強度が低下し、良好な被膜、即ち適正潤滑状態が得られ難い。逆に、前記平均分子量が１０００００を超える高分子のものでは、水溶性の領域を超えるため本発明には適さない。また、粘性を高めて前記滑物質（Ｂ）のぬれ性を減じたり、内部に微細空孔をもたらすなど構造的にも好ましいものとは言えない。より好ましくは、前記樹脂材料（Ｃ）の平均分子量は８０００〜５００００、さらに好ましくは１００００〜３５０００である。

より好ましい前記水溶性の樹脂材料（Ｃ）としては、例えば、アクリルアミド系樹脂やアクリレート系樹脂などのアクリル酸系樹脂及びその他のカルボン酸基含有樹脂、スルホン酸系樹脂、ポリビニルアルコールなどのポリビニル系樹脂などの親水性官能基を有するものが挙げられる。これら樹脂材料は、特に次記説明の電気的性質を備えるものが好ましく、より好ましくは、その非誘電率が２〜１２、より望ましくは２．０〜８．０であることによって、該電気的性質の促進が図れるため、好ましい。前記アクリル酸系樹脂の中には、熱硬化により強固な膜を形成するものもある。例えば、塑性加工後に脱膜を必要としない場合、加熱乾燥又は熱処理によって無機塩（Ａ）及び／又は滑物質（Ｂ）の脱落し難い被膜を形成することもできる。特に好ましい樹脂材料（Ｃ）としては、アクリル酸アルキルエステルを主成分とするアニオン性基含有アクリル酸アルキルエステル共重合体が挙げられる。

なお、前記樹脂材料（Ｃ）が電気的性質を有するとは、電荷及び／又は極性を有する樹脂材料であることを意味し、その検証は、例えばクロマトグラフやＦＴ−ＩＲなどで求められる構造式から行うことができる。またこうした特性は、特にその分子構造でＯ及びＨを含む親水性の官能基を持つもので達成可能であり、これによって水溶性の樹脂材料となり得る。同様に非誘電率は、ＪＩＳ−Ｋ６９１１にも示され、例えばコンデンサーを形成してその電気容量による平行平板法、電波を当てて反射を測定する自由空間法など種々方法が提案される。このような樹脂材料（Ｃ）は、前記粒子状の滑物質（Ｂ）に絡みつき、凝集しようとする引力と、離そうとする電荷による斥力を発生させ、水溶性の粘度上昇を生じさせ滑物質（Ｂ）の沈降を防止したり、界面活性剤として滑物質（Ｂ）を親水性とし分散を安定化させたりして安定で均一良好な潤滑剤組成物をもたらすこともできる。

本発明に用いられる前記樹脂材料（Ｃ）は、水溶性であり、水や温水などに容易に溶解する。このため、被覆処理段階や最終加工後において、皮膜を除去するには、有機溶剤など有害薬液の使用が抑えられるメリットがあり、環境的にも好ましい。

本発明の金属材料塑性加工用の潤滑剤組成物は、上記構成材（Ａ）〜（Ｃ）を水に溶解又は分散させることで調製し、該水は塗布後の乾燥手段によって最終的に除去することで構成材（Ａ）〜（Ｃ）でなる潤滑被膜が形成される。各構成材（Ａ）〜（Ｃ）の配合比は、その固化状態における重量換算で１：０．０１〜２０：０．０１〜２０（固形分重量比）、好ましくは１：０．１〜１２：０．１〜１０とする。さらに好ましくは 例えば冷間圧造用では１：０．５〜３：０．５〜８とし、また、ばね用では１：１〜６：１〜１０になるように配合され、またその付着量は、例えば固形分として０．３〜１２ｇ／ｍ²程度になるように、潤滑剤組成物の濃度や粘度を調整して用いられる。通常、潤滑剤組成物は固形分濃度が３〜３０重量％になるように調製される。

