CN1452653A - 用于高效冷锻的一步型含水润滑剂 - Google Patents

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Abstract

用于高效冷锻的含水一步型润滑剂，特征在于其包括(A)水溶性无机盐、(B)蜡和(C)溶解或分散在水中的脂肪酸金属盐，其中固体成分的重量比(B)/(A)是0.60至0.70，(C)/(A)是0.1至0.3。水溶性无机盐可选自硫酸盐、硅酸盐、硼酸盐、钼酸盐和钨酸盐。作为蜡，可使用分散在水中的、熔点为70－150℃的合成蜡。作为脂肪酸金属盐，可使用具有12－26个碳原子的饱和脂肪酸与至少一种选自锌、钙、钡、铝和镁的金属的反应产物。

Description

用于高效冷锻的一步型含水润滑剂
发明领域
最近几年中，用于运输机械的重要部件往往通过用抗张强度超过300N/mm2的钢在一次冲击下变形面积超过70％的冷锻生产。这种冷锻工艺通常称为“高效冷锻”。本发明涉及在用于高效冷锻的金属材料上形成具有极好的作为润滑剂的润滑涂层的方法，其无需任何预先的化学处理。本发明还涉及一种用于高效冷锻的一步型含水润滑剂，其促成了对常规润滑剂层成形过程的简化，即，将形成润滑涂层所需要的空间面积最小化，并且不增加工业废物。
先有技术
通常，在例如钢和不锈钢之类的金属材料的冷锻中，在金属材料表面上形成涂层。涂层可防止金属材料与锻造工具直接接触，并且可以减少金属材料与锻造工具直接接触产生的烧损和咬卡表面缺陷。
在金属材料表面上可形成两种涂层，一种类型是润滑剂直接粘附在金属材料的表面上，另一种类型是润滑剂用于预先在金属材料表面上形成的化学物质层上。
直接粘着的在金属材料表面上形成的润滑涂层比在金属材料表面上预先形成的化学物质层上用润滑剂形成的润滑涂层粘结性小，因此前者通常用于形变量较小的冷锻。
在后者类型情况下，首先通过化学方法在金属材料表面上形成化学物质层，诸如通过磷酸盐层形成方法或乙二酸盐层形成方法，其通常形成适合作为润滑剂载体的化学物质层，然后将高润滑性的润滑剂用于该化学物质层上。在这种类型中，形成的膜具有双层结构，由作为载体的化学物质层和润滑剂层组成，润滑剂层具有高抗表面缺陷性。
由此原因，这种类型已经广泛地用于如拉丝、管材拉拔和冷锻领域。特别是在要求严重形变的冷锻中，普遍使用了先形成包括磷酸盐或乙二酸盐的化学物质层然后在化学物质层上使用润滑剂的方法。
在化学物质层上使用的润滑剂可在用法上分成主要的两大类。第一类包括机械粘附在化学物质层上的润滑剂，第二类包括与化学物质层反应的润滑剂。
第一类润滑剂包括用矿物油、植物油或合成油作为基油并在基油中加入特压添加剂所制备的，以及通过将固体润滑剂——如石墨和二硫化钼——与粘合剂成分一起溶于水制备的。这些润滑剂的优点在于易于控制溶液，因为它们通过简单的喷涂和浸涂使用，然而，由于仅具有低润滑性，它们倾向于用在需要金属材料形变量较小的情况。
另一方面，在第二类润滑剂中，反应性的脂肪酸金属盐，诸如硬脂酸钠，用于需要特别高的润滑性的冷锻。反应性的脂肪酸金属盐与化学物质层反应，提供高润滑性。
然而，因为反应性脂肪酸金属盐引起了化学反应，在该过程中控制溶液的成分，控制化学反应温度以及继续控制变质溶液是非常重要的。此外，例如，在磷酸盐层与反应性脂肪酸金属盐的反应中，不溶物质随着润滑层的形成在溶液中产生。这种不溶物质被称为淤渣，它令人讨厌，因为需要经常性地将其从溶液中除去。
此外，在形成磷酸盐层的过程中产生了含磷酸盐化合物的废水。应恰当地处理这样的废水，去掉其所含的磷酸盐化合物。在大多数情况下，含磷酸盐化合物的这种废水用熟石灰中和，形成磷酸盐沉淀。沉淀的磷酸盐化合物与水分离，作为工业废物和如上所述的淤渣一起抛弃。
