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【発明の名称】 ばね用鋼材の製造方法
【発明者】 【氏名】菊池 勝平
【氏名】望月 一雄
【氏名】相多 潤一
【氏名】武井 雅光
【課題】伸線処理に耐え、しかもばね成形加工性、耐熱性、耐食性さらには識別性(均一着色性)に優れるばねを得るためのばね用鋼材について、その有利な製造方法を確立する。

【解決手段】鋼材の表面に樹脂を押出成形機により被覆するばね用鋼材の製造方法において、前記鋼材を100 ℃以上に加熱してから、該鋼材の表面に融点以上に加熱した耐熱性樹脂を被覆したのち、該鋼材の温度を前記耐熱性樹脂の融点をこえる温度域に保持する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】 鋼材の表面に樹脂を押出成形機により被覆するばね用鋼材の製造方法において、前記鋼材を100 ℃以上に加熱してから、該鋼材の表面に融点以上に加熱した耐熱性樹脂を被覆したのち、該鋼材の温度を前記耐熱性樹脂の融点をこえる温度域に保持することを特徴とするばね用鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、伸線処理に耐え、しかもばね成形加工性、低温加熱処理における耐熱性および耐食性に優れるばね用鋼材の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、ピアノ線、硬鋼線およびオイルテンパー線などのばね用鋼材は、表面処理なしでばね加工メーカーに供給され、このばね加工メーカーにおいて、ばね用鋼材をばねに冷間成形後、歪取りのために200 〜400 ℃程度で加熱する、低温焼鈍を施して、ばね製品となる。その後、耐食性の確保およびばね種類の識別のために、脱脂、酸洗、電気亜鉛めっきおよび、クロメート処理又はカラー塗装などの処理がなされていた。
【0003】しかし、ばね成形の後に行う電気亜鉛めっきおよびクロメート処理を、特にピッチが小さく隙間の少ないばねの表面に均一に行うことが難しく、処理むらが生じやすく、耐食性に劣る等の問題に発展していた。
【0004】ここで、上記の問題に対して、以下に示す種々の技術が提案されている。すなわち、特公平08-16279号、特公平08-23079号および特開平 5-171493 号各公報には、特殊な電気めっき処理した後にばねに成形し、ばね成形後の低温焼鈍によって発色させる有色ばね鋼成形品の製造方法について開示されている。
【0005】さらに、特開平 6-158352 号および特開平 6-158353 号各公報には、Niめっき前にCuめっきを施し、耐食性、めっき密着性およびばねコイリング性を向上することが開示されている。
【0006】これらの先行技術はいずれも電気めっきで耐食性を確保しているが 優れた耐食性を得るには、めっき層を厚くする必要がある。例えば、特開平5−171493号公報の技術では、全めっき層の厚みを75μm(そのうちNiめっきは30〜40μm、265 〜350 g/m2)の相当に厚いめっきにしないと、赤錆発生時間が100 時間以上となる耐食性を確保できない とくに Niめっきは亜鉛めっきに比べて数倍原料コストが高く このNiめっきを厚くして耐食性を確保することは コストの点で不利であり産業上有益でない 換言すると、コストの観点からは適当な厚みのめっき層を設ける必要があるが、その場合には十分な耐食性が得られないのである。
【0007】また、特開平5−171493号公報には、低温焼鈍処理工程の加熱温度及び時間により種々に発色できる方法が提案されている。しかし、この方法では、同公報の図1に示されているように、温度及び加熱時間のある狭い範囲で急激に色調が変化する。そして、低温焼鈍処理時にはコイル成形されたばね製品同士がからみあったり、積み重なったり、或いは接触して、加熱伝熱が均一には行われないために、低温焼鈍目標温度に到達する時間が変化し、色むらが生じたり、或いはコイル製品間での着色度が異なるものとなり、均一着色性に問題があった。
【0008】なお、ばね成形後外注によりめっきやクロメート処理などの表面処理を行う場合には、外注費用や納期管理の問題があった。そこでばね成形後に外注により表面処理を行わずに、予め亜鉛めっき或いは亜鉛めっき上にクロメート処理を行ったものをばね用鋼材として供給することが、工業生産上有益であると考えられる。
【0009】しかし、予め亜鉛めっき或いは亜鉛めっき上にクロメート処理を行ったものは、めっき或いはクロメート処理後に、以下の(イ)〜(ハ)の工程を経由する必要がある。
(イ)線癖つけのために行う、10%以上程度の減面積の伸線処理(但し、ばねに要求される寸法精度が厳しくない場合は不要な時もある)
(ロ)冷間ばね加工処理(ハ)歪取りのための低温加熱処理そのために、亜鉛めっきを行った鋼材では、冷間ばね加工処理時にばね成形ダイスとの間で摩擦および摺動が繰り返されて、ダイスとの接触部の光沢が上昇し、非接触部との外観差が著しくなる結果、商品価値が失われる。また、亜鉛めっきのままでは5%白錆発生時間が24時間以下になり、耐食性に劣るものがあった。
【0010】一方、亜鉛めっき上にクロメート処理を行ったものは、伸線処理でクロメート層が破壊される上、ばね成形加工時にダイスとの接触によりクロメート皮膜が破壊され、また光沢化して非接触部との外観差が著しくなり、さらに歪取りのための低温焼鈍熱処理でクロメート着色が脱色して外観識別の優位性が失われるとともに、5%白錆発生時間が48時間以下となり、クロメート処理で得られていた耐食性が失われる。
【0011】さらに、鋼材或いは鋼材上に施した亜鉛めっきは加熱などによる着色は困難であり、識別用には不向きである。なお、鋼材或いは鋼材上の亜鉛めっきの上に、さらにクロメート処理を施す場合、クロメートの種類(有色クロメート、ダクロメットなどの処理)により有色化が可能である。しかし、ばね加工後に必要である低温焼鈍処理工程において、加熱脱色するために、最終工程での識別用には不向きである。以上の理由により、ばね成形前に表面処理を行うことはなされていなかった。
