JP2010106208A - 塑性加工用水溶性潤滑剤及び塑性加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】沈殿固化が発生せず、離型性に優れた塑性加工用水溶性潤滑剤を提供すること。
【解決手段】水溶性ポリマー及び水溶性カルボン酸塩の少なくとも一方と、水溶性硫酸塩とを含むことを特徴とする塑性加工用水溶性潤滑剤。
【選択図】なし

Description

本発明は、塑性加工用水溶性潤滑剤及び塑性加工方法に関する。さらに詳細には、鋼材や非鉄金属材料の高温塑性加工に適する塑性加工用水溶性潤滑剤、特に、沈殿固化の懸念が少なく、工具表面への鋼材の焼付や、工具表面の摩耗、肌荒れ等を防止する、離型性に優れる塑性加工用水溶性潤滑剤に関する。

近年、炭素鋼やステンレス鋼等の鋼材やアルミニウムやチタン等の非鉄金属材料の熱間圧延、熱間鍛造、熱間ダイス加工、熱間プレス加工等の高温塑性加工では、工具の保護のため、高温塑性加工用潤滑剤が使用され効果をおさめている。この潤滑剤としては、高温で潤滑効果のある黒鉛、ガラス、窒化硼素、雲母、二硫化モリブデン、酸化鉄、フッ素化黒鉛、炭酸カルシウムなどの固体潤滑剤；硫化油脂、硫化オレフィン、ジンクジアルキルジチオホスフェート、リン酸エステル等の極圧剤；鉱油、油脂、油脂重合体、合成エステル等の油性向上剤；メタクリレートコポリマーやブチレンブタジエンコポリマー等の付着性向上剤兼流動点降下剤等の少なくとも１種、又はこれにさらに、酸化防止剤（アルファナフチルアミン、ジターシャリブチルフェノール等）を加えたものが一般に使用されている。

前記の高温塑性加工では、鋼材や非鉄金属等の被加工材料の温度は、７００〜１２００℃の領域にある。このような温度では、上記の極圧剤や、油性向上剤では、酸化や熱分解が起こり、潤滑面で十分な効果を発揮できない。このため、高温塑性加工では低温塑性加工に比べ、十分な潤滑効果を得ることが難しい。特許文献１及び特許文献２には、界面活性剤で表面を改質した炭酸カルシウム粉末を含有する熱間圧延潤滑剤が開示され、特許文献３には、炭酸カルシウム及び酸化鉄粒子を含有する高温塑性加工用潤滑剤が開示されている。しかしながら、炭酸カルシウム粉末は離型性に優れるが、水分散性に劣るため、製品の保存容器中で沈殿固化するという問題があった。また、希釈して使用する場合も希釈タンク内で同様に沈殿固化するという問題があった。

特公昭６２−３９１９８号公報 特公昭６２−３９１９９号公報 特開平６−２３４９９１号公報

本発明の目的は、沈殿固化の懸念が少なく、潤滑性及び離型性に優れた塑性加工用水溶性潤滑剤を提供することである。
本発明の他の目的は、沈殿固化が発生しにくく、鋼材、非鉄金属材料等の被加工材料の、温間又は熱間圧延、温間又は熱間鍛造、温間又は熱間ダイス加工、温間又は熱間プレス加工等の高温塑性加工において、工具と材料の双方又は一方に、直接塗布又はエアースプレー方式、ウォーターインジェクション方式等によって給油された場合、離型性不足を原因とする工具の肌荒れや摩耗、焼き付きを起こしにくい、塑性加工用水溶性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塑性加工方法を提供することである。