前記付着量が０．３ｇ／ｍ²未満であると潤滑性能が充分に発揮されず、１２ｇ／ｍ²を超える量を付与してもそれに見合う潤滑性能は得られず、却って加工時の目詰まり等の弊害をもたらすこととなる。また、前記固形分濃度が３重量％未満であると、１回の塗布操作で充分な付着量を得難く、３０重量％を超えると、溶液粘度が高くなりすぎるなど塗布操作上の問題が生じる。

本発明の被覆金属材料は、前記潤滑剤組成物を金属線２に塗布し、塗膜を乾燥することによって得られる。潤滑剤組成物の塗布は、浸漬塗布又は噴霧塗布など任意の方法で行うことができる。乾燥工程では、無機塩（Ａ）の結晶析出及び水溶性樹脂材料（Ｃ）の造膜が起こり、水の蒸発の完結により金属材料表面に密着した潤滑被膜が形成される。潤滑剤組成物は、予め、例えば４０〜１００℃、好ましくは６０〜１００℃に加温しておくことで、滑物質（Ｂ）を備え無機塩（Ａ）の結晶化を促進することができ好ましい。

上記乾燥工程での温度及び時間は特に制限されないが、通常、室温〜１５０℃で例えば１〜１０００秒程度の加熱が行われる。乾燥は、時間が短くて済むよう、例えば８０℃以上、好ましくは１００℃以上の熱風乾燥が好適に行われる。このようにして得られる潤滑被膜は、無機塩（Ａ）、滑物質（Ｂ）及び水溶性樹脂材料（Ｃ）を前記配合比で含んでいる。滑物質（Ｂ）及び樹脂材料（Ｃ）の配合比がそれぞれ０．０１未満のものでは、結晶部Ｋの面積率が大きくなりすぎ、又は強固な被膜がはられ難い。一方、これらの配合比がそれぞれ２０を超えるものでは、結晶部Ｋの面積率が小さくなる他、樹脂材料（Ｃ）の割合が大きすぎるため、充分な潤滑性能が発揮されない。

図３は、前記被覆金属線材（被覆金属材料１）の製造プロセスの一例である。該プロセスは、
（１）前記被加工用の素材金属線（素材金属材料１１）と前記潤滑剤組成物１２とを準備する準備段階、（２）所定温度に加熱した前記潤滑剤組成物１２に素材金属線１１を浸漬して、潤滑剤組成物１２を塗布するとともに、該素材金属線１１の表面を加温する段階と、
（３）前記構成材（Ａ）〜（Ｃ）が前記素材金属線１１上に結晶化またはフィルム化する造膜段階と、（４）結晶部を有する潤滑被膜を乾燥固化して該結晶部を定着させる乾燥段階を具えてなる。

本実施態様において、素材金属線１１はその目的、用途に応じて調整された寸法、形状、特性を持つ長尺材料を、例えばリールやキャリア１０に巻回したものが準備され、これはガイドロールＲ１、Ｒ２、Ｒ３を経て連続的に繰り出しながら、水性潤滑剤組成物１２を加熱状態で貯留した槽１３内に導入される。これにより、素材金属線１１は、その表面上に所定量の前記潤滑剤組成物１２が塗布される。

潤滑剤組成物１２は、前記構成材（Ａ）及び（Ｃ）の水溶液中に滑物質（Ｂ）が分散した水性分散液で、好ましくは、図示しない適宜の加熱手段によって所定温度に加熱される。加熱温度は、前記樹脂材料（Ｃ）の種類や結晶分量に応じて適宜に設定され、例えば前記アクリル酸アルキルエステル共重合体を含有するものでは、６０〜１００℃に設定することで、被膜固化後の潤滑被膜に前記無機塩（Ａ）の結晶を効果的に析出させることができる。

また、例えば前記構成材（Ｃ）としてスルホン酸系樹脂やアミド基を有するアクリル酸系樹脂を含有するものでは、前記乾燥やその後の加熱処理での設定温度を、例えば樹脂材料のガラス転移温度ＴＧ以上の加熱温度にすることで、熱硬化性を増加させて潤滑被膜としての固着強固を高めることもできる。

