JP2013066901A - 潤滑被膜形成方法及び潤滑処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工材と潤滑被膜の密着性を向上させる。
【解決手段】被加工材１に潤滑剤溜まり２を形成する表面処理工程と、表面処理した被加工材１の表面に水系２層塗布型の潤滑被膜５を形成する潤滑被膜形成工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金等の冷間塑性加工用素材の表面に冷間塑性加工用の潤滑被膜を形成する潤滑被膜形成方法及び潤滑処理方法に関し、特に、被加工材との密着性に優れた水系２層塗布型の潤滑被膜を形成する潤滑被膜形成方法及び潤滑処理方法に関する。

一般に、鉄鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金等の金属材料を冷間塑性加工する場合には、加工される金属材料（以下、被加工材と称する）をそのまま、又は被加工材の表面の酸化膜をショットブラスト処理により取り除くことを行う。

冷間塑性加工する場合には、被加工材に冷間塑性加工用の潤滑被膜を形成し、摩擦を低減させる。被加工材に潤滑被膜を形成する際には、まず、被加工材と潤滑被膜の密着性を良くするために下地被膜を形成し、次に下地被膜上に潤滑被膜を形成する。

被加工材が鉄鋼の場合はリン酸塩被膜を下地膜として形成し、ステンレス鋼の場合はシュウ酸塩被膜を形成し、アルミニウム及びアルミニウム合金の場合はフッ化アルミニウム系被膜を形成し、銅及び銅合金の場合は亜酸化銅被膜を形成し、チタン及びチタン合金の場合はフッ化チタン系被膜を形成する。そして、この下地被膜上に加工度に応じて異なる種類の潤滑被膜を形成する。例えば、加工度が低い場合は、油や金属石けん等で潤滑被膜を形成し、加工度が高い場合は二硫化モリブデン等で潤滑被膜を形成する。

しかしながら、下地被膜は、化学反応によって形成するため処理工程が多工程になり、管理が煩雑となる上、廃酸、反応副生成物、重金属含有廃水等が発生する。そのため、潤滑被膜の形成方法としては、処理工程が少なく管理が簡便であって、産業廃棄物の発生を低減できる環境対応型の形成方法が望まれている。

このような問題点を解決するため、特許文献１には、ケイ酸ナトリウムとポリアミド樹脂粉末又は二硫化モリブデン粉末を水に分散させた第１潤滑剤と、ワックス又はワックスと金属石けんを水に分散させた第２潤滑剤とからなる水系２層塗布型の潤滑被膜が提案されている。特許文献１には、第１潤滑剤で被加工材の表面に密着性や耐焼付性等に優れた第１層潤滑被膜を形成し、その上に第２潤滑剤で優れた摩擦低減性能を有する第２層潤滑被膜を形成することが記載されている。

しかしながら、この水系２層塗布型の潤滑被膜は、きびしい加工条件の場合には被加工材との密着性が十分ではなく、塑性加工の際に剥がれてしまったりするため、被加工材との密着性を向上させる必要がある。

また、潤滑被膜の優れた摩擦低減性能を発揮させるためには、大量生産される被加工材の表面に第１層潤滑被膜と第２層潤滑被膜を複数の被加工材間でばらつくことなく且つ効率良く成膜する必要がある。このため、例えば複数の被加工材をかご状の容器に入れてクレーンで吊り下げ、各種処理液がそれぞれ貯留されている複数の槽に順に容器を搬送しては浸漬する作業が繰り返し行われている。しかしながら、かかる方法では、作業者によって品質にばらつきが生じることが依然としてある上、多大な手間と労力を要してしまう。

そこで、潤滑被膜と被加工材との密着性が高く、複数の被加工材間でばらつくことなく且つ効率良く優れた摩擦低減性能を有する潤滑被膜を成膜できる方法が求められている。

特開２００８−２２２８９０号公報

そこで、本発明は、上述した従来の事情に鑑みて提案されたものであり、大量生産される被加工材に対して、被加工材との密着性が高く、均一且つ効率良く、優れた摩擦低減性能を有する水系２層塗布型の潤滑被膜を形成できる潤滑被膜形成方法を提供することを目的としている。

上述した目的を達成するために、本発明に係る潤滑被膜形成方法は、被加工材に潤滑剤溜まりを形成する表面処理工程と、表面処理した被加工材の表面に水系２層塗布型の潤滑被膜を形成する潤滑被膜形成工程とを有することを特徴とする。

また、上述した目的を達成するために、本発明に係る潤滑被膜形成方法は、被加工材にウェットブラスト、酸エッチング又はアルカリエッチングにより潤滑剤溜まりを形成する表面処理工程と、表面処理した被加工材の表面に水系２層塗布型の潤滑被膜を形成する潤滑被膜形成工程とを有し、潤滑被膜形成工程は、表面処理後の被加工材を洗浄する洗浄工程と、潤滑剤溜まりを形成した被加工材の表面に第１潤滑剤を付着させ乾燥して第１潤滑剤層を形成する第１潤滑剤層形成工程と、第１潤滑剤層上に第２潤滑剤を付着させ乾燥して第２潤滑剤層を形成する第２潤滑剤層形成工程とを有することを特徴とする。

更に、上述した目的を達成するために、本発明に係る潤滑処理方法は、被加工材に潤滑剤溜まりを形成する表面処理工程と、表面処理した被加工材の表面に水系２層塗布型の潤滑被膜を形成する潤滑被膜形成工程と、被加工材の表面から潤滑被膜を除去する潤滑被膜除去工程とを有することを特徴とする。

本発明では、被加工材の表面に潤滑剤溜まりを形成することによって被加工材との密着性が高く、また複数の被加工材間でばらつくことなく且つ効率よく優れた摩擦低減性能を有する潤滑被膜を成膜することができる。

