(57)【要約】【課題】リン酸塩処理を行なわず、金属材料上での化学反応によって金属石鹸の潤滑皮膜を金属材料上に形成することが可能な、塑性加工用金属材料の製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る塑性加工用金属材料の製造方法は、表面に亜鉛めっき層を有する亜鉛めっき金属材料を用い、前記亜鉛めっき金属材料の亜鉛とアルカリ石鹸を反応させることによって前記亜鉛めっき金属材料の表面に亜鉛石鹸層を形成するものである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に亜鉛めっき層を有する亜鉛めっき金属材料を用い、前記亜鉛めっき金属材料の亜鉛とアルカリ石鹸を反応させることによって前記亜鉛めっき金属材料の表面に亜鉛石鹸層を形成することを特徴とする潤滑性に優れた塑性加工用金属材料の製造方法。
【請求項２】
前記金属材料が鋼線材または棒鋼材である請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の製造方法によって得られた塑性加工用金属材料を塑性加工して得られる金属加工品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塑性加工用金属材料の製造方法、および上記製造方法によって得られた塑性加工用金属材料を塑性加工して得られる金属加工品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
塑性加工用金属材料は、用途に応じて、引き抜き、伸線、圧造、鍛造などの様々な塑性加工が施されるが、その際、加工工具（ダイス、プラグ、パンチなど）と被加工材料（金属材料）との間に高い圧力が加わり、相互間に滑りを伴って焼き付きが発生し易くなる。そこで、被加工材料表面の摩擦を軽減し、焼き付きを防止するため、金属材料の表面には通常、潤滑皮膜が形成されている。
【０００３】
代表的な潤滑皮膜として、例えば非特許文献１および非特許文献２に記載されているように、リン酸亜鉛などのリン酸塩皮膜と、ステアリン酸亜鉛およびステアリン酸ナトリウムなどの石鹸層との複合皮膜（リン塩皮膜＋石鹸層）が挙げられる。この複合皮膜は、金属材料にリン酸塩処理を行ってリン酸塩皮膜を形成した後、反応型石鹸処理を行い、石鹸の主成分であるステアリン酸ナトリウムとリン酸塩皮膜の主成分であるリン酸亜鉛とを反応させてステアリン酸亜鉛とステアリン酸ナトリウムの石鹸層をリン酸塩皮膜の上に形成することによって得られる。上記複合皮膜は、潤滑性および耐焼き付き性に優れており、耐錆性も良好なため、当該複合皮膜を備えた塑性加工用金属材料は、例えば、冷間鍛造加工のような過酷な加工に好適に用いられる。
【０００４】
上記の非特許文献に記載された反応メカニズムによれば、リン酸塩処理された金属材料の表面においてアルカリ石鹸との化学反応による金属石鹸層を形成させることにより、密着性の良好な潤滑皮膜が得られる。
【０００５】
しかしながら、上記の塑性加工用金属材料を用い、冷間伸線加工後に熱処理してボルトなどの最終製品を作製すると、熱処理の際、金属材中にリン酸塩皮膜中のリンが拡散（この現象は「浸リン」と呼ばれる。）し、遅れ破壊が発生するという問題がある。また、リン酸塩皮膜の形成には、煩雑な処理液の管理と多くの工程とを必要とするほか、リン酸塩処理液と被処理材（金属材料）との化学反応によって大量のスラッジが発生し、その処理に多大な労力と費用とを要する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】石井均；表面技術，Ｖｏｌ．６１，Ｎｏ．３，２（２０１０）
