JP3738643B2

JP3738643B2 - Lubricant composition for cold plastic working of steel

Info

Publication number: JP3738643B2
Application number: JP2000057552A
Authority: JP
Inventors: 圭司松本; 憲明廣畑; 宗勝古堅; 賢一青木
Original assignee: Yushiro Chemical Industry Co Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Yushiro Chemical Industry Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: JP2001247887A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐焼き付き性に優れる、鋼管の冷間圧延を始めとする各種の鋼材の冷間塑性加工用の潤滑剤組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材の冷間塑性加工では、加工時の摩擦低減や、工具と被加工材間の焼き付きを防止する目的で、潤滑剤が使用されている。そして、非常に過酷な冷間塑性加工、例えば、冷間鍛造、鋼管の冷間抽伸、鋼管の冷間圧延といった、加工度の高い、或いは摩擦面温度が高い塑性加工では、潤滑性の高い潤滑剤が必要とされている。
【０００３】
一般に潤滑剤には、油をベースとするもの、水をベースとするもの、さらには加工前に材料表面に被膜を形成させて使うタイプのものなどがある。
このうち、被膜タイプのものは、一般に耐焼き付き性に優れるため、上述のような過酷な冷間塑性加工に用いられてきたが、被加工材に被膜を形成するため、潤滑剤を被加工材に塗布して乾燥させる、という余分な工程が必要であり、生産効率、コストの面で問題がある。
【０００４】
水をベースにした潤滑剤には、水溶液タイプのもの、油を乳化させたエマルションタイプのものなどがある。これらは、熱伝導率の高い水をベースにしているため冷却性には優れる一方、形成される潤滑膜が薄いため、過酷な加工では焼き付きを防止することが難しかった。
【０００５】
油ベースのものは、最も広い範囲で使用されている。油ベースの潤滑剤は、水ベースのものに比べ、厚い潤滑膜が形成され易いためである。厳しい加工には、油中に極圧剤と呼ばれる添加剤を添加して、耐焼き付き性を向上させる手法がとられている。しかし、極圧剤を用いても、冷間鍛造、鋼管の冷間抽伸、鋼管の冷間圧延といった非常に厳しい加工では焼き付きを十分に防止できない。
【０００６】
焼き付き防止の目的で、ベースとなる水や油に固体粉末を添加することも試みられた。その焼き付き防止の機構は、例えば「プロセストライボロジー」（コロナ社、１９９３年発行）に記載されているように、固体粉末が厳しい加工においても工具と被加工材との界面に介在し、金属どうしの直接接触を物理的に防止するためである。
【０００７】
この目的に使用する固体粉末としては、黒鉛、二硫化モリブデン等が一般的である。これらはいずれも、冷間加工の温度範囲では熱的に安定な固体粉末であって、剪断力の小さい結晶格子滑り面を有することで潤滑効果を発揮し得る。しかし、これらの固体粉末はいずれも黒色粉末であり、これを添加した油、水等は黒色となり、潤滑個所周辺を黒色に汚染する。また、白色系の固体粉末を含有させた潤滑剤も種々開発されているが、いずれも厳しい冷間塑性加工にでは焼き付き防止効果が不十分であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、冷間鍛造、鋼管の冷間抽伸、鋼管の冷間圧延といった鋼材の非常に厳しい冷間塑性加工において、工具と被加工材の摩擦界面に強固な潤滑膜を形成し、両者の焼き付きを防止することができ、取り扱いと洗浄除去が容易で、好ましくは白色系の潤滑剤組成物を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題の解決手段について鋭意検討した結果、常温で液体である特定の有機化合物に微細なカルシウム含有固体粉末を分散させたものが有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明は、基油の７０質量％以上が常温で液体の有機塩素化合物、有機硫黄化合物、および有機リン化合物の１種以上からなる基油に、水酸化カルシウムおよび炭酸カルシウムから選ばれたカルシウム含有固体粉末を組成物全体の２０〜７０質量％の量で分散させてなる、鋼材の冷間塑性加工用潤滑剤組成物である。