【0012】一方、樹脂を押出成形機により被覆する際、被覆される材料を予備加熱することにより、被膜の密着性を向上できることが、一般に知られている。例えば、金属線状物に樹脂を被覆する方法として、特開昭62−193010号公報には、金属線状物を予め 250℃以上に加熱して用いることが、密着性の改善に有効であることが示されている。しかしながら、ここでは、被覆樹脂の結晶化度を調整するために樹脂被覆後に融点以下の加熱処理を行っていて、例えばばね材として十分な被膜密着性を得るには到らないものであった。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】すなわち、従来の技術によるばねは、十分な耐食性が得られず、均一着色性に問題があった さらにばね成形前に表面処理を施した場合、ばね成形加工性、耐熱性および耐食性に劣り、さらには識別性に問題があった。また、密着性に優れた樹脂膜で被覆されたばねを工業的に製造する手法が確立されていないことも、解決すべき問題である。
【0014】そこで、この発明の目的は 伸線処理に耐え、しかもばね成形加工性、耐熱性、耐食性さらには識別性(均一着色性)に優れるばねを得るためのばね用鋼材について、その有利な製造方法を確立することにある【0015】
【課題を解決するための手段】すなわち、この発明は、鋼材の表面に樹脂を押出成形機により被覆するばね用鋼材の製造方法において、前記鋼材を100 ℃以上に加熱してから、該鋼材の表面に融点以上に加熱した耐熱性樹脂を被覆したのち、該鋼材の温度を前記耐熱性樹脂の融点をこえる温度域に保持することを特徴とするばね用鋼材の製造方法である。
【0016】なお、この発明で対象とするばね鋼材は ピアノ線 (JIS G3502)、硬鋼線(JIS G3506)、ばね用オイルテンパー線(JIS G3560)、弁ばね用オイルテンパー線(JIS G3561)などの一般的なばね用鋼材を主に対象としているが、ステンレス鋼、そしてりん青銅、黄銅、アルミおよび銅などの非鉄金属材であっても、ばね加工性、低温焼鈍耐熱性および耐食性を所期する用途であれば、適用が可能であり、さらに鋼線以外の形状として薄板ばねおよび異形ばね等にも同様に適用できる。
【0017】この発明では耐熱性および耐食性の観点から、鋼材表面に耐熱性樹脂を押出成形機により被覆することが必要である。この耐熱性樹脂は、鋼材上に直接被覆してもよいし、後述する亜鉛や亜鉛合金めっき層、またはさらにクロメート処理や、シランカップリング処理、さらに加えてりん酸塩処理を施し、最表面に耐熱性樹脂を被覆してもよい。また、耐熱性樹脂層中に識別性さらには均一着色性を持たせるために、後述する着色剤を添加することが好ましい。
【0018】ここで、耐熱性樹脂は、樹脂のガラス転移温度(以下、Tgと示す)が 130℃以上および融点(以下、Tmと示す)が200 ℃以上の少なくともどちらかの条件を満足する樹脂である。この耐熱性樹脂としては、ポリイミド樹脂 ポリアミドイミド樹脂 ポリエーテルイミド樹脂(PEI) ポリアミド樹脂 フッ素樹脂、ポリエーテルケトン樹脂(PEK)、ポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK)、ポリアリレート樹脂(PAR)、ポリエーテルサルフォン樹脂(PES)、ポリアリルエーテルケトン樹脂(PAEK)、ポリエーテルニトリル樹脂(PEN)、ポリサルフォン樹脂(PSF)、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)およびポリカーボネイト樹脂(PC)等、又は有機シリケート、或いはこれらの1種又は2種以上の混合物が適している。樹脂のTgは、好ましくは 200℃以上さらに好ましくは 250℃以上である また、樹脂のTmは、 200℃以上、好ましくは 250℃以上、さらに好ましくは300 ℃以上である すなわち、Tgが 130℃未満あるいはTmが200 ℃未満では加熱時における耐熱性が確保できず、樹脂の分解が認められ褐色あるいは黒色に変化してしまう。
【0019】なお、樹脂の種類によってはTgあるいはTmが測定できない場合やTg値あるいはTm値が技術データとして公表されていない場合があるから、その場合は300℃および10分間の加熱により加熱前後の外観が著しく変色しないことをもって判断することができる。ここに、外観の変色とは、まず始めに樹脂板、樹脂フィルム等の加熱前の表面外観L* a * b * 値(SQ−200;日本電色製) を測定する その後 樹脂板や樹脂フィルム等を300 ℃で10分間保持した後 表面外観L* a * b * 値を測定し 下記の色差ΔEが10以下であれば耐熱性があると判断した記ΔE ={(L * −L* 02 +(a* 1 −a* 02 +(b* 1 −b* 0 )}1/2* 0 , a* 0 , b* 0 :加熱前の値L* 1 , a* 1 , b* 1 :300 ℃における値【0020】このL* a * b * 値は、物体の表面の色彩をL* a * b * 表色系(国際照明委員会 CIEが1976年に定めたもの)で数値的に示したものである。すなわち、L*a* b * で三次元的に色空間を示しており、明度をL* 色相と彩度を示す色度をa* b * で表わしている。測定する面に光を照射し、その反射光から赤青緑に相当する三刺激値(XYZ)をコンピューターにより演算し、L* a * b * 表示系に変換される。
【0021】但し 上記の手法では、樹脂が透光性をもつ場合に、下層の亜鉛めっき層などの加熱による変色もΔEに含まれるために樹脂のみの変色とはならないが、これを指標として耐熱性を判断することはできる。
【0022】
【発明の実施の形態】この発明では、ばねに耐熱性および耐食性を付与する観点から、その素材となる鋼材表面に耐熱性樹脂を押出成形機により被覆することを必須とする。そして、この押出成形機によって耐熱性樹脂を被覆するに際し、鋼材を 100℃以上に加熱することが肝要である。