本発明を適用した潤滑被膜形成方法により潤滑被膜が形成された被加工材の断面図である。 同潤滑被膜形成方法のフローチャートである。 潤滑被膜形成装置の処理ユニットを示す図である。 各処理ユニットの構成を示す図である。 同潤滑被膜形成装置の第１処理ユニットの動作を示す図である。 潤滑処理方法のフローチャートである。

以下に、本発明を適用した潤滑被膜形成方法及び潤滑処理方法について図面を参照しながら、以下の順序で詳細に説明する。なお、本発明は、特に限定がない限り、以下の詳細な説明に限定されるものではない。

＜１．潤滑被膜形成方法＞
潤滑被膜形成方法は、図１に示すように、鉄鋼、ステンレス鋼、アルミニウム等の金属材料であって冷間塑性等の塑性加工用素材となる被加工材１に対して、この被加工材１の表面を粗くして潤滑剤溜まり２を形成した後、第１潤滑剤層３及び第２潤滑剤層４とからなる潤滑被膜５を形成する。

具体的に、潤滑被膜形成方法は、図２に示すように、被加工材１の表面に潤滑剤溜まり２を形成する表面処理工程Ｓ１と、表面処理した被加工材１を脱脂する脱脂工程Ｓ２と、脱脂後の被加工材１を洗浄する洗浄工程Ｓ３と、潤滑剤溜まり２を形成した被加工材１の表面に第１潤滑剤を付着させ乾燥して第１潤滑剤層３を形成する第１潤滑剤層形成工程Ｓ４と、第１潤滑剤層３上に第２潤滑剤を付着させ乾燥して第２潤滑剤層４を形成する第２潤滑剤層形成工程Ｓ５と有する。脱脂工程Ｓ２から第２潤滑剤層形成工程Ｓ５までが潤滑被膜形成工程に相当する。

（表面処理工程Ｓ１）
潤滑被膜形成方法は、先ず、表面処理工程Ｓ１において被加工材１の表面に潤滑剤溜まり２を形成する。表面処理工程Ｓ１は、潤滑被膜５を形成する被加工材１の表面を粗くする。

表面処理は、ショットブラスト、ワイヤーブラシ、ドライアイスブラスト、ウェットブラスト等の物理的方法や酸エッチング、アルカリエッチング等の化学的方法によって、被加工材１の表面に凹凸を形成することで被加工材１の表面を粗くする。これらの中でもウェットブラストやアルカリエッチング、酸エッチングは、ショットブラスト等の他の方法と比べて、粗さを細かくすることができるため、潤滑被膜５との密着性をより高くすることができる。ウェットブラストは、アルカリエッチング、酸エッチングよりもより粗さを細かくすることができるため特に好ましい。また、ウェットブラストやアルカリエッチング、酸エッチングにより表面処理をした場合には、被加工材１を表面処理すると共に表面の油分や汚れ、酸化膜等も除去できるため、後の脱脂工程Ｓ２を省略できる場合がある。なお、物理的方法と化学的方法とを組み合わせて表面処理を行っても良く被加工材１に応じて最適な方法を選択する。なお、アルミニウム等の強度が低いものの場合には、物理的方法よりも化学的方法の方が好ましい。

被加工材１の表面では、表面処理により形成された凹部分に潤滑剤が溜まるようになり、この凹部部分が潤滑剤溜まり２となる。被加工材１は、表面に潤滑剤溜まり２を形成することによって、凹部部分に第１潤滑剤が入り込むため、第１潤滑剤層３との密着力が高くなり、密着性が良く、表面が均一な潤滑被膜５が形成される。表面処理工程Ｓ１では、第１潤滑剤及び第２潤滑剤の潤滑性能を十分に発揮させることができる最適な潤滑剤溜まり２を形成する。

最適な表面粗さは、被加工材１の塑性加工条件によって異なるが、一般的に、十点平均粗さ（Ｒｚ）が大きく、粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が小さくなるように表面処理することが好ましい。具体的に、表面粗さは、十点平均粗さが３μｍ〜５０μｍの範囲内であり、粗さ曲線要素の平均長さが１０μｍ〜３００μｍの範囲内であることが好ましい。ショットブラスト、ワイヤーブラシ、ドライアイスブラストでは、深さが深い潤滑剤溜まり２を形成でき、ウェットブラスト、酸エッチング、アルカリエッチングでは、凹凸の間隔が狭く、被加工材１の表面をより緻密に粗くすることができる。十点平均粗さ及び粗さ曲線要素の平均長さをこのような範囲とすることによって、第１潤滑剤層３との密着性が高くなり、被加工材１と潤滑被膜５の密着性が高くなる。このような表面粗さは、被加工材１の表面に対してアルカリ脱脂や酸洗を行った場合に表面が粗くなるが、この表面粗さよりも十点平均粗さ（Ｒｚ）が大きく、粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が小さいものである。十点平均粗さは、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４に準じ、粗さ曲線要素の平均長さは、ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１に準じた値である。

次に、被加工材１の油分、酸化膜や汚れ等を除去する脱脂洗浄を行うかどうかを判断する。表面処理工程Ｓ１においてショットブラスト、ワイヤーブラシ、ドライアイスブラストで表面処理を行った場合には、油分等を除去するために脱脂洗浄を行う必要がある。したがって、この場合には、脱脂工程Ｓ２へ進み、被加工材１を脱脂洗浄する。

一方、表面処理工程Ｓ１においてウェットブラストやアルカリエッチング、酸エッチングで表面処理を行った場合には、被加工材１を表面処理すると共に表面の油分、酸化膜や汚れ等も除去できるため、脱脂工程Ｓ２が不要となる場合がある。脱脂工程Ｓ２が不要である場合には、洗浄工程Ｓ３へと進む。なお、ウェットブラストやアルカリエッチング、酸エッチングによっても十分に油分、酸化膜や汚れ等が除去できない場合には、脱脂工程Ｓ２が必要と判断し、脱脂工程Ｓ２へ進み、脱脂洗浄を行ってもよい。

