(57)【要約】【課題】一度形成された酸化被膜が剥離することが少ないばね鋼線の製造装置を提供すること。【解決手段】第１加熱コイル３１で第１加熱工程を実施し、この第１加熱工程で加熱された線材１をそれより高い温度で第２加熱コイル３２により再度加熱する第２加熱工程を実施する。第２加熱コイル３１と冷却装置４との間のインライン上を通過する線材１にガス供給装置８から水蒸気と二酸化炭素とを略同時に投入する。これにより、酸化被膜の線材の母材からの剥離が少なくなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱コイルによる加熱工程とこの加熱工程の後に実施される冷却工程とを備えたばね鋼線の製造方法において、
前記加熱工程と前記冷却工程との間で前記線材を水蒸気と二酸化炭素との雰囲気内において前記線材に酸化被膜をインラインにて形成することを特徴とするばね鋼線の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載されたばね鋼線の製造方法において、
前記加熱工程は、前記線材を加熱する第１加熱工程と、この第１加熱工程で加熱された線材を再度加熱する第２加熱工程とを備え、前記第２加熱工程と前記冷却工程との間で前記線材を水蒸気と二酸化炭素との雰囲気内に略同時に置くことを特徴とするばね鋼線の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載されたばね鋼線の製造方法において、
前記第１加熱工程は前記線材を９００℃以上の温度で前記線材を加熱するものであり、前記第２加熱工程は前記第１加熱工程の加熱温度より５０℃〜１００℃高い温度で前記線材を加熱することを特徴とするばね鋼線の製造方法。
【請求項４】
加熱コイルと冷却装置とがインライン上に配置されたばね鋼線の製造装置において、
前記加熱コイルと前記冷却装置との間のインライン上を通過する線材に酸化被膜を形成するために水蒸気と二酸化炭素とを供給するガス供給装置と、このガス供給装置で供給された水蒸気と二酸化炭素とを前記線材の周囲に封止する封止部材と、を有することを特徴とするばね鋼線の製造装置。
【請求項５】
請求項４に記載されたばね鋼線の製造装置において、
前記加熱コイルは、前記線材を加熱する第１加熱コイルと、この第１加熱コイルで加熱された線材を再度加熱する第２加熱コイルとを備え、前記ガス供給装置は前記第２コイルと前記冷却装置との間を通過する線材に水蒸気と二酸化炭素とを供給することを特徴とするばね鋼線の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線材を加熱コイルによって加熱した後に冷却するばね鋼線の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ばね鋼線を製造するために、巻戻しスタンドから巻戻される線材に加熱装置及び冷却装置を用いて焼入れ、及び焼戻しを施して巻取りスタンドへ巻き取ることが行われる。
焼入れ焼戻しされたばね鋼線をコイルばね形状に成形するために、コイリングマシンを用いる。このコイリングマシンでは、ばね鋼線の進行方向を複数のフインガ−ピンにより順次偏向させるよう案内してコイル状に巻回するが、鋼線とフインガ−ピンとの間に焼きつき現象が発生する。焼きつき現象が発生すると、巻回速度が不均一となるため仕上がったコイルばね形状が精密に所定とならず、製品寸法、従って、ばね定数、ばね特性にばらつきが生じることになる等、種々の問題がある。
【０００３】
この問題を解決するために、巻戻しスタンドから巻戻される線材に加熱・冷却手段を用いた焼入れ、及び焼戻しを順次施して巻取りスタンドへ巻き取るばね鋼線の熱処理工程において、焼入れ用の急速加熱手段を通過した線材が急冷手段に至るまでの間に過熱水蒸気雰囲気内を通過するようにし、昇温した線材が表層全周に均一な所定厚みのFe3O4を主成分とした酸化被膜（スケール）を形成した従来例がある（特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特公平６−２９３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の従来例では、所望の酸化被膜を形成することができるが、巻取りスタンドへ線材をコイル状に巻回する際に、線材に曲げ応力がかかると、線材の表面に形成された酸化被膜が剥離するという課題が生じる。