【非特許文献２】永栄義勇、河邑正男；鉄と鋼，第７２年，第８号，８９９（１９８６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来のようにリン酸塩処理を行なわず、金属材料上での化学反応によって金属石鹸の潤滑皮膜を金属材料上に形成することが可能な、塑性加工用金属材料の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決し得た本発明に係る塑性加工用金属材料の製造方法は、表面に亜鉛めっき層を有する亜鉛めっき金属材料を用い、前記亜鉛めっき金属材料の亜鉛とアルカリ石鹸を反応させることによって前記亜鉛めっき金属材料の表面に亜鉛石鹸層を形成するところに要旨を有するものである。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態において、上記金属材料が鋼線材または棒鋼材である。
【００１０】
本発明には、上記のいずれかに記載の製造方法によって得られた塑性加工用金属材料を塑性加工して得られる金属加工品も本発明の範囲内に包含される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、リン酸塩処理を行なわず、潤滑皮膜中にリンを含有しなくても、金属材料との密着性に優れた潤滑皮膜を備えた塑性加工用金属材料の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１（ａ）は、鋼材にリン酸亜鉛処理およびアルカリ石鹸処理を行なったときの鋼材断面を模式的に示す図であり、図１（ｂ）は、鋼材に直接、アルカリ石鹸処理を行なったときの鋼材断面を模式的に示す図であり、図１（ｃ）は、亜鉛めっき鋼材にアルカリ石鹸処理を行なったときの鋼材断面を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明者らは、従来のようにリン酸塩処理を行なわず、金属材料上での化学反応によって金属石鹸の潤滑皮膜を金属材料上に形成することが可能な、塑性加工用金属材料の製造方法を提供するため、検討を重ねてきた。その結果、金属材料として、表面に亜鉛めっき層を有する亜鉛めっき金属材料を用い、当該亜鉛めっき金属材料に対して通常の石鹸処理を行なって、亜鉛めっき金属材料の表面で亜鉛とアルカリ石鹸との化学反応による金属石鹸の潤滑皮膜を形成すれば、所期の目的が達成されることを見出し、本発明を完成した。
【００１４】
本明細書においてアルカリ石鹸とは、脂肪酸とアルカリ金属との塩を意味する。代表的にはステアリン酸Ｎａ、ステアリン酸Ｋ、ラウリン酸Ｎａ、ミリスチン酸Ｎａ、パルミチン酸Ｎａ、オレイン酸Ｋなどが例示される。また、本明細書において亜鉛石鹸とは、脂肪酸と亜鉛との塩を意味する。詳細には、上記アルカリ石鹸を構成する脂肪酸と、亜鉛めっき層を構成する亜鉛との塩であり、例えば、ステアリン酸亜鉛、ラウリン酸亜鉛、ミリスチン酸亜鉛、パルミチン酸亜鉛、オレイン酸亜鉛などが例示される。
【００１５】
図１を参照しながら、本発明の製造方法に到達した経緯を説明する。図１では、金属材料の代表例として鋼材を用いたときの図を示しているが、本発明はこれに限定する趣旨ではない。
【００１６】
図１（ａ）は、鋼材に対し、リン酸塩処理（ここではリン酸亜鉛処理）およびアルカリ石鹸処理を順次行なったときの鋼材断面構造を模式的に示す図であり、従来例に相当するものである。従来例では、リン酸亜鉛由来の亜鉛と、アルカリ石鹸由来のステアリン酸などの脂肪酸とが反応し、リン酸塩皮膜の上に石鹸層［詳細には、金属石鹸（反応層）＋アルカリ石鹸］を有する複合皮膜が形成される。しかしながら、この方法は、リン酸塩処理を前提とするものであって、非リン系潤滑皮膜を備えた塑性加工用鋼材を提供するという近年の要請に合致するものでない。
【００１７】
図１（ｂ）は、リン酸塩処理を省略し、鋼材に直接、アルカリ石鹸処理を行なったときの鋼材断面構造を模式的に示す図である。図１（ｂ）は、後記する表１のＮｏ．３および４に対応する図であり、この方法によれば、鋼材の表面にアルカリ石鹸層は形成されるが、金属石鹸層は形成されなかった。
