JP2007262301A

JP2007262301A - 温間・熱間鍛造用潤滑剤及び鍛造加工方法

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Publication number: JP2007262301A
Application number: JP2006091244A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sakai; 健次酒井; Yoshiyuki Yoneda; 慶幸米田; Mitsutaka Suda; 三孝須田
Original assignee: Kyodo Yushi Co Ltd
Current assignee: Kyodo Yushi Co Ltd
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】従来の白色系温・熱間鍛造用潤滑剤の欠点である加工後の被加工材の鍛造肌不良を解消すると共に、通常の鍛造作業に支障なく加工が可能であり、加工材の歩留まりが向上した水系鍛造用潤滑剤及びこれを用いた鍛造加工方法を提供する。
【解決手段】燐酸二水素金属塩又はカルボン酸アルカリ土類金属塩からなる固体潤滑剤（Ａ）、アルカリ土類金属水酸化物（Ｂ）、水溶性高分子付着剤（Ｃ）、キレート剤（Ｄ）を含有する温間・熱間鍛造用潤滑剤。

Description

本発明は、炭素鋼、特殊鋼、非鉄金属材料等の金属材料の温間・熱間鍛造加工に使用する水系鍛造用潤滑剤及びこれを用いた鍛造加工方法に関する。鍛造加工時に金型へ給油し、加工時の金型と被加工材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加工後の被加工材の表面肌を向上することを目的とする。

従来、炭素鋼、特殊鋼、非鉄金属等の金属材料を温間、熱間にて鍛造加工する際に使用される潤滑剤として、黒鉛を油又は水中に分散させたものがある。このような黒鉛を主成分とした潤滑剤は作業環境を汚すため、黒鉛を使わない所謂白色系潤滑剤が使用されて来ている。しかし、黒鉛を主成分とした潤滑剤と比較して潤滑性が乏しい為、加工部品が限定されている。但し、加工可能部品においては、金型の寿命の点で、黒鉛系潤滑剤より良好な結果を得ている場合もある。
特許文献１には、アジピン酸のアルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩と有機増粘剤及び水を含有する鍛造用潤滑剤組成物が記載されている。引用文献２には、フタル酸のアルカリ金属塩と増粘剤及び水を含有する鍛造用潤滑剤が記載されている。特許文献３には、フマル酸、アルカリ金属又はアルカリ土類金属水酸化物、ヒドロキシルエチルセルロース及び水を含有する鍛造用潤滑剤が記載されている。特許文献４には、トリメリット酸のアルカリ金属又はアルカリ土類金属塩、アジピン酸又はフタル酸のアルカリ金属又はアルカリ土類金属塩、オレフィンと無水マレイン酸との共重合体のアルカリ金属又はアルカリ土類金属塩及び水を含有する熱間鍛造用潤滑剤が記載されている。特許文献５には、オレフィン又はビニルエーテル−マレイン酸系共重合体を含有する塑性加工用潤滑剤が記載されている。
特許文献６には、水溶性高分子及びリン酸塩を含有する鍛造用潤滑剤が記載されている。特許文献７には、アルカリ土類金属の炭酸塩又は水酸化物、糖類を含有する熱間圧延鋼帯の酸化スケール抑制剤が記載されている。特許文献８には、脂肪族ジカルボン酸のアミン塩とヒドロキシジホスホン酸を含有する金属加工用組成物が金属化工用組成物が記載されている。
加工後の被加工材の表面肌は黒鉛系鍛造用潤滑剤に較べ、白色系潤滑剤は劣っている。しかし、今まで鍛造加工の分野にて、白色系潤滑剤は加工後の被加工材の表面肌(以後、鍛造肌という)向上の検討がなされたという報告はなされていない。

特開昭５５−１３９４９８号公報特開昭５８−０８４８９８号公報特開昭６２−０１２９６０号公報特開平０８−１５７８６０号公報特開平１０−０４６１８４号公報特開昭６１−１９５１９７号公報特開昭５９−０２３８８３号公報特開昭５９−２２６０９７号公報