（脱脂工程Ｓ２）
脱脂工程Ｓ２では、例えばアルカリ脱脂液を用いたアルカリ脱脂洗浄を行う。アルカリ脱脂洗浄を行う場合には、アルカリ脱脂液が入ったアルカリ脱脂洗浄層の温度を４０℃〜９０℃、より好ましくは７０℃〜８０℃に加温した状態でアルカリ脱脂液に被加工材１を１分間〜１０分間、より好ましくは５分間〜１０分間浸漬させ、被加工材１の表面を洗浄する。

アルカリ脱脂洗浄層の温度が４０℃未満では、アルカリ脱脂の洗浄力が不足する上、被加工材１が十分に温まらないので、第１潤滑剤層３及び第２潤滑剤層４を形成する際に付着される第１潤滑剤及び第２潤滑剤の乾燥が非効率になる。一方、アルカリ脱脂洗浄槽を９０℃を超えて加温しても、これらの洗浄効果及び乾燥効率はあまり上昇しないので経済的ではない。

また、被加工材１の浸漬時間が１分間未満では、被加工材１の表面の洗浄が不十分となるので、品質上の問題が生じるおそれがある。また、被加工材１の加温も不十分となるので、上述したように第１層潤滑剤及び第２層潤滑剤の乾燥が不十分になる。一方、１０分間を超えて浸漬しても洗浄効果及び乾燥効率はあまり上昇しない。

したがって、アルカリ脱脂洗浄は、アルカリ脱脂洗浄槽の温度を４０℃〜９０℃、より好ましくは７０℃〜８０℃とし、被加工材１の浸漬時間を１分間〜１０分間、より好ましくは５分間〜１０分間とすることにより、被加工材１に対して均一且つ効率良くアルカリ脱脂による洗浄を行うことができる。

（洗浄工程Ｓ３）
次に、洗浄工程Ｓ３へ進み、アルカリ脱脂洗浄を行った被加工材１又は表面処理を行った被加工材１を洗浄する。この洗浄工程Ｓ３では、例えば温水で洗浄を行う。温水で洗浄する場合には、４０℃〜９０℃、より好ましくは７０℃〜８０℃の温水に、被加工材１を１０秒間〜１８０秒間、好ましくは１０秒間〜６０秒間浸漬して被加工材１を洗浄する。

温水の温度が４０℃未満では、被加工材１が十分温まらず、後工程の第１潤滑剤層３及び第２潤滑剤層４を形成する際に付着される第１潤滑剤及び第２潤滑剤の乾燥が不十分になる。温水の温度が９０℃程度あれば、十分に洗浄されるので、この温度を超えた加熱は不経済となる。

また、被加工材１の浸漬時間が１０秒間未満では、被加工材１の洗浄が不十分になり、１８０秒間程度で十分に洗浄されるので１８０秒間を超えた湯洗は不経済である。なお、被加工材１の素材等により６０秒程度であっても十分に洗浄することができる場合がある。

したがって、洗浄は、温水の温度を４０℃〜９０℃、より好ましくは７０℃〜８０℃とし、被加工材１の浸漬時間を１０秒間〜１８０秒間、より好ましくは１０秒間〜６０秒間とすることにより、被加工材１に対して均一且つ効率良く洗浄を行うことができる。

脱脂工程Ｓ２と洗浄工程Ｓ３は、被加工材１の浸漬から、アルカリ脱脂液や温水の液切り、被加工材１の排出までを一連の処理で行うため、十分な脱脂及び洗浄が行われる。

（第１潤滑剤層形成工程Ｓ４）
次に、第１潤滑剤層形成工程Ｓ４へ進み、温水洗浄を行った被加工材１の潤滑剤溜まり２を形成した表面に水系の第１潤滑剤を浸漬又はスプレー等の方法により付着させ、乾燥することで第１潤滑剤層３を形成する。この第１潤滑剤層３は、被加工材１との密着性を良くし、耐焼付性、塑性変形に対する追随性能、カス溜まり防止性能等を有する。

第１潤滑剤層形成工程Ｓ４では、脱脂工程Ｓ２において脱脂を行った場合、４０℃〜９０℃、より好ましくは７０℃〜８０℃の第１潤滑剤に被加工材１を５秒間〜６００秒間、好ましくは１０秒間〜６０秒間浸漬する。そして、第１潤滑剤から被加工材１を取出して、第１潤滑剤を乾燥させて被加工材１の表面に第１潤滑剤層３を形成する。

第１潤滑剤層形成工程Ｓ４において、第１潤滑剤の温度が４０℃未満では被加工材１の乾燥が不十分になり、第１潤滑剤の温度が９０℃を超えると第１潤滑剤の劣化が促進されるおそれがある。また、被加工材１の浸漬時間が５秒間未満では、被加工材１の表面全体が第１潤滑剤で濡れず、６００秒間程度で被加工材１の表面全体が十分濡れるのでそれを超えた浸漬は不経済となる。

一方、脱脂工程Ｓ２を省略した場合には、被加工材１自体を温めるため、第１潤滑剤への浸漬時間を１分間〜１０分間、より好ましくは５分間〜１０分間とする。１分間未満では、処理後の乾燥が不十分になり、１０分間程度で十分温まっているので１０分間を超えた浸漬は不経済となる。

以上より、第１潤滑剤層形成工程Ｓ４では、第１潤滑剤の温度を４０℃〜９０℃、より好ましくは７０℃〜８０℃とし、脱脂を行った被加工材１の浸漬時間を５秒間〜６００秒間、好ましくは１０秒間〜６０秒間とし、脱脂を行っていない被加工材１の浸漬時間を１分間〜１０分間、より好ましくは５分間〜１０分間とすることにより、被加工材１の表面に対する密着性が高く、耐焼付性、塑性変形に対する追随性能、カス溜まり防止性能等に優れた第１潤滑剤層３を均一且つ効率良く形成することができる。