【0023】なぜなら、耐熱性樹脂がその下地と密着する前に鋼材の温度が低下すると、耐熱性樹脂とその下地との間に空隙が生じて、その後に行う後述の熱処理にて、該空隙に存在する空気が逃げ場を失って気泡が生じやすくなり、この気泡が欠陥となるからである。さらに、樹脂被覆前の鋼材を 100℃以上に加熱しておくと、その後に必要である熱処理の温度域までの昇温範囲を狭くすることが可能であり、操業管理上好ましい。ここで、樹脂被覆前の鋼材の加熱温度は、好ましくは150℃以上、さらに好ましくは200 ℃以上である。
【0024】なお、鋼材の加熱温度の上限は特に限定する必要はないが、樹脂の融点以下とすることが、安定した操業を実現する上で好ましい。すなわち、鋼材を樹脂の融点以上の温度に加熱して溶融樹脂と接触させると、該樹脂の溶融粘度が低下して、例えばチューブ押出し式の押出成形の場合に、チューブ状の樹脂が押出機内を走行する鋼材に追随して、その表面に被覆されない状態のまま押出し成形が進行することがあるため、押出し速度および鋼材の走行速度と樹脂被膜の厚さとのバランスを十分に考慮する必要がある。従って、鋼材の加熱温度を樹脂の融点以上とする場合は、融点+50℃程度が限界であり、融点+(20〜30℃)程度を上限とすることが好ましい。なお、耐熱性樹脂は、その融点以上に加熱されなければ、押出成形機により鋼材に被覆することが難しいため、融点以上に保持しておく。
【0025】以上で述べたように、樹脂被覆前の鋼材の加熱は、押出成形機内で融点以上に加熱された樹脂を鋼材に被覆した際の、冷却による樹脂における圧縮歪の形成を、極力抑制するとともに、耐熱性樹脂被覆後の熱処理におけるエネルギーの損失を抑制し、かつ被膜密着性を向上するためのものである。
【0026】ここで、鋼材に被覆する耐熱性樹脂は、1μm以上 300μm以下の厚さに形成することが好ましい。すなわち、膜厚が1μm未満では押出成形が困難になり、かつ耐食性を確保することが難しくなる。一方、膜厚が300 μmをこえると、ばねの成形加工後に圧縮応力がかかるところでは皺が発生して製品外観に悪影響を及ぼし、また耐熱性樹脂が一般的な樹脂に比べて単価が高くコスト増となるため 300 μm以下とすることが好ましい。より好ましい範囲は、3〜50μm さらに5〜30μmである【0027】ちなみに、上記の押出成形に用いる押出成形機は、樹脂ペレット(数mm程度の大きさ)をスクリューで移動させて押出し成形するものであり、主にシリンダとスクリュー間で生じる、樹脂の圧縮や摩擦熱で昇温し、樹脂を溶融状態にして成形を行うものである。そして、その被覆ダイにおける、ダイリップとマンドレル先端部との位置関係により、チューブ押出式と加圧押出式とに区別されるが、この発明では、いずれの形式を用いてもよい。しかしながら、以下に示す長所および短所があるため、密着性重視、生産性およびコスト重視および被覆性重視など、必要とする特性に応じて適宜使い分けることが有利である。
【0028】すなわち、後者の加圧押出式は、樹脂溶融物が金属線条物に加圧されて接触するため、密着性に優れた被膜が得られる。一方、チューブ押出式は、樹脂溶融物が金属線条物に加圧されることなく接触するため、加圧押出式に比べて密着性は劣るものとなる。
【0029】しかし、加圧押出式は、例えば径の異なる多種の金属線条物を対象とする場合に、金属線条物の径が変わる度にダイリップを取り替える必要があり、作業効率の低下をまねく。また、被覆した樹脂の表面外観がダイリップの表面状態に左右されるため、欠陥が生じ易い。さらに、被覆樹脂の膜厚を数10μmと薄くする工業的生産では、金属線条物の寸法精度に影響されて膜厚の均一性を確保することが困難となる上、押出し工程においてごみやめっき粒などの異物が噛み込んだ場合には、金属線状物の走行が困難になり、被覆作業の停止を余儀なくされる。従って、加圧押出式は、径の異なる多種の金属線条物を用いる場合や、被覆樹脂の膜厚を数10μmと薄くする場合には適していない。
【0030】これに対して、チューブ押出式は、金属線条物の径がある程度変化しても、一式のダイリップとマンドレルとで柔軟に対応でき、また樹脂被覆膜厚が数10μmと薄い場合にも良好な外観を得ることができ、異物の噛み込みによっても金属線条物の走行が停止されることはないため、工業的生産に適している。
【0031】次に、鋼材に耐熱性樹脂を被覆したのち、鋼材の温度を耐熱性樹脂の融点をこえる温度域に保持することが肝要である。この熱処理により耐熱性樹脂を十分に溶融させて鋼材とミクロ的に十分接合せることにより、優れた被膜密着性を確保する。この熱処理の温度は、使用する耐熱性樹脂の融点をこえる温度域とする。なぜなら、融点以下では、被膜密着性が不十分になり、ばねの成形加工後に圧縮応力がかかるところでは皺が発生して製品外観に悪影響を及ぼすからである。
【0032】なお、熱処理温度の上限は、樹脂の融点+150 ℃程度とすることが好ましい。すなわち、樹脂の融点+150 ℃をこえる温度では、樹脂の劣化による着色が生じて製品外観に悪影響を及ぼすことになる。より好ましくは、樹脂の融点+100 ℃以下とする。ここで、融点が定まらない樹脂については、見かけの溶融粘度が10000 ポイズとなる温度を融点とする。
【0033】また、耐熱性樹脂の被覆後に鋼材の温度を耐熱性樹脂の融点をこえる温度域に保持する時間は、1秒〜10分間とすることが好ましい。特に、鋼材として亜鉛めっき鋼線を用いた際、加熱により下地金属との合金化などの、ある種の変化が進行する場合や、連続生産性を確保したい場合に、有効である。なお、下地等に変化が生じない場合は、オフラインでの熱処理が可能であり、この場合は1秒〜20分間の保持が適当であり、より好ましくは10分間以内とする。但し、オフラインで熱処理を行う場合は、樹脂の融点以上に加熱されているため、樹脂同士が接触して融合することのないように、被覆後の鋼材の取り扱いに注意を要する。なお、加熱手段としては、誘導加熱方式等が短時間昇温できるために有効であるが、一定温度を保持する場合などは、一定長の電気炉方式や、赤外線あるいは遠赤外線加熱炉方式などが有効である。
