CN102649919B

CN102649919B - 金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物

Info

Publication number: CN102649919B
Application number: CN201210041209.3A
Authority: CN
Inventors: 黑田将文; 喜田守; 喜多良彦
Original assignee: Da Tong Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Da Tong Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: CN102649919A; JP5224251B2; KR101841083B1; KR20120098409A; JP2012177000A; KR20140024069A

Abstract

本发明提供一种金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，该组合物的润滑性、耐烧蚀性等加工润滑性能和防锈性优良，即使在钢或不锈钢的锻造加工等苛酷的塑性加工中也能够在无化成处理覆膜的情况下进行加工，而且由于润滑覆膜为水性，因此仅用水就能够充分除去该覆膜，具备优良的覆膜除去性。一种金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，其中，含有水、(a)水溶性高分子化合物、和(b)无机金属盐，(a)成分及(b)成分溶解或分散于水中，且(a)成分与(b)成分的固体成分重量比(b)/(a)在0.1～5的范围内。

Description

金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物

技术领域

本发明涉及在钢铁、不锈钢、钛、铝、铜合金、镁合金等金属材料的塑性加工中，用于该材料表面的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物。

背景技术

在金属材料的塑性加工中，多使用在矿物油等基础油中添加有含硫化合物、磷酸化合物、有机酸、含氯化合物、合成酯、油脂、金属皂等的油性润滑剂。例如，在基础油中添加有由烯烃和亚磷酸等合成的烷基膦酸衍生物得到的铝合金或非铁金属用的油性塑性加工用润滑剂是公知的(参照专利文献1)。但是，该润滑剂虽然能够用于铝合金或非铁金属，但在用于加工条件苛酷的钢或不锈钢的塑性加工时，会出现油膜的保持性不充分而发生烧蚀、或者因加工负荷大而使作为工具的冲头、冲模可能发生破损的缺点。

另外，一般而言，油性塑性加工用润滑油存在在加工后的干式切削加工工序等中发烟而使作业环境显著变差的问题，为了解决该问题，需要用清洗剂对加工后的部件进行清洗以除去润滑覆膜，因而还存在需要使用清洗剂液和需要对该液进行管理等缺点。

另一方面，作为水性塑性加工用润滑剂，例如，提出了将聚醚多元醇和碳原子数8以下的烷基膦酸等磷酸化合物分散或溶解于水中而成的水性金属加工用润滑剂组合物(参照专利文献2)。该润滑剂具有由于其为水性因而覆膜容易除去的优点。但是，该润滑剂组合物存在润滑性、耐烧蚀性、防锈性等差的缺点。因此，在加工条件苛酷的钢或不锈钢的锻造加工等塑性加工中，对于该润滑剂组合物而言，通常为了弥补润滑性、耐烧蚀性等的不足，需要在锻造加工等之前预先在加工材料表面生成磷酸锌铁等化成处理覆膜，再在该覆膜上用润滑剂进行处理而进行锻造加工等。

另外，提出了含有合成树脂、水溶性无机盐、润滑剂及水的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物(参照专利文献3)。根据该润滑剂组合物，具有能够获得强韧且润滑性好的覆膜的优点。但是，该润滑剂组合物也存在在加工条件苛酷的钢或不锈钢的塑性加工中耐烧蚀性不足、有时难以进行加工的缺点。因此，在加工条件苛酷的钢或不锈钢的锻造加工等塑性加工中，通常在生成化成处理覆膜后进行锻造加工等塑性加工。

由此可见，根据现有的水性塑性加工用润滑剂组合物，多数情况下需要化成处理覆膜。化成处理覆膜虽然润滑性、耐烧蚀性优良，但由于其为固体覆膜，因此存在如下问题：加工时在工具与加工材料的界面处因高压滑动而产生粉尘，从而污染工作场所；或者化成处理覆膜的剥离物残留于工具中而成为缺肉的原因。并且，为了在材料表面生成化成处理覆膜，需要经过液体管理的大量处理液和处理工序，且化成处理液的废液处理要花费大量经费。

因此，如果不生成作为另一工序的该预处理的化成处理覆膜而仅直接利用润滑剂组合物便可进行金属材料的塑性加工，则能够省略工序，能够大幅降低加工成本，能够大大有助于节省资源、节省能量。另外，由于同时能够使加工生产线一体化，因此能够实现生产周期的缩短等显著的生产线的改善。

