CN1898367A - 塑性加工用水系润滑剂 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种塑性成形用水系润滑剂，其中包含(a)10质量％～40质量％的固体润滑剂；(b)2质量％～20质量％的同时具有润滑性能和分散性能的附着剂；(c)2质量％～20质量％的同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的试剂；和水。当使用该润滑剂时，不仅能够解决传统水溶性润滑剂润滑不足的缺点，而且塑性成形加工处理的多个阶段中无需中断，因此能够连续进行从原料直至最终产品的塑性成形加工处理。

Description

塑性加工用水系润滑剂
技术领域
本发明涉及用于对诸如碳钢、特种钢和非铁金属等金属材料进行塑性加工的塑性加工用水系润滑剂，特别是涉及以下塑性加工用水系润滑剂，该塑性加工用水系润滑剂在短时间内被提供至高温的被加工材料的表面以在其上形成润滑涂层，从而能够进行锻造加工。
背景技术
作为冷锻技术，已知有包括下述步骤的方法：在金属材料的表面上预先形成诸如磷酸锌等的转化处理用润滑涂层(以下称为“磷酸盐涂层”)，在加工过程中无需提供任何其他的润滑剂，仅使用初期润滑涂层来完成冷锻处理(例如参见以下特许文献1)。然而，如果在该方法中冷锻处理重复进行多次，则初期润滑涂层会被消耗，结果，由于例如润滑涂层的耗尽而导致在加工过程中材料会发生咬死(seizure)。
为消除该问题，已经采纳了以含有油溶性极压添加剂的润滑油润滑金属模具的同时进行加工处理的方法，或是下述方法，即中断加工处理，一旦将被加工的材料从锻造生产线中取出，将材料再次加热，然后在材料上再次形成磷酸盐涂层并使该材料返回锻造生产线，由此完成加工处理(例如参见下述特许文献2)。
然而，油溶性润滑油可能伴有导致火灾的危险，因而，已经对将油溶性润滑油替换成水溶性润滑剂或水溶性润滑涂层进行了研究(例如参见以下特许文献3、特许文献4、特许文献5、特许文献6、特许文献7、特许文献8和特许文献9)。然而，传统的水溶性润滑剂的润滑性能却不够充分。
因而，需要开发一种塑性加工用水系润滑剂，该水系润滑剂能够在诸如锻造等加工处理中使用，特别是，在包括多个步骤并要求使用诸如高接触压力和高伸长比等苛刻的成型环境的塑性加工处理中使用，不会伴随任何造成火灾的危险，能够耐受要求高接触压力和高伸长比的苛刻的成型环境，能够在将该水溶性润滑剂供应至金属模具后立即形成高度致密且强韧的涂层，允许完成多个连续的塑性加工步骤直至最后一步而不会在其间中断这一系列的塑性加工步骤。
特许文献1：
    特开昭第62-100595号公报；
特许文献2：
    特开平第1-166841号公报；
特许文献3：
    特开平第5-279689号公报；
特许文献4：
    特开平第6-1994号公报；
特许文献5：
    特开平第10-8085号公报；
特许文献6：
    特开平第10-46184号公报；
特许文献7：
    特开平第11-50083号公报；
特许文献8：
    特开平第11-323363号公报；
特许文献9：
    特开第2001-323294号公报
发明内容
本发明的一个目的是提供一种塑性加工用水系润滑剂，该水系润滑剂能够消除传统水系润滑剂具有的缺陷即润滑性能不足的问题，并允许完成从原材料直至最终产品的多个连续的塑性加工步骤，而不会在其间中断这一系列的塑性加工步骤。
本发明在此提供下述润滑剂：
1.一种塑性加工用水系润滑剂，该润滑剂包含(a)10质量％～40质量％的固体润滑剂；(b)2质量％～20质量％的同时具有润滑性能和分散性能的附着剂；(c)2质量％～20质量％的同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的试剂；和水。
2.如前述第1项所述的塑性加工用水系润滑剂，其中所述固体润滑剂(a)包含二硫化钼。
3.如前述第1项或第2项所述的塑性加工用水系润滑剂，其中同时具有润滑性能和分散性能的附着剂(b)包含异丁烯-马来酸共聚物。
4.如前述第1～3项任一项所述的塑性加工用水系润滑剂，其中同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的试剂(c)包含烷撑二醇。
5.如前述第1～4项任一项所述的塑性加工用水系润滑剂，其中所述塑性加工是冷锻。