【0034】上記熱処理を経た鋼材は、続いて冷却されるが、この冷却は水冷および空冷のいずれでもかまわない。なお、空冷を行うことによって、樹脂被膜は結晶化し易くなるが、この発明では耐熱性樹脂を使用するため、100 ℃以下まで空冷して結晶化しても性能上の問題は生じない。しかし、空冷することは製造ラインを長くすることになるから、水冷によって製造ラインを短くすることが好ましい。
【0035】なお、上記した耐熱性樹脂の被覆に先立ち、主に耐食性の観点から鋼材上に、ニッケルめっき、亜鉛または亜鉛合金めっきを施しておくことが好ましい。すなわち、鋼材の素地上に予めニッケルめっき、亜鉛または亜鉛合金めっきを施すのは、鋼材の最外層に形成する上記耐熱樹脂層に、ばね成形加工などにより欠陥部が生じた場合、該欠陥部からの赤錆発生を抑制するためである。また、ばね加工変形が著しく、通常の成形に比べて最外層に形成する耐熱樹脂層と亜鉛または亜鉛めっき層との密着性がさらに要求される場合は、ニッケルめっき、亜鉛または亜鉛合金めっき上に、クロメート処理やシランカップリング処理、さらにはりん酸塩処理を施すことによって、密着性とりわけばね加工時の密着性を向上できる。
【0036】特に、めっき層上に施すクロメート層は、その上層に被覆する耐熱性樹脂層の密着性を向上させるのに好ましい。ここに、クロメート付着はCr換算にて5〜200 mg/m2 が好適である。より好ましい範囲は、10〜150 mg/m2 、さらに20〜100 mg/m2 である。このクロメート層の付着層が5mg/m2 未満では十分な密着性が得られず、一方200 mg/m2 を越えると加工時にクロメート層が脆性破壊して逆に密着性が阻害される傾向にある。
【0037】また、めっき層上に施すシランカップリング層は、その上層に被覆する耐熱性樹脂層の密着性を向上させるのに好ましい。シランカップリング剤付着量の範囲は0.5 〜1000mg/m2 が好適である。より好ましい範囲は、1〜 500mg/m2 、さらに5〜200 mg/m2 である。このシランカップリング剤の付着量が0.5 mg/m2 未満では十分な密着性が得られず、一方1000mg/m2 を越えると加工時にシランカップリング層が脆性破壊して逆に密着性が阻害される傾向にある。
【0038】なお、めっき層上に被覆する耐熱性樹脂層にシランカップリング剤を含有することによっても、密着性をさらに改善することができる。シランカップリング剤の添加量の範囲は耐熱性樹脂を100 重量部とすると1〜50重量部が好適である。好ましくは2〜30重量部であり、さらに好ましくは5〜20重量部である。シランカップリング剤の添加量が1重量部未満では十分な密着性が得られず、50重量部を越えると耐食性が阻害される傾向にある。
【0039】さらに、めっき層にりん酸塩処理を施すことによっても、その上層に被覆する耐熱性樹脂層の密着性を向上させることができる。このりん酸塩処理の付着量の範囲は、0. 5〜6g/m2 であり、好ましくは1〜5g/m2 、さらに好ましくは2〜4g/m2 である。
【0040】勿論、鋼材上に耐熱性樹脂を直接被覆することもできる。めっき層を施した場合に比べて同じ耐熱性樹脂の膜厚では耐食性は劣るが、樹脂膜厚を増大させることで耐食性がめっきを施した場合と同程度のレベルまで改善可能である。この場合、樹脂膜厚は5〜100 μmが好適である。より好ましい範囲は、10〜50μm、さらに15〜30μmである。
【0041】また、最外層に形成する耐熱性樹脂層とめっき層との密着性をさらに向上するには、クロメート層に微粒子状シリカを添加することが有効である。シリカ添加量(シリカ量/Cr量) を多くするに従って、焼付温度が高温になっても耐食性に対して有効に作用するが 逆にクロメート層の脆性破壊を生じやすくなり加工後の密着性に問題が生じる。シリカ添加量(シリカ量/Cr量)は0.3 〜8の範囲が適している。より好ましく範囲は、5〜6、さらに1〜4である。シリカは、フュームドシリカ(気相シリカ)やけい酸ゾル(液相シリカ)などが適している。
【0042】なお、上述した鋼材上への耐熱性樹脂被覆に先立ち、主に密着性および耐食性の向上の観点から、鋼材上にクロメート層、シランカップリング層およびりん酸塩処理皮膜層を形成しておくことが好ましい。これらの各層の付着量は、上述しためっき上に各層を形成する場合と同様の範囲とすればよい。
【0043】この際、鋼材上にクロメート層、シランカップリング層およびりん酸塩処理皮膜層の形成を、樹脂被覆ラインとは別ラインにて予め行い、その後に樹脂被覆ラインに供給するか、樹脂被覆ラインの直前にクロメート層、シランカップリング層およびりん酸塩処理皮膜層の形成工程を配置し、連続したラインで行うことができる。このクロメート層、シランカップリング層およびりん酸塩処理皮膜層の形成は、各処理液中に浸漬して必要な液膜を形成し、その後クロメート処理およびシランカップリング処理は焼付乾燥を行い、一方りん酸塩処理は水洗乾燥を行うが、それらの方法は公知の手法でよい。また、1つのラインで行う方法として、該ライン上に鋼材を浸漬する槽を設置し、スポンジあるいはエアワイピングにより液膜を調節すれば、クロメート処理およびシランカップリング処理等の焼付乾燥と樹脂被覆前の予備加熱とを兼用することができる。
【0044】次に、ニッケルめっき層並びに亜鉛系めっき層を形成するのは、電気めっき或いは溶融めっきのいずれの手法でもかまわない。さらに、電気めっき浴としては、塩化物浴、硫酸塩浴およびジンケート浴のいずれでもかまわない。また、亜鉛系合金めっき、例えばZn−Niめっき、Zn−CoめっきおよびZn−Alめっきなどの合金めっきはいずれも亜鉛の犠牲防食作用により鋼を保護することが期待できるため 特に合金成分を限定する必要はない ニッケルめっきの付着量は、0.5 〜10g/m2 とする。なぜなら、付着量が0.5 g/m2 未満では耐食性が不足し、一方10g/m2 をこえると耐食性の向上効果が飽和するためコスト増をまねくことになる。従って、ニッケルめっきの付着量は、0.5 〜10g/m2 、好ましくは1〜8g/m2 、より好ましくは2〜6g/m2 の範囲とする。