線材がコイル状に巻回される際に、線材の表面に付着した酸化被膜が剥離すると、母材が露出することになり、線材がコイリングマシンとの間で焼きつくという不具合が生じる。
【０００６】
本発明の目的は、一度形成された酸化被膜が剥離することが少ないばね鋼線の製造方法及び製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のばね鋼線の製造方法は、加熱コイルによる加熱工程とこの加熱工程の後に実施される冷却工程とを備えたばね鋼線の製造方法において、前記加熱工程と前記冷却工程との間で前記線材を水蒸気と二酸化炭素との雰囲気内において前記線材に酸化被膜をインラインにて形成することを特徴とする。
【０００８】
本発明のばね鋼線の製造装置は、加熱コイルと冷却装置とがインライン上に配置されたばね鋼線の製造装置において、前記加熱コイルと前記冷却装置との間のインライン上を通過する線材に酸化被膜を形成するために水蒸気と二酸化炭素とを供給するガス供給装置と、このガス供給装置で供給された水蒸気と二酸化炭素とを前記線材の周囲に封止する封止部材と、を有することを特徴とする。
【０００９】
この構成の発明によれば、加熱コイルを用いて線材に加熱工程を実施した後、この線材を、冷却装置を用いた冷却工程を実施する前において、加熱工程で加熱された線材にガス供給装置から水蒸気と二酸化炭素とを封止部材に供給し、この封止部材の内部で線材を水蒸気と二酸化炭素との雰囲気内に置く。線材を水蒸気の雰囲気下におくことによって、線材の表層全周に酸化被膜を形成し、しかも、二酸化炭素の雰囲気下におくことによって、この酸化被膜が線材の母材に確実に付着することになるので、酸化被膜の線材の母材からの剥離が少なくなる。
【００１０】
ばね鋼線の製造方法の発明において、前記加熱工程は、前記線材を加熱する第１加熱工程と、この第１加熱工程で加熱された線材を再度加熱する第２加熱工程とを備え、前記第２加熱工程と前記冷却工程との間で線材を、水蒸気と二酸化炭素との雰囲気内に略同時にする構成としてもよい。
ばね鋼線の製造装置の発明において、前記加熱コイルは、前記線材を加熱する第１加熱コイルと、この第１加熱コイルで加熱された線材を再度加熱する第２加熱コイルとを備え、前記ガス供給装置は前記第２コイルと前記冷却装置との間を通過する線材に水蒸気と二酸化炭素とを供給する構成としてもよい。
【００１１】
この構成の発明では、線材の加熱を２段階にすることで、焼入れ温度を短時間で高温にすることができる。そのため、十分に加熱された線材を水蒸気と二酸化炭素との雰囲気下に置くことができるので、酸化被膜の形成を迅速に行うことができる。
【００１２】
さらに、ばね鋼線の製造方法の発明において、前記第１加熱工程は前記線材を９００℃以上の温度で前記線材を加熱するものであり、前記第２加熱工程は前記第１加熱工程の加熱温度より５０℃〜１００℃高い温度で前記線材を加熱する構成が好ましい。
この構成の発明では、低温、例えば、７００℃で加熱する場合に比べて酸化被膜の生成量が多い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態にかかるばね鋼線の製造装置の概略を示す図である。
図１において、ばね鋼線の製造装置は、加工対象の線材１が予め巻き取られている巻戻しスタンド２と、この巻戻しスタンド２から巻戻される線材１を洗浄する洗浄装置（図示せず）と、この洗浄装置で洗浄された線材１を加熱する加熱装置３と、この加熱装置３で加熱された線材１を冷却する冷却装置４と、この冷却装置４で冷却された線材１を焼き戻しする焼戻しコイル５と、この焼戻しコイル５で焼き戻された線材１を冷却する冷却ジャケット６と、冷却ジャケット６で冷却した線材１を巻き取る巻取りスタンド７と、加熱装置３と冷却装置４との間を通過する線材１にガスを供給するガス供給装置８とを備えている。
線材１は、炭素鋼や合金鋼等、ばね鋼線に適した材料から形成されている。ばね鋼線の製造装置には線材１を送る送り機構（図示せず）が設けられており、この送り機構によって線材１が所定速度、例えば、７０ｍｍ／ｓｅｃ〜３５０ｍｍ／ｓｅｃで移動する。
巻戻しスタンド２及び巻取りスタンド７は従来と同じ構造である。
【００１４】