近来，减少工业废物保护全球环境是一个大趋势，考虑到环境保护，含磷酸盐化合物的工业废物已经被认为是严重问题。因此，非常希望不产生废物的新工艺。
此外，在产生磷酸盐层然后在磷酸盐层上使用反应性脂肪酸的金属盐的常规方法中，需要简化和改善工艺，因为其需要大面积的加工装置、更长的时间和复杂的工艺控制。例如，在生产磷酸盐层的过程中，必须通过滴定法等对磷酸盐处理溶液进行游离酸度、总酸度和促进剂浓度的频繁分析。此外，在反应性脂肪酸盐施用过程中，游离酸度和其成分浓度的分析经常性地通过人工进行。
为了解决如上所述的问题，JP52-20967A公开了一种润滑剂组合物，其含有作为基本成分的水溶性聚合物或其水乳液、固体润滑剂和成膜剂。然而，没有一种组合物具有与使用化学物质层和反应性脂肪酸金属盐的常规方法具有相同的效果。为了解决如上所述问题，可引用在JP10-8085A中公开的另一先有技术″用于金属材料冷加工的含水润滑剂″。该先有技术涉及用于冷锻金属材料的含水润滑剂，其中(A)水溶性无机盐、(B)固体润滑剂、(C)至少一种选自化学品油、动物油、植物油和合成油的油、(D)表面活性剂和(E)水非常均匀地分散和乳化。
这种先有技术涉及一种含水非反应性润滑剂，目的在于简化形成磷酸盐层、水洗和施用反应性脂肪酸金属盐的常规三步工艺。也就是说，在这种工艺中，金属材料通过浸渍等方法与一步型含水润滑剂接触，在金属材料表面上直接形成润滑膜，无需在金属材料表面上预先形成任何化学物质层。这类润滑剂通常称为一步型润滑剂。
然而，根据这种先有技术的润滑剂在工业规模应用中太不稳定，因为其含有乳化油成分，并且在高效冷锻中也不能稳定地表现高润滑性。
作为另一先有技术，可引用在JP2000-63380A中所述的发明“金属材料冷加工用的润滑剂组合物”。该先有技术涉及了一种润滑剂，包括(A)合成树脂、(B)水溶性无机盐和水，其中(B)/(A)的比为0.25/1至9/1，合成树脂溶于或分散于组合物中。但是该组合物在高效冷锻中的高润滑性也不稳定。
发明概述
因此，本发明的一个目的是解决如上所述常规技术的问题，提供一种新的用于高效冷锻的一步型含水润滑剂，其适于运输机械的重要部件的生产，其简化了操作，并且无需任何预先的化学处理来形成涂层，有利于保持全球环境良好。
为了解决上述诸问题，本发明的发明人已经进行了研究，已经发现合适的一步型含水润滑剂，其通过在水溶液中以特定的组合比率混合水溶性无机盐、蜡和脂肪酸金属盐得到。
本发明的含水润滑剂只需要施用润滑剂的一个步骤，不需要由形成磷酸盐层的化学反应、水洗和施用反应性脂肪酸金属盐组成的三个步骤。在常规方法中需要这三个步骤。同时，本发明的含水润滑剂是简化的工艺，可比常规方法减少工业废物的产生。
即，本发明是用于高效冷锻的一步型含水润滑剂，其特征在于该含水润滑剂包括(A)水溶性无机盐、(B)蜡和(C)脂肪酸金属盐，其中这些成分溶解或分散在水溶液中，(B)/(A)固体重量比在0.60-0.70范围内，(C)/(A)固体重量比为0.1-0.3。本发明的润滑剂适于生产运输机械的重要部件。
优选的水溶性无机盐可选自硫酸盐、硅酸盐、硼酸盐、钼酸盐和钨酸盐，蜡优选是分散在水中的合成蜡，熔点在70-150℃。此外，脂肪酸金属盐优选是C12-C26的饱和脂肪酸与至少一种选自锌、钙、钡、铝、镁和锂的金属反应得到的化合物。
附图的简要说明
图1表示下文实施方案中所示的冷锻工艺中的尺寸精度。
实现本发明的方式
现在，进一步详细描述本发明。所含的用于本发明含水润滑剂的水溶性无机盐(A)用于赋予金属材料表面上形成的润滑涂层的硬度和强度。具有这种性能的水溶性无机盐需要具有均匀溶于含水润滑剂的性质并在干燥时形成坚固的润滑涂层。作为赋予这种性质的无机盐，优选使用选自硫酸盐、硅酸盐、硼酸盐、钼酸盐和钨酸盐的至少一种。
