JP3713830B2

JP3713830B2 - 皮膜密着性と耐キズつき性に優れた表面潤滑処理金属材

Info

Publication number: JP3713830B2
Application number: JP23705096A
Authority: JP
Inventors: 昌弘高橋; 弘行長井; 修二中居; 洋向山; 幸宏吉川
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2016-09-06
Also published as: JPH1080664A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基材金属の表面に皮膜密着性と耐キズつき性に優れた潤滑処理皮膜を有する金属材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼板を始めとする金属薄板を塑性加工する際に潤滑剤を使用し、金型と金属板との潤滑性を高めて加工時に加えられる荷重を低減したり、焼き付きを防止する技術は従来より常套的に採用されている。しかし、近年は、潤滑剤を使用する際および使用後の潤滑剤の処理の問題等、環境問題への対応や製造コスト低減のために、需要家が加工時にプレス油等の潤滑剤を塗布するのではなく、金属薄板の製造段階または需要家までの適当な段階で金属薄板表面に種々の潤滑剤を含有する固体有機被膜 (以下、本明細書においては｛潤滑処理皮膜｝という) を予め塗布した表面潤滑処理金属薄板が広く利用されるようになってきた。
【０００３】
このような表面潤滑処理金属薄板は、塑性加工後に脱脂等の手法により潤滑処理皮膜を除去し、その後、無処理で使用されるか、あるいは更に化成処理および塗装などを施して使用される脱膜型の表面潤滑処理金属薄板と、塑性加工後に潤滑処理皮膜を除去することなく、その皮膜表面のままで、ないしはさらに塗装などを施して使用される非脱膜型の表面潤滑処理金属薄板とに大別される。一般に、ステンレス鋼板やアルミニウム鋼板など、その美麗な表面を生かして最終製品化される素材の場合は、脱膜型の表面潤滑処理金属薄板として使用されることが多い。
【０００４】
このような脱膜型の塑性加工用潤滑処理皮膜に要求される主な性能は下記の▲１▼〜▲３▼の性能である。
▲１▼皮膜厚が薄くても良好な潤滑性を示す。
▲２▼皮膜形成後、積重ねても皮膜同士が容易に粘着しない (耐ブロッキング性が良好である) 。
▲３▼皮膜の洗浄除去が容易である。
【０００５】
金属薄板の表面にこのような潤滑処理皮膜を形成させることができる潤滑処理皮膜剤の主成分は、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、メラミン系樹脂等の従来より公知の乾燥もしくは焼付硬化型皮膜形成成分であり、これに潤滑性成分として、脂肪酸、脂肪酸塩、脂肪酸金属石鹸、脂肪酸エステル、脂肪酸アミド、高級アルコール、グラファイト、二硫化モリブデン、フッ素樹脂粉末などの一種もしくは二種以上を配合したものが提唱されている。
しかしながら、これら従来の潤滑処理皮膜では絞り加工時の潤滑性が十分でなく、金属薄板に対する耐キズつき性が問題となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、上述したステンレス鋼板など表面に研磨ないしは光輝焼鈍等を施した美麗な金属光沢を有する金属薄板の場合、絞り加工等の成形が可能なだけでは不十分で、加工を施し、潤滑処理皮膜を除去した後も美麗な表面を保持することが重要である。したがって、特に耐キズつき性の問題は深刻である。このために現在は、加工前の金属薄板表面に厚み80μｍ程度のビニールフィルム等を貼合して、潤滑性および美麗な表面を確保しているのが一般的である。しかしこのようにビニールフィルム等を貼合した場合、加工後にフィルムを剥離することが必要であり、通常この作業は人力で行わなければならないため、製造ラインの自動化・省力化の大きな妨げとなり、あるいは高コスト化を招く原因ともなっている。また、特に加工部でフィルムの剥離が困難になる場合が多い。さらに剥離したフィルムは嵩高く、また、多くは焼却処分が困難で、その減容・埋立処理等に多大な経費を要する。
【０００７】
そのため、脱膜型潤滑処理金属薄板の耐キズつき性の改善に対する要求が強く、例えば、特開昭52−104459号公報には特定組成からなる有機化合物皮膜を表裏面に有し、これを下地層として片面にのみ潤滑皮膜を形成せしめてなる高加工ステンレス鋼板が開示されており、また、特開昭53−75159 号公報には、特定の酸価およびガラス転移温度を有するビニル系樹脂等を表面に被覆したステンレス鋼板が開示されている。しかしながら、家電メーカー等の需要家の要求する非常に高度な耐キズつき性を満足するような潤滑処理皮膜を有する金属薄板は今だ得られていないのが現状である。
【０００８】
本発明はこのような状況に鑑みなられたもので、その目的は耐キズつき性をはじめ、潤滑性、耐ブロッキング性、脱膜性等、塑性加工時に必要とされている全ての性能を満足する潤滑処理鋼板を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