また、この第１潤滑剤層形成工程Ｓ４では、第１潤滑剤が凹凸状に形成された凹部部分の潤滑剤溜まり２内に入り込むため、被加工材１と密着性が高い第１潤滑剤層３を形成することができる。第１潤滑剤層３の厚さは、０．１〜５０μｍが好ましく、１〜２０μｍが更に好ましい。第１潤滑剤層３の厚さを０．１〜５０μｍ、より好ましくは１〜２０μｍとすることによって、被加工材１との密着性が良く、耐焼付性、塑性変形に対する追随性能、カス溜まり防止性能等の優れた性能を発揮できる。

ここで、第１潤滑剤は、固体潤滑剤と結合剤とを含有するものであり、これら又はこれらと他の任意成分とを水に溶解・分散した水系のものである。第１潤滑剤としては、例えば必須成分のケイ酸ナトリウムと、ポリアミド樹脂粉末又は二硫化モリブデン粉末とを水に溶解・分散させたものが挙げられる。第１潤滑剤は、第１潤滑剤層３の密着性が良く、耐焼付性、塑性変形に対する追随性能、カス溜まり防止性能等に優れた性能を有するように、固体潤滑剤と結合剤を適宜配合する。

ケイ酸ナトリウムは、化学式Ｎａ_２Ｏ・ｎＳｉＯ_２で表され、且つｎが２．８〜４．４のものが好ましく、３．２〜４．３の範囲が更に好ましい。ｎが２．８未満の場合は、吸湿性が強く、経時変化により密着性能が低下しやすくなり、ｎが４．４を超える場合には水溶液として不安定であるため好ましくない。ｎが２．８〜４．４のケイ酸ナトリウムを用いることで、被加工材１への密着性を有する第１潤滑剤層３が得られるだけでなく、吸湿性が弱いため経時変化による密着性能の低下が起こり難く、安定した被膜特性を発揮することができる。

ポリアミド樹脂粉末は、水に分散してケイ酸ナトリウムと混合した場合、ケイ酸ナトリウムとの相性が良く、一体化した被膜を被加工材１の表面に形成すると強固に密着し、密着性能、耐焼付性能、材料流れへの追随性能、カス溜まり防止性能を持つ第１潤滑剤層３を形成することができる。

また、二硫化モリブデン粉末は、単独で若しくは黒鉛粉末と併用し、水に分散してケイ酸ナトリウムと混合した場合、ケイ酸ナトリウムとの相性が良く、一体化した被膜を被加工材１の表面に形成して強固に密着し、密着性能、耐焼付性能、材料流れへの追随性能、カス溜まり防止性能を持つ第１潤滑剤層３を形成することができる。二硫化モリブデン粉末及び黒鉛粉末は、一般的に固体潤滑剤として用いられるグレードのものが好ましい。更に、上記したポリアミド樹脂粉末と二硫化モリブデン粉末とを併用し、あるいはポリアミド樹脂粉末と二硫化モリブデン粉末及び黒鉛粉末とを併用して、水に分散してケイ酸ナトリウムと混合することによって第１潤滑剤とすることもできる。なお、ポリアミド樹脂粉末、二硫化モリブデン粉末、黒鉛粉末は、平均粒径が小さいものが好ましく、例えば平均粒径１０μｍ以下が特に好ましい。また、第１潤滑剤には、必要に応じて、界面活性剤、沈降防止剤、増粘剤、防錆剤、消泡剤等を配合して調製することも可能である。

以上のようにして形成した第１潤滑剤層３は、被加工材１の表面に潤滑剤溜まり２が形成されていることによって、密着性が高く、耐焼付性等を有する。そして、次工程において、被加工材１の摩擦を低減させるために、第１潤滑剤層３上に第２潤滑剤層４を形成する。

（第２潤滑剤層形成工程Ｓ５）
次に、第２潤滑剤層形成工程Ｓ５へ進み、被加工材１に形成した第１潤滑剤層３上に第２潤滑剤を付着させ、乾燥することで第２潤滑剤層４を形成する。第２潤滑剤層４は、被加工材１の摩擦を低減させる。第２潤滑剤層形成工程Ｓ５では、４０℃〜９０℃、より好ましくは７０℃〜８０℃の水系の第２潤滑剤に被加工材１を５秒間〜１２０秒間、より好ましくは１０秒間〜６０秒間浸漬する。そして、第２潤滑剤から被加工材１を取出して、第２潤滑剤を乾燥させて、被加工材１の表面に第２潤滑剤層４を形成する。この第２潤滑剤層形成工程Ｓ５により、被加工材１の表面に第１潤滑剤層３及び第２潤滑剤層４とからなる水系２層塗布型の潤滑被膜５を形成する。第２潤滑剤層４の厚さは、０．１〜３０μｍが好ましく、０．１〜１０μｍが更に好ましい。第２潤滑剤層４の厚さを０．１〜３０μｍ、より好ましくは０．１〜１０μｍとすることによって、十分に摩擦低減性能、カス溜まり防止性能を発揮することができる。

第２潤滑剤層形成工程Ｓ５において、第２潤滑剤の温度が４０℃未満では、乾燥が不十分になり、９０℃を超えると第２潤滑剤の劣化が促進されるおそれがある。また、被加工材１の浸漬時間が５秒間未満では、被加工材１の表面全体が第２潤滑剤で濡れず、１２０秒間を超えると第１潤滑剤層３が膨潤したり、その一部が溶解したりするおそれがある。

したがって、第２潤滑剤層形成工程Ｓ５では、第２潤滑剤の温度を４０℃〜９０℃、より好ましくは７０℃〜８０℃とし、被加工材１の浸漬時間を５秒間〜１２０秒間、より好ましくは１０秒間〜６０秒間とすることにより、第１潤滑剤層３上に均一且つ効率良く摩擦低減性能を有する第２潤滑剤層４を形成することができる。