现有技术文献

专利文献1：日本特开平5-65493号公报

专利文献2：日本特开昭59-227990号公报

专利文献3：日本特开2000-63880号公报

发明内容

本发明的目的在于，提供一种金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，该组合物的润滑性、耐烧蚀性等加工润滑性能和防锈性优良，即使在钢或不锈钢的锻造加工等苛酷的塑性加工中也能够在无化成处理覆膜的情况下进行加工，而且由于润滑覆膜为水性，因此仅用水就能够充分除去该覆膜，具备优良的覆膜除去性。

本发明人为了解决现有的塑性加工用润滑剂所具有的诸多缺点而进行了反复研究。结果发现，以水溶性高分子化合物、优选具有特定性质的水溶性高分子化合物和无机金属盐以及根据需要使用的蜡为有效成分、将它们溶解或分散于水中而成的水性润滑剂组合物，与现有的塑性加工用润滑剂相比具有极优良的加工润滑性能、防锈性及覆膜除去性，适合作为金属材料特别是钢或不锈钢的塑性加工用润滑剂，从而能够实现上述目的，由此完成了本发明。

本发明提供以下的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物。

1.一种金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，其中，含有水、(a)水溶性高分子化合物、和(b)无机金属盐，(a)成分及(b)成分溶解或分散于水中，且(a)成分与(b)成分的固体成分重量比(b)/(a)在0.1～5的范围内。

2.如上述第1项所述的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，其中，还含有(c)蜡，该蜡分散于水中，且(a)成分与(c)成分的固体成分重量比(c)/(a)在5以下的范围内。

3.如上述第1项所述的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，其中，水溶性高分子化合物(a)为选自由水溶性聚醚化合物及水溶性聚酯化合物组成的组中的至少一种化合物，其覆膜强度为1～30MPa，且其覆膜伸长率为600～1000％。

4.如上述第1项所述的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，其中，水溶性高分子化合物(a)的重均分子量为0.5万～100万。

5.如上述第1项所述的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，其中，无机金属盐(b)为选自由磷酸盐、钒酸盐、硼酸盐、硅酸盐及钨酸盐组成的组中的至少一种金属盐。

6.如上述第2项所述的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，其中，蜡(c)为选自由熔点50～160℃的天然蜡及熔点50～160℃的合成蜡组成的组中的至少一种蜡。

7.如上述第1项所述的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，其中，还含有1～20重量％的选自由磷酸锌、氧化锌、云母、碳酸钙、二硫化钼、石墨及氮化硼组成的组中的至少一种固体润滑剂。

8.如上述第1项所述的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，其中，还含有0.5～5重量％的选自由含硫极压添加剂、有机钼类极压添加剂、含磷极压添加剂及含氯极压添加剂组成的组中的至少一种极压添加剂。

发明效果

根据本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，通过含有水溶性高分子化合物、优选具有特定性质的水溶性高分子化合物和无机金属盐以及根据需要使用的蜡作为有效成分，能够获得如下所述的特别显著的效果。

(1)本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，由于润滑性、耐烧蚀性等加工润滑性能和防锈性优良，因此在对钢铁、不锈钢、钛、铝、铜合金、镁合金等金属材料进行锻造、拉丝、拉管、冲压等冷塑性加工时，通过使其在该材料表面形成润滑覆膜而使用，能够在无化成处理覆膜的情况下理想地进行塑性加工。特别是在钢或不锈钢的锻造加工等苛酷的塑性加工中，也能够在无化成处理覆膜的情况下进行加工。

(2)并且，由于使用本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物而形成的润滑覆膜为水性，因此本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物具有仅用水就能够充分除去该覆膜的优良的覆膜除去性。

(3)此外，使用本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物时，能够在短时间内简单形成具有优良的加工性的润滑覆膜，而且加工后的该覆膜除去性也非常良好，因此对于后续工序中镀敷性、涂装性也是有利的。另外，使用上的废弃物、能耗量也少，作业环境也良好，因此在事业上的利用价值也非常大。

具体实施方式

以下，对本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物的内容进行更详细的说明。

(a)水溶性高分子化合物

本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物中使用的水溶性高分子化合物(a)，用于对润滑覆膜赋予柔软性、随动性。为此而选择的水溶性高分子化合物需要具有在该组合物中均匀地溶解、干燥时可形成强韧且柔软的覆膜的性质。作为具有这种性质的水溶性高分子化合物，优选使用选自由水溶性聚醚化合物及水溶性聚酯化合物组成的组中的一种单一化合物或两种以上的化合物的混合物，其覆膜强度约为1～30MPa左右，其覆膜伸长率约为600～1000％。此处，覆膜强度(MPa)和覆膜伸长率(％)根据JIS K6251或JIS K7312规定的拉伸试验而测定。另外，覆膜强度(MPa)和覆膜伸长率(％)与上述各JIS中的拉伸试验的拉伸强度和断裂时伸长率相对应。