従来、塑性加工時に発生する表面キズを防止するため主たる考え方は以下のようなものであった。
(a) 潤滑処理皮膜の膜厚を厚くして、金型と金属薄板の直接接触を避ける。
(b) 潤滑処理皮膜の潤滑性を固体潤滑剤などの添加によって向上させ、キズ発生にいたるまでの摺動長さを増加させる。
【００１０】
しかし、このような従来の考え方によって得られた潤滑皮膜では、近年一般化しつつある金型を使った厳しい加工条件の場合は基材金属に表面キズが発生することが判明した。
【００１１】
そこで、本発明者らは、塑性加工時における表面キズ発生のメカニズムについて種々の検討を行った結果、材料との接触によって金型内に堆積する潤滑処理皮膜の剥離片そのものが表面キズ発生の原因になるということを見い出した。
【００１２】
すなわち、どんなに潤滑性の良い皮膜を厚く成形させても、皮膜と基材金属の密着力が低ければ皮膜が根こそぎ剥離し、その剥離した皮膜が金型に堆積し表面キズの原因となるのである。従って、皮膜と基材金属の密着性を高めることにより、表面キズの発生を抑制することが可能であるという結論に達した。
【００１３】
このような観点から、本発明者らが脱膜型の潤滑処理皮膜を構成する樹脂の主成分、添加剤等について検討を重ねた結果、潤滑処理皮膜に極く少量のカップリング剤を添加し、潤滑処理皮膜と基材金属との密着力を強化することにより耐キズつき性が飛躍的に向上することを見い出した。
【００１４】
ここに、本発明は、基材金属の表面に、ガラス転移温度が１０℃以上８５℃以下、好ましくは一種以上の水溶性および／または水分散性のアルカリ可溶性樹脂と、このアルカリ可溶性樹脂固形分に対して０．２重量％未満(無添加を除く)のシランカップリング剤および０．５重量％以上１０重量％以下の金属石鹸とを含有する処理剤を塗布乾燥してなる膜厚が０．５μm以上１０μm以下の脱膜型の潤滑処理皮膜を有することを特徴とする皮膜密着性、耐キズつき性に優れた表面潤滑処理金属材である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の潤滑処理金属材について詳細に説明する。
基材金属：
本発明にかかる表面潤滑処理金属材の基材である金属の形状および種類は特に限定されるものではない。しかし、金型によるプレス加工等の塑性加工の対象物として主に使用される薄板形状のものが基材金属として広く適用される。金属の種類としては、熱延鋼板、冷延鋼板、めっき鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム鋼板等が例示される。
【００１６】
基体樹脂：
本発明の潤滑処理金属材の潤滑処理皮膜を構成する基体樹脂は、水溶性または水分散性のアルカリ可溶性樹脂で、例えばアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、メラミン系樹脂、フェノール系樹脂等であって、一般に塗料用として使用されているものであればよい。これらの重合法についても何ら限定はない。
【００１７】
本発明にかかる表面潤滑処理金属材で用いられるアルカリ可溶性樹脂は、ガラス転移温度が10℃以上85℃以下であることが必要である。ガラス転移温度が10℃未満であると、皮膜の耐ブロッキング性が不十分で、皮膜同士を重ねたときに密着してしまうおそれがあり、また、耐キズつき性も劣化する。一方、ガラス転移温度が85℃を越える場合は皮膜の加工性が劣化する。好ましくは、ガラス転移温度は、20〜70℃である。
【００１８】
また、本発明で使用されるアルカリ可溶性樹脂は、酸価が20以上であることが好ましい。酸価が20未満では、得られる潤滑処理皮膜のアルカリ溶液による脱膜性が不十分となるおそれがある。したがって、好ましくはアルカリ可溶性樹脂は、ガラス転移温度が20℃以上70℃以下で、酸価が20以上のアルカリ可溶性樹脂である。
【００１９】
本発明にかかる表面潤滑処理金属材は、好ましくは１種以上の水溶性および／または水分散性のアルカリ可溶性樹脂が用いられたものであってもよいし、それら水溶性および水分散性の両方のアルカリ可溶性樹脂をそれぞれ１種以上含むアルカリ水溶性樹脂が用いられたものであってもよい。
【００２０】
シランカップリング剤：
本発明にかかる表面潤滑処理金属材は、後述するように、アルカリ水溶性樹脂を例えば水に溶解または分散させた樹脂液を処理剤として基材金属表面に塗布し、乾燥してなる潤滑処理皮膜を有するものであるが、この樹脂液にはシランカップリング剤が含まれる。このシランカップリング剤は樹脂皮膜と基材金属との密着力を強化する作用を有し、これによって耐キズつき性が飛躍的に向上する。
【００２１】
シランカップリング剤の含有量 (添加量) は樹脂固形分に対して0.2 重量％未満 (無添加を除く) であることが必要である。無添加であれば樹脂皮膜と基材金属の密着性強化の効果はなく、耐キズつき性についても全く改善されない。また、含有量 (添加量) が0.2 重量％以上になると樹脂皮膜自体の架橋が著しく進行し、塑性加工後の脱膜性が著しく劣化する。