根据本发明的塑性加工用水系润滑剂是通过将固体润滑剂、同时具有润滑性能和分散性能的附着剂和同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的试剂溶解并分散在水溶液中获得的，该塑性加工用水系润滑剂同时具有下列特性：(1)固体润滑剂在水中的分散稳定性，(2)均匀的附着性，(3)快速干燥性能，(4)涂层与被加工材料的附着强度和(5)高润滑性能。因而，不存在造成火灾的任何危险。此外，例如，如果在包括要求高加工率的多个塑性加工步骤的金属材料的冷锻过程中将润滑剂供应至金属模具，则不必将被加工的材料取出并且不必对所述材料进行退火处理，因而，能够不中断地进行一系列冷锻操作直至获得具有最终形状的加工制品。
具体实施方式
在包括要求高加工率的多个塑性加工步骤的冷锻中，在进行锻造之前，预先在被加工的材料表面形成润滑剂涂层并进行从原料直至最后一步的全部加工步骤，而不向金属模具供应任何润滑剂，或者在向金属模具供应润滑剂的同时进行各个塑性加工步骤。然而，前一种方法的问题在于初期润滑涂层被消耗，结果，由于例如润滑涂层的耗尽而导致在加工过程中材料会发生咬死，而后一种方法同样存在使得加工效率明显下降的问题。
本发明在此提供一种塑性加工用水系润滑剂，该水系润滑剂能够使得在锻造过程中，当在每一步之前立即向被加工的材料供应润滑剂时，能够在其表面上瞬间(2秒之内)形成高度致密且强韧的润滑剂涂层，因而使得能够连续完成包括多个塑性加工步骤甚至最终步骤的锻造而不会在其间使锻造中断。用于该目的的润滑剂应当同时满足下列要求：(1)固体润滑剂在水中的分散稳定性，(2)均匀的附着性，(3)快速干燥性能，(4)涂层与被加工材料的附着强度和(5)高润滑性能(与在要求高接触压力和高伸长比的苛刻的成型环境中的磷酸盐涂层所观测到的那些性质相当)。
本发明涉及塑性加工用水系润滑剂，其特征在于其包含(a)固体润滑剂；(b)同时具有润滑性能和分散性能的附着剂；(c)同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的试剂，该塑性加工用水系润滑剂溶解并分散于水中；并且该塑性加工用水系润滑剂能够满足所有的锻造要求(1)～(5)。
作为本发明中所使用的成分(a)的固体润滑剂优选是在小于或等于500℃的温度下具有减小摩擦系数的作用的物质，其例子包括氟化石墨、石墨、三聚氰胺与三聚氰酸的加合物(MCA)、二硫化钼、二硫化钨、经表面处理的微粒状碳酸钙、和经表面处理的微粒状氢氧化铝。其中，在此更优选使用二硫化钼。这些固体润滑剂可以单独使用或作为两种或两种以上的混合物使用。
作为本发明中所使用的成分(b)的同时具有润滑性能和分散性能的附着剂的例子包括聚乙烯吡咯烷酮和异丁烯-马来酸共聚物。在此优选使用异丁烯-马来酸共聚物。该共聚物的具体实例是异丁烯-马来酸共聚物的钠盐、异丁烯-马来酸共聚物的钾盐、异丁烯-马来酸共聚物的锂盐、异丁烯-马来酸共聚物的铵盐、异丁烯-马来酸共聚物的包含小于或等于5个碳原子的伯胺盐、异丁烯-马来酸共聚物的包含小于或等于3个碳原子的烷醇胺盐、异丁烯-马来酸共聚物的半甲基酯的铵盐和异丁烯-马来酸共聚物的半乙基酯的铵盐。其中，特别优选的是通过以氨水中和分子量为50,000～400,000的异丁烯∶马来酸酐(摩尔比＝1∶1)共聚物至中和度为0.6～1.0而得到的异丁烯-马来酸共聚物的铵盐。这些异丁烯-马来酸共聚物可以单独使用或作为两种或两种以上的混合物使用。
作为本发明中所使用的成分(c)的同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的试剂，例如，可以举出烷撑二醇，并且在此特别优选使用沸点大于或等于150℃的烷撑二醇。该烷撑二醇的具体实例包括乙二醇(沸点：198℃)、二乙二醇(沸点：246℃)、三乙二醇(沸点：285℃)、乙二醇单叔丁基醚(沸点：153℃)和乙二醇单丁基醚(沸点：171℃)。其中，特别优选二乙二醇。这些试剂可以单独使用或作为两种或两种以上的混合物使用。
在本发明的润滑剂中，如果将润滑剂(原液)的总量假定为100质量％，则加入至润滑剂中的各成分的量对于成分(a)为10质量％～40质量％，优选为15质量％～30质量％；对于成分(b)为2质量％～20质量％，优选为4质量％～12质量％；对于成分(c)为2质量％～20质量％，优选为3质量％～12质量％。
如果加入至润滑剂中的成分(a)的量小于10质量％，则当附着于被加工的材料时所形成的润滑剂涂层过薄，这会导致润滑性能不足，而如果超过40质量％，则所得的润滑产品粘度升高并且处理时其可加工性明显恶化。
如果加入至润滑剂中的成分(b)的量小于2质量％，则所得润滑剂不具有所需的固体润滑剂的分散稳定性和其对于被加工材料所需的附着性，而如果超过20质量％，则所得润滑剂产品的粘度升高且其附着性也下降。
如果加入至润滑剂中的成分(c)的量小于2质量％，则所得润滑剂不具有所需的水蒸发促进效果且会提供干燥性能不足的涂层，而其用量超过20质量％则会损害作为成分(a)的固体润滑剂在水中的分散稳定性。