作为水溶性高分子化合物(a)，没有特别限定，通常优选具有约0.5万～100万的重均分子量的水溶性高分子化合物。

关于水溶性高分子化合物(a)的具体例，作为水溶性聚醚化合物可列举例如聚乙二醇、聚丙二醇、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚醚多元醇等，作为水溶性聚酯化合物可列举例如聚酯类多元醇等。这些水溶性高分子化合物可单独使用一种，也可两种以上组合使用。

(b)无机金属盐

本发明组合物中使用的无机金属盐(b)，用于对润滑覆膜赋予耐烧蚀性、密合性。为此而选择的无机金属盐需要具有在组合物中均匀地溶解或分散、干燥时可形成牢固的覆膜的性质。作为具有这种性质的无机金属盐，优选使用选自由磷酸盐、钒酸盐、硼酸盐、硅酸盐及钨酸盐组成的组中的一种单一金属盐或两种以上的金属盐的混合物。

作为无机金属盐(b)的具体例，可列举例如磷酸钠、磷酸钾、钒酸钠、钒酸钾、硼酸钠、硼酸钾、硅酸钠、钨酸钠等。这些无机金属盐可单独使用一种，也可两种以上组合使用。

关于水溶性高分子化合物(a)与无机金属盐(b)的配合比率，以固体成分重量比计优选(b)/(a)约为0.1～5。固体成分重量比(b)/(a)小于0.1时，覆膜的耐烧蚀性可能不足，固体成分重量比(b)/(a)超过5时，覆膜的随动性可能不足。

(c)蜡

作为本发明组合物中使用的蜡(c)，优选使用分散于水的天然蜡或分散于水的合成蜡。蜡(c)是为了通过塑性加工时的加工热达到其熔点以上而发生熔融以减轻金属之间的摩擦而添加的。因此，优选单独使用选自由熔点约为50～160℃的天然蜡及熔点约为50～160℃的合成蜡组成的组中的一种蜡或者组合使用上述两种以上的蜡。

作为蜡(c)的具体例，可列举例如巴西棕榈蜡、石蜡、微晶蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡等。蜡(c)并非本发明组合物的必须成分，但从上述减轻摩擦的观点出发，优选单独使用一种以分散或乳化的状态分散于水中的蜡或者组合使用两种以上的上述蜡而含于本发明的水性塑性加工用润滑剂组合物中。

关于水溶性高分子化合物(a)与蜡(c)的配合比率，优选固体成分重量比(c)/(a)在0～5的范围内。该比率超过5时，覆膜的柔软性、随动性可能会降低。

其他成分

此外，本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物中，在加工条件苛酷的情况下或实施润滑覆膜的吸湿对策的情况下，优选含有固体润滑剂。另外，在加工条件苛酷的塑性加工中，优选含有加工时在工具与金属的接触面发挥极压效果的极压添加剂。

作为固体润滑剂的具体例，可列举例如磷酸锌、氧化锌、云母、碳酸钙、二硫化钼、石墨、氮化硼等。这些固体润滑剂可单独使用一种或组合使用两种以上。含有固体润滑剂时，其含量在本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物中优选设定为约1～20重量％。

作为极压添加剂，可列举例如含硫极压添加剂、有机钼类极压添加剂、含磷极压添加剂、含氯极压添加剂等。这些极压添加剂可单独使用一种或组合使用两种以上。含有极压添加剂时，其含量在本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物中优选设定为约0.5～5重量％。

为使无机金属盐、蜡、固体润滑剂及极压添加剂分散或乳化于水中而需要表面活性剂时，可以使用非离子性表面活性剂、阴离子性表面活性剂、两性表面活性剂、阳离子性表面活性剂中的任一种。这些表面活性剂可以各自单独使用或组合使用两种以上。

作为非离子表面活性剂，没有特别限定，但可列举例如：聚氧乙烯烷基醚；聚氧乙烯烷基苯基醚、聚氧丙烯烷基苯基醚、聚氧(乙烯及丙烯混合)烷基苯基醚等聚氧化烯苯基醚；由聚乙二醇或环氧乙烷与高级脂肪酸构成的聚氧乙烯烷基酯；由山梨醇酐、聚乙二醇和高级脂肪酸构成的聚氧乙烯山梨醇酐烷基酯等。作为构成聚氧乙烯烷基酯及聚氧乙烯山梨醇酐烷基酯的高级脂肪酸，可列举例如碳原子数12～18的脂肪酸。