本発明の潤滑剤組成物において、固体粉末は平均粒径が２０μｍ以下のものが好ましい。また、本発明の潤滑剤組成物は、鋼管の冷間圧延に使用した場合に特に顕著な効果が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る鋼材の冷間塑性加工用潤滑剤組成物は、基油と固体粉末とから構成される。但し、後述するように、他の添加剤も含有しうる。
【００１２】
基油としては、従来より焼き付き防止や摩耗防止のための添加剤、特に極圧剤として使用されている、有機塩素化合物、有機硫黄化合物、および有機リン化合物から選んだ１種以上の化合物を使用する。これらの化合物は、基油として用いるため、常温で液体でなければならない。
【００１３】
本発明で使用する有機塩素化合物としては、動植物油や合成油またはその加水分解物を塩素化した塩素化油脂、塩素化エステル、塩素化脂肪酸、塩素化パラフィンなどを挙げることができる。
【００１４】
有機硫黄化合物としては、例えば、動植物油や合成油の硫化物である硫化油脂、硫化エステル、硫化脂肪酸、硫化オレフィン、ジヒドロカルビルポリサルファイド、チオカーバメート類、チオテルペン類、ジアルキルチオジプロピオネートなどを挙げることができる。
【００１５】
硫化油脂の例には、硫化鯨油、硫化ラード、硫化なたね油、硫化ひまし油、硫化大豆油、硫化米ぬか油などがある。硫化脂肪酸の例としては硫化オレイン酸などが、硫化エステルの例としては硫化オレイン酸メチルなどが挙げられる。硫化オレフィンとしては、例えば、下記一般式で示される化合物が挙げられる。
【００１６】
R¹Ｓ_x R² ・・・ (I)
上記式中、R¹は炭素数２〜１５のアルケニル基、R²は炭素数２〜１５のアルキル基またはアルケニル基を示し、ｘは１〜８の整数である。この化合物は、炭素数２〜１５のオレフィン又はその２〜４量体を、硫黄、塩化硫黄等の硫化剤と反応させることによって得られ、該オレフィンとしては、オクテン、デセン、ドデセンなどが好ましい。しかし、プロピレンなどのより低級オレフィンも使用できる。
【００１７】
ジヒドロカルビルポリサルファイドとしては、下記一般式で示される化合物が挙げられる：
R³Ｓ_y R⁴ ・・・ (II)
上記式中、R³およびR⁴はそれぞれ炭素数１〜２０のヒドロカルビル基であり、互いに同一でも異なっていてもよく、ｙは２〜８の整数である。R³およびR⁴のヒドロカルビル基の例としては、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数３〜２０の環状アルキル基、炭素数６〜２０のアリール基、炭素数７〜２０のアルキルアリール基、および炭素数７〜２０のアリールアルキル基が挙げられる。R³とR⁴がいずれもアルキル基である化合物は、硫化アルキルとも呼ばれる。R³およびR⁴の具体例としては、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、イソブチル、ｓｅｃ−ブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、各種ペンチル、各種ヘキシル、各種ヘプチル、各種オクチル、各種ノニル、各種デシル、各種ドデシル、シクロヘキシル、シクロオクチル、フェニル、ナフチル、トリル、キシリル、ベンジル、フェネチルなどの各基を挙げることができる。一般式(II)のジヒドロカルビルポリサルファイドの具体例としては、例えば、ジベンジルポリサルファイド、ジｔｅｒｔ−ノニルポリサルファイド、ジドデシルポリサルファイド、ジｔｅｒｔ−ブチルポリサルファイド、ジオクチルポリサルファイド、ジフェニルポリサルファイド、ジシクロヘキシルポリサルファイドなどが挙げられる。
【００１８】
チオカーバメートの例としてはジンクジチオカーバメートなどを、チオテルペンの例としては、五硫化リンとピネンの反応物を、ジアルキルチオジプロピオネートの例としては、ジヘキシルチオジプロピオネート、ジラウリルチオジプロピオネート、ジステアリルチオジプロピオネートなどをそれぞれ挙げることができる。