上述水溶性无机盐的例子可以是硫酸钠、硫酸钾、硅酸钾、硼酸钠(四硼酸钠)、硼酸钾(四硼酸钾)、硼酸铵(四硼酸铵)、钼酸铵、钼酸钠和钨酸钠。这些盐的任一种可单独使用，或两种或多种混合使用。
作为蜡(B)，虽然在结构和类型上没有特别的限制，但是优选使用合成蜡。这种蜡可以通过冷锻塑变期间生成的热熔化，并因此改善润滑涂层的润滑性。
出于此原因，其优选具有70至150℃的熔点，并在含水润滑剂中稳定，从而在冷锻的开始阶段表现出优越的润滑作用。该蜡的实际例子可以包括微晶蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡等等。这些蜡优选以水分散液或水乳胶的形式含于含水润滑剂中。(B)/(A)，即，蜡(B)相对于水溶性无机盐(A)的固体重量比优选0.6-0.7。在高效冷锻中，即，一种猛烈的加工过程中，当上述比例小于0.6时，润滑涂层的润滑性能可能不足，当所述比大于0.7时，润滑涂层的附着性能可能不足。
用于本发明的脂肪酸金属盐(C)提供润滑性能，虽然在类型上没有特定的限制，但是作为脂肪酸金属盐，优选使用C12-C26饱和脂肪酸与选自锌、钙、钡、铝、镁和锂的至少一种金属反应得到的产物。
然而，更优选使用硬脂酸钙、硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸镁和硬脂酸锂中的任一种。用于本发明的脂肪酸金属盐以分散形式存在于含水润滑剂中，需要时，可使用已知的表面活性剂。
(C)/(A)，即，固态的含水无机盐(A)和脂肪酸金属盐(C)的比设定在0.1至0.3重量比。在如同高效冷锻的剧烈加工条件下，当所述比例小于0.1时，加工部件的脱模性可能不足。但是，在如同高效冷锻的剧烈的加工条件下，当所述比例大于0.3时，得到的冷锻部件的尺寸精度可能不足。
当需要表面活性剂分散含水润滑剂中的脂肪酸金属盐和蜡时，可使用非离子型、阴离子型、两性的和阳离子型的任一表面活性剂。非离子型表面活性剂非限制性地包括聚氧化乙烯烷基酯、聚乙二醇(乙烯或丙烯)烷基苯基醚、含有聚乙二醇(或环氧乙烷)和高级脂肪酸(例如C12-C18)的聚氧化乙烯烷基酯、含有脱水山梨醇、聚乙二醇和高级脂肪酸(例如C12-C18)的聚氧化乙烯脱水山梨醇烷基酯。
阴离子表面非限制性地包括脂肪酸盐、硫酸酯、磺酸盐、磷酸酯和二硫代磷酸酯。两性表面活性剂非限制性地包括氨基酸构型或甜菜碱构型的羧酸盐、硫酸酯、磺酸盐、磷酸酯。阳离子表面活性剂非限制性地包括脂肪酸的胺盐、季铵盐等。这些表面活性剂的每一种可单独使用，或两种或多种混合使用。
本发明的一步型含水润滑剂用于金属材料的高效冷锻，其中一次冲击可产生大于70％的区域面积变形率。
用于汽车和摩托车的重要运输机械部件，如动力传动系和底盘，可优选通过使用本发明的含水润滑剂生产。冷锻产品的形状不特别局限于圆柱状，还可使用更复杂的结构的加工，例如齿轮和齿轮轴。
对于将本发明的含水润滑剂用于金属材料的方法，尽管没有特别的限定，可使用浸涂法。当用任何方法将金属材料表面全部涂敷了该含水润滑剂时，就是满意地施用了该含水润滑剂。涂敷后，需要干燥所涂的含水润滑剂。
优选的涂敷操作如下。1)喷丸处理2)用热水冲洗(除去污物，诸如铁屑，并加热金属材料)：70-90℃，1-3分钟3)施用含水润滑剂：50-70℃，浸渍1-3秒4)干燥：在室温下空气吹扫，1-2分钟5)冷锻
在金属材料表面上形成的润滑涂层的重量(涂层量)是一个非常重要的因子，因为其大大影响加工性能，诸如润滑性和耐烧损和咬卡性。形成的涂层的重量可根据形成涂层前后的重量差和金属材料涂敷面积计算。润滑涂层的重量＝(形成涂层后的重量-形成涂层前的重量)/(金属材料的面积)