作为阴离子性表面活性剂，没有特别限定，但可列举例如脂肪酸盐、硫酸酯盐、磺酸盐、磷酸酯盐、二硫代磷酸酯盐等。

作为两性表面活性剂，没有特别限定，但可列举例如氨基酸型及甜菜碱型的羧酸盐、硫酸酯盐、磺酸盐、磷酸酯盐等。

作为阳离子性表面活性剂，没有特别限定，但可列举例如脂肪酸胺盐、季铵盐等。

水性塑性加工用润滑剂组合物的制造方法及使用方法

作为本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物的制造方法，没有特别限制，可以通过常规方法加以制造。例如，可通过如下方法制造：将水溶性高分子化合物及蜡根据需要使用表面活性剂和水制成分散液后，添加到无机金属盐的水溶液中并充分搅拌。进而将作为任选成分的固体润滑剂和/或极压添加剂根据需要使用表面活性剂和水制成分散液或乳化液后，添加并进行搅拌，由此可以制造。

本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，可以适合用作在进行钢铁、不锈钢、钛、铝、铜合金、镁合金等的冷塑性加工时而使用的润滑剂。作为该冷塑性加工，可列举例如拉丝、拉管、锻造等。

使用本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物的金属材料的形状、表面状态，没有特别限定。

本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，通过喷淋、浸渍、喷雾等方法涂布到金属材料表面上。涂布只要使加工对象表面完全被本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物覆盖即可，对涂布时的接触时间没有限制。但是，所涂布的本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，需要使水分完全干燥而形成干燥覆膜。对于干燥方法没有特别限制，优选利用约50～150℃的热风，使其干燥直到涂布对象金属材料表面达到约40～80℃。

本发明的水性塑性加工用润滑剂组合物在形成干燥覆膜后的平均覆膜附着量，优选约为0.5～20g/m²。附着量的调节可通过利用水分量调节本发明的水性塑性加工用润滑剂组合物的浓度，或者通过先形成干燥覆膜然后再次进行涂布干燥等重复涂布而进行调节，或者通过喷雾等调节排出量、涂布时间来实施。作为利用水分量进行调节时的水，可使用离子交换水、自来水、地下水等，没有特别限制。

实施例

以下，列举实施例及比较例更具体地说明本发明。但是，本发明不限于这些例子。

实施例1～6及比较例1～2

如下表1所示，将(a)成分(水溶性高分子化合物)、(b)成分(无机金属盐)、(c)成分(蜡)及水进行配合，制备实施例1～6的本发明水性塑性加工用润滑剂组合物及比较例1～2的比较用水性塑性加工用润滑剂组合物。

表中的配合量的数值表示成分重量％。

表1

表1中，水溶性高分子化合物(1)为明成化学工业株式会社制造的“ALKOX”(商品名、水溶性聚醚化合物)，水溶性高分子化合物(2)为三洋化成工业株式会社制造的“MELPOL F-220”(商品名、水溶性聚醚化合物)，水溶性高分子化合物(3)为第一工业制药株式会社制造的“PAOGENPP-15”(商品名、水溶性聚酯化合物)，水溶性高分子化合物(4)为三洋化成工业株式会社制造的“CHEMITYLEN(ケミチレン)GA-500”(商品名、水溶性聚醚化合物)。这些水溶性高分子化合物的重均分子量、及通过JIS K6251或JIS K7312规定的拉伸试验而测定的覆膜强度(拉伸强度)和覆膜伸长率(断裂时伸长率)如下表2所示。

表2

	重均分子量	覆膜强度	覆膜伸长率
				水溶性高分子化合物(1)	6～11万	18MPa	800％
水溶性高分子化合物(2)	2万	15MPa	800％
				水溶性高分子化合物(3)	12万	20MPa	750％
水溶性高分子化合物(4)	30万	30MPa	550％

接下来，对实施例1～6及比较例1～2的本发明及比较用的各组合物进行下述性能评价试验。

1.Bowden式(水平直线往复式)附着滑动试验

将试验片浸渍在室温的各组合物中后，在80℃的恒温槽中放置20分钟，使用生成润滑覆膜后的试验片，按照下述项目考察覆膜的密合强度。

试验片材质：SCM440；试验片形状：100mm×80mm×5mm；摩擦球：SUJ-2、3/16英寸φ；试验温度：100℃；载荷：3kg；滑动速度：3.88mm/秒；评价：测定平均摩擦系数和到发生烧蚀为止的滑动次数。