以上の有機硫黄化合物のうち、極圧性、潤滑性などの点から、硫化油脂が特に好ましい。
【００１９】
有機リン化合物としては、アルキルホスファイト（例、デシルホスファイト）、アルキルもしくはアリールアシッドホスフェート（例、デシルアシッドホスフェート、フェニルアシッドホスフェート）、トリアルキルもしくはトリアリールホスフェート（例、トリヘキシルホスフェート、トリクレシルホスフェート）、ジチオリン酸亜鉛などが挙げられる。
【００２０】
本発明の潤滑剤組成物における基油（即ち、室温で液状の成分）は、上記のような有機塩素化合物、有機硫黄化合物および有機リン化合物から選んだ１種以上の化合物だけから構成することが好ましいが、少量であればそれ以外の基油（例えば、鉱油、動植物油、合成エステル等）を共存させてもよい。但し、他の基油は、基油全体の３０質量％以下とし、好ましくは１５質量％以下である。
【００２１】
本発明の潤滑剤組成物に用いるカルシウム含有固体粉末とは、基油および水に実質的に不溶性のカルシウム化合物を意味する。また、この固体粉末は、少なくとも２００℃までの温度で固体にとどまるものであることが好ましい。このようなカルシウム含有固体粉末として好ましいのは、炭酸カルシウムおよび水酸化カルシウム（消石灰）である。
【００２２】
炭酸カルシウムＣａＣＯ₃ は、石灰石として天然に多量に存在し、これを機械的に粉砕、精選し、微粉砕したものが重質炭酸カルシウムである。また、石灰石を高温で焼成分解して生石灰ＣａＯにし、それを水和して消石灰Ｃａ（ＯＨ）₂ とし、これを水中で微粉砕しスラリー状とした後、炭酸ガスを通じて炭酸塩にすると、コロイド状の沈殿炭酸カルシウムが得られる。本発明に用いられる炭酸カルシウムとしては、微粉末であれば、重質炭酸カルシウムと沈殿炭酸カルシウムのいずれも使用することができる。更に、沈殿炭酸カルシウムには、反応条件の異なる軽質炭酸カルシウム、コロイド状炭酸カルシウム、バテライト系炭酸カルシウム等の各種のものがあるが、いずれも使用できる。
【００２３】
また、これら炭酸カルシウムの基油への分散性を向上させるため、脂肪酸などで表面を処理した表面処理炭酸カルシウムも使用できる。この表面処理は、重質、沈殿を問わず全ての炭酸カルシウムに施すことができる。表面処理には、例えばラウリン酸ナトリウムなどのアニオン系の脂肪酸塩が使用され、炭酸カルシウムスラリーに添加するとナトリウムとカルシウムが置換されて大半は脂肪酸カルシウムになる。表面処理炭酸カルシウムは、その表面が脂肪酸カルシウムの層で被覆されているため、この脂肪酸塩の薄層によって粒子の表面エネルギーが低下するので、二次凝集が減少し、一次粒子近くまでほぐれ易くなる。そのため、炭酸カルシウム固体粉末が、基油中に一次粒子の状態で均一に分散し易くなる。
【００２４】
水酸化カルシウムは、上述したように、石灰石ＣａＣＯ₃ を高温で焼成分解して、生石灰ＣａＯにし、それを水和して消石灰Ｃａ（ＯＨ）₂ として得ることができる。
【００２５】
本発明の潤滑剤組成物は、工具と被加工材の摩擦界面に介在して潤滑膜を形成し、冷間鍛造、鋼管の冷間抽伸、鋼管の冷間圧延といった非常に過酷な冷間塑性加工においても、工具と被加工材の界面でのメタル接触、すなわち焼き付き、を防止することができる。その理由は次のように推測される。
【００２６】
まず、本発明の潤滑剤組成物で基油として使用する有機塩素化合物、有機硫黄化合物、および有機リン化合物は、ただ介在することで潤滑膜を形成するだけでなく、厳しい摩擦下で下地の工具あるいは被加工材の表面の金属成分と反応して、無機金属化合物 (例、塩化鉄、硫酸鉄、リン酸鉄など) からなる境界潤滑被膜を形成し、工具と被加工材間の焼き付きを防止する。しかし、この基油の作用だけでは、上記のような非常に過酷な冷間塑性加工での焼き付きを防止することはできない。
【００２７】
本発明の潤滑剤組成物は、この基油に分散させたカルシウム含有固体粉末を適量含有しており、この固体粉末が、工具と被加工材の界面を覆うように均一に拡がって、非常に過酷な冷間塑性加でも焼き付きを防止することができる。カルシウム含有固体粉末が他の固体粉末に比べて焼き付き防止能が高い理由は、完全には解明されていないが、次のように考えることができる。
【００２８】