形成的适于下述冷锻加工的润滑涂层的重量优选为5-15g/cm2。
当形成的涂层重量小于5g/cm2时，不能提供充分的润滑性，并且在高效冷锻期间导致烧损缺陷。然而，当形成的涂层的重量超过15g/cm2时，片状剥落的润滑膜(残渣)可能有留在冷锻模具中的倾向，在冷锻模具中的残渣会使锻造产品形成局部未充满部分，对冷锻产品的尺寸精度产生不利影响。可控制含水润滑剂的组分浓度使得形成的润滑涂层的重量处于如上所述的范围内。具体实施例和比较实施例[I]
现在，参考以下具体实施例和比较实施例进一步说明本发明。<金属材料>60000段用于对轴的钢条：直径50毫米，长度140毫米。钢号：JIS G 4105 SCM420。表面预处理：使用0.5mm直径的喷丸进行喷丸处理14分钟，目的在去掉氧化皮。<润滑处理A：一步型>1)用80℃热水清洗：用于除去喷丸处理粉末并且预热2)润滑处理：在60℃的润滑剂中浸渍1分钟。3)干燥：在室温下鼓风1分钟。
用于润滑处理A的总时间(处理时间+运送时间)：2分30秒
润滑处理A所需总设备面积：9m2<润滑处理B：常规型(磷酸盐层+反应性脂肪酸金属盐)>1)用碱脱脂剂脱脂：(商标：Parclean 357，Nippon Parkerizing Co，Ltd生产)，稀释至3％水溶液，80C，10分钟2)用水冲洗：自来水，室温，5分钟3)用酸洗：10％盐酸水溶液，室温，5分钟4)用水冲洗：自来水，室温，5分钟5)用水冲洗：自来水，室温，5分钟6)通过在磷酸盐成膜溶液中浸渍进行化学处理：商标：PalbondL3675XHM(Nippon Parkerizing Co.，Ltd生产)，稀释至1％水溶液，80℃，10分钟7)用水冲洗：自来水，室温，5分钟8)用水冲洗：自来水，室温，5分钟9)用反应性脂肪酸金属盐处理：(商标Pa1oob 236H，NipponParkerizing Co.，Ltd生产)，稀释至1％水溶液，90℃，10分钟10)用热水洗：自来水，80℃，5分钟11)在室温下吹空气，10分钟
润滑处理B所需总时间(处理时间+运送时间)60分钟
润滑B所需总装置面积：90m2<冷锻处理1：耐烧损性>正挤压截面积变形率：77％
冷锻模具：特硬合金，高速钢(Heis)
冷锻冲压机：高速钢(Heis)
冷锻速度：0.078m/sec<冷锻处理2：耐未充满尺寸精度>
将冷锻处理1生产的直径27mm轴样品进行退火，然后通过如图1所示的正挤压冷锻，测量图1A部分的直径。<评价>
在冷锻处理1中的耐烧损性：可目测观察在冷锻工具和冷锻产品上的表面缺陷。如果观察到表面缺陷，是不合格的。
在冷锻处理2中的尺寸精度：测量A部分(图1)的直径。如果冷锻精度好，A部分的直径是27mm。如果直径小于27mm，是所谓的“不精确”情况，不合格。27mm的直径用“0mm”来表示，例如，26.5mm的测量直径用“-0.5mm”来表示。
润滑处理的简化：以润滑处理中的处理步骤数和润滑处理所需总装置面积为基础进行评价。较少的处理步骤和较小的面积是优选的。
环境保护：测量处理6000段样品生成的废物量(污水、污泥等等)。产生较少废物的处理是优选的。<具体实施例1>
使用如下润滑剂1，根据润滑处理A(一步型)进行涂敷。润滑剂1：
含水无机盐：四硼酸钠
蜡：聚乙烯蜡(加入1重量％的非离子型表面活性剂用于改善分散性)。
脂肪酸金属盐：硬脂酸钙
固体成分比例(B)/(A)：0.70
固体成分比例：(C)/(A)：0.1
形成的涂层重量，g/cm2：15<具体实施例2>
使用如下润滑剂2，根据润滑处理A(一步型)进行涂敷。润滑剂2：
含水无机盐：四硼酸钾
蜡：微晶蜡(加入1重量％的非离子型表面活性剂用于改善分散性)。
脂肪酸金属盐：硬脂酸钙