また前記貯槽１３は、前記長尺金属線１１が所定の温度になるよう、該金属線１１の送給速度とともに調整されたストランド長さを備える十分な容積を有する。そして、貯漕１３の液面を出た金属線１１は、潤滑剤組成物１２の熱によって、その外面上に前記結晶、フィルムが生成され、乾燥器１５によって乾燥される。その後、金属線１１は、巻取りリール１４に巻き取られる。なお本形態では、潤滑剤の付着量が、所定範囲に達した状態で定着するように、予め設定した位置に温風乾燥器１５を配置し、例えば温度１００℃以上の温風送給によって潤滑剤を定着させる。

この工程で、前記浸漬・加温段階は貯槽１３内で行われ、無機塩（Ａ）の結晶化と樹脂材料（Ｃ）のフィルム化の前記造膜段階は貯槽１３の液面から乾燥器１５までの領域で行われる。したがって、一連の工程により、連続処理が図れ、インライン化が可能になる。なお、金属線１１の送給速度は、潤滑剤組成物１２の組成及びその乾燥条件によって適宜調節することができるのは言うまでもない。

また、潤滑被膜３の成形後に更に中間加工を行う場合、形成された潤滑被膜３に含まれる滑物質（Ｂ）とは異なる種類の滑物質を第二潤滑物質として被覆金属材料に与えてもよい。その第二潤滑物質としては、例えば、金属石鹸、二硫化モリブデン、グラファイト、窒化ホウ素、二硫化タングステン、フッ化黒鉛、硼砂、石灰又はＰＴＦＥ粉末などが挙げられる。中間加工としては、例えば、加工率３０％以下の軽度の伸線又は圧延加工や、加工率６０％以上の強度の伸線又は圧延加工が挙げられる。本発明の被覆金属材料は、前述のごとく潤滑被膜表面に微細凹凸を有するので、適用された第二潤滑物質の保持性能が高く、優れた潤滑性能を発揮する。

図２Ａ及び２Ｂには、潤滑被膜３に形成された前記結晶部Ｋの分布状態の一例が示されており、これらは３５〜８０倍に拡大した顕微鏡写真である。前記結晶部Ｋは、潤滑被膜の構成材の種類や分量比率によって結晶状態が異なり、図２Ａのものは、無機塩に硫酸塩などを用いたことにより、点状乃至短繊維状の張出部が形成されている。また、図２Ｂのものは、硼酸塩などを用いたことにより、葉脈状の張出部が形成されている。

上記各図に見られるように、潤滑被膜の外表面において、各結晶部Ｋは、その面上から凸設した張出状態で一様に分布しており、結晶部Ｋ間には平面的な凹部を備える。このため、被覆金属材料の外表面は、結晶部Ｋによる凸部と前記凹部とを持つ微小凹凸面として形成され、潤滑性の向上に寄与している。

前記結晶部Ｋは、その潤滑被膜３中に単層で形成されたものだけでなく、厚さ方向に複数の積層分布状態で形成されてもよい。さらに、結晶部Ｋの方向性は、全ての結晶部が該潤滑被膜の平面方向と並行状態であることは必要とせず、例えば斜め方向に交差する場合を含む。

また、前記結晶部Ｋは、その構成要素の無機塩（Ａ）によるものであることは、走査型電子顕微鏡やＸ線分析を用いた画像回析により、各元素別の構成パターンと該結晶部Ｋとの符号で確認されている。このようなパターンの画像解析により、該結晶部Ｋの面積率は容易に求めることができる。結晶部Ｋの面積率は、平面視における潤滑被膜の単位面積当たりにおける結晶部Ｋの合計面積の割合として定義され、２０〜８０％であることが好ましい。この場合、該面積率は、任意に選択された数点の測定視野の結果の平均値で示される。