【００２２】
添加されるカップリング剤の種類は特に限定されることはない。例えば、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、Ｎ−(2−アミノエチル)3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ−(2−アミノエチル)3−アミノプロピルメチルメトキシシラン、３−アミノプロピルトリエトキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。
【００２３】
金属石鹸：
前記の樹脂液にはシランカップリング剤に加え、金属石鹸が含まれる。金属石鹸は潤滑と破水の両効果を有するが、含有量 (添加量) が0.5 重量％未満であると潤滑性が不十分となり、一方、10重量％を越えると、潤滑性の向上効果が飽和するのみならず、樹脂皮膜の凝集強度が低下し、耐キズつき性が劣化する。
【００２４】
従って、金属石鹸の添加量は、樹脂固形分に対して0.5 重量％以上10重量％以下であることが必要である。好ましくは、１重量％以上５重量％以下である。
金属石鹸としては、ステアリン酸アルミニウム、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸マグネシウム等が例示される。
【００２５】
潤滑処理皮膜：
本発明の表面潤滑処理金属材は、上述したアルカリ水溶性樹脂とシランカップリング剤と金属石鹸を含有する処理剤が基材金属表面に塗布され形成された潤滑処理皮膜を有する金属材であるが、その膜厚は0.5 μｍ以上10μｍ以下である。0.5 μｍ未満では耐キズつき性が不十分であり、10μｍを越えると逆に金型への皮膜堆積の問題が生じる。好ましい皮膜厚は1.0 μｍ以上5.0 μｍ以下である。この潤滑処理皮膜の形成方法は特に限定されるものではないが、以下に標準的に手法を例示する。
【００２６】
「前処理」
潤滑処理皮膜の形成に使用される処理剤はアルカリ可溶性樹脂等を水に溶解または分散させた水系のものなので、基材金属はアルカリ脱脂等で十分に脱脂されている状態でなければならない。この脱脂が不十分であると、形成される皮膜に塗装はじきあるいは塗装ムラ等の欠陥が発生する。
【００２７】
「処理剤」
処理剤は所定のガラス転移温度と好ましい酸価を示すようにコントロールされた樹脂液に、まず金属石鹸を添加して十分に分散させた後、シランカップリング剤を添加し、攪拌することにより調整する。シランカップリング剤を先に添加すると泡立ちが起こり調整に支障が生じる恐れがある。調整の際、希釈はイオン交換水を用いて行うが、濡れ性の改善、消泡・乾燥性の向上のため、水と相溶性の良い有機溶剤を添加してもよい。なお、処理剤の固形分濃度は、形成する潤滑処理皮膜の厚さおよび塗布方法によって調整する。
【００２８】
「処理剤の塗布」
処理剤の塗布方法は基材金属の形状により異なるが、板形状の場合はバーコーターまたはロールコーターによる塗布が最も好ましい。バーコーターまたはロールコーターを用いると、塗布膜厚の調整が容易で、かつ美麗な塗装が可能である。その他、スプレー法、刷毛塗り法、浸漬法なども適用できる。特に、形状が複雑なものに対してはスプレー法等が実用的である。
【００２９】
「乾燥」
処理剤を塗布した後、乾燥することにより潤滑処理皮膜が形成される。乾燥温度は水が蒸発する程度でよいが、最高到達板温度が40〜100 ℃となる条件下で行うのが効率良く好ましい。乾燥方法としては、温風乾燥、赤外線による乾燥等、通常用いられる方法が適用できる。
【００３０】
上記本発明の潤滑処理金属材は、潤滑処理皮膜と基材金属との密着力が強く、優れた耐キズつき性を有しており、後述する実施例に示すように、脱膜性、耐ブロッキング性にも優れている。
【００３１】
【実施例】
以下実施例により、本発明の詳細を説明する。
表１に示した基本樹脂、ならびにガラス転移温度(Tg)および酸価を有する各種のアルカリ可溶性樹脂に、シランカップリング剤および金属石鹸を添加して、表２に示すような固形分組成を有する処理剤を調製した。シランカップリング剤および金属石鹸の添加量は樹脂固形分に対する重量割合でもって表わす。処理剤の総固形分濃度は20重量％とし、イオン交換水を添加して調整した。
【００３２】
この処理剤を、表面をアルカリ脱脂したステンレス鋼板 (SUS430、2B仕上げ、板厚1.2mm)の両面にバーコーターで塗布し、最高到達温度が60℃になるように熱風炉で乾燥して試験板を得た。
この試験板を以下の試験に供し、その性能を調査した。
【００３３】
「耐キズつき性評価」
図１に示すような簡易的な摺動試験装置を用い、供試材料１をスライドテーブル５上に置き、材料１の表面に荷重４をかけたダイス２を押し当て、これをホルダ３によって支持しながら、スライドテーブル５を矢印方向に移動させることで材料１の潤滑処理皮膜とダイス先端とを摺動させて、以下の条件で耐キズつき性試験を行った。このとき摺動部のキズを目視観察して下記の判定基準により耐キズつき性の評価を行った。◎または○であれば良好とした。
【００３４】