固体成分比例(B)/(A)：0.6
固体成分比例(C)/(A)：0.3
形成的涂层重量(g/cm2)：15<具体实施例3>
使用如下润滑剂3，根据润滑处理A(一步型)进行涂敷。润滑剂3
含水无机盐：四硼酸钠
蜡：聚乙烯蜡(加入1重量％的非离子型表面活性剂用于改善分散性)。
脂肪酸金属盐：硬脂酸钙
固体成分比例(B)/(A)：0.6
固体成分比例(C)/(A)：0.2
形成的涂层重量(g/cm2)：10<具体实施例4>
使用如下润滑剂4，根据润滑处理A(一步型)进行涂敷。润滑剂4
含水无机盐：四硼酸钠
蜡：石蜡(加入1重量％的非离子型表面活性剂用于改善分散性)。
脂肪酸金属盐：硬脂酸锌
固体成分比例(B)/(A)：0.7
固体成分比例(C)/(A)：0.2
形成的涂层重量(g/cm2)：12<比较实施例1>
使用如下润滑剂5，根据润滑处理A(一步型)进行涂敷。润滑剂5：
含水无机盐：四硼酸钠
蜡：石蜡(加入1重量％的非离子型表面活性剂用于改善分散性)。
脂肪酸金属盐：硬脂酸钙
固体成分比例(B)/(A)1.0(在本发明范围以外)
固体成分比例(C)/(A)：0.2
形成的涂层重量(g/cm2)：10<比较实施例2>
使用如下润滑剂6，根据润滑处理A(一步型)进行涂敷。润滑剂6：
含水无机盐：四硼酸钠
蜡：聚乙烯蜡(加入1重量％的非离子型表面活性剂用于改善分散性)。
脂肪酸金属盐：硬脂酸钙
固体成分比例(B)/(A)：0.7
固体成分比例(C)/(A)：0.5(在本发明范围以外)
形成的涂层重量(g/cm2)：5<比较实施例3>
使用如下润滑剂7，根据润滑处理A(一步型)进行涂敷。润滑剂7
含水无机盐：四硼酸钾
蜡：聚乙烯蜡(加入1重量％的非离子型表面活性剂用于改善分散性)。
脂肪酸金属盐：硬脂酸钙
固体成分比例(B)/(A)：0.80(在本发明范围以外)
固体成分比例(C)/(A)：0.4(在本发明范围以外)
形成的涂层重量(g/cm2)：15<比较实施例4>
根据润滑处理B(磷酸盐层+反应性脂肪酸金属盐)进行涂敷。<结果>
上述试验的结果如表1所示。
如表1所示，具体实施例1至4中将本发明的一步型含水润滑剂用于高效冷锻，可形成性能极好的涂层，并且处理步骤较少，用于涂敷处理的装置面积较小。并且，还可认识到，本发明的含水润滑剂不会生成许多工业废物，即，污水和污泥。在比较实施例1中，(B)/(A)的比例不在本发明的范围内，在比较实施例2中，(C)/(A)的比例高出本发明的范围，观察到了烧损，并显示出较差的加工性能。对于比较实施例3得到的涂层，其中(B)/(A)和(C)/(A)均与本发明的范围稍有不同，尺寸精度不足。此外，在比较实施例4中，(磷酸盐层+反应性脂肪酸金属盐)以常规方法应用，显示出与本发明所得相似的加工特性，但是该比较实施例需要较多处理步骤并需要较多加工所需的装置面积，此外还产生更大量的废物。
表1
      性能         简化          环境
 耐燃性/尺寸精度  加工步骤数 用于加工的总设备面积   污水(t)   污泥(kg)
具体实施例1     好/0mm     3     9     0     0
具体实施例2     好/0mm     3     9     0     0
具体实施例3     好/0mm     3     9     0     0
具体实施例4     好/0mm     3     9     0     0
比较实施例1     差/-*1     3     9     -*1     -*1
比较实施例2     差/-*1     3     9     -*1     -*1
比较实施例3     好/-0.5mm     3     9     -*2     -*2