前記画像回析での観察によれば、結晶部Ｋ以外の部分は実質的に滑物質（Ｂ）が検出され、かつその部分は凹部であることが認められる。従って、このような微小凹凸面は、例えばその後の加工時に付与される前記補助潤滑剤を効率よく収容して潤滑性を高めることができる。即ち、結晶部Ｋの面積率の最適化によって、難加工材の圧造加工やばね成形のような過酷な加工処理に優れた潤滑性を持たせることができ、前記面積率と潤滑性との間に関連性があることも確認されている。

図４は、その結果の一例であって、横軸は結晶部Ｋの面積率（％）、縦軸は前記圧造加工における加工寿命（加工数）の関係を示す。本実施態様では、面積率は２０〜８０％に設定されるのが好ましい。図４から明らかなように、面積率が２０％を下回るものでは、適宜行われる中間加工において被覆金属材料に付与される補助潤滑剤の収容保持力が低下し、工具寿命を低下させる。逆に、面積率が８０％を超えるものでは、補助潤滑剤の十分な収容スペースが得られず、また結晶部Ｋは非常に硬質でもあることから、これを必要以上に多量に含むと、被加工用金属材料の表面性を低下させ、また加工工具の寿命低下などの原因となる。したがって、結晶部Ｋの面積率は、より好ましくは３０〜８０％、さらに好ましくは４０〜７０％、特に好ましくは４０〜６０％に設定される。

なお、結晶部Ｋの大きさや形態は、その処理条件や構成材の種類などによって適宜変化する。結晶部Ｋの形状は特に限定されないが、図２Ａ及び２Ｂに示されるような粉末状や短繊維状乃至葉脈状のいずれか１種以上の形状を備えることが好ましく、その大きさ（構成寸法）は、０．５mm以下の微細なものが好ましい。ここで結晶部Ｋの構成寸法は、粉末状の結晶ではその最大直径の平均値で示され、繊維状乃至葉脈状のものではこれを構成する単一エレメント（各単一線）の最大太さの平均値で示される。

結晶部Ｋの寸法が０．５mmを超えるものでは、その後の成形加工において表面の粗雑化をもたらし、また前記短繊維状や葉脈状のものでは、結晶部間の凹部の小スペース化によって、補助潤滑剤の収容効率が低下する。結晶部Ｋの寸法は、より好ましくは０．１mm以下である。

結晶部Ｋが短繊維状又は葉脈状の場合、結晶部の単一エレメントが所定長さ（Ｌ）（例えば０．０１〜１mm）を有し、その長さ（Ｌ）と太さ（Ｄ）とのアスペクト比（Ｌ／Ｄ）が平均１．５〜５０の範囲内にあることが好ましい。特に、結晶部Ｋが必要以上に長い場合、そのランダム分布で確定される網目が大きくなるため、好ましくない。結晶部Ｋに関して、より好ましいアスペクト比は、２〜２０である。こうしたアスペクト比の調整は、例えば前記乾燥の条件設定で行うことができる。

本実施形態では、被加工用金属材料が、冷間圧造成形やばね成形用に用いられる潤滑被覆線材である場合について説明されている。また、潤滑剤組成物が、金属材料の全面に一様に塗布され、被覆形成処理された場合を中心に説明した。しかし、本発明は、これらに限定されるものではなく、例えば金属材料として棒材や帯材、シート材、塊材など種々形状品の選択や、その材質の種類及び大きさ程度の応用は、当業者で容易になし得るものであり、本発明の一形態として包含されるべきものである。