加熱装置３は、線材１を焼入れのために加熱するもので、第１加熱コイル３１と、この第１加熱コイル３１で加熱された線材１を再度加熱する第２加熱コイル３２とを備えている。これらの第１加熱コイル３１及び第２加熱コイル３２は、図示しない電源と接続されている。この電源は図示しない制御装置に接続され、この制御装置によって第１加熱コイル３１及び第２加熱コイル３２に通電する電圧を制御することで、加熱温度が調整される。
第１加熱コイル３１と第２加熱コイル３２との間には送りロール１０が配置されている。このロール１０と第１加熱コイル３１との間にはシールドパイプ１１が配置され、ロール１０と第２加熱コイル３２との間にはシールドパイプ１２が配置されている。これらのシールドパイプ１１，１２の内部は空気が遮断されており、かつ、線材１が挿通される。これらのシールドパイプ１１，１２には必要に応じて水蒸気等が導入される。
【００１５】
冷却装置４は、従来と同様の構造であり、その内部に線材１が通過することで、加熱装置３で加熱された線材１を冷却するものである。
焼戻しコイル５は線材１を焼き戻すために加熱するもので、図示しない電源と接続されている。この電源は図示しない制御装置に接続され、この制御装置によって焼戻しコイル５に通電する電圧を制御する。
冷却ジャケット６は焼戻しコイル５で加熱された線材１を再度冷却させるものであり、その内部を線材１が通過することで、線材１が冷却される。
【００１６】
冷却装置４と第２加熱コイル３２との間には封止部材としてのシールドパイプ１３が配置されている。このシールドパイプ１３は、その内部空間で空気が遮断されており、かつ、線材１が挿通される。
焼戻しコイル５と冷却ジャケット６との間にはシールドパイプ１４が配置されている。このシールドパイプ１４は、その内部空間で空気が遮断されており、かつ、線材１が挿通される。
ガス供給装置８は、シールドパイプ１３の内部に水蒸気を供給する水蒸気供給ライン８１と、二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給ライン８２とを備えている。
【００１７】
水蒸気供給ライン８１は、蒸気発生装置８１０と、この蒸気発生装置８１０に一端が接続され他端がシールドパイプ１３に開口される水蒸気供給管８１１と、この水蒸気供給管８１１に流通する水蒸気の流量を調整する流量調整弁８１２と、水蒸気供給管８１１から分岐され先端がシールドパイプ１４に開口される分岐管８１３と、この分岐管８１３流通する水蒸気の流量を調整する流量調整弁８１４とを備えている。
水蒸気発生装置１８０はボイラ等で水を沸騰させて水蒸気を発生させるものであり、この水蒸気発生装置１８０で発生した水蒸気を、所定の流量、例えば、６２リットル／分〜３１０リットル／分（水換算で５０ｃｃ／分〜２５０ｃｃ／分）で水蒸気供給管８１１及び分岐管８１３を通じてシールドパイプ１３及びシールドパイプ１４に供給する。
本実施形態では、水蒸気発生装置１８０は、水を水蒸気供給管８１１及び分岐管８１３を通じてシールドパイプ１３及びシールドパイプ１４に供給し、これらのシールドパイプ１３及びシールドパイプ１４の内部を通る線材１に水が接触し、この水が線材１の温度で気化して水蒸気を発生させるものでもよい。
【００１８】
二酸化炭素供給ライン８２は二酸化炭素が充填されたボンベ８２０と、このボンベ８２０に一端が接続され他端がシールドパイプ１３に開口される二酸化炭素供給管８２１と、この二酸化炭素供給管８２１に流通する二酸化炭素の流量を調整する流量調整弁８２２とを備えている。
ボンベ８２０は二酸化炭素を所定の流量、例えば、１０リットル／分〜５０リットル／分だけシールドパイプ１３の内部に供給する。
図２に拡大して示される通り、水蒸気供給管８１１と二酸化炭素供給管８２１とのシールドパイプ１３への開口部は近接配置されている。シールドパイプ１３の内部は水蒸気と二酸化炭素とが所定時間、例えば、６０秒以下封止されるようになっている。
【００１９】
次に、本実施形態にかかるばね鋼線の製造方法を説明する。
まず、巻戻しスタンド２から線材１を繰り出し、洗浄装置で洗浄した後、加熱装置３に送る。この加熱装置３によって加熱工程が行われる。
加熱工程は、まず、線材１を第１加熱コイル３１で加熱して第１加熱工程を実施し、その後、第２加熱コイル３２で第１加熱コイル３１での加熱温度より高い温度で再度加熱して第２加熱工程を実施する。ここで、第１加熱工程は線材１を９００℃以上の温度で加熱し、第２加熱工程は第１加熱工程の加熱温度より５０℃〜１００℃高い温度で線材１を加熱する。なお、第１加熱コイル３１を通過した線材１は送りロール１０で第２加熱コイル３２に送られ、この第２加熱コイル３２で線材１が再度加熱される。