本発明は以下の塑性加工用水溶性潤滑剤及び塑性加工方法を提供するものである。
１．下記の（１）及び（２）を含む塑性加工用水溶性潤滑剤。
（１）成分Ａ：水溶性硫酸塩、及び、
（２）成分Ｂ及び成分Ｃからなる群から選ばれる少なくとも１種。
成分Ｂ：水溶性ポリマー。
成分Ｃ：水溶性脂肪族ポリカルボン酸塩、及び水溶性芳香族カルボン酸塩からなる群から選ばれる少なくとも１種。
２．成分Ａが、硫酸ナトリウム及び硫酸カリ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記載の塑性加工用水溶性潤滑剤。
３．成分Ｂを含み、成分Ｂが、イソブチレン・マレイン酸共重合体又はその部分エステルのアルカリ金属塩、アンモニウム塩、アルカノールアミン塩、及びアンモニア変成アンモニ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１又は２記載の塑性加工用水溶性潤滑剤。
４．成分Ｃを含み、成分Ｃが、脂肪族ポリカルボン酸又は芳香族カルボン酸の、アルカリ金属塩、アンモニウム塩、及びアルカノールアミン塩からなる群から選ばれる少なくとも１種である上記１〜３のいずれか１項記載の塑性加工用水溶性潤滑剤。
５．成分（１）の量が１〜６０質量部、成分（２）の量が４０〜９９質量部である上記１〜４のいずれか１項記載の塑性加工用水溶性潤滑剤。
６．成分（１）と成分（２）の合計１〜１００質量部と水０〜９９質量部を含む上記１〜５のいずれか１項記載の塑性加工用水溶性潤滑剤。
７．温間又は熱間鍛造用潤滑剤である、上記１〜６のいずれか１項記載の塑性加工用水溶性潤滑剤。
８．上記１〜７のいずれか１項記載の塑性加工用水溶性潤滑剤を、工具と材料の双方又は一方に給油することを特徴とする塑性加工方法。

本発明の塑性加工用水溶性潤滑剤は、従来の固体潤滑剤を分散させた潤滑剤の欠点である沈殿固化が起こりにくく、離型性不足を原因とする工具の肌荒れや摩耗、焼き付きが起こりにくいという優れた効果を奏する。

本発明の潤滑剤に使用される成分Ａの「水溶性硫酸塩」としては、硫酸リチウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸ルビジウム、硫酸セシウム、硫酸フランシウム、硫酸マグネシウム、硫酸アルミニウム、硫酸亜鉛等が挙げられ、好ましくは硫酸ナトリウム、硫酸カリウムである

本発明の潤滑剤中、成分Ａの「水溶性硫酸塩」の量は、水を含まない潤滑剤の合計量に対して、好ましくは１〜６０質量部、さらに好ましくは１〜５０質量部、最も好ましくは１〜２５質量部である。

本発明の潤滑剤は、さらに、成分Ｂ及び成分Ｃからなる群から選ばれる少なくとも１種を含む。
成分Ｂ：水溶性ポリマー。
成分Ｃ：水溶性脂肪族ポリカルボン酸塩、及び水溶性芳香族カルボン酸塩からなる群から選ばれる少なくとも１種。

成分Ｂの水溶性ポリマーとしては、イソブチレン・マレイン酸共重合体又はその部分エステルのアルカリ金属塩、アンモニウム塩、アルカノールアミン塩、アンモニア変成アンモニウム塩等が挙げられる。例えば、イソブチレン−マレイン酸共重合体ナトリウム塩、イソブチレン−マレイン酸共重合体カリウム塩、イソブチレン−マレイン酸共重合体リチウム塩、イソブチレン−マレイン酸共重合体アンモニウム塩、イソブチレン−マレイン酸共重合体の炭素原子数５以下の脂肪族１級アミン塩、イソブチレン−マレイン酸共重合体の炭素原子数６以下のアルカノールアミン塩、イソブチレン−マレイン酸共重合体ハーフメチルエステルアンモニウム塩、イソブチレン−マレイン酸共重合体ハーフエチルエステルアンモニウム塩、イソブチレン−マレイン酸共重合体アンモニア変成アンモニウム塩、等が挙げられる。中でもイソブチレン：無水マレイン酸＝１：１（モル比）の共重合体で分子量が５０，０００〜４００，０００のものを、中和度＝０．４〜１．０となるようにアンモニアにて中和したイソブチレン−マレイン酸共重合体アンモニウム塩、イソブチレン−マレイン酸共重合体アンモニア変成アンモニウム塩、水酸化ナトリウムにて中和したイソブチレン−マレイン酸共重合体ナトリウム塩、が好ましい。これらは単独でも、２種以上を組み合わせて使用してもよい。