【0045】ここで、亜鉛めっき層を形成した場合、低温加熱温度および加熱時間に応じて亜鉛または亜鉛合金めっきと鋼との間にZn−Fe合金が形成されるが、この合金化に全てのZnめっきが消費されてしまうと、赤錆が発生し易くなって耐食性が劣化するから、この点を考慮して亜鉛または亜鉛めっきの付着量を決定することが好ましい すなわち、亜鉛または亜鉛合金めっきの付着量は、3g/m2 以上 200g/m2 以下を基本に、5〜100 g/m2 、より好ましくは10〜50g/m2 の範囲に規制することが推奨される。
【0046】なぜなら、 200g/m2 を超えて付着させても、耐食性の向上効果は飽和し、製品コストを押し上げるので好ましくない 一方、付着量が5g/m2 未満では、Zn-Fe 合金層が多く存在して残存するZnが少ないため、腐食環境下では、Znで犠牲防食する期間が短くなり、赤錆発生に到達する期間が早まるからである。
【0047】また、めっきを施すに先立ち 鋼材表面に形成されたスケールや固形潤滑剤などのめっき密着性阻害要因を排除しておくことが好ましく、電解脱脂、酸洗などの前処理が適宜施される。さらに、亜鉛または亜鉛合金めっきを施したのち、時間を置かずに直ちにめっき上に耐熱性樹脂を形成する場合は問題ないが、滞留などにより時間が経過する場合には、酸化物が形成され密着性などの品質劣化をもたらすので脱脂、酸洗などの前処理を行うことが好ましい。
【0048】さらに、樹脂被覆する直前の鋼材表面に、例えばスチールウールなどを適度に圧下したり、線状のものにはスチールウールなどを巻いて鋼材表面上の異物や酸化物等を除去し、鋼材表面を清浄化することが好ましい。同様に、鋼材上に樹脂を直接被覆するに際しても、この前処理を行うことが好ましい。
【0049】なお、耐熱性樹脂を被覆した鋼材は、さらにばね製造の寸法精度を確保するのに必要な線癖つけのために、あるいは線径調節のために、10〜50%程度の減面積の伸線処理を行う。ここで、耐熱性樹脂を被覆すると動摩擦係数が小さくなるため、樹脂の種類によっては伸線処理の潤滑剤が不要である場合もあるが、一般には潤滑剤を用いることが好ましい。この潤滑剤は固形或いは液体のいずれでもかまわない。固形潤滑剤はかすが残存する場合があり外観上問題となることが考えられるが、最終的に歪取りのための低温加熱処理時に除去されるので問題ないと考えられる。外観上問題となるのであれば液体潤滑剤の使用で対処可能である。なお、ばねの寸法精度の要求が厳しくない場合、あるいは線径調節の必要がない場合は、線癖つけのための伸線処理工程の経由は不要であり、耐熱性樹脂を被覆した後、直ちに次の冷間加工工程に入ることができる。
【0050】以上のばね用鋼材にさらに冷間加工を施す。冷間成形ばねには、長さ、ピッチおよび形状の異なった多種類の製品が存在する。従って、種類の識別のために、製品の色を異なるものとすることが好ましい。この点、耐熱性樹脂には種々の着色剤の添加が可能であり、有利である。ちなみに、着色剤としては染料系あるいは顔料系を適用できるが、低温焼鈍時における熱影響を考えると、顔料系の方が耐熱性の点で好ましい。さらに、この成形体に加熱による歪取りを施す。加熱雰囲気温度は200 〜400 ℃、5〜30分の処理を施し、冷間加工による歪を取ることができる。
【0051】
【実施例】発明例1C:0.46wt%、Si: 0.20 wt%、Mn: 0.45 wt%、P:0.008 wt%、S:0.004 wt%およびCu: 0.05 wt%の成分組成(JIS G3506 :SWRH47A相当)になる鋼線に100g/m2 の電気亜鉛めっきを施した鋼線(径:2.0mm )を用意し、該鋼線を誘導加熱装置により320 ℃に加熱してから、チューブ方式の押出成形機(スクリューの長さLとスクリューの直径Dとの比L/D=25,三葉製作所製)を用いて、390 ℃に加熱したPEEK樹脂(LNP製 Thermocomp 1000 ,融点:334 ℃)を鋼線に被覆したのち、その鋼線を誘導加熱装置により410 ℃に加熱して10秒間保持し、被膜厚さが30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0052】発明例2発明例1と同様の成分組成になる鋼線を酸洗処理した鋼線(径:2.0mm )を用意し、該鋼線を誘導加熱装置により320 ℃に加熱してから、チューブ方式の押出成形機(L/D=25,三葉製作所製)を用いて、390 ℃に加熱したPEEK樹脂(LNP製 Thermocomp 1000 ,融点:334 ℃)を鋼線に被覆したのち、その鋼線を誘導加熱装置により450 ℃に加熱して10秒間保持し、被膜厚さが30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0053】発明例3発明例1と同様の成分組成になる鋼線に100g/m2 の電気亜鉛めっきを施した鋼線(径:2.0mm )を用意し、該鋼線を誘導加熱装置により360 ℃に加熱してから、チューブ方式の押出成形機(L/D=25,三葉製作所製)を用いて、400 ℃に加熱したポリイミド樹脂(三井化学製 オーラム 450,融点:388 ℃)を鋼線に被覆したのち、その鋼線を誘導加熱装置により415 ℃に加熱して3秒間保持し、被膜厚さが30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0054】発明例4発明例1と同様の成分組成になる鋼線を酸洗処理した鋼線(径:2.0mm )を用意し、該鋼線を誘導加熱装置により360 ℃に加熱してから、チューブ方式の押出成形機(L/D=25,三葉製作所製)を用いて、410 ℃に加熱したポリイミド樹脂(三井化学製 オーラム 450,融点:388 ℃)を鋼線に被覆したのち、その鋼線を誘導加熱装置により450 ℃に加熱して5秒間保持し、被膜厚さが30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0055】比較例1発明例1と同様の成分組成になる鋼線に100g/m2 の電気亜鉛めっきを施した鋼線(径:2.0mm )を用意し、該鋼線を誘導加熱装置により250 ℃に加熱してから、チューブ方式の押出成形機(L/D=25,三葉製作所製)を用いて、390 ℃に加熱したPEEK樹脂(LNP製 Thermocomp 1000 ,融点:334 ℃)を鋼線に被覆したのち、その鋼線に熱処理を施すことなく、被膜厚さが30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0056】比較例2発明例1と同様の成分組成になる鋼線に100g/m2 の電気亜鉛めっきを施した鋼線(径:2.0mm )を用意し、該鋼線を誘導加熱装置により250 ℃に加熱してから、チューブ方式の押出成形機(L/D=25,三葉製作所製)を用いて、390 ℃に加熱したPEEK樹脂(LNP製 Thermocomp 1000 ,融点:334 ℃)を鋼線に被覆したのち、その鋼線を誘導加熱装置により300 ℃に加熱して5秒間保持し、被膜厚さが30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0057】なお、電気亜鉛めっきは、硫酸亜鉛7水和物 600g/l、硫酸アルミニウム 20 g/l、温度50℃、pH4でめっき液を流動できるめっき槽を用いて、電流密度50 A/dm2 で行った。この電気めっき条件は、以下の例でも同様である。
【0058】発明例5発明例1と同様の成分組成になる鋼線を酸洗処理した鋼線(径:2.0mm )を用意し、該鋼線を誘導加熱装置により320 ℃に加熱してから、加圧押出方式の押出成形機(L/D=25,三葉製作所製)を用いて、390 ℃に加熱したPEEK樹脂(LNP製 Thermocomp 1000 ,融点:334 ℃)を鋼線に被覆したのち、その鋼線を誘導加熱装置により450 ℃に加熱して10秒間保持し、被膜厚さが30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0059】発明例6発明例1と同様の成分組成になる鋼線に100g/m2 の電気亜鉛めっきを施した鋼線(径:2.0mm )を用意し、該鋼線を誘導加熱装置により360 ℃に加熱してから、加圧押出方式の押出成形機(L/D=25,三葉製作所製)を用いて、400 ℃に加熱したポリイミド樹脂(三井化学製 オーラム 450,融点:388 ℃)を鋼線に被覆したのち、その鋼線を誘導加熱装置により450 ℃に加熱して5秒間保持し、被膜厚さが30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0060】比較例3発明例1と同様の成分組成になる鋼線に 100g/m2 の電気亜鉛めっきを施した鋼線(径:2.0mm )を用意し、該鋼線を誘導加熱装置により100 ℃に加熱してから、加圧押出方式の押出成形機(L/D=25,三葉製作所製)を用いて、220℃に加熱した高密度ポリエチレン樹脂(三井化学製 ハイゼックス5000S,融点:131 ℃)を鋼線に被覆したのち、その鋼線を誘導加熱装置により200 ℃に加熱して3秒間保持し、被膜厚さが30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0061】発明例7発明例1と同様の成分組成になる鋼線を酸洗処理した鋼線(径:2.0mm )を用意し、該鋼線にスチールウール掛けによるクリーニング処理を施し、引き続きシランカップリング処理によりシランカップリング皮膜を15mg/m2で施した。さらに、下地温度を誘導加熱装置により200 ℃に加熱してシランカップリング皮膜を焼付乾燥と鋼線の予備加熱とを行い、続いてPEEK樹脂(LNP製 Thermocomp 1000 ,融点:334 ℃)をチューブ方式の押出成型機(L/D=25,三葉製作所製)で390 ℃に加熱して樹脂を被覆し、管状電気炉により450 ℃に10秒間加熱保持して膜厚30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0062】なお、シランカップリング処理は、イソシアネート系のシランカップリング処理剤(日本ユニカー製、商品名A−1310)をエタノール中に7g/l添加し、さらに純水を7g/l添加して良く攪拌混合してものを用いた。そして、連続して走行する鋼線を、上記処理液槽に浸漬し、処理液槽から出た鋼線をワイピングして一定の液膜にした。
【0063】発明例8発明例1と同様の成分組成になる鋼線を酸洗処理した鋼線(径:2.0mm )を用意し、該鋼線にスチールウール掛けによる軽度の酸化皮膜取りを行い、続いてクロメート処理によりクロメート皮膜を80mg/m2で施した。さらに、下地温度を誘導加熱装置により200 ℃に加熱してクロメート皮膜の焼付乾燥と鋼線の予備加熱とを同時に行い、続いてPEEK樹脂(LNP製 Thermocomp 1000 ,融点:334 ℃)をチューブ方式の押出成型機(L/D=25,三葉製作所製)で390 ℃に加熱して樹脂を被覆し、誘導加熱装置により450 ℃に10秒間加熱保持して膜厚30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0064】なお、クロメート処理は、クロメート処理液(日本パーカー製、商品名ZM−3383)を純水中に100 g/l添加して良く攪拌混合してものを用いた。そして、連続して走行する鋼線を、上記処理液槽に浸漬し、処理液槽から出た鋼線をワイピングして一定の液膜にした。