従来の白色系水溶型温間・熱間鍛造用潤滑剤は黒鉛系に較べ、高温で鍛造加工された被加工材の表面が常温まで放冷される間に粗く、厚いスケールで覆われる。その為、被加工材の表面肌が黒鉛系より明らかに悪くなり、外観の面で見劣りがするうえに、被加工材の傷等表面欠陥があった場合検査時に見落とす原因となり、被加工材の歩留まりを低下させるひとつの要因になっている。
本発明の目的は、作業環境改善を念頭におき、従来の白色系水溶型温間・熱間鍛造用潤滑剤としての潤滑性を有しつつ、黒鉛系水溶型温間・熱間鍛造用潤滑剤と同等の良好な鍛造肌を有する被加工材を成形可能な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金属材料の温間・熱間鍛造加工方法を提供することである。

本発明は以下の潤滑剤及び塑性加工方法を提供するものである。
１．(Ａ)固体潤滑剤、(Ｂ)アルカリ土類金属水酸化物、(Ｃ)水溶性高分子付着剤及び水を含む温間・熱間鍛造用潤滑剤。
２．さらに、(Ｄ)キレート剤を含む上記１記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
３．(Ａ)固体潤滑剤が、燐酸二水素金属塩及びカルボン酸のアルカリ土類金属塩からなる群から選ばれる少なくとも１種である上記１又は２記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
４．燐酸二水素金属塩が、層状燐酸二水素アルミニウム及び燐酸二水素カルシウムからなる群から選ばれる少なくとも１種である上記３記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
５．カルボン酸のアルカリ土類金属塩が、炭素数２〜１２の脂肪族二塩基酸、芳香族一塩基酸、芳香族二塩基酸、芳香族三塩基酸および芳香族四塩基酸のカルシウム塩及びマグネシウム塩からなる群から選ばれる少なくとも１種である上記３記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
６．(Ｂ)アルカリ土類金属水酸化物が、水酸化カルシウム及び水酸化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも１種である上記１〜５のいずれか１項記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
７．(Ｃ)水溶性高分子付着剤が、ポリイソブチレン−マレイン酸共重合体アンモニウム塩である上記１〜６のいずれか１項記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
８．（Ｄ）キレート剤が１−ヒドロキシエチリデン−１，１−ジホスホン酸である上記２〜７のいずれか１項記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
９．（Ａ）固体潤滑剤を０．５〜２５．０質量％、（Ｂ）アルカリ土類金属水酸化物を０．１〜７質量％、（Ｃ）水溶性高分子付着剤を０．５〜８質量％、残部として水を含有する上記１〜８のいずれか１項記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
１０．（Ｄ）キレート剤を０．５〜１０．０質量％含有する上記２〜９のいずれか１項記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
１１．上記１〜１０のいずれか１項記載の温間・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。

本発明の温間・熱間鍛造用潤滑剤は、環境にやさしい潤滑剤であって、加工後の被加工材の鍛造肌が黒鉛系鍛造用潤滑剤に匹敵するほど優れている。

本発明に使用する成分(Ａ)固体潤滑剤としては、好ましくは、燐酸二水素金属塩、カルボン酸アルカリ土類金属塩等が挙げられる。
燐酸二水素金属塩の具体例としては、燐酸二水素カルシウム、燐酸二水素マグネシウム、燐酸二水素アルミニウム、層状燐酸二水素アルミニウム(テイカ株式会社製:品名Ｋ−ＦＲＥＳＨ＃１００Ｐ)が挙げられる。
カルボン酸アルカリ土類金属塩のカルボン酸としては、炭素数２〜１２の脂肪族二塩基酸、芳香族一塩基酸、芳香族二塩基酸、芳香族三塩基酸および芳香族四塩基酸等が挙げられる。例えば、フマル酸、アジピン酸、セバチン酸、ヒドロキシ安息香酸、テレフタル酸、イソフタル酸、トリメリット酸、ピロメリット酸等が挙げられる。アルカリ土類金属としては、カルシウムとマグネシウムが挙げられる。特に、イソフタル酸カルシウム、トリメリット酸カルシウム、トリメリット酸マグネシウム等が好ましい。
これらの固体潤滑剤の粒径は好ましくは０．００５〜２０μｍ、更に好ましくは０．０１〜５μｍである。
本発明の成分(Ａ)固体潤滑剤の使用量は、本発明の温間・熱間鍛造用潤滑剤（原液）の合計質量に対して（以下同様）、好ましくは０．５〜２５．０質量％、更に好ましくは３〜２０質量％である。０．５質量％未満では、潤滑性が不十分となり、２５質量％を超えると、製品の粘性が高くなり過ぎる傾向がある。