因而，根据本发明的塑性加工用水系润滑剂必须包含10质量％～40质量％的固体润滑剂作为成分(a)；2质量％～20质量％的同时具有润滑性能和分散性能的附着剂作为成分(b)；2质量％～20质量％的同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的试剂作为成分(c)；和水，从而同时满足下述要求：(1)固体润滑剂在水中的分散稳定性，(2)均匀的附着性，(3)快速干燥性能，(4)涂层与被加工材料的附着强度和(5)高润滑性能。
本发明的润滑剂易于通过预先将成分(b)和成分(c)溶解在水中然后使用例如搅拌机使成分(a)均匀分散在所得溶液中而制备。为减少其分散所需的时间，也可以使用诸如均质器、均匀混合器和/或Manton-Gaulin分散机等设备。
此外，本发明的润滑剂优选以传统用量包含目前在传统润滑剂中所使用的例如消泡剂、防腐剂和/或防锈剂等添加剂。
在实际使用之前用水将由此获得的本发明的润滑剂稀释2倍～10倍，并且其通常以水性分散液的形式使用并通过喷雾涂布于物体上。根据本发明的塑性加工用水系润滑剂优选在短时间内间歇性地喷雾于被加工的材料的表面上然后干燥是适宜的，但本发明并不局限于该特定的实施方式。更具体地，水系润滑剂的喷雾优选在1秒～2秒的时期内以0.01秒～0.05秒的间隔进行间歇喷雾操作(每次喷雾的时间为0.1秒～0.5秒)，从而在被加工的材料表面上形成润滑剂涂层。
本发明的润滑剂能够应用于各种金属材料的塑性加工，并优选能够应用于特别是诸如那些由碳钢和特种钢制成的金属部件(例如三角架接头)的冷锻。
实施例
下面，将参考下述实施例和比较例对本发明进行更具体地描述。
实施例1～11和比较例1～6
使用下述表1～3中规定的成分制备根据实施例1～11和比较例1～5的样品润滑剂。用水将这些样品各自稀释10倍，然后根据下述测试方法对各种性能进行评估。在此方面，比较例6是磷酸锌涂层，因而只对涂层与被加工物体的附着性和润滑性能进行检测。
分散稳定性
将各样品(各自为100cc)采入具有磨口塞的容量为100cc的量筒中，然后将样品在室温下静置48小时，然后对各样品的状况进行检测并根据下述的四段标准对其进行评估。在此方面，将评估为○或□的样品判定为实际可接受的。
○：样品完全均匀并完全没有漂浮物和沉淀物；
□：样品均匀并且没有漂浮物。存在可观察到的沉淀物，但当摇动圆筒少于10次时能够使样品变得均匀；
△：少于5cc的上层是透明的。即使当摇动圆筒不少于10次时沉淀物也不能均匀分散；
×：不少于5cc的上层是透明的。即使当摇动圆筒不少于30次时沉淀物也不能均匀分散。
附着性
使用ANEST IWATA Corporation生产的二液式手喷枪(W-88-10K5G)将各样品(各自为2cc)采入杯中。然后用5秒在1.5kg/cm2的空气压力下从距表面40cm处将各样品间歇地喷雾于加热至预定温度的碳钢件(S10C：46mmΦ×30mm)的表面上15次(喷雾时间0.3秒；喷雾间隔：0.03秒)。在各样品喷雾之后观察碳钢件的表面并依据下述四段标准对其进行评估。在此方面，实际可接受的样品应当评估为○。
○：样品均匀附着于碳钢件的整个表面；
□：样品附着于碳钢件的整个表面，但其厚度不规则；
△：样品不均匀地附着至表面(不少于50％的表面被覆有附着的涂层)；
×：样品不均匀地附着至表面(少于50％的表面被覆有附着的涂层)。干燥性能
在检测附着性的测试中，喷雾之后立即测定完成样品干燥所需的时间并根据下述三段标准对其进行评估。在此方面，实际可接受的样品应当评估为○。
○：样品立即干燥；
△：完成样品干燥需要1秒～2秒；
×：完成样品干燥需要的时间不少于2秒。涂层对钢件的附着强度
干燥性能测试后使各碳钢件冷却至室温，通过手指压力将透明胶带(Scotch tape)附着在该碳钢件上然后再将胶带剥离。根据下述三段标准对胶带的污着程度进行评估。在此方面，实际可接受的样品应当评估为○。
○：胶带完全未被沾污(可接受的胶带颜色最多为浅灰色)；
△：涂层残留在碳钢件上，但胶带受到黑色沾污；
×：涂层被从碳钢件表面上剥离。
润滑性能
根据日本特开平第5-7969号公报中所披露的所谓“Spike测试”评估各样品的润滑性能。测试条件如下所示：
1)金属模具：SKD-11(150℃)；
2)试验片：S10C(150℃)20mmΦ(直径)×30mm高度；
3)样品：将用水(0.05cc)稀释10倍的各样品一次喷雾于维持在150℃的试验片上并在喷雾后5秒内开始测试；
4)评估：记录钉(spike)高(mm)和锻造荷重(t)。润滑性能用钉高/锻造荷重(mm/t)的比表示。其实际使用所要求的值不小于0.135。
表1