2.环形压缩试验

将试验片浸渍在室温的各组合物中后，在80℃的恒温槽中放置20分钟，使用生成润滑覆膜后的试验片，按照下述项目进行试验。

试验片材质：SCM440；试验机：110吨曲柄压力机；试验片形状：外径20mmφ、内径10mmφ、厚度7mm；工具材质：SKD-12(合金工具钢)；试验温度：20℃；评价：在测定加工负荷的同时，通过压缩率和形状变化算出摩擦系数。

3.球贯通试验

根据“丰田中央研究所R&D Review(丰田中央研究所研发综述)”Vol.28，No.3，P.12-13(1993.9)的记载，将圆筒状试验片浸渍在室温的各组合物中后，在80℃的恒温槽中放置20分钟，使用生成润滑覆膜后的试验片，按照下述项目进行试验。

试验片材质：S10C(低碳钢、球形化退火物)；试验机：110吨曲柄压力机；试验片形状：全长50mm、外径29.9mmφ、内径14.5mmφ、14.7mmφ、15.0mmφ或15.2mmφ；球材质：SUJ-2(高碳铬轴承钢)；球直径：15.08mmφ、15.88mmφ、16.67mmφ或17.46mmφ；工具材质：SKD-11(合金工具钢)；试验温度：20℃；评价：将直径比试验片的内径大的球压入圆筒内而使其贯通时，内径扩大而受到沿轴方向延伸的变形，考察此时试验片的截面积随球直径与试验片内径的组合的变化而减少的比例(面积减少率)及试验后的试验片内表面状态，测定能够在不发生烧蚀的情况下进行加工的最大面积减少率(％)及此时的负荷载荷(KN)。

4.后方穿孔试验

将圆柱状试验片浸渍在室温的各组合物中后，在80℃的恒温槽中放置20分钟，使用生成润滑覆膜后的试验片，按照下述项目进行试验。

试验片材质：S10C(低碳钢、球形化退火物)；试验机：110吨曲柄压力机；试验片形状：全长17.0mm、21.5mm、26.0mm、30.5mm、35.0mm、外径20mmφ；冲头刃口(パンチランド)部14mmφ；设定面积扩大率：492％、744％、996％、1248％、1501％；冲头材质：HAP72(合金工具钢)；试验温度：20℃；评价：将预先生成有润滑覆膜的5个等级的试验片从全长较小的等级开始依次放入限制侧面和底面的模具中，从上部用冲头冲裁而成形为达到设定的面积扩大率的杯状，测定试验后的试验片内表面不发生烧蚀的最高面积扩大率(％)。

各性能试验的结果示于表3。

表3

由表3的结果可知，实施例1～6的本发明的各水性塑性加工用润滑剂组合物，同(a)成分与(b)成分的固体成分重量比(b)/(a)超过5(为6.3)的比较例1的润滑剂组合物、及使用覆膜强度为30MPa但覆膜伸长率低于600％(为550％)的水溶性高分子化合物(4)的比较例2的润滑剂组合物相比，在全部性能评价试验中，均显示出优良的性能。

产业实用性

本发明的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，与现有的塑性加工用润滑剂相比具有极优良的加工润滑性能、防锈性及覆膜除去性，能够适合用作金属材料的冷塑性加工用润滑剂。

Claims

1.一种金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，其中，

含有水、(a)水溶性聚醚化合物、和(b)无机金属盐，(a)成分及(b)成分溶解或分散于水中，且(a)成分与(b)成分的固体成分重量比(b)/(a)在0.1～5的范围内，

所述(a)水溶性聚醚化合物的覆膜强度为1～30MPa，且其覆膜伸长率为600～1000％，

所述无机金属盐(b)为选自由磷酸盐、钒酸盐、硼酸盐、硅酸盐及钨酸盐组成的组中的至少一种金属盐。

2.如权利要求1所述的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，其中，

还含有(c)蜡，所述蜡分散于水中，且(a)成分与(c)成分的固体成分重量比(c)/(a)在5以下的范围内。

3.如权利要求1所述的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，其中，

水溶性聚醚化合物(a)的重均分子量为0.5万～100万。

4.如权利要求2所述的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，其中，

蜡(c)为选自由熔点50～160℃的天然蜡及熔点50～160℃的合成蜡组成的组中的至少一种蜡。

5.如权利要求1所述的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，其中，

还含有1～20重量％的选自由磷酸锌、氧化锌、云母、碳酸钙、二硫化钼、石墨及氮化硼组成的组中的至少一种固体润滑剂。

6.如权利要求1所述的金属材料的水性塑性加工用润滑剂组合物，其中，

还含有0.5～5重量％的选自由含硫极压添加剂、有机钼类极压添加剂、含磷极压添加剂及含氯极压添加剂组成的组中的至少一种极压添加剂。