本発明に使用する成分(Ｂ)アルカリ土類金属水酸化物の具体例としては、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウムが挙げられる。好ましくは水酸化カルシウムである。成分(Ｂ)アルカリ土類金属水酸化物の粒径は８μｍ以下が好ましい。
本発明の成分(Ｂ)アルカリ土類金属水酸化物の使用量は、好ましくは０．１〜７質量％、更に好ましくは０．３〜５質量％である。０．１質量％未満の場合、固体潤滑剤（及びキレート剤）の影響で液中のｐＨが酸性になり、７質量％を超えると固体潤滑剤の分散安定性を低下させる他、液中のｐＨが強アルカリになり過ぎる傾向がある。

本発明に使用する成分(Ｃ)水溶性高分子付着剤の具体例としては、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ヒドロキシエチルセルロース、トリアルキルアンモニウムヒドロキシアルキルエーテル澱粉、オレフィンと無水マレイン酸の共重合体のアンモニウム塩等が挙げられる。特にポリビニルピロリドン、オレフィンと無水マレイン酸の共重合体のアンモニウム塩等が好ましい。
本発明の成分(Ｃ)水溶性高分子付着剤の使用量は、好ましくは０．５〜８質量％、更に好ましくは１〜５質量％である。０．５質量％未満では、固体潤滑剤の金型への付着性が不十分となり、８質量％を超えると、製品の粘性が高くなり過ぎる傾向がある。

本発明に使用する成分(Ｄ)キレート剤の具体例としては、アミノカルボン酸系キレート剤、ホスホン酸系キレート剤等が挙げられる。好ましくはヒドロキシエチリデンジホスホン酸、ニトリロリスメチレンホスホン酸、ホスホノブタントリカルボキシリック酸、エチレンジアミンテトラメチレンホスホン酸等のホスホン酸系キレート剤が挙げられる。更に好ましくは１−ヒドロキシエチリデン−１，１−ジホスホン酸が挙げられる。
本発明の成分(Ｄ)キレート剤の使用量は、好ましくは０．５〜１０．０質量％、更に好ましくは２〜６質量％である。０．５質量％未満では、固体潤滑剤が潤滑性と兼ね備えている鍛造肌を良好にする特性をより助長する性能が表れにくく、１０質量％を超えると、固体潤滑剤の液中での分散安定性が低下する傾向がある。
また、本発明の温間・熱間鍛造用潤滑剤のｐＨは、好ましくは８．０〜１２．０、さらに好ましくは９．０〜１１．５である。ｐＨが８．０未満では鍛造肌改善効果の発現が不十分になる傾向があり、１２．０を超えると固体潤滑剤の液中での分散安定性が低下するという傾向がある。

本発明の潤滑剤には、さらに消泡剤、防腐剤、防錆剤等、通常の潤滑剤に使用されている添加剤を通常の量添加しておく事が望ましい。
本発明の温間・熱間鍛造用潤滑剤は、アルカリ金属を含まないか、あるいはその濃度が低い方が好ましい。具体的には、温間・熱間鍛造用潤滑剤中のアルカリ濃度（特にナトリウム濃度）は、０．０１質量％以下であることが望ましい。従って、成分(Ａ)の固体潤滑剤として燐酸二水素金属塩を、成分(Ｃ)の水溶性高分子付着剤としてオレフィンと無水マレイン酸の共重合体の塩を、成分(Ｄ)のキレート剤としてその塩を、あるいは他の添加剤を塩の形で使用する場合には、これらをアルカリ金属塩として使用することは不適切である。

