JP2005162983A - 水分散型温間熱間鍛造用潤滑剤及び鍛造加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体潤滑剤及び基油を水中へ乳化分散させたタイプの温間熱間鍛造用潤滑剤において、分散安定性、潤滑性に優れ且つ機械周りの汚れが少ない水分散型温間熱間鍛造用潤滑剤を提供すること。
【解決手段】 (a)固体潤滑剤、(b)基油、(c) 含窒素界面活性剤、及び(d)ポリオキシエチレンアルキルエーテル或いはエステル（アルキル基の炭素原子数１６〜２４）を含有することを特徴とする水分散型温間熱間鍛造用潤滑剤。

Description

本発明は、水分散型温間熱間鍛造用潤滑剤及びこれを用いた温間又は熱間鍛造加工方法に関し、更に詳細には、炭素鋼、合金鋼、非鉄金属等を温間又は熱間にて鍛造加工する際に使用される潤滑剤であって、固体潤滑剤(S)を基油(O)中に分散したものを界面活性剤により水(W)中に乳化させた所謂Ｓ／Ｏ／Ｗ型温間熱間鍛造用潤滑剤及びこれを用いた温間又は熱間鍛造加工方法に関する。本発明の潤滑剤は、鍛造加工時に金型へ給油し、加工時の金型と被加工物間の摩擦を低減させ、焼き付き防止や離型性の向上を図ると共に機械周りの清浄性を向上させることを目的とする。

従来、炭素鋼、合金鋼、非鉄金属等を温間、熱間にて鍛造加工する際に使用される潤滑剤としては、黒鉛を油又は水中に分散させたものが使用されている。黒鉛を主成分とした潤滑剤は作業環境を汚染するため、黒鉛を使わない所謂白色系潤滑剤が一部で使用されている。しかし、白色系潤滑剤は潤滑性（特に金型寿命）の点で、黒鉛系に較べ劣るものが多い。潤滑剤のタイプで分けると、固体潤滑剤を油中に分散した油中分散型と水中に分散した水分散型に大別される。油中分散型は潤滑性が良く、金型の寿命の点でも満足できるが、火災や発煙の問題がある。一方、水分散型は、冷却性に優れ、金型の寿命の点でも満足できる結果が得られることが多いが、潤滑性に乏しい為、鍛造加工可能な部品が限られている。
また、固体潤滑剤（Ｓ）を油（Ｏ）中へ分散させ、該分散物（Ｓ／Ｏ）を界面活性剤により水中に分散してなる、Ｓ／Ｏ／Ｗ型潤滑剤も知られている（特許文献１〜４参照）。この潤滑剤は油中分散型と水分散型のそれぞれの良好な特性を兼ね備えたタイプであり、特に油中分散型を使用している分野へ拡大されようとしている。

Ｓ／Ｏ／Ｗ型温間熱間鍛造用潤滑剤は、一度、金型へ給油したあと回収され、夾雑物を除去後、ふたたび金型へ給油して使用される。しかし、循環使用していると、固体潤滑剤が油分から離れ、固体潤滑剤のみが沈降してしまう傾向がある。
一方、Ｓ／Ｏ／Ｗ型温間熱間鍛造用潤滑剤には、界面活性剤として、基油に乳化を目的としたポリオキシエチレンノニルフェノールエーテルあるいはポリオキシエチレンアルキルエーテル（アルキル基の炭素原子数１２〜１５）が多く使用されている。しかし、これらは「特定化学物質の環境への排出量の把握等及び管理の改善の促進に関する法律」（以下ＰＲＴＲ法と云う）に係る第一種指定化学物質に掲げられており、生活環境、地球環境の立場から国への報告の義務並びに使用量の削減が求められている。

特開昭６３−３３４９６号公報 特開平３−１１５３９８号公報 特開平１０−３１６９８９号公報 特開２００２−２９４２７２

本発明の目的は、潤滑性及び乳化分散安定性が優れた水分散型温間熱間鍛造用潤滑剤を提供することである。
本発明の他の目的は、鍛造プレス機及びその周辺の清浄性を向上可能な水分散型温間熱間鍛造用潤滑剤を提供することである。
本発明の他の目的は、ＰＲＴＲ法において指定された界面活性剤を含まない潤滑剤を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、上記潤滑剤を用いた温間熱間鍛造加工方法を提供することである。