次に、以下の実施例により、本発明を更に詳細に説明する。

［供試材の作製］
本実施例では、その被処理材料として、鋼種ＳＵＳ３０４、３１６及びＸＭ７型の冷間圧造用のオーステナイト系ステンレス鋼３種が選定され、各々線径３.６５mmに冷間伸線加工したものを素材とした。そして、これらを温度１０００〜１１００℃でストランド型の熱処理装置で固溶化熱処理するとともに、下記の潤滑剤組成物を用いて被覆し、被覆ステンレス鋼線を得た。この処理工程で、前記熱処理装置は、その出口側に図３に示す構造の被覆装置を連結して、固溶化熱処理と被覆処理が同時に行えるように一連のインライン装置として構成されている。潤滑剤組成物は次の組成ものを用いた。

［潤滑剤組成物］
（Ａ） 硫酸ナトリウム １０重量％
（Ｂ） 硼酸ナトリウム ２重量％
（Ｃ） 窒化ホウ素（平均粒径 ５μm） １０重量％
（Ｄ） アクリル酸系樹脂 １０重量％
（アニオン系アクリル酸アルキルエステル共重合体／誘電率３．８で電荷・極性有）
（Ｅ） 水 ６８重量％
（Ａ）：（Ｂ）：（Ｃ）：（Ｄ）＝５：１：５：５（固形分重量比）
固形分濃度 ３２重量％

これら（Ａ）〜（Ｅ）を混合した潤滑剤組成物を、幅２００×奥行き６００×高さ３００mmの貯槽内に導入して、外部ヒーターで温度８０〜９５℃の範囲に加熱しながらよく攪拌し、水性分散液とした。この状態で、前記無機塩と水溶性樹脂材料は溶媒の水に溶解し、この水溶液に窒化ホウ素が均一に分散するものであった。

［被膜形成・結晶化処理］
被膜形成処理は、前記潤滑剤組成物の組成や加熱温度及び貯槽容積に基づき、被処理線材（ステンレス鋼線）の送給速度を調節することで塗膜付着量が所定の範囲になるように行われる。本実施例においては、線材供給速度を３〜７ｍ/min.にすることで、平均付着量が ６〜１２ｇ/ｍ²の範囲になるように調整された。蒸発水の補充は適宜行う自動調整によって行った。この為、該潤滑剤の被覆状態はいずれも良好で、付着量のバラツキも少なく抑えることができた。

このようにして浸漬塗布された被処理線材は、その液面から送り出され、該液面から約０．８ｍの位置に配置した筒状の温風乾燥器によって、塗布された潤滑剤組成物を１００℃で完全に乾燥させ、潤滑被膜を線材に定着させた。また、前記貯槽は８０〜９５℃に加温されているので、線材が液面から温風乾燥器に至るまでの間に水分が蒸発し無機塩の結晶が析出するのが観察された。

このような一連の金属線材の熱処理及び被膜形成処理を前記速度で行うことにより、各ステンレス鋼線はその表面上に付着量６〜１２ｇ／ｍ2の潤滑被膜で被覆され、図２Ａのような短繊維状の結晶部を備える潤滑被膜を有する軟質ステンレス鋼線が得られた。Ｘ線回析装置（堀場製作所製）による画像解析で求めた結晶部は、幅１０〜５０μｍ、平均アスペクト比２〜１５の短繊維状のものがランダム分布したもので、その面積率は、平均４９．６〜５２．１％であった。

また、結晶部は、その拡大顕微鏡観察により、凸設した張出状態が確認されているが、更に該被覆鋼線の所定位置における潤滑剤の有無による表面粗さ（Ｒｚ）の下記測定結果からも、その裏付けがなされた。
・潤滑被膜面上の表面粗さ ９．６〜１０．４μｍ
・潤滑剤除去面の表面粗さ ７．６μｍ

［比較潤滑剤］
比較潤滑被膜（比較例）として、前記３種のステンレス鋼線の各々に、付着量６〜１２ｇ/ｍ²で蓚酸塩被膜を形成し、比較線材として用いた。なお、該蓚酸塩被膜は、従来からステンレス鋼の冷間加工用として多用されてきたものであるが、その処理過程では六価Ｃｒの発生や有害物を含んだミストが生じるなど有害な重金属を含むスラッジや廃酸の問題があり、近年は縮小化傾向にある。