成分Ｃの水溶性脂肪族ポリカルボン酸塩のカルボン酸としては、炭素原子数５〜３２の脂肪族ジ、トリ、又はテトラカルボン酸が挙げられる。具体例としては、アジピン酸、セバチン酸、イタコン酸、プロパントリカルボン酸、等が挙げられる。
水溶性芳香族カルボン酸塩のカルボン酸としては、イソフタル酸、テレフタル酸、トリメリット酸、ピロメリット酸、ｐ−オキシ安息香酸、ジオキシ安息香酸、トリオキシ安息香酸、安息香酸、メチルサリチル酸、オキシフタル酸、ジオキシフタル酸、オキシテレフタル酸、等が挙げられる。

水溶性脂肪族ポリカルボン酸塩、及び水溶性芳香族カルボン酸塩としては、アルカリ金属塩、アンモニウム塩、及びアルカノールアミン塩からなる群から選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましい。アルカリ金属塩としてはナトリウム塩、カリウム塩、リチウム塩等が挙げられる。アルカノールアミン塩としては、モノエタノールアミン塩、モノイソプロパノールアミン塩、ジエタノールアミン塩、ジイソプロパノールアミン塩、メチルモノエタノールアミン塩、トリエタノールアミン塩、メチルジエタノールアミン塩、等が挙げられる。好ましくはナトリウム塩、カリウム塩である。
塩は完全塩でも部分塩でも良い。

本発明の潤滑剤中、成分Ｂの「水溶性ポリマー」の量は水を含まない潤滑剤の合計量に対して、好ましくは０〜９９質量部、さらに好ましくは２５〜９０質量部、成分Ｃの「水溶性脂肪族ポリカルボン酸塩、及び水溶性芳香族カルボン酸塩からなる群から選ばれる少なくとも１種」の量は水を含まない潤滑剤の合計量に対して、好ましくは０〜９９質量部、さらに好ましくは４０〜９０質量部、成分Ｂと成分Ｃの合計量は、水を含まない潤滑剤の合計量に対して、好ましくは４０〜９９質量部、さらに好ましくは５０〜９９質量部、最も好ましくは７５〜９９質量部である。

本発明の潤滑剤は上記成分を水中に溶解又は分散させ製造する。溶解又は分散時間を短縮する為に、ホモジナイザー、ホモミクサー、モントン−ゴーリン分散機等を用いても良い。
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。

本発明の潤滑剤は、炭素鋼、特殊鋼、非鉄金属材料等の金属材料の塑性加工、特に温間又は熱間の圧延、鍛造、ダイス加工、プレス加工等の潤滑剤として好ましく使用される。
本発明の潤滑剤は水を含んでも含まなくても良いが、通常、水が配合される。水が配合される場合、この水の配合量は特に限定されないが、成分（１）と成分（２）の合計１〜１００質量部に対して水０〜９９質量部、さらに好ましくは成分（１）と成分（２）の合計５〜１００質量部に対して水０〜９５質量部である。
本発明の潤滑剤を使用する場合、水を含まない潤滑剤１質量部に対して水を好ましくは１〜３００質量部、さらに好ましくは５〜２００質量部加えて希釈して使用する。
小型手動機や大型自動機の工具への給油量は水希釈液として１回（１加工、１工程）あたり１ｍＬ〜１０Ｌ程度である。
通常は噴霧給油して使用する。給油形式は特に限定されないが、一般的に潤滑剤用ポンプとして使用されるギアポンプ、エアーポンプ、プランジャーポンプ等によって工具へ直接スプレーするか、エアースプレーまたは、ウォーターインジェクション方式でスプレーが可能である。また、刷毛等を用いて直接塗布しても良いし、工具に給油後、乾燥させて、水分を除去した形で使用することも可能である。