【００２０】
第２加熱コイル３２から送られた線材１は第２加熱コイル３２と冷却装置４との間に配置されたシールドパイプ１３の内部に送られる。ここでは、ガス供給装置８が作動されているので、シールドパイプ１３に水蒸気、二酸化炭素が略同時に投入される。これにより、線材１はシールドパイプ１３の内部に位置している間は水蒸気と二酸化炭素との雰囲気内にあることになる。
シールドパイプ１３から送られた線材１の表面には均一な所定厚みのFe3O4を主成分とした酸化被膜が形成される。
その後、加熱された線材１は冷却装置４で冷却された後、焼戻しコイル５で焼戻しされる。
焼戻しされた線材１は水蒸気雰囲気下にあるシールドパイプ１４を通過した後に冷却ジャケット６に送られ、さらに、巻取りスタンド７で巻き取られる。
【実施例】
【００２１】
次に、実施例について説明する。
実施例及び比較例で使用される線材１の化学成分を表１に示し、線材１の構成を表２に示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
【表２】
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【００２４】
また、熱処理条件として、線材１を１９０ｍｍ／ｓｅｃで送る。
［実施例１］
以上の条件の下、実施例１では、第２加熱コイル３２と冷却装置４との間に配置されたシールドパイプ１３に水蒸気、二酸化炭素を同時に導入した。第１加熱コイル３１における線材１の加熱温度は７００℃であり、第２加熱コイル３２における線材１の加熱温度は９５０℃である。焼戻しコイル５と冷却ジャケット６との間に配置されたシールドパイプ１４に水蒸気を導入した。冷却ジャケット６で冷却された線材１を所定長さに渡って切断し、試験片とした。
［実施例２］
実施例２は、実施例１とは第２加熱工程の温度が相違するのみで他の条件は実施例１と同じである。つまり、実施例２では、第１加熱コイル３１における線材１の加熱温度は７００℃であり、第２加熱コイル３２における線材１の加熱温度は１０００℃である。
【００２５】
［実施例３］
実施例３は、実施例１とは第１加熱工程の温度が相違するのみで他の条件は実施例１と同じである。
つまり、実施例３では、第１加熱コイル３１における線材１の加熱温度は９００℃であり、第２加熱コイル３２における線材１の加熱温度は９５０℃である。
［実施例４］
実施例４は、実施例１とは第１加熱工程と第２加熱工程の温度が相違するのみで他の条件は実施例１と同じである。
つまり、実施例４では、第１加熱コイル３１における線材１の加熱温度は９００℃であり、第２加熱コイル３２における線材１の加熱温度は１０００℃である。
【００２６】
［比較例１］
比較例１は、シールドパイプ１１，１２，１３にそれぞれ窒素を封入した例である。それ以外の条件は実施例１と同じである。
［比較例２］
比較例２は、シールドパイプ１１に窒素を封入し、シールドパイプ１２，１３にそれぞれ水蒸気を封入した例である。それ以外の条件は実施例１と同じである。
［比較例３］
比較例３は、シールドパイプ１１，１２にそれぞれ窒素及び黒鉛粉を封入し、シールドパイプ１３に窒素を封入した例である。それ以外の条件は実施例１と同じである。
［比較例４］
比較例４は、シールドパイプ１１，１２にそれぞれ窒素及び黒鉛粉を封入し、シールドパイプ１３に水蒸気を封入した例である。それ以外の条件は実施例１と同じである。
［比較例５］
比較例５は、シールドパイプ１３に二酸化炭素及び黒鉛粉を同時に導入した。それ以外は実施例１と同じである。
以上において説明した実施例１〜４及び比較例１〜５の条件を表３に示す。
【００２７】
【表３】
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【００２８】
［実験結果］
試験片に付着した酸化被膜（スケール）の厚さを光学顕微鏡で測定した。表４は実施例１〜４及び比較例１〜５で測定された酸化被膜の厚さを示す。
試験片を直角に折り曲げ、酸化被膜の付着性を目視で評価した。
比較例１，２は、いずれも試験片の折曲部分を中心として酸化被膜の剥離が多く認められた。比較例４も酸化被膜の剥離が認められた。比較例３は比較例１，２，４に比べて少ないものの、酸化被膜の剥離が認められた。比較例５も試験片の折曲部分を中心に酸化被膜の剥離が多く認められた（表４において「×」で示す）。