本発明は、(a)固体潤滑剤、(b)基油、(c)含窒素界面活性剤、及び(d)ポリオキシエチレンアルキルエーテル或いはエステル（アルキル基の炭素原子数１６〜２４）を含有することを特徴とする水分散型温間熱間鍛造用潤滑剤を提供するものである。
本発明は、上記潤滑剤を用いた温間熱間鍛造加工方法を提供するものである。

本発明の潤滑剤は、Ｓ／Ｏ／Ｗ型温間熱間鍛造用潤滑剤の中では、顕著に分散安定性及び潤滑性に優れ、且つ作業環境改善の点より鍛造プレス機及びその周辺の清浄性を向上可能な鍛造用潤滑剤である。また、ＰＲＴＲ法第一種指定化学物質Ｎｏ．３０５から３０７を含有しない環境にやさしい水分散型温間熱間鍛造用潤滑剤である。

本発明に使用する成分（ａ）の固体潤滑剤としては、従来の鍛造用潤滑剤に使用されている無機又は有機固体潤滑剤が挙げられる。具体的には、炭酸カルシウム、タルク、セリサイト、ベントナイト、窒化硼素、ポリイミド樹脂粉末、ポリフェニレンサルファイド樹脂粉末、土状黒鉛、燐片状黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、ステアリン酸アルミニウム、これらの２種以上の混合物等が挙げられる。これらの固体潤滑剤の粒径は、好ましくは０．００５〜５０μｍ、更に好ましくは０．０１〜１５μｍである。
炭酸カルシウム、タルク、セリサイト、ベントナイト、窒化硼素等の固体潤滑剤は、これを表面処理（疎水化処理）したものが好ましい。炭酸カルシウムやタルクの表面疎水化処理剤としては好ましくは石油樹脂酸、ロジン、ダイマー酸、トリマー酸、イソフタル酸、トリメリット酸等が挙げられる。セリサイトの表面処理剤としては、好ましくは炭素原子数８〜２０の脂肪族アミンの酢酸塩、塩酸塩、ポリグリセリンアルキルエステル系非イオン界面活性剤等が挙げられる。またベントナイトの表面処理剤としては、好ましくは有機アミンが挙げられる。表面処理ベントナイトの市販品の具体的な例としては、有機アミン処理されたBENTONE 27, BENTONE 34, RHEOLATE 101, RHEOLATE 350, RHEOLATE 5000（ＲＨＥＯＸ製）等が挙げられる。
本発明の温間熱間鍛造用潤滑剤中、成分（ａ）の固体潤滑剤の使用量は、好ましくは５〜５０質量％さらに好ましくは１５〜３５質量％である。５質量％未満では、潤滑性（鍛造成形性）が得られず、５０質量％を超えると、製品が粘ちょうとなり、ハンドリングに支障が生じる他、水中への乳化分散性という点で好ましくないことがある。

本発明に使用する成分（ｂ）の基油としては、鉱油、動植物油脂、合成エステル等が挙げられる。鉱油としては、ISO VG 8から ISO VG 460まで各グレードの精製鉱油が使用可能であり、100ニュートラルから500ニュートラルまで各グレードの高精製鉱油がより好ましく、パラフィン系、ナフテン系のいずれでもよい。
動植物油脂としては、牛脂、豚脂等の動物性油脂、なたね油、大豆油、綿実油、パーム油等の植物性油脂等が挙げられる。特に、融点が２０℃以下であり、ヨウ素価が６０〜１５０ Ｉ₂／100gのもの、例えばパームオレイン、ラードオイル、なたね油、米ぬか油等が好ましい。