【0065】発明例9発明例1と同様の成分組成になる鋼線(径:2.0mm )に3 g/m2 のりん酸塩処理皮膜を施した鋼線を用意し、次いでを該鋼線の下地温度を誘導加熱装置により200 ℃に加熱し、続いてPEEK樹脂(LNP製 Thermocomp 1000 ,融点:334 ℃)をチューブ方式の押出成型機(L/D=25,三葉製作所製)で390 ℃に加熱して樹脂を被覆し、誘導加熱装置により450 ℃に10秒間加熱保持して膜厚30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0066】なお、りん酸塩処理は、鋼板を脱脂、水洗、表面調整したものを、化成処理液(日本パーカー製 商品名BT3030)に浸漬し、水洗乾燥したものを用いた。
【0067】発明例10発明例1と同様の成分組成になる鋼線(径:2.0mm )に電気亜鉛めっき(亜鉛目付量15g/m2)を施した鋼線を用意し、該鋼線にスチールウール掛けによる軽度の酸化皮膜取りを行い、引き続き発明例7と同じシランカップリング処理によりシランカップリング皮膜を20mg/m2で施した。さらに、下地温度を誘導加熱装置により200 ℃に加熱してシランカップリング皮膜を焼付乾燥と鋼線の予備加熱とを行い、続いてPEEK樹脂(LNP製 Thermocomp 1000 ,融点:334 ℃)をチューブ方式の押出成型機(L/D=25,三葉製作所製)で390 ℃に加熱して樹脂を被覆し、管状電気炉により450 ℃に10秒間加熱保持して膜厚30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0068】発明例11発明例1と同様の成分組成になる鋼線(径:2.0mm )に電気亜鉛めっき(亜鉛目付量15g/m2)を施した鋼線を用意し、該鋼線にスチールウール掛けによる軽度の酸化皮膜取りを行い、引き続き発明例8と同じクロメート処理によりクロメート皮膜を40mg/m2で施した。さらに、下地温度を誘導加熱装置により200 ℃に加熱してクロメート皮膜を焼付乾燥と鋼線の予備加熱とを行い、続いてPEEK樹脂(LNP製 Thermocomp 1000 ,融点:334 ℃)をチューブ方式の押出成型機(L/D=25,三葉製作所製)で390 ℃に加熱して樹脂を被覆し、管状電気炉により450 ℃に10秒間加熱保持して膜厚30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0069】発明例12発明例1と同様の成分組成になる鋼線(径:2.0mm )に電気亜鉛めっき(亜鉛目付量15g/m2)を施した鋼線を用意し、該鋼線にスチールウール掛けによる軽度の酸化皮膜取りを行い、引き続き発明例9と同じりん酸塩処理によりりん酸塩処理皮膜を3g/m2で施した。さらに、下地温度を誘導加熱装置により200 ℃に加熱してりん酸塩処理皮膜を焼付乾燥と鋼線の予備加熱とを行い、続いてPEEK樹脂(LNP製 Thermocomp 1000 ,融点:334 ℃)をチューブ方式の押出成型機(L/D=25,三葉製作所製)で390 ℃に加熱して樹脂を被覆し、管状電気炉により450 ℃に10秒間加熱保持して膜厚30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0070】発明例13発明例1と同様の成分組成になる鋼線(径:2.0mm )に電気亜鉛めっき(亜鉛目付量15g/m2)を施した鋼線を用意し、該鋼線にスチールウール掛けによるクリーニング処理を行い、引き続き発明例7と同じシランカップリング処理によりシランカップリング皮膜を30mg/m2で施した。さらに、下地温度を誘導加熱装置により200 ℃に加熱してシランカップリング皮膜の焼付乾燥と鋼線の予備加熱とを行い、続いて赤、青、白および黒のそれぞれに着色したPEEK樹脂(LNP製 Thermocomp 1000 ,融点:334 ℃)をチューブ方式の押出成型機(L/D=25,三葉製作所製)で390 ℃に加熱して樹脂を被覆し、管状電気炉により450 ℃に10秒間加熱保持して膜厚30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0071】発明例14発明例1と同様の成分組成になる鋼線(径:2.0mm )に電気亜鉛めっき(亜鉛目付量15g/m2)を施した鋼線を用意し、該鋼線にスチールウール掛けによる軽度の酸化皮膜取りを行い、引き続き発明例7と同じシランカップリング処理によりシランカップリング皮膜を30mg/m2で施した。さらに、下地温度を誘導加熱装置により200 ℃に加熱し、続いて赤、青、白および黒のそれぞれに着色したPEEK樹脂(LNP製 Thermocomp 1000 ,融点:334 ℃)をチューブ方式の押出成型機(L/D=25,三葉製作所製)で390 ℃に加熱して樹脂を20μmで被覆し、管状電気炉により450 ℃に10秒間加熱保持して膜厚30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0072】発明例15発明例1と同様の成分組成になる鋼線を酸洗処理した鋼線(径:2.0mm )を用意し、該鋼線にスチールウール掛けによるクリーニング処理を行い、引き続き発明例7と同じシランカップリング処理によりシランカップリング皮膜を30mg/m2で施した。さらに、下地温度を誘導加熱装置により200 ℃に加熱してシランカップリング皮膜の焼付乾燥と鋼線の予備加熱とを行い、続いて一層目にポリイミド樹脂(三井化学製 商品名:オーラム 450)をチューブ方式の押出成型機(L/D=25,三葉製作所製)で410 ℃に加熱して樹脂を10μmで被覆し、続いて二層目にPEEK樹脂(LNP製 Thermocomp 1000 ,融点:334 ℃)をチューブ方式の押出成型機(L/D=25,三葉製作所製)で390 ℃に加熱して樹脂を20μmで被覆し、管状電気炉により450 ℃に10秒間加熱保持して二層の膜厚30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0073】発明例16発明例1と同様の成分組成になる鋼線を酸洗処理した鋼線(径:2.0mm )を用意し、該鋼線にスチールウール掛けによるクリーニング処理を行い、引き続き発明例7と同じシランカップリング処理によりシランカップリング皮膜を30mg/m2で施した。