第２潤滑剤層形成工程Ｓ５では、塑性加工すべき被加工材１の種類及び加工度に応じて第２潤滑剤の組成と付着させる膜厚を選定し、被加工材１の表面へ浸漬やスプレー等の方法で付着させて乾燥することにより第２潤滑剤層を形成し、従来のような下地被膜と潤滑被膜の組み合わせに匹敵する潤滑性能を有する２層潤滑被膜を形成することができる。

第２潤滑剤は、ワックス又はワックスと金属石けんとを水に分散した水系のものである。ワックスとしては、天然ワックス又は合成ワックスを使用でき、融点８０℃以上のものが好ましい。また、金属石けんは、一般的に被加工材１の塑性加工に用いられるものであれば、脂肪酸も金属の種類も限定されず、中でもステアリン酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛等が好ましい。第２潤滑剤は、ワックスと金属石けんとを混合する場合、摩擦低減性能が得られるように適宜配合する。

第１潤滑剤層形成工程Ｓ４及び第２潤滑剤層形成工程Ｓ５は、被加工材１の第１潤滑剤や第２潤滑剤への浸漬から、第１潤滑剤や第２潤滑剤の液切り、乾燥及び被加工材１の排出までを一連の処理で行うため、十分な潤滑性能を持った水系２層型の潤滑被膜５を効率良く形成することができる。

以上のように、潤滑被膜形成方法では、被加工材１の表面に潤滑剤溜まり２を形成することによって、潤滑剤溜まり２の内部にまで第１潤滑剤が入り込むため、被加工材１と第１潤滑剤層３との密着性が高くなることで、被加工材１と潤滑被膜５との密着性が高くなり、塑性加工中に潤滑被膜５が剥離することを防止できる。この潤滑被膜形成方法では、潤滑被膜５の剥離を防止できることから、第２潤滑剤層４による被加工材１の摩擦低減効果を確実に発揮することができる。また、上述した潤滑被膜形成方法では、従来のように酸洗を行わず、また水系の潤滑剤を用いているため、廃液回数が非常に少なくなり、産業廃棄物の発生を低減できる。

また、ウェットブラスト、アルカリエッチング、酸エッチング等で表面処理を行った場合には、脱脂工程Ｓ２を不要にできる場合があり、潤滑被膜５をより効率良く形成することができる。

潤滑被膜５は、例えば、図３〜図５に示す成膜装置を用いて、脱脂工程Ｓ２〜第２潤滑剤層形成工程Ｓ５までを行うことによって形成することができる。

この水系２層塗布型の潤滑被膜の形成装置は、ショットブラスト等によって表面に潤滑剤溜まり２を形成した被加工材１に対して例えばアルカリ脱脂処理を行う第１処理ユニット７Ａと、湯洗処理を行う第２処理ユニット７Ｂと、第１潤滑剤層３を形成する第３処理ユニット７Ｃと、第２潤滑剤層を形成する第４処理ユニット７Ｄとを有する。

これら第１処理ユニット７Ａ〜第４処理ユニット７Ｄは、図３に示すように、この順序で一列に配置されており、第１処理ユニット７Ａ及び第４処理ユニット７Ｄの近傍には被加工材１を搬送するベルトコンベアー等の搬送装置６Ａ、６Ｂがそれぞれ配置されている。

第１処理ユニット７Ａ〜第４処理ユニット７Ｄは、図４及び図５に示すように、各々、例えばヒータ１１により加熱された浸漬用液体を貯留する貯留槽１０と、被加工材１を収容した状態で貯留槽１０内の浸漬用液体に浸漬される通液自在に形成された容器２０と、容器２０を回転させる回転手段として回転軸３０、枠状部材３１、プーリ３２、モータ３３、プーリ３４及びベルト３５と、容器２０を傾転させる傾転手段として回動軸４０ａ、ｂ、揺動部材４１、プーリ４２、モータ４３、プーリ４４及びベルト４５と、容器２０に収容されている被加工材１が貯留槽１０内の浸漬用液体に浸漬される浸漬位置と浸漬されない非浸漬位置との間で容器２０を移動させる移動手段として回動軸５０ａ、ｂ、支持部材５１、プーリ５２、モータ５３、プーリ５４及びベルト５５とを有している。

かかる構成により、第１処理ユニット７Ａ〜第４処理ユニット７Ｄの各々では、被加工材１の受け入れ、浸漬、液切り、乾燥及び排出からなる一連の処理を行うことができる。

各処理ユニットでは、先ず、空の容器２０内に被加工材１を受け入れた後、被加工材１を入れた容器２０を図５中の状態Ａに示すようにアルカリ脱脂液等の浸漬用溶液に浸漬させ、モータ３３を起動することでプーリ３２、３４及びベルト３５を介して、枠状部材３１に回転可能に取り付けられた回転軸３０を回転させ、この回転軸３０を中心に容器２０を回転させながら所定時間浸漬させる。貯留槽１０には、各処理ユニットで行う処理に必要なアルカリ脱脂液、温水、第１潤滑剤又は第２潤滑剤が貯留されている。容器２０は、少なくとも貯留槽１０の液面Ｌ以下に浸漬される部分が通液自在に形成されている。なお、容器２０は、被加工材１の形状に応じて、バレル、籠、フック、被加工材専用保持器や、搬送用ロボットの手を代用することにより、様々な形状の被加工材１の表面に、均一で一定膜厚の十分な潤滑性能を持った水系２層塗布型の潤滑被膜５を形成することができる。