合成エステルとしては、炭素原子数１２〜２８の直鎖又は分枝鎖の、飽和又は不飽和の脂肪酸（特に二重結合が２個以下のもの）と炭素原子数１〜２８のアルコール、好ましくは１価〜４価のアルコールとのエステルが好ましく、具体的にはパーム脂肪酸メチルエステル、２−エチルへキシルステアレート、ブチルステアレート、等のモノエステル、ジ−２−エチルへキシルセバケート、ジ−２−エチルへキシルドデカニエート、ダイマー酸オレイルアルコールエステル、等の二塩基酸エステル、トリメチロールプロパン牛脂脂肪酸エステル、トリメチロールプロパンラノリン脂肪酸エステル、ペンタエリスリトールパーム脂肪酸エステル等の多価アルコールエステルのフルエステルやヒドロキシル基の残った部分エステル等が挙げられる。特に、トリメチロールプロパントリオレエート、トリメチロールプロパン・ラノリン脂肪酸フルエステル、ペンタエリスリトールテトラオレエート等が好ましい。

本発明の温間熱間鍛造用潤滑剤中、成分（ｂ）の基油の使用量は、好ましくは３０〜６０質量％、さらに好ましくは３５〜５０質量％であるが、成分（ａ）の固体潤滑剤の粒径に依存するところがある。３０質量％未満では温間熱間鍛造用潤滑剤としての潤滑性が不足する場合や成分（ａ）の固体潤滑剤が２０質量％超のときには基油中に固体潤滑剤を充分に包含出来ず、固体潤滑剤が単独で水中へ移行してしまいやすくなり、Ｓ／Ｏ／Ｗ型温間熱間鍛造用潤滑剤の形態を形成できないことがある。６０質量％を超えると、給油された潤滑剤が金型表面に被膜を形成する時に、油分が多い為、金型上での固体潤滑剤自身の均一付着膜形成を妨げるという点で好ましくないことがある。

本発明の成分（ｃ）の含窒素界面活性剤は、固体潤滑剤を基油及び水にぬれやすくすると共に乳化分散するための成分である。本発明に使用する含窒素界面活性剤としては、Ｎ−ヒドロキシエチルアルキルアミン（アルキル基の炭素原子数８〜２２）、ポリオキシエチレンアルキルアミン（アルキル基の炭素原子数８〜２２、エチレンオキサイドの付加モル数１〜１０）、炭素原子数が８〜２２であるカルボン酸のアルカノールアミン塩（アルカノール基の炭素原子数１〜４）、炭素原子数が８〜２２であるカルボン酸のアルキルアミン塩（アルキル基の炭素原子数１〜１５）が挙げられ、それぞれ単独で用いても２種以上使用しても良い。
本発明の成分（ｃ）の含窒素界面活性剤の使用量は好ましくは、０．５〜１５質量％、さらに好ましくは３〜５質量％である。０．５質量％未満では、固体潤滑剤が基油中から遊離し水中へ移行してしまうことの抑制効果が薄れてしまい、所謂Ｓ／Ｏ成分の乳化分散安定性が失われてしまう傾向があり、潤滑性向上効果も低い。８質量％を超えると、Ｓ／Ｏ成分を水中へ乳化分散させる為の初期乳化バランスが取りにくくなり、また、界面活性剤の添加量が多くなると共に、本来の潤滑性が低下してしまう。

本発明の成分（ｄ）のポリオキシエチレンアルキルエーテル或いはエステル（アルキル基の炭素原子数１６〜２４）は固体潤滑剤を分散した基油を水に乳化分散可能にするためのものである。例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェノールエーテル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンひまし油エーテル、ポリオキシエチレン硬化ひまし油エーテル、グリセリンモノアルキルエーテルのポリオキシエチレン付加物等が挙げられる。