比较实施例4     好/0mm     11     90     570     100
*1：由于加工性能较差，无数据。
*2：由于发生未充满，无数据。具体实施例和比较实施例[II]<金属材料>JIS G 4105 SCM420的钢条，直径50毫米，长度140毫米。<润滑处理>和具体实施例和比较实施例[I]的润滑处理A(一步法)相同。<常规冷锻>截面积变形比率：51％，冷锻模具：高速钢，冷锻冲压机：高速钢。<高效冷锻>截面积变形比率：77％，冷锻模具：高速钢，冷锻冲压机：高速钢。<润滑剂>
使用如下(A)、(B)和(C)，通过如表2调整(B)/(A)和(C)/(A)制备一步型含水润滑剂并试验。
水溶性的无机盐(A)：四硼酸钠
蜡(B)：聚乙烯蜡
脂肪酸金属盐(C)：硬脂酸钙。<结果>
如表2所示，在常规冷锻中，截面积变形比率是51％，所有润滑剂得到好的结果，即，即使(B)/(A)的比例小于0.60或大于0.70，也可得到好的耐烧损性和好的尺寸精度。另一方面，在高效冷锻中，截面积变形比率是77％，只有当(B)/(A)的比例处于0.60至0.70的窄范围内时，可以得到好的润滑剂性能。同样地，在常规冷锻中，即使(C)/(A)的比例小于0.1或大于0.3，也可得到好结果。但是，在高效冷锻中，只有当(C)/(A)的比例处于0.1至0.3的窄范围内时，可以得到好的结果。
表2
     一步型润滑剂    冷锻  耐燃性  尺寸精度
  (B)/(A)    (C)/(A)
    0.55     0.2 常规冷锻     ○   ○
    0.55     0.2 高效冷锻     △   △
    0.65     0.2 常规冷锻     ○   ○
    0.65     0.2 高效冷锻     ○   ○
    0.75     0.2 常规冷锻     ○   ○
    0.75     0.2 高效冷锻     △   △
    0.65     0.05 常规冷锻     ○   ○
    0.65     0.05 高效冷锻     △   △
    0.65     0.15 常规冷锻     ○   ○
    0.65     0.15 高效冷锻     ○   ○
    0.65     0.35 常规冷锻     ○   ○
    0.65     0.35 高效冷锻     △   △
本发明的优点
如上所述，本发明的含水润滑剂可在金属材料表面形成高性能涂层。在本发明中涂敷过程需要较少的处理步骤和设备面积。此外，本发明的含水润滑剂产生较少的工业废物，对全球环境保护更适宜。
此外，本发明的工艺能够通过节约涂敷处理时间、增加涂敷效率、节约能量和节约生产费用改进工艺。

Claims (4)

1.一种用于高效冷锻的一步型含水润滑剂，其特征在于含水润滑剂包括(A)水溶性无机盐、(B)蜡和(C)脂肪酸金属盐，其中这些组分溶于或分散于含水溶液中，固体的重量比(B)/(A)在0.60-0.70范围内，(C)/A)在0.1-0.3范围内。
2.根据权利要求1的用于高效冷锻的一步型含水润滑剂，其中水溶性无机盐是选自硫酸盐、硅酸盐、硼酸盐、钼酸盐和钨酸盐的至少一种。
3.根据权利要求1或2的用于高效冷锻的一步型含水润滑剂，其中蜡是合成蜡，分散在水中，并具有70-150℃的熔点。
4.根据权利要求1、2或3的用于高效冷锻的一步型含水润滑剂，其中脂肪酸金属盐是C12-C26饱和脂肪酸与选自锌、钙、钡、铝、镁和锂的至少一种金属反应得到的化合物。
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