これに対して、実施例１〜４はいずれも酸化被膜の剥離が比較例１〜４に比べて極めて少ない。特に、試験片の折曲部分に形成された酸化被膜の色調変化も非常に少ない。
実施例１，２は試験片の直線部分に形成された酸化被膜の色調は若干の剥離で僅かに変化しているが、その影響が少ない（表４において「○」で示す）、実施例３，４は直線部分の色調変化は直線部分と同様に少ない（表４において「◎」で示す）。
【００２９】
【表４】
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【００３０】
また、酸化被膜の剥離状況を確認するために、内径２Ｄ巻き付け実験を実施した。この実験は、試験片の直径の２倍の軸に試験片自体を巻き付け、その際の酸化被膜の剥離が許容できる範囲にあるか否かを確認するものである。この実験を複数行い、この複数回の実験のうち、剥離量が多くて許容範囲外にある確率が評価基準である。
水蒸気と二酸化炭素とをシールドパイプ１３に同時投入した実験例では、剥離率が２０〜５０％であった。これに対して、水蒸気をシールドパイプ１３に投入した比較例では、剥離率が６０〜９０％であった。
【００３１】
以上の実施例により、本実施形態では、次の作用効果を奏することができる。
（１）第２加熱コイル３２を用いて線材１に加熱工程を実施した後、この線材１を冷却装置４を用いた冷却工程を実施する前において、加熱工程で加熱された線材１にガス供給装置８から水蒸気と二酸化炭素とをシールドパイプ１３に供給し、このシールドパイプ１３の内部で線材１を水蒸気と二酸化炭素との雰囲気内に置く構成とした。そのため、線材１の表層全周に酸化被膜が形成され、しかも、二酸化炭素の雰囲気下におくことによって、この酸化被膜が線材１の母材に確実に付着することになるので、酸化被膜の母材からの剥離を少なくすることができる。
【００３２】
（２）加熱工程を、第１加熱コイル３１で実施する第１加熱工程と、この第１加熱工程で加熱された線材をそれより高い温度で第２加熱コイル３２により再度加熱する第２加熱工程とから構成し、第２加熱工程と冷却工程との間で、線材１に水蒸気と二酸化炭素とを略同時に投入した。そのため、線材１の加熱を２段階にすることで、１段で加熱工程を行う場合に比べて、焼入れ温度を短時間（例えば、６０秒以下）で迅速に高温にすることができることになり、酸化被膜の形成を迅速に行うことができる。
【００３３】
（３）第１加熱工程は線材１を９００℃の温度で加熱し、第２加熱工程は線材１を９５０℃〜１０００℃で加熱することで、７００℃で線材１の第１加熱工程を実施した場合に比べて酸化被膜の生成量をより多くできる。
【００３４】
〔変形例〕
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、焼入れのための加熱工程を、第１加熱工程と第２加熱工程の２段階から構成したが、本発明では、３段階、あるいは４段階以上から構成したものでもよい。
【００３５】
さらに、封止部材はシールドパイプ１３から構成したが、他の部材、例えば、内部が中空の球体から構成してもよい。
また、前記実施形態では、送られる線材１の上流側から二酸化炭素を投入し、下流側から水蒸気を投入したが、本発明では、これらの二酸化炭素及び水蒸気が略同時に投入されるものであれば、その投入の前後を問わず、例えば、送られる線材１の上流側から水蒸気を投入し、下流側から二酸化炭素を投入するものであってもよい。さらに、両気体の投入割合は適宜設定される。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、ばね鋼線の製造に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係るばね鋼線の製造装置の概略構成図。
【図２】前記実施形態の要部を示す概略図。
【符号の説明】
【００３８】
１…線材、２…巻戻しスタンド、３…加熱装置、４…冷却装置、７…巻取りスタンド、８…ガス供給装置、３１…第１加熱コイル、３２…第２加熱コイル、１３…シールドパイプ（封止部材）、１１，１２，１４…シールドパイプ、８１…水蒸気供給ライン、８２…炭酸供給ライン
【図１】
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【図２】
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