これらのノニオン系界面活性剤はそのほとんどが市販されている。ただし、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル及びポリオキシエチレンアルキルエーテル（アルキル基の炭素原子数１２〜１５）はＰＲＴＲ法に係わる第一種指定化学物質に掲げられており使用を控えることが望ましい。
ポリオキシエチレンアルキルエーテルのうち、アルキル基の炭素原子数が１５以下のものは、ＰＲＴＲ法に抵触し、炭素原子数２５以上のものは基油の乳化性が低下する。酸化エチレンの付加モル数はＨＬＢで５〜１４のものが最良である。
本発明の温間熱間鍛造用潤滑剤中、成分（ｄ）のポリオキシエチレンアルキルエーテル或いはエステル（アルキル基の炭素原子数１６〜２４）の使用量は、好ましくは１〜１５質量％、さらに好ましくは２〜１１質量％である。
１質量％未満では、乳化分散性の効果が顕著ではなく、１５質量％を超えると潤滑性が低下する傾向がある。
本発明の温間熱間鍛造用潤滑剤は上記成分（ｃ）及び（ｄ）の界面活性剤以外の界面活性剤を含有してもよいが、その含有量は成分（ｃ）及び（ｄ）の界面活性剤を含めて好ましくは５〜３０質量％、さらに好ましくは１０〜２５質量％である。

本発明の温間熱間鍛造用潤滑剤はさらに、アルコールや脂肪酸等の油性剤；硫化油脂、ポリスルフィド、リン酸エステル、亜リン酸エステル、ジアルキルジチオリン酸塩等の極圧添加剤；フェノール系、アミン系等の酸化防止剤；脂肪酸アミン塩、アルケニルコハク酸及びその塩等の防錆剤；防腐剤、消泡剤などを配合することができる。これらの成分の使用量は温間熱間鍛造用潤滑剤（水に希釈する前のもの）中、好ましくは通常０．５〜５質量％である。

本発明の温間熱間鍛造用潤滑剤は、例えば、基油と界面活性剤を混合し、加熱（約６０℃）しつつアジテーターにて撹拌して均一化した後、固体潤滑剤を加えて、ホモジナイザー、フライマーミル及びアジテーター撹拌とギャ−ポンプ循環併用等で基油中に固体潤滑剤を均一に分散させ、最後にその他の添加剤を加えてさらに撹拌することにより容易に調製できる。
本発明の温間熱間鍛造用潤滑剤は、５〜３０質量％、例えば、１０質量％となるように水で希釈して乳化分散液とし、例えば、ノズル等により、金型表面に供給される。余分に供給された乳化分散液はピットに回収し、メッシュ式ストレーナー或いはマグネチックセパレーターを通して別タンクに貯める。この液の濃度を確認後、規定の濃度に調整して再び、例えば、ノズル等により、金型表面に供給される。

以下実施例及び比較例により本発明をさらに詳細に説明する。
［実施例１〜１１，比較例１〜７］
表１〜表３に示す処方の潤滑剤を調製した。実施例１〜６、比較例１〜３は温間鍛造用潤滑剤であり、実施例６〜１１、比較例５〜７は熱間鍛造用潤滑剤である。
さらに成分組成の上から、実施例１〜３に対する比較例は１〜２であり、実施例４〜５に対する比較例は３であり、実施例７〜１１に対する比較例は４〜７である。
各潤滑剤は、始めに（ｂ）基油と（ｃ）界面活性剤の各成分を混合し加熱（約６０℃）しつつアジテーターにて撹拌し均一化した。これに（ａ）固体潤滑剤を加え、フライマーミルとギヤ-ポンプ循環併用で油中に固体潤滑剤を均一に分散させた。最後に（ｄ）の界面活性剤及びその他の添加剤を加えて水分散型温間熱間鍛造用潤滑剤を得た。
比較例７は市販の黒鉛Ｓ／Ｏ／Ｗ型熱間鍛造用潤滑剤である。

乳化分散安定性試験
２００ｍｌビーカー中で、上記潤滑剤を水で１５倍に希釈し、手撹拌して均一に乳化分散させ、１００ｍｌの水乳化分散液を調製する。これを２５℃で静置し、２４時間後の油浮上状態、固体潤滑剤沈降状態を観察する。実用においてはいずれも◎或いは○の性能が必要である。
（油浮上状態）（浮上油の面積（浮上面積）が分散液の表面全体に占める割合で評価）
◎ …… 油分浮上なし
〇 …… 浮上面積１０％未満
△ …… 浮上面積１０％以上５０％未満
× …… 浮上面積５０％以下
（固体潤滑剤沈降状態）
◎ …… 沈降なし
〇 …… 沈降量１０％未満
△ …… 沈降量１０％以上（ケーキングなし）
× …… 沈降量１０％以上（ケーキングあり）