【００１８】
上記の基礎実験を踏まえ、本発明者らは、リン酸塩処理を行なわなくても金属石鹸層を簡易に形成するため、図１（ａ）の反応メカニズムを詳細に検討した。図１（ａ）において、潤滑剤として使用するアルカリ石鹸の水溶液はアルカリ性である。アルカリ性溶液中にて所望とする金属石鹸の反応層を形成させるには、鋼材（実質的に鉄）の表面がアルカリ溶液によって溶解することが必要であると考えた。しかし、鉄は酸にしか溶解しないため、鋼材のままではアルカリ性水溶液中で反応しない。そこで本発明者らは、酸およびアルカリの両方で溶解する金属、所謂両性金属を鋼材の表面に有するめっき材料を、塑性加工用金属材料に用いてはどうかと考えた。両性金属としては、例えば亜鉛、アルミニウム、錫、鉛が一般的に知られている。これらのうち、量産性に優れ、しかも材料として入手し易い亜鉛および錫に着目し、これらのめっき鋼材に対して石鹸処理を行なった。石鹸処理に当たっては、実用性を重視し、最大でも約１時間程度の処理によって金属石鹸の反応層が形成されることを前提条件とした。その結果、図１（ｃ）に示すように、亜鉛めっき鋼材を用いた場合には、所定時間内に、耐焼き付き性や潤滑性の向上に有用な金属石鹸層の反応層（ここでは亜鉛を用いているため、亜鉛石鹸層）が形成されたのに対し、錫めっき鋼板を用いた場合には、所定時間内に金属石鹸層は形成されなかった（図示せず）。錫めっき鋼板においても、石鹸処理を長時間行なえば所望とする金属石鹸層は形成されるかもしれないが、実用的な反応時間内では有用な潤滑皮膜が得られないことから、本発明では、亜鉛めっき鋼材を選択した次第である。
【００１９】
このように本発明に係る塑性加工用金属材料の製造方法は、亜鉛めっき層を表面に有する亜鉛めっき金属材料を用い、前記亜鉛めっき金属材料の亜鉛とアルカリ石鹸を反応させることによって前記亜鉛めっき金属材料の表面に亜鉛石鹸層を形成するものである。特に本発明の特徴部分は、金属材料として、亜鉛めっき層を表面に有する亜鉛めっき金属材料を用いたところにある。
【００２０】
本発明に用いられる母材の金属材料は、塑性加工用金属材料に通常用いられるものであれば特に限定されず、鋼材（例えば鉄鋼、ステンレス鋼、クロム鋼、モリブデン鋼、チタン鋼など）、非鉄金属材（アルミ材、チタン材、銅材など）など種々の金属材が挙げられる。所望とするボルトなどの厳しい塑性加工が必要な製品では、鋼材の使用が好ましい。
【００２１】
上記金属材料の形態は、塑性加工されるものであれば特に限定されないが、引き抜き、伸線、圧造、鍛造などの様々な塑性加工が施される鋼線材や棒鋼材が特に好適である。具体的には、例えば、ボルト、ナット、軸受け、ばね、ＰＣ（ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ  ｃｏｎｃｒｅｔｅ）鋼線、スチールコード、ビードワイヤなどを製造するための鋼線材や棒鋼材が挙げられる。
【００２２】
また、上記亜鉛めっき層は、めっき層中に少なくとも亜鉛を含んでいれば良い。よって、上記めっき層には、（ア）亜鉛のみを含む純亜鉛めっき層（めっき過程において金属材料から不可避的に混入し得るＦｅなどを含み得る）、および（イ）亜鉛以外に他の元素（例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅなど）を含む合金化亜鉛めっき層の両方が含まれる。上記（イ）合金化亜鉛めっき層に含まれる亜鉛の量は、所望とする金属石鹸層が形成されれば特に限定されないが、おおむね、亜鉛を７０〜１００質量％程度含むことが好ましい。上述しためっき層のうち、アルカリ石鹸を構成する脂肪酸との反応性などを考慮すると、上記（ア）の純亜鉛めっき層の使用が好ましい。
【００２３】