次に、所定時間浸漬後、図５中の状態Ｂに示すように、モータ５３を起動して、プーリ５４を図５の紙面上時計回りに回転させて揺動部材４１を回動軸５０ａ、ｂを中心にして第２処理ユニット７Ｂ側に揺動させる。また、モータ４３を起動してプーリ４４を図５の紙面上反時計周りに回転させ、ベルト４５を介してプーリ４２を回転させることにより、一対の回動軸４０ａ、ｂを中心に容器２０をほぼ水平となるまで傾転させる。これにより、容器２０は、浸漬用溶液の液面Ｌよりも高い非浸漬位置で維持され、液切り及び乾燥を行う。この際に、液切りによって滴下する浸漬用溶液は、そのまま貯留槽１０に戻される。

次に、乾燥後、図５中の状態Ｃに示すように、再びモータ５３を起動して、プーリ５４を図５の紙面上時計回りに回転させて揺動部材４１を回動軸５０ａ、ｂを中心にして第２処理ユニット７Ｂ側に更に揺動させ、容器２０を第２処理ユニット７Ｂ側に移動させる。そして、この位置でモータ４３を起動してプーリ４４を図５の紙面上反時計回りに回転させて、ベルト４５を介してプーリ４２を回転させることによって、容器２０がほぼ真下を向くように傾転させる。

この時、隣接する第２処理ユニット７Ｂの貯留槽１０内では、空の容器２０が前述した状態Ａの姿勢を保ったまま待機しており、第１処理ユニット７Ａの状態Ｃの容器２０と第２処理ユニット７Ｂの状態Ａの容器２０とは、互いに開口部２１が上下でほぼ対向する位置関係になっている。よって、容器２０に収容されている被加工材１を、隣接する第２処理ユニット７Ｂの空の容器２０に直接投入することが可能となる。このように、容器２０が保持している被加工材１のみを次工程へ排出することにより、各貯蓄槽１０内の処理溶液が次工程の各貯蓄槽１０へ混入することを極力低減し、十分な潤滑性能を持った２層潤滑被膜５を安定して形成することができる。

以上により、第１処理ユニット７Ａにおいて、被加工材１の受け入れ、アルカリ脱脂液への浸漬、アルカリ脱脂液の液切り、乾燥及び排出からなる一連の処理が完了する。なお、上記した種々の動作の開始時点や終了時点の判断は、例えば移動する部材の接触又は非接触によってそのタイミングを検出する図示しないセンサーを用いて行うことができる。また、所定の浸漬時間、液切り及び乾燥時間の経過の判断は例えばタイマを用いて行うことができる。被加工材１を排出した第１処理ユニット７Ａの容器２０は、その後、上記と逆の行程をたどって状態Ａに戻される。そして、次に処理する被加工材１を搬送装置６Ａから受け取り、以降は上記と同様の動作が繰り返される。

一方、被加工材１が投入された第２処理ユニット７Ｂの容器２０は、上記した第１処理ユニット７Ａの容器２０と同様に回転手段、移動手段及び傾転手段を用いて動かされる。これにより、第２処理ユニット７Ｂの貯留槽１０に貯められている温水によって被加工材１を湯洗処理する第３処理ユニット７Ｃへと進む。以降、同様にして第３処理ユニット７Ｃ及び第４処理ユニット７Ｄにおいて被加工材１に第１潤滑剤層３の形成及び第２潤滑剤層４の形成が行われ、被加工材１の潤滑剤溜まり２が形成された表面上に第１潤滑剤層３と第２潤滑剤層４とからなる水系２層塗布型の潤滑被膜５が形成される。

なお、第１処理ユニット７Ａでは、上述したように、アルカリ脱脂洗浄槽の温度を４０℃〜９０℃、より好ましくは７０℃〜８０℃とし、被加工材１の浸漬時間を１分間〜１０分間、より好ましくは５分間〜１０分間する。第２処理ユニット７Ｂでは、上述したように温水の温度を４０℃〜９０℃、より好ましくは７０℃〜８０℃とし、被加工材１の浸漬時間を１０秒間〜１８０秒間、好ましくは１０秒間〜６０秒間とする。第３処理ユニット７Ｃでは、上述したように第１潤滑剤の温度を４０℃〜９０℃、より好ましくは７０℃〜８０℃とし、被加工材１の浸漬時間を５秒間〜６００秒間、好ましくは１０秒間〜６０秒間とする。第４処理ユニット７Ｄでは、上述したように第２潤滑剤の温度を４０℃〜９０℃、より好ましくは７０℃〜８０℃とし、被加工材１の浸漬時間を５秒間〜１２０秒間、より好ましくは１０秒間〜６０秒間とする。

以上のように、水系２層塗布型の潤滑被膜の形成装置では、前もって被加工材１の表面に潤滑剤溜まり２を形成し、そして第１処理ユニット７Ａ〜第４処理ユニット７Ｄの各処理ユニットにおいて被加工材１の浸漬、液切り、乾燥、排出までを一連の処理で行い、更に、第１処理ユニット７Ａから第４処理ユニット７Ｄまでを被加工材１が通過することによって、脱脂工程Ｓ２から第２潤滑剤層形成工程Ｓ５までを一連の処理で行うことができる。これにより、水系２層塗布型の潤滑被膜の形成装置では、大量生産される被加工材１の表面に、被加工材１との密着性が高く、優れた摩擦低減性能等を有する水系２層塗布型の潤滑被膜５を均一且つ効率良く形成することができる。

また、上述した潤滑被膜の形成装置では、搬送装置６Ａと第１処理ユニット７Ａとの間に、被加工材１に対して潤滑剤溜まり２を形成する表面処理を行う表面処理ユニットを設けてもよい。上述した潤滑被膜の形成装置において、表面処理ユニットも設けることによって、表面処理工程Ｓ１から第２潤滑剤層形成工程Ｓ５までを一連の処理で行うことができるため、密着性が高く、優れた摩擦低源性能等を有する潤滑被膜５をより効率良く形成することができる。