機械周りの清浄性試験
温度が±０．５℃に制御可能な１辺１５０ｍｍの立方体鉄鋼製ブロックに５°の傾斜をつける。１００±０．５℃の温度に制御されたブロック表面へ２０ｍｍの高さから上記潤滑剤の水１０倍希釈液３ｍｌを注射器にて供給する。傾斜に沿って流れ落ちた希釈液の水蒸発後の残渣状態を次の基準にて評価する。実用においては◎或いは○の性能が必要である。
◎ ……均一でブロック面が透けて見えるような薄い膜にて付着
〇 ……均一だが、ブロック面が透けて見えない程度の膜厚にて付着
△ ……厚膜にて付着又は付着膜がムラ状
× ……付着膜がムラ状で且つ厚膜にて付着

潤滑性試験
スパイク試験（特開平５−７９６９号公報）により、次の条件にて鍛造し、加工後の鍛造成形荷重（Ｐ）とスパイク高さ（Ｈ）を求める。潤滑性（鍛造成形性）の評価はスパイク高さ（Ｈ）mm／鍛造成形荷重（Ｐ）ｔｏｎにて表す。鍛造成形性は数値が大きい程良好である。実用においては、温間０.１４以上、熱間０．４０以上が必要である。
（スパイク試験条件）
試験片：Ｓ４５Ｃ，２５ｍｍφ×３０ｍｍ，温度（温間＝８００℃，熱間＝１２００℃）
金 型：ＳＫＤ−６１，温度（１５０℃）
鍛造機：ＫＯＭＡＴＳＵ ＭＡＹＰＲＥＳ １６０Ｔ
給 油：１５倍水希釈液を対角線に各々２ｍｌエアースプレー

比較例７は市販の黒鉛Ｓ／Ｏ／Ｗ型熱間鍛造用潤滑剤
POE:ポリオキシエチレン
比較例１及び２は特許文献４に対応する。

Claims (5)

1. (a)固体潤滑剤、(b)基油、(c) 含窒素界面活性剤、及び(d)ポリオキシエチレンアルキルエーテル或いはエステル（アルキル基の炭素原子数１６〜２４）を含有することを特徴とする水分散型温間熱間鍛造用潤滑剤。
2. (a)固体潤滑剤が５〜５０質量％、(b)基油が３０〜６０質量％、(c) 含窒素界面活性剤が０．５〜１５質量％、(d)ポリオキシエチレンアルキルエーテル或いはエステル（アルキル基の炭素原子数１６〜２４）が１〜１５質量％である請求項１記載の水分散型温間熱間鍛造用潤滑剤。
3. 含窒素界面活性剤が、Ｎ−ヒドロキシエチルアルキルアミン（アルキル基の炭素原子数８〜２２）、ポリオキシエチレンアルキルアミン（アルキル基の炭素原子数８〜２２、エチレンオキサイドの付加モル数１〜１０）、炭素原子数が８〜２２であるカルボン酸のアルカノールアミン塩（アルカノール基の炭素原子数１〜４）、及び炭素原子数が８〜２２であるカルボン酸のアルキルアミン塩（アルキル基の炭素原子数１〜１５）からなる群から選ばれる少なくとも１種を含有する請求項１又は２記載の水分散型温間熱間鍛造用潤滑剤。
4. ポリオキシエチレンアルキルエーテル或いはエステルの炭素原子数が８〜２４であり、ＨＬＢが５〜１４である請求項１又は２記載の水分散型温間熱間鍛造用潤滑剤。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の水分散型温間熱間鍛造用潤滑剤を使用することを特徴とする温間又は熱間鍛造加工方法。