本発明の温間・熱間鍛造用潤滑剤の調製方法は特に限定されない。例えば後述の実施例１〜４、比較例１〜４、比較例８及び９はプロペラ撹拌機付ステンレス容器に規定量の水を張り込み、撹拌しつつ、(Ｂ)アルカリ土類金属の水酸化物を加え、続いて、少量づつ(Ａ)固体潤滑剤を加える。
尚、カルボン酸のアルカリ土類金属塩は、既に塩になったものを添加しても良く、塩生成相当量の(Ｂ)アルカリ土類金属の水酸化物(比較例４、及び６、７は水酸化ナトリウム)を予め水中に溶解及び又は分散させて置き、続いて(Ａ)固体潤滑剤の中のカルボン酸を添加して水中にて塩を生成しても良い。この場合反応を速やかに進める為、７０〜８０℃に加熱した方が好ましい。
引き続き、(Ｃ)水溶性高分子付着剤、及び必要により分散剤、防腐剤、防錆剤、消泡剤を加え、製品とする。
最後に液中で（Ａ）固体潤滑剤が凝集している場合は、ホモジナイザー、フライマーミル、モントンゴーリン分散機、プロペラ撹拌機とギャーポンプ循環併用等で微細分散する事が好ましい。

後述の実施例５〜１１、比較例５〜７はプロペラ撹拌機付ステンレス容器に規定量の水を張り込み、撹拌しつつ、(Ｂ)アルカリ土類金属の水酸化物を加え、続いて、少量づつ（Ｄ）キレート剤、引き続き(Ａ)固体潤滑剤を加える。尚、カルボン酸のアルカリ土類金属塩は、既に塩になったものを添加しても良く、塩生成相当量の(Ｂ)アルカリ土類金属の水酸化物を予め水中に溶解及び又は分散させて置き、続いて(Ａ)固体潤滑剤の中のカルボン酸を添加して水中にて塩を生成しても良い。この場合反応を速やかに進める為、７０〜８０℃に加熱した方が好ましい。
引き続き、(Ｃ)水溶性高分子付着剤、及び必要により、分散剤、防腐剤、防錆剤、消泡剤を加え、製品とする。
最後に液中で（Ａ）固体潤滑剤が凝集している場合は、ホモジナイザー、フライマーミル、モントンゴーリン分散機、プロペラ撹拌機とギャーポンプ循環併用等で微細分散する事が好ましい。

本発明の温間・熱間鍛造用潤滑剤は、例えばタンク内で、製品(原液)を水にて５〜２５倍、例えば、１０倍に希釈し、定量ポンプを用いて配管を通してノズル等より、金型表面へ供給される。
本発明の温間・熱間鍛造用潤滑剤を適用するのに適した金属材料としては、炭素鋼、特殊鋼、非鉄金属材料等が挙げられる。被加工材温度は７００〜１３００℃で使用可能であるが、温度が高い程、本発明の効果が顕著に発現する。

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を表１及び２に、比較例１〜１０を表３及び４に示す。比較例１０は市販黒鉛水分散型鍛造油剤である。

表１〜表４に示す処方の潤滑剤を調製し、水で１０倍に希釈して使用した。
鍛造肌の評価試験
スパイク試験(特開平５−７９６９）にて行い、次の条件にて鍛造し、試験片を大気中にて常温まで放冷する。冷却後の加工表面(軸:スパイク部周辺)を目視観察する。実用においては、□印以上が目標の鍛造肌である。
(スパイク試験条件)
試験片：Ｓ４５Ｃ，２５ｍｍΦ×３０ｍｍ
温度：１２００℃
金型：ＳＫＤ−６１，温度 (２００℃)
鍛造機：ＫＯＭＡＴＳＵＭＹＰＲＥＳ１６０Ｔ
給油：１０倍希釈液を対角線に各２ｍｌエア・スプレー。
（評価結果）
○：鍛造肌良好（市販黒鉛水分散型鍛造油剤と同等）
□：ごく一部にスケール残渣あり。
△：試験片中１０％未満、黒色厚いスケール残存。
×：試験片中１０％以上、黒色厚いスケール残存。

潤滑性試験：スパイクテスト
鍛造肌試験と同一の試験片、試験条件にて鍛造し、加工後の鍛造成形荷重（Ｐ）とスパイク高さ（Ｈ）を求める。潤滑性試験結果は
潤滑性＝スパイク高さ（Ｈ）ｍｍ／鍛造成形荷重（Ｐ）ｔｏｎ
にて表す。
潤滑性（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０．３５以上が必要である。