また、ウェットブラスト、アルカリエッチングや酸エッチングにより表面処理を行い、脱脂工程Ｓ２を省略して潤滑被膜５を形成する場合には、第２処理ユニット７Ｂから第４処理ユニット７Ｄまでを備える潤滑被膜の形成装置を用いてもよい。脱脂工程Ｓ２を省略した場合には、第１潤滑剤層３を形成する第３処理ユニット７Ｄでは、第１潤滑剤への被加工材１の浸漬時間は１分間〜１０分間、より好ましくは５分間〜１０分間とする。このように脱脂工程Ｓ２を省略することができる場合には、脱脂洗浄を行った場合よりも潤滑被膜５をより効率良く形成することができる。

＜潤滑処理方法＞
次に、被加工材１に潤滑被膜５を形成し、被加工材１を塑性加工した後、必要に応じて、不要となった潤滑被膜５を除去することで、被加工材１に潤滑処理を行う潤滑処理方法について説明する。なお、上述した潤滑被膜形成方法と同様の工程について詳細な説明を省略する。

潤滑処理方法は、図６に示すように、被加工材１に潤滑剤溜まり２を形成する表面処理工程Ｓ１から被加工材１に第２潤滑剤層４を形成する第２潤滑剤層形成工程Ｓ５までは上述した潤滑被膜形成方法と同様の方法により被加工材１に潤滑被膜５を形成する。次に、潤滑剤処理方法は、被加工材１を例えば冷間塑性加工等の塑性加工をする加工工程Ｓ６へと進み、塑性加工を行う。次に、潤滑被膜除去工程Ｓ７に進み、不要となった潤滑被膜５を被加工材１の表面から除去する。

このような潤滑処理方法では、被加工材１の表面に潤滑被膜５が形成された状態で塑性加工を行うため、塑性加工の際には摩擦が低減され、耐焼付きも防止できており、塑性加工後、潤滑被膜５が不要であれば潤滑被膜５を除去することができる。

この潤滑被膜除去工程Ｓ７は、アルカリエッチング、酸エッチング等の化学的方法や、ショットブラスト、ウェットブラスト、バフ研摩等の物理的方法から、適切な除去方法と除去条件を選定し、潤滑被膜５のみを除去する。

アルカリエッチング、酸エッチング等の化学的方法の場合には、潤滑被膜５のみを溶解するアルカリ又は酸の種類、濃度、温度、時間を除去条件として選定し、潤滑被膜５のみを除去する。

ショットブラスト、ウェットブラスト、バフ研摩等の物理的方法の場合には、適切な研磨剤(投射剤)の種類、圧力、時間を除去条件として選定し、潤滑被膜５のみを除去する。

このような潤滑処理方法では、被加工材１の表面に潤滑剤溜まり２を形成しているため、被加工材１と潤滑被膜５との密着性が高く、被加工材１を塑性加工する際に剥離せず、摩擦低減及び耐焼付き性を発揮することができる。そして、この潤滑処理方法では、被加工材１と潤滑被膜５との密着性が良いものであるが、塑性加工後に潤滑被膜５を表面から除去する際には上述した化学的方法や物理的方法により、潤滑被膜５のみを十分に除去することができる。

また、この潤滑処理方法では、第１処理ユニット７Ａ〜第４処理ユニット７Ｄの各処理ユニットにおいて被加工材１の浸漬、液切り、乾燥、排出までを一連の処理で行い、更に、第１処理ユニット７Ａから第４処理ユニット７Ｄまでを被加工材１が通過することによって、脱脂工程Ｓ２から第２潤滑剤層形成工程Ｓ５までを一連の処理で行うことができる。これにより、この潤滑処理方法においても、大量生産される被加工材１の表面に、被加工材１との密着性が高く、優れた摩擦低減性能を有する水系２層塗布型の潤滑被膜５を均一且つ効率良く形成することができる。

更に、この潤滑処理方法において、表面処理をウェットブラスト、アルカリエッチング、酸エッチングで行った場合には、脱脂工程Ｓ２が不要となる場合があるため、被加工材１に対してより効率よく潤滑処理をすることができる。

以下に、表面処理方法に違いによる被加工材の表面粗さ、潤滑被膜の密着性について評価する。被加工材にはアルミニウム材（Ａ−４０３２）を用い、このアルミニウム材に表面処理を行っていないもの（サンプル１）と、アルカリエッチング（サンプル２）、ショットブラスト（サンプル３、４）、ウェットブラスト（サンプル５）による表面処理を行ったものの十点平均粗さ、粗さ曲線要素の平均長さ、潤滑被膜の密着性を評価した。十点平均粗さ、粗さ曲線要素の平均長さは、表面粗さ計（テーラーホブソン株式会社製、フォームタリサーフ シリーズ２ Ｓ４Ｆ）を用いて算出した。

各表面処理条件における表面粗さ及び潤滑被膜の密着性は、下記の表１に示すようになった。なお、潤滑被膜の密着性は、実機による鍛造評価により焼付きが生じたか否かにより密着性を評価した。潤滑被膜が剥がれ焼付きが生じた場合には、潤滑被膜の密着性が悪いとして表１中に×で示し、焼付きが生じなかった場合には、潤滑被膜の密着性が良いとして表１中に○で示した。

アルカリエッチングは、エッチング液として水酸化ナトリウムの５％水溶液を用い、浸漬条件はエッチング液の温度７０℃、６０秒間浸漬させた。

ショットブラストは、直径０．２ｍｍ、０．３ｍｍのスチール研磨材を投射速度７３ｍ／ｓｅｃにて投射した。

ウェットブラストは、直径０．２ｍｍのＳＵＳ研磨材を水に１５vol％の割合で分散させ、０．２ＭＰａの圧力で噴射した。

表１に示すように、被加工材を表面処理していないサンプル１は、十点平均粗さが小さいため、凹凸が小さく、粗さ曲線要素の平均長さが大きいので凹凸の間隔が広いことがわかる。サンプル１は、アルミニウム材の表面が粗くないため、潤滑剤溜まりが殆どなく、第１潤滑剤の密着性が悪いため、潤滑被膜の密着性が悪く剥がれやすくなり、焼付きが生じた。したがって、サンプル１は、被加工材であるアルミニウム材に対する潤滑被膜の密着性が悪いことがわかる。