【００３５】
「脱膜性評価」
市販のアルカリ脱脂液 (日本パーカライジング社製、FC-L-4480)の２％水溶液を使用し、温度40℃、スプレー圧１kg/cm²で10秒間スプレーすることにより脱膜した後、水はじきの有無を目視にて判定し、脱膜性を以下の基準で判定した。○であれば良好とした。
○：水はじきなし
△：水はじき一部あり
×：水はじき全面発生。
【００３６】
「耐ブロッキング性評価」
耐ブロッキング性評価は、潤滑処理板の積み重ね保管時における潤滑処理皮膜同士の粘着 (ブロッキング) に対する耐性を調べるものである。この粘着が起こると、作業性が低下し塑性加工性が悪化する。
【００３７】
試験は、片面のみに皮膜を形成した２枚の試験片の皮膜同士を重ねあわせ、40℃、200 kg/cm²の圧力で３時間押し付け、剥離した後の粘着状態を下記の４段階で評価した。◎または○であれば良好とした。
◎：自重で剥離し、粘着痕がない。
○：自重で剥離するが、粘着痕がみられる。
△：粘着するが、軽く叩くと剥離する。
×：粘着し、叩いても剥離しない。
【００３８】
評価結果を表２に併せて示す。この結果から明らかなように、実施例として示した本発明の潤滑処理金属材は耐キズつき性に優れるとともに、脱膜性および耐ブロッキング性も良好であった。
【００３９】
【表１】

【００４０】
【表２】

【００４１】
【発明の効果】
本発明の潤滑処理金属材は、プレス加工などの塑性加工時に金型との接触による表面キズが発生せず、成形後の脱膜性および耐ブロッキング性にも優れており、従来のビニールシートを貼合して成形していた金属材に変わり得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例において耐キズつき性評価に用いた簡易的な摺動試験装置の概略説明図である。
【符号の説明】
１：材料、２：ダイス、３：ホルダー、
４：荷重、５：スライドテーブル

Claims

基材金属の表面に、ガラス転移温度が１０℃以上８５℃以下のアルカリ可溶性樹脂と、このアルカリ可溶性樹脂固形分に対して０．２重量％未満のシランカップリング剤および０．５重量％以上１０重量％以下の金属石鹸とを含有する処理剤を塗布乾燥してなる膜厚が０．５μm以上１０μm以下の脱膜型の潤滑処理皮膜を有することを特徴とする皮膜密着性、耐キズつき性に優れた表面潤滑処理金属材。