  实施例   1   2   3   4   5   6
  (a)固体润滑剂
  二硫化钼   28   23   28   28   28   28
  薄片状石墨   --   5   --   --   --   --
  (b)同时具有润滑性能和分散性能的附着剂
  异丁烯-马来酸共聚物的Na盐*1   7   7   --   --   --   --
  异丁烯-马来酸共聚物的NH4盐*2   --   --   7   --   --   3.5
  异丁烯-马来酸共聚物半乙基酯的NH4盐*3   --   --   --   7   --   3.5
  聚乙烯吡咯烷酮   --   --   --   --   7   --
  (c)同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的试剂
  乙二醇   7   7   7   7   7   7
  二乙二醇   --   --   --   --   --   --
  乙醇   --   --   --   --   --   --
  异丙醇   --   --   --   --   --   --
  (d)其他添加剂(硅酮类消泡剂)   1   1   1   1   1   1
  水   57   57   57   57   57   57
  分散稳定性   □   □   ○   ○   ○   ○
  附着性：150℃   ○   ○   ○   ○   ○   ○
  附着性：200℃   ○   ○   ○   ○   ○   ○
  干燥性能：150℃   ○   ○   ○   ○   ○   ○
  干燥性能：200℃   ○   ○   ○   ○   ○   ○
  涂层的附着强度：150℃   ○   ○   ○   ○   ○   ○
  润滑性能：Spike测试(mm/t)   0.138   0.135   0.140   0.136   0.136   0.138
表2
  实施例   7   8   9   10   11
  (a)固体润滑剂
  二硫化钼   28   28   28   28   28
  薄片状石墨   --   --   --   --   --
  (b)同时具有润滑性能和分散性能的附着剂
  异丁烯-马来酸共聚物的Na盐*1   --   --   --   --   --
  异丁烯-马来酸共聚物的NH4盐*2   7   7   --   7   4
  异丁烯-马来酸共聚物半乙基酯的NH4盐*3   --   --   7   --   --
  聚乙烯吡咯烷酮   --   --   --   --   --
  (c)同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的试剂
  乙二醇   --   --   --   5   --
  二乙二醇   7   5   5   --   5
  乙醇   --   2   2   --   2
  异丙醇   --   --   --   2   --
  (d)其他添加剂(硅酮类消泡剂)   1   1   1   1   1
  水   57   57   57   57   60
  分散稳定性   ○   ○   ○   ○   口
  附着性：150℃   ○   ○   ○   ○   ○
  附着性：200℃   ○   ○   ○   ○   ○
  干燥性能：150℃   ○   ○   ○   ○   ○
  干燥性能：200℃   ○   ○   ○   ○   ○
  涂层的附着强度：150℃   ○   ○   ○   ○   ○
  润滑性能：Spike测试(mm/t)   0.139   0.140   0.138   0.138   0.136
表3
  比较例   1   2   3   4   5   6*4
  (a)固体润滑剂
  二硫化钼   28   28   --   28   28
  (b)同时具有润滑性能和分散性能的附着剂
  异丁烯-马来酸共聚物的NH4盐*2   7   --   35   7   7
  (c)同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的试剂
  乙二醇   --   7   7   --   1
  乙醇   --   --   --   7   --
  (d)其他添加剂(硅酮类消泡剂)   1   1   1   1   1
  水   64   64   57   57   63