EO：エチレンオキサイド付加モル数

本発明の成分（Ａ）〜（Ｃ）又は（Ａ）〜（Ｄ）を含有する実施例１〜１１の潤滑剤は、市販の黒鉛水分散型潤滑剤に匹敵する優れた潤滑性及び良好な鍛造肌を示す。実施例４において、さらに成分（Ｄ）のキレート剤を添加した実施例７では、鍛造肌がさらに改善されていることがわかる。
これに対して、実施例１において成分（Ａ）を除いた比較例１では鍛造肌及び潤滑性が劣り、実施例１において成分（Ｃ）を除いた比較例２では、潤滑性が劣り、実施例２において成分（Ａ）のカルシウム塩の代わりにナトリウム塩を使用した比較例３では、鍛造肌が極端に劣り、実施例４において成分（Ａ）のカルシウム塩の代わりにナトリウム塩を使用し、成分（Ｂ）の水酸化カルシウムの代わりに水酸化ナトリウムを使用し、成分（Ｃ）のアンモニウム塩の代わりにナトリウム塩を使用した比較例４では鍛造肌が極端に劣っている。
実施例７において成分（Ｃ）のアンモニウム塩の代わりにナトリウム塩を使用した比較例５では鍛造肌が劣っている。実施例４において、成分（Ａ）のカルシウム塩の一部をナトリウム塩に代え、成分（Ｂ）の水酸化カルシウムの代わりに水酸化ナトリウムを使用した比較例６では鍛造肌が極端に劣っている。
実施例８において、成分（Ａ）のカルシウム塩の代わりにナトリウム塩を使用し、成分（Ｂ）の水酸化カルシウムの代わりに水酸化ナトリウムを使用した比較例７では鍛造肌が極端に劣っている。
成分（Ａ）としてナトリウム塩を使用し、成分（Ｂ）を含まない比較例８（特許文献２記載の潤滑剤に対応する）及び比較例９（特許文献１記載の潤滑剤に対応する）では、鍛造肌が極端に劣っている。

Claims

(Ａ)固体潤滑剤、(Ｂ)アルカリ土類金属水酸化物、(Ｃ)水溶性高分子付着剤及び水を含む温間・熱間鍛造用潤滑剤。
さらに、(Ｄ)キレート剤を含む請求項１記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
(Ａ)固体潤滑剤が、燐酸二水素金属塩及びカルボン酸のアルカリ土類金属塩からなる群から選ばれる少なくとも１種である請求項１又は２記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
燐酸二水素金属塩が、層状燐酸二水素アルミニウム及び燐酸二水素カルシウムからなる群から選ばれる少なくとも１種である請求項３記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
カルボン酸のアルカリ土類金属塩が、炭素数２〜１２の脂肪族二塩基酸、芳香族一塩基酸、芳香族二塩基酸、芳香族三塩基酸および芳香族四塩基酸のカルシウム塩及びマグネシウム塩からなる群から選ばれる少なくとも１種である請求項３記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
(Ｂ)アルカリ土類金属水酸化物が、水酸化カルシウム及び水酸化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも１種である請求項１〜５のいずれか１項記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
(Ｃ)水溶性高分子付着剤が、ポリイソブチレン−マレイン酸共重合体アンモニウム塩である請求項１〜６のいずれか１項記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
（Ｄ）キレート剤が１−ヒドロキシエチリデン−１，１−ジホスホン酸である請求項２〜７のいずれか１項記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
（Ａ）固体潤滑剤を０．５〜２５．０質量％、（Ｂ）アルカリ土類金属水酸化物を０．１〜７質量％、（Ｃ）水溶性高分子付着剤を０．５〜８質量％、残部として水を含有する請求項１〜８のいずれか１項記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
（Ｄ）キレート剤を０．５〜１０．０質量％含有する請求項２〜９のいずれか１項記載の温間・熱間鍛造用潤滑剤。
請求項１〜１０のいずれか１項記載の温間・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。