一方、サンプル２は、十点平均粗さがサンプル１よりも大きいが、他の処理方法と比べると小さいので、凹凸の深さ及び凹凸の間隔が小さく、細かい凹凸が形成されていることがわかる。

サンプル３、４は、十点平均粗さが大きいので比較的大きな凹凸が形成されているが、粗さ曲線要素の平均長さが大きいので凹凸の間隔が広いことがわかる。

サンプル５は、十点平均粗さが大きいが、粗さ曲線要素の平均長さが小さいので、比較的大きい凹凸であって、しかも凹凸の間隔が狭いことがわかる。

したがって、アルミニウム材の表面をアルカリエッチング、ショットブラスト、ウェットブラストした場合には、アルミニウム材の表面が粗く、潤滑剤溜まりが形成されているため、第１潤滑剤の密着性が高く、潤滑被膜の密着性が高くなり、潤滑被膜の剥離が防止でき、焼付きが生じなかった。したがって、アルカリエッチング、ショットブラスト、ウェットブラストによる表面処理は、被加工材であるアルミニウム材に対する潤滑被膜の密着性が高いことがわかる。

以上より、被加工材の表面をアルカリエッチング、ショットブラスト、ウェットブラスト等により粗くすることによって、表面処理をしていない場合よりも潤滑被膜との密着性を向上させることができることがわかる。

１ 被加工材、２ 潤滑剤溜まり、３ 第１潤滑剤層、４ 第２潤滑剤層、５ 潤滑被膜、６Ａ、６Ｂ 搬送装置、１０ 貯留層、１１ ヒータ、２０ 容器、２１ 開口部、３０ 回転軸、３１ 枠状部材、３２ プーリ、３３ モータ、３４ プーリ、３５ ベルト、４０ａ 回転軸、４０ｂ 回転軸、４１ 揺動部材、４２ プーリ、４３ モータ、４４ プーリ、４５ ベルト、５０ａ、５０ｂ 回動軸、５１ 支持部材、５２ プーリ、５３ モータ、５４ プーリ、５５ ベルト

Claims (9)

1. 被加工材に潤滑剤溜まりを形成する表面処理工程と、
   上記表面処理した被加工材の表面に水系２層塗布型の潤滑被膜を形成する潤滑被膜形成工程とを有することを特徴とする潤滑被膜形成方法。
2. 上記表面処理工程は、十点平均粗さが３μｍ〜５０μｍの範囲内、粗さ曲線要素の平均長さが１０μｍ〜３００μｍの範囲内である凹凸を上記被加工材の表面に形成することを特徴とする請求項１記載の潤滑被膜形成方法。
3. 上記表面処理工程では、ショットブラスト、ワイヤーブラシ、ドライアイスブラスト、ウェットブラスト、酸エッチング、アルカリエッチングのいずれか１以上の方法により、上記被加工材の表面に凹凸を形成することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の潤滑被膜形成方法。
4. 上記潤滑被膜形成工程は、
   上記被加工材の表面を脱脂する脱脂工程と、
   上記脱脂後の被加工材を洗浄する洗浄工程と、
   上記潤滑剤溜まりを形成した上記被加工材の表面に第１潤滑剤を付着させ乾燥して第１潤滑剤層を形成する第１潤滑剤層形成工程と、
   上記第１潤滑剤層上に第２潤滑剤を付着させ乾燥して第２潤滑剤層を形成する第２潤滑剤層形成工程とを有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の潤滑被膜形成方法。
5. 上記脱脂工程、上記洗浄工程、上記第１潤滑剤層形成工程及び上記第２潤滑剤層形成工程の各工程は、加熱された浸漬用液体を貯留する貯留槽と、上記被加工材を該貯留槽内の浸漬用液体に浸漬させる冶具と、上記被加工材を上記貯留槽内の浸漬用液体に浸漬させる浸漬位置と浸漬させない非浸漬位置との間で冶具を移動させる移動手段とを備える装置で行うことを特徴とする請求項４記載の潤滑被膜形成方法。
6. 被加工材にウェットブラスト、酸エッチング又はアルカリエッチングにより潤滑剤溜まりを形成する表面処理工程と、
   上記表面処理した被加工材の表面に水系２層塗布型の潤滑被膜を形成する潤滑被膜形成工程とを有し、
   上記潤滑被膜形成工程は、
   上記表面処理後の被加工材を洗浄する洗浄工程と、
   上記潤滑剤溜まりを形成した上記被加工材の表面に第１潤滑剤を付着させ乾燥して第１潤滑剤層を形成する第１潤滑剤層形成工程と、
   上記第１潤滑剤層上に第２潤滑剤を付着させ乾燥して第２潤滑剤層を形成する第２潤滑剤層形成工程とを有することを特徴とする潤滑被膜形成方法。
7. 上記表面処理工程は、十点平均粗さが３μｍ〜５０μｍの範囲内、粗さ曲線要素の平均長さが１０μｍ〜３００μｍの範囲内である凹凸を上記被加工材の表面に形成することを特徴とする請求項６記載の潤滑被膜形成方法。
8. 被加工材に潤滑剤溜まりを形成する表面処理工程と、
   上記表面処理した被加工材の表面に水系２層塗布型の潤滑被膜を形成する潤滑被膜形成工程と、
   上記被加工材の表面から上記潤滑被膜を除去する潤滑被膜除去工程とを有することを特徴とする潤滑処理方法。
9. 上記潤滑被膜除去工程では、アルカリエッチング、酸エッチング、ショットブラスト、ウェットブラスト、バフ研摩のいずれかの方法により上記潤滑被膜を除去することを特徴とする請求項８記載の潤滑処理方法。

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