  分散稳定性   △   ×   ○   △   ×   --
  附着性：150℃   ○   ×   ○   ○   ○   --
  附着性：200℃   ○   ×   ○   ○   ○   --
  干燥性能：150℃   ×   ○   ×   △   ×   --
  干燥性能：200℃   ○   ○   ×   ○   ○   --
  涂层的附着强度：150℃   ○   ×   ○   ○   ○   ○
  润滑性能：Spike测试(mm/t)   0.138   0.125   0.117   0.138   0.134   0.140
*1：异丁烯-马来酸(1∶1)共聚物的Na盐(中和度：0.8；分子量：200,000)：
*2：异丁烯-马来酸(1∶1)共聚物的NH4盐(中和度：0.8；分子量：80,000)；
*3：异丁烯-马来酸(1∶1)共聚物半乙基酯的NH4盐(1∶1)(中和度：0.8；分子量：88,000)；
*4：磷酸锌涂层。
前述数据清晰地表明本发明实施例1～11的润滑剂具有优异的所有下述性能：(1)分散稳定性，(2)均匀的附着性，(3)快速干燥性能，(4)涂层与被加工材料的附着强度和(5)润滑性能，所述润滑剂包含(a)10质量％～40质量％的固体润滑剂；(b)2质量％～20质量％的同时具有润滑性能和分散性能的附着剂；(c)2质量％～20质量％的同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的试剂；和水。
相反，在比较例1～5中制备的润滑剂存在下列问题：
更具体地，在比较例1中制备的未包含作为成分(c)的同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的试剂的润滑剂在分散稳定性和150℃时的干燥性能方面不足。
在比较例2中制备的未包含作为成分(b)的同时具有润滑性能和分散性能的附着剂的润滑剂在干燥性能、均匀的附着性、涂层与被加工材料的附着强度以及润滑性能方面不佳。
在比较例3中制备的未包含作为成分(a)的固体润滑剂的润滑剂在干燥性能和润滑性能方面不佳。
在比较例4中制备的未包含作为成分(c)的同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的试剂的润滑剂在分散稳定性和150℃时的干燥性能方面不佳。
在比较例5中制备的使用1质量％乙二醇作为同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的试剂的成分(c)的润滑剂在分散稳定性、150℃时的干燥性能以及润滑性能方面不佳。
工业实用性
通过将固体润滑剂、同时具有润滑性能和分散性能的附着剂和同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的试剂溶解并分散在水溶液中而制备的本发明的塑性加工用水系润滑剂能够同时满足下述要求：(1)固体润滑剂在水中的分散稳定性，(2)均匀的附着性，(3)快速干燥性能，(4)涂层与被加工材料的附着强度和(5)高润滑性能。鉴于此，不存在导致火灾的任何危险。此外，例如，如果在包括要求高加工率的多个塑性加工步骤的金属材料的冷锻中将润滑剂供应至金属模具，则不必将被加工的材料取出并且不必对所述材料进行退火处理，因而，能够不中断地进行一系列冷锻操作直至获得具有最终形状的加工制品。

Claims (6)

1.一种塑性加工用水系润滑剂，所述润滑剂包含(a)10质量％～40质量％的固体润滑剂；(b)2质量％～20质量％的同时具有润滑性能和分散性能的附着剂；(c)2质量％～20质量％的同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的试剂；和水。
2.如权利要求1所述的塑性加工用水系润滑剂，其中所述固体润滑剂(a)包含二硫化钼。
3.如权利要求1所述的塑性加工用水系润滑剂，其中同时具有润滑性能和分散性能的所述附着剂(b)包含异丁烯-马来酸共聚物。
4.如权利要求1所述的塑性加工用水系润滑剂，其中同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的所述试剂(c)包含烷撑二醇。
5.如权利要求1所述的塑性加工用水系润滑剂，其中所述固体润滑剂(a)包含二硫化钼；同时具有润滑性能和分散性能的所述附着剂(b)包含异丁烯-马来酸共聚物；同时具有润湿特性和水蒸发促进作用的所述试剂(c)包含烷撑二醇。
6.如权利要求1～5任一项所述的塑性加工用水系润滑剂，其中所述塑性加工是冷锻。
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