さらに、下地温度を誘導加熱装置により200 ℃に加熱してシランカップリング皮膜の焼付乾燥と鋼線の予備加熱とを行い、続いて一層目にPEEK樹脂(LNP製 Thermocomp 1000 ,融点:334 ℃)を390 ℃に加熱して20μmで被覆し、続いて二層目にポリイミド樹脂(三井化学製 商品名:オーラム 450)をチューブ方式の押出成型機(L/D=25,三葉製作所製)で410 ℃に加熱して樹脂を10μmで被覆し、管状電気炉により450 ℃に10秒間加熱保持して二層の膜厚30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0074】発明例17発明例1と同様の成分組成になる鋼線(径:2.0mm )に電気亜鉛めっき(亜鉛目付量15g/m2)を施した鋼線を用意し、該鋼線にスチールウール掛けによる軽度の酸化皮膜取りを行い、引き続き発明例7と同じシランカップリング処理によりシランカップリング皮膜を20mg/m2で施した。さらに、下地温度を誘導加熱装置により150 ℃に加熱し、続いてポリフェニレンサルファイドPPS 樹脂(LNP製 Thermocomp PPC ,融点:280 ℃)をチューブ方式の押出成型機(L/D=25,三葉製作所製)で390 ℃に加熱して樹脂を被覆し、管状電気炉により450 ℃に10秒間加熱保持して膜厚30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0075】発明例18発明例1と同様の成分組成になる鋼線(径:2.0mm )にニッケルめっき(ニッケル目付量5g/m2)を施した鋼線を用意し、該鋼線にスチールウール掛けによる軽度の酸化皮膜取りを行い、引き続き発明例7と同じシランカップリング処理によりシランカップリング皮膜を10mg/m2で施した。さらに、下地温度を誘導加熱装置により200 ℃に加熱してシランカップリング皮膜の焼付乾燥と鋼線の予備処理を行い、続いてPEEK樹脂(LNP製 Thermocomp 1000 ,融点:334 ℃)をチューブ方式の押出成型機(L/D=25,三葉製作所製)で390 ℃に加熱して樹脂を被覆し、管状電気炉により450 ℃に10秒間加熱保持して膜厚30μmの耐熱性樹脂被覆鋼線を製造した。
【0076】なお、ニッケルめっきは、スルファミン酸ニッケル:450 g/l、塩化ニッケル6水和物:15g/l、ほう酸:30g/l、温度:50℃、pH4および電流密度10a/lの条件で走行する鋼線を、上記処理液槽でめっきし、処理液槽からでた鋼板を水洗、乾燥した。
【0077】上記した各樹脂被覆鋼線を、伸線処理により線径1.8 mmに減面積加工(減面積率:約20%)して、線癖付けを行い、伸線処理外観を評価した。次いで、伸線処理後にばね加工機メカ式コイリングマシーンCML (回転ダイス使用;奥野機械製作所製)でコイル外経20mm,ピッチ4mm,長さ30mmのコイル状ばね加工を行った。さらに、加工したばねを炉温 320℃の炉中で15分間加熱処理した。かくして得られたばねサンプルについて、以下の性能を評価した。その評価結果を、表1および2に示す。
【0078】(1)伸線処理後の塗装外観伸線後の鋼線の長さ方向にカッターナイフで素地に達する傷を入れ、樹脂被膜の剥離が認められないもの(剥離面積5%未満)は○、樹脂被膜の剥離が少し認められるもの(剥離面積5%以上15%未満)は△、著しく樹脂被膜の剥離が認められるもの(剥離面積15%以上)は×、と評価した。
【0079】(2)耐熱性の評価300 ℃および10分間の加熱処理による、樹脂被膜の劣化が全く認められないもの(△Eが10以下)は○、樹脂被膜が黒色化して剥離が少し認められるもの(△Eが10を越え20以下)は△、樹脂被膜が黒色化して著しく剥離が認められるもの(△Eが20を越える)は×、と評価した。
【0080】(3)ばね成形性の評価ばね成形性は、成形後のばねを観察して、樹脂被膜の剥離面積が1%未満のものは○ 剥離面積が1%以上5%未満のものは△、剥離面積が5%以上あるいは皺の発生が認められるものは×、と評価した。
【0081】(4)耐食性の評価耐食性は、ばね成形後塩水噴霧試験(JIS-Z-2371) を実施し24 時間おきに観察し5%白錆が発生する時間が72時間以上を合格(〇)とし24 時間以上〜72時間未満は△24 時間未満は×とした また5%赤錆が発生する時間が144 時間以上を合格(〇)とし、 72 時間以上〜144 時間未満は△72 時間未満は×とした【0082】
【表1】

【0083】
【表2】

【0084】表1および2に示したように、発明例では、いずれの評価結果も〇となったのに対して、比較例では、被膜が剥離し、ばね加工後に皺が発生し、24時間以内に白錆および赤錆が発生し、そして伸線処理およびばね加工にて被膜が剥離した。
【0085】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば、鋼材上に耐熱性樹脂を被覆するに当たって、予め鋼材を加熱した上で、樹脂を被覆後の鋼材に熱処理を行うことによって、密着性に優れた被膜を形成することができ、かくして得られた鋼材を用いることによってばね成形加工性、耐熱性、耐食性に優れたばねを提供することができ、工業上極めて有用である。
【出願人】 【識別番号】000001258
【氏名又は名称】川崎製鉄株式会社
【識別番号】000200312
【氏名又は名称】川鉄テクノワイヤ株式会社
【出願日】 平成13年7月26日(2001.7.26)
【代理人】 【識別番号】100072051
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 興作 (外1名)
【公開番号】 特開2002−248669(P2002−248669A)
【公開日】 平成14年9月3日(2002.9.3)
【出願番号】 特願2001−225696(P2001−225696)