［中間加工処理］
本実施例の被覆軟質ステンレス鋼線に、更に加工率４％でスキンパス伸線加工を施して表１に記載の冷間圧造用ステンレス鋼線を得た。このスキンパス加工は、補助潤滑剤に、金属石鹸を併用したものを用い、該補助潤滑剤が前記鋼線表面の凹部内に保持されていることが認められた。

［潤滑性試験］
次に、前記実施例の表１の各ステンレス鋼線を用い、その加工性を評価する圧造試験が行われた。試験は、スピンドル油を滴下しながら十字皿頭ねじの圧造成形を冷間加工で行ったもので、加工条件は工具鋼製のヘッダーパンチにより毎分１５０個の送り速度で合計２５０００個のヘッダー成形を行い、工具面数とワレ等の欠陥発生の有無を観察した。

試験結果は良好であり、本実施例の潤滑被膜は、比較例の蓚酸塩被膜を超える１５０００個の工具寿命が得られるものであった。又、加工ワレや焼付きなどの問題はなくヘッダー加工をすることができた。この加工点数は、圧造加工性の加工寿命を評価するもので、本実施例の被膜は比較潤滑剤である蓚酸塩被膜と同等以上の潤滑性であることが認められた。得られた圧造製品（試料Ｎｏ．Ａ−２）の表面状態の一例を、図５に示すが、焼付きの痕跡は認められない。

前記ＸＭ７ステンレス鋼線（線径：３．６５mm）の固溶化熱処理材について、前記構成材（Ａ）無機塩、（Ｂ）滑物質、（Ｃ）水溶性樹脂の水準を変えた次の加工性評価を合わせて行った。その評価は前記と同様にヘッダー加工による工具寿命で確認し、結果を表２に示す。

これら各実施例より、本発明に係る潤滑被膜は従来の潤滑剤と同様にステンレス鋼のヘッダー圧造用として、特に難加工性材料の強加工用被膜に採用可能であることが確認された。

［チタン−ニッケル合金帯材への適用例］
下記組成の潤滑剤組成物が調製された。
（Ａ） ケイ酸ナトリウム
（Ｂ） 二硫化モリブデン（平均粒径 ２μm）
（Ｄ） アクリル酸系樹脂 １０重量％
（アニオン系アクリル酸アルキルエステル共重合体／誘電率２．７で電荷・極性有）
固形分重量比 （Ａ）：（Ｂ）：（Ｃ）＝５：４：２
固形分濃度 ２２重量％

Ｎｉ-Ｔｉ合金は金属間化合物であり難加工材として知られ、伸線においても伸線ダイスによる疵や断線が生じ易いものとされている。その対策として例えば酸化被膜によるスケール引きが行われているが、スケール引きは疵や断線は生じ難いものの最終製品でデスケールしなければならず、その際、酸を用いる為に表面性状が低下して、製品品質を損なうという欠点がある。

そこで、該Ｎｉ-Ｔｉ合金線への本潤滑被膜の適応性を評価する為に、線径１．８mmの合金焼鈍材１００kgに前記潤滑剤組成物を２〜６ｇ／ｍ²塗布し、線径１．６mmへ伸線を行った。伸線において疵や断線はなく、良好な加工性が得られ、最終製品では、上層部の金属石鹸の除去に必要なアルカリ洗浄と湯洗のみで潤滑被膜すべてを除去することができた。これにより、酸洗工程の省略が可能となり、環境負荷の低減とともに、作業性が向上し、また、品質的にも線径公差の範囲を狭めることに成功した。

［ばね用ステンレス鋼線の伸線加工］
下記組成の潤滑剤組成物が調製された。
（Ａ） 硫酸カリウム
（Ｂ） グラファイト（平均粒径 ３μm）
（Ｃ） カルボン酸塩系水溶性樹脂（アンモニウム塩／電荷・極性有）