例えば、炭酸カルシウムＣａＣＯ₃ は弱酸と強塩基の塩であり、そこに強酸が存在すると強酸の塩を作って弱酸を遊離する加水分解反応が起こる。基油が分解して生じる強酸性のイオン、例えばＣｌ^- 、ＰＯ₄ ^2-、ＳＯ₄ ^2-などが存在すると、ＣａＣＯ₃ はそれぞれＣａＣｌ₂ 、ＣａＰＯ₄ 、ＣａＳＯ₄ などの塩を形成し、加工により露出した金属面に生じている金属イオンＦｅ²⁺またはＦｅ³⁺と反応して、それぞれＦｅＣｌ₂ 、ＦｅＰＯ₄ 、ＦｅＳＯ₄ などの境界潤滑被膜を構成する物質を生成する。すなわち、炭酸カルシウムは、基油が分解して境界潤滑皮膜を形成するのを促進する効果があると考えられる。
【００２９】
水酸化カルシウムは、一部は二酸化炭素を吸収して炭酸カルシウムとなり、上記のメカニズムで働くと考えられる。未反応の水酸化カルシウムも、それ自身がアルカリ性であるため、基油の分解で生じた強酸性イオンと反応して同様の塩を生成し、炭酸カルシウムと同様のメカニズムで境界潤滑皮膜の生成を促進すると考えられる。
【００３０】
本発明の潤滑剤組成物に用いられる固体粉末は、加工温度域で溶融するものではないので、粉末の分散が不十分で粒子の凝集した塊がある場合や、凝集していなくとも粒径が大きすぎる場合には、粒子が被加工材に押し込まれて押し込み疵を生じることがある。固体粉末の粒径が小さいほど、製品表面の押し込み疵を生じる可能性が低くなる。その意味で固体粉末は、一次粒子の平均粒径が２０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５μｍ以下である。
【００３１】
本発明の潤滑剤組成物において、固体粉末は組成物全体の５〜７０質量％の量で存在させる。固体粉末の量が５質量％未満になると、過酷な冷間塑性加工で焼き付きを防止できないことがあり、７０質量％より多くなると、いかなる基油を用いても系の粘度が高くなり過ぎて作業性が悪化する。固体粉末の量は好ましくは２０〜５０質量％である。
【００３２】
本発明の潤滑剤組成物の粘度は、使用する基油の粘度と固体粉末の量を調整することで、広い粘度範囲で自由に制御することができる。すなわち、基油に高粘度のものを使用すると系の粘度は高くなり、低いものを使用すると系の粘度は低くなる。また、固体粉末の添加量が多いと系の粘度は高くなり、少ないと低くなる。好ましい粘度範囲は１０００〜５００００ｍＰａ・ｓの範囲であり、より好ましくは５０００〜２００００Ｐａ・ｓの範囲である。この粘度とは常温常圧での粘度であり、例えば、Ｂ型粘度計などを用いて測定することができる。
【００３３】
本発明の潤滑剤組成物には、必要に応じて各種添加剤、例えば防錆添加剤、酸化防止剤、防食添加剤、界面活性剤などを添加することができ、その場合にも潤滑性能に著しい悪影響はない。
【００３４】
本発明の潤滑剤組成物は従来の油ベース潤滑剤と同様に使用することができる。すなわち、そのまま、或いは高濃度に調整したものを希釈して、ポンプによる塗布、スプレー塗布、ウオーターインジェクション、エアアトマイズなどの方法により冷間塑性加工工程に供給して使用することができる。また、界面活性剤などで乳化し、上述の方法で塗布することもできる。
【００３５】
本発明の潤滑剤組成物は、粘度および成分を調整することにより、全ての鋼材の冷間塑性加工に使用できる。例えば、鋼材の冷間鍛造、鋼管の冷間圧延および冷間抽伸、鋼板の冷間圧延、形鋼、鋼矢板、棒鋼、線材、板材、鋼管の矯正などが挙げられる。
【００３６】
中でも、鋼管の冷間圧延に本発明の潤滑剤組成物を使用すると、焼き付き防止効果が顕著に認められる。鋼管の冷間圧延では、被加工材鋼管内面とマンドレルと呼ばれる棒状工具との界面、および同鋼管外面と孔型ロールとの界面で焼き付きが問題となる。この種の加工では、加工度が高い上、異形材であるため潤滑剤を工具や被加工材に塗布してもすぐ流れ落ちてしまい、維持しておくことが難しかった。このため、加工時に十分な潤滑膜が形成されず、焼き付き疵が発生することがあった。しかし、本発明の潤滑剤組成物は、粘性が高いので、工具や被加工材に塗布された潤滑剤が流れ落ちてしまうような問題を生じない上、高潤滑性であるため、７０％以上の加工率となる鋼管の冷間圧延においても焼き付きを生じない。
【００３７】
本発明の潤滑剤組成物は、これを用いて冷間塑性加工を施した後、アルカリ洗浄、例えば、７０℃前後のオルソケイ酸ナトリウム水溶液で５〜１０分間洗浄することにより、被加工材の表面から容易に除去することができる。従って、取り扱いは従来の油ベース潤滑剤