本発明を実施例及び比較例により更に具体的に説明する。
実施例１〜２１ 及び比較例１〜１０
表１〜表３に示す組成の成分（質量部）を全体で１００質量部となるように水で希釈して潤滑剤試料（実施例１〜２１ 及び比較例１〜１０）を作製した。
使用したイソブチレン・マレイン酸共重合体Ｎａ塩とイソブチレン・マレイン酸共重合体アンモニア変成アンモニウム塩は株式会社クラレ製の「イソバン」（イソブチレン・マレイン酸共重合体の分子量は５０００〜４０００００）であり、その中和状態は「中和度」（＝全てのカルボキシル基が中和された場合に１とする値）で表示した。
これらの試料を水で１０倍に希釈し、以下の試験法により潤滑性の評価を行った。
〔潤滑性及び離型性〕
特開平５−７９６９号公報記載の通称「スパイクテスト」にて評価する。試験条件は以下のとおりである。
１）金型：ＳＫＤ−６１（１５０℃）
２）試験片：Ｓ４５Ｃ（９００℃ ）２５φｍｍ×高さ３０ｍｍ
３）試料：１０倍に調整した希釈液を対角線に各々２ｍｌスプレー。
４）評価：スパイク高さ(ｍｍ)と鍛造荷重(ｔｏｎ)とノックアウト荷重（ｔｏｎ）を測定する。
潤滑性はスパイク高さ／鍛造荷重（ｍｍ／ｔｏｎ）で表示する。実機での要求値は０．１７５以上である。
離型性はスパイク高さ／ノックアウト荷重（ｍｍ／ｔｏｎ）で表示する。実機での要求値は６２．５以上である。
〔安定性〕
表１〜表３に示す組成の成分（質量部）を水に希釈して１００質量部の潤滑剤試料（実施例１〜２１及び比較例１〜１０）を作製した。これらの試料をガラス容器に移して密栓し、室温で１週間静置後、状態を目視で観察した。
評価 ○：沈殿なし
×：沈殿固化発生

硫酸ナトリウムまたは硫酸カリウム（水溶性硫酸塩）（成分Ａ）と、水溶性ポリマー及び水溶性のカルボン酸塩からなる群から選ばれる少なくとも１種（成分Ｂ及び／又は成分Ｃ）を含む本発明の実施例１〜２１の潤滑剤は、優れた潤滑性、離型性、安定性を示す。
これに対して成分Ａの水溶性硫酸塩を含まない比較例１〜８の潤滑剤は、安定性は優れているが潤滑性、離型性が劣っている。水不溶性の硫酸カルシウムを含む比較例９は、潤滑性、離型性は優れているが安定性が劣っている。成分Ｂ及び成分Ｃのいずれも含まない比較例１０は、安定性は優れているが、潤滑性、離型性が劣っている。

Claims (8)

1. 下記の成分（１）及び（２）を含む塑性加工用水溶性潤滑剤。
   （１）成分Ａ：水溶性硫酸塩、及び、
   （２）成分Ｂ及び成分Ｃからなる群から選ばれる少なくとも１種。
   成分Ｂ：水溶性ポリマー。
   成分Ｃ：水溶性脂肪族ポリカルボン酸塩、及び水溶性芳香族カルボン酸塩からなる群から選ばれる少なくとも１種。
2. 成分Ａが、硫酸ナトリウム及び硫酸カリ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記載の塑性加工用水溶性潤滑剤。
3. 成分Ｂを含み、成分Ｂが、イソブチレン・マレイン酸共重合体又はその部分エステルのアルカリ金属塩、アンモニウム塩、アルカノールアミン塩、及びアンモニア変成アンモニ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１又は２記載の塑性加工用水溶性潤滑剤。
4. 成分Ｃを含み、成分Ｃが、脂肪族ポリカルボン酸又は芳香族カルボン酸の、アルカリ金属塩、アンモニウム塩、及びアルカノールアミン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１〜３のいずれか１項記載の塑性加工用水溶性潤滑剤。
5. 成分（１）の量が１〜６０質量部、成分（２）の量が４０〜９９質量部である請求項１〜４のいずれか１項記載の塑性加工用水溶性潤滑剤。
6. 成分（１）と成分（２）の合計１〜１００質量部と水０〜９９質量部を含む請求項１〜５のいずれか１項記載の塑性加工用水溶性潤滑剤。
7. 温間又は熱間鍛造用潤滑剤である、請求項１〜６のいずれか１項記載の塑性加工用水溶性潤滑剤。
8. 請求項１〜７のいずれか１項記載の塑性加工用水溶性潤滑剤を、工具と材料の双方又は一方に給油することを特徴とする塑性加工方法。