固形分重量比 （Ａ）：（Ｂ）：（Ｃ）＝１：１５：２
固形分濃度 １８重量％
線径１．５mmのＳＵＳ３０４Ｎ１ステンレス鋼線の焼鈍材２００ｋｇに、前記潤滑剤組成物を０．３〜２ｇ／ｍ²塗布し、線径０．７mmへ伸線を行った。伸線後の材料に疵がないか確認を行ったが表面状態は良好で、被膜剥離や疵などの表面欠陥は見られなかった。続いて、ばねのコイリング性を確認した。従来からばね材のコイリング加工にはニッケル鍍金材が主流である為、ニッケル鍍金材を比較材として比較試験を行った。

試験は、次の仕様による圧縮ばねについて、そのコイリング成形におけるばね自由長のばらつき3σで評価しており、実施例材の０．２５に対して比較例材０．２４とほぼ同等の結果であり、またニッケル鍍金材では、例えば生体アレルギーという健康への影響の他、これを除去する際にも廃液処理等の環境負荷や、除去後の表面状態の低下は避け難いという問題があったのに対し、本発明品ではこうした問題が改善できるものであった。

ばね緒元
押しばね Ｄ/ｄ＝２０．０
自由長１５．５mm
自由長公差 ±０．３mm
総巻き数１０
速度５０個／分

以上説明のように、本発明による潤滑被膜は、潤滑性が要求される種々の用途に使用することができる。特に、ステンレス鋼やチタン又はチタン合金、ニッケル又はニッケル合金、ニオブ又はニオブ合金などの難加工性の金属材料の圧造加工やプレス加工、曲げ加工、転造加工、ばね加工等、過酷な塑性加工の潤滑手段として利用でき、優れた潤滑性と地球環境的な問題を解消してインライン化可能な技術を提供するものである。

Claims (5)

1. 線径が０．５〜１０mmで、引張強さが９００ＭＰａ以下の軟質ステンレス鋼線であって、表面に、
   （Ａ）硫酸塩、ホウ酸塩又はケイ酸塩よりなる群から選ばれる少なくとも１種の無機塩、
   （Ｂ）グラファイト、二硫化モリブデン又は窒化ホウ素からなる平均粒径２０μｍ以下の滑物質、並びに
   （Ｃ）前記無機塩（Ａ）及び滑物質（Ｂ）を固着保持する平均分子量８０００〜５００００のアクリル酸系、スルホン酸系又はポリビニル系の水溶性樹脂材料を含有する固化物からなる潤滑皮膜を具え、
   前記潤滑皮膜は、構成原料（Ａ）：（Ｂ）：（Ｃ）の重量比が、１：０．５〜３：０．５〜８であり、
   前記潤滑皮膜は、前記無機塩（Ａ）の少なくとも一部が結晶化した結晶部を有し、
   前記潤滑皮膜の表面視において、前記結晶部の面積率が４０〜７０％であることを特徴とする冷間圧造用ステンレス鋼線。
   
2. 前記結晶部が、粒状、短繊維状及び葉脈状のいずれか１種以上の形状を有し、
   前記固化物の外表面上に凸設された張出部として形成されてなる請求項１記載の冷間圧造用ステンレス鋼線。
3. 前記金属材料の表面上に、前記固化物が０．３〜１２ｇ／ｍ ² の付着量で形成されてなる請求項１又は２記載の冷間圧造用ステンレス鋼線。
4. 前記結晶部は、その長さ（Ｌ）と太さ（Ｄ）とのアスペクト比（Ｌ／Ｄ）が１．５〜５０の範囲内にある直線状の単一エレメントを含む請求項１乃至３のいずれかに記載の冷間圧造用ステンレス鋼線。
5. 前記軟質ステンレス鋼線は、固溶化熱処理仕上げを経たものを加工率３０％以下で伸線加工されたものである請求項１乃至４のいずれかに記載の冷間圧造用ステンレス鋼線。
   

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