上記亜鉛めっき層の厚さ（めっき付着量）は、所望とする金属石鹸層が形成されるように、使用する金属材料やアルカリ石鹸の種類、浸漬条件などによって適宜適切に制御すれば良いが、おおむね、１〜１０００μｍの範囲内に制御することが好ましい。
【００２４】
また、めっき方法も特に限定されず、電気亜鉛めっき、合金化溶融亜鉛めっきのいずれも用いることができる。
【００２５】
次に、上記の亜鉛めっき金属材料をアルカリ石鹸と反応させる。これにより、上記金属材料の表面において亜鉛とアルカリ石鹸との化学反応による亜鉛石鹸層の潤滑皮膜が形成されるようになる。このようにして形成された潤滑皮膜は、金属材料との密着性が非常に良好なものである。
【００２６】
具体的には、亜鉛めっき金属材料を、アルカリ石鹸からなる潤滑剤の水溶液に接触することによって、亜鉛めっき金属材料の表面上で上記の化学反応が進行する。接触方法としては、例えば浸漬処理、スプレー処理などが挙げられる。
【００２７】
本発明において、潤滑剤として用いられるアルカリ石鹸（脂肪酸とアルカリ金属の塩）の種類は、塑性加工用金属材料に用いられるものであれば特に限定されず、例えば、ステアリン酸Ｎａ、ステアリン酸Ｋ、ラウリン酸Ｎａ、ミリスチン酸Ｎａ、パルミチン酸Ｎａ、オレイン酸Ｋなどが例示される。上記潤滑剤には、リン酸亜鉛などのリン酸塩は含まれない。
【００２８】
上記アルカリ石鹸の水溶液の濃度も特に限定されず、使用する金属材料やアルカリ石鹸の種類、浸漬条件（温度や時間）、所望とする潤滑皮膜の厚さなどに応じて適宜適切に決定すれば良いが、おおむね、１０〜５００ｇ／Ｌの濃度に調整することが推奨される。
【００２９】
上記アルカリ石鹸の水溶液に亜鉛めっき金属材料を浸漬するに当たっては、反応条件の短縮などを考慮して、浸漬する前に、当該アルカリ石鹸の水溶液を予め、約３０〜９０℃程度の温度に加温しておくことが好ましい。
【００３０】
次に、好ましくは上記アルカリ石鹸の水溶液の温度を上記範囲に保持した状態で、亜鉛めっき金属材料を上記水溶液中に浸漬し、石鹸反応処理を行なう。その結果、亜鉛めっき層中の亜鉛と、アルカリ石鹸の主成分であるステアリン酸ナトリウムなどとが反応し、所望の金属石鹸層が得られる。上記浸漬時間は、実用性を考慮しながら、使用する金属材料やアルカリ石鹸の種類、アルカリ石鹸水溶液の濃度、所望とする潤滑皮膜の厚さなどに応じて適宜適切に決定すれば良いが、おおむね、０．１〜３０分間の範囲内に制御することが推奨される。
【００３１】
上記のようにして浸漬処理を行なった後、上記亜鉛めっき金属材料を取り出し、乾燥すると、図１（ｃ）に示すように、亜鉛めっき層の表面に、ステアリン酸亜鉛などの金属石鹸層とステアリン酸ナトリウムなどのアルカリ石鹸層とからなる石鹸層が形成された塑性加工用金属材料が得られる。
【００３２】
本発明の製造方法によれば、リン酸塩処理を施さなくても、金属材料との密着性に優れた潤滑皮膜を備えた塑性加工用金属材料が得られるため、熱処理時の浸リン（リン酸塩皮膜中のリンの拡散）を回避することができる。
【００３３】
本発明には、上記方法によって得られた塑性加工用金属材料を塑性加工して得られる金属加工品も本発明の範囲内に包含される。本発明の金属加工品を製造するためには、塑性加工の技術分野で周知の方法（引抜き、伸線、圧造、鍛造などの塑性加工方法）を、適宜採用すれば良い。上記金属加工品としては、例えば、ボルト、ナット、ねじなどの締結部品、ばね、軸受け、などを含む機械部品や、スチールコード、ビードワイヤー、ＰＣ（ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ  ｃｏｎｃｒｅｔｅ）鋼線などの伸線加工品などが挙げられる。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限されず、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００３５】
実施例１
（使用した金属材料）
本実施例では、本発明例として市販の電気亜鉛めっき鋼板（ＪＩＳ  Ｇ  ３３１３、厚さ０．８ｍｍ）を用いると共に、比較のため、市販の錫めっき鋼板（ＪＩＳ  Ｇ  ３３０３、厚さ０．３ｍｍ）を用いた。更に、めっき層を有しない比較例として、（株）神戸製鋼所製ボルト用クロム・モリブデン鋼ＳＣＭ４３５を長さ方向にスライス加工して得られた鋼材（厚さ１．２ｍｍ）を、幅１５ｍｍ、長さ７０ｍｍのサイズに切り出したものを用いた。
【００３６】
（アルカリ石鹸処理方法）
本実施例では、アルカリ石鹸の潤滑剤として日本パーカライジング株式会社製パルーブ２３５（主成分としてステアリン酸ナトリウムを含有）を用い、イオン交換水を加えて７０ｇ／Ｌの水溶液を調整した。この水溶液を８０℃に加温した後、上記の各金属材料の端部（５ｃｍ長さ）を浸漬し、アルカリ石鹸処理を行なった。浸漬時間は１０分または３０分とした。アルカリ石鹸処理後、上記金属材料を取り出して乾燥し、以下の測定を行った。
【００３７】
（亜鉛石鹸層の付着量の測定）
各金属材料における亜鉛石鹸層の付着量（ｇ）は、アルカリ石鹸処理→水溶性のアルカリ石鹸除去後の重量［表１のＣ（ｇ）］と、アルカリ石鹸処理前の重量［表１のＡ（ｇ）］との差分Ｄ（Ｃ−Ａ）を求めることによって算出した。詳細には、表１のＣ（ｇ）は、アルカリ石鹸処理後の各金属材料を９０℃のイオン交換水に１５分間浸漬し、水溶性のアルカリ石鹸層を除去した後の重量である。所望とする亜鉛石鹸層が生成されていれば、上記差分の値は、正（プラス）となる。
【００３８】
（亜鉛石鹸層の生成量の測定）
各金属材料における亜鉛石鹸層の生成量（ｇ／ｍ2）は、上記のようにして算出された差分Ｄ（ｇ）を、アルカリ石鹸処理された被処理面積［表１のＢ（ｃｍ2）］で割ることによって算出した。ここで上記被処理面積は、浸漬長さから算出した。このようにして算出される亜鉛石鹸層の生成量が多い程、被処理面積中に多くの金属石鹸層が生成されることを意味している。
【００３９】
これらの結果を表１に併記する。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
Ｎｏ．１および２は、本発明で規定する亜鉛めっき金属材料を用いて製造した例であり、耐焼き付き性などの向上に有用な亜鉛石鹸層が充分得られた。詳細には、アルカリ石鹸水溶液への浸漬を３０分間行なったＮｏ．２に比べ、１０分間しか行なわなかったＮｏ．１において、所望とする亜鉛石鹸層が、より多く生成する傾向にあることから、本発明の製造方法を用いれば、所望とする潤滑皮膜を極めて短時間で得られることが分かる。
【００４２】
これに対し、Ｎｏ．５および６は、亜鉛めっきでなく、錫めっきされた金属材料を用いて製造した例であり、Ｎｏ．６のように浸漬時間を３０分と長くしても、亜鉛石鹸層は全く生成しなかった。また、Ｎｏ．３および４は、めっき層を有しない鋼板を用いた例であり、浸漬時間にかかわらず、やはり、亜鉛石鹸層は全く生成しなかった。
【００４３】
上記の実験結果より、本発明の製造方法を用いれば、リン酸塩処理を行なわなくても、潤滑性や耐焼き付き性などの向上に有用な亜鉛石鹸層を含む石鹸層を備えた塑性加工用金属材料を提供できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の製造方法によれば、リン酸塩処理を行なわなくても、ボルト、ナット、ねじなどの締結部品、ばね、軸受けなどを含む機械部品や、スチールコード、ビードワイヤー、ＰＣ（ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ  ｃｏｎｃｒｅｔｅ）鋼線などの伸線加工品などの金属加工品を、簡便に得ることができる。
【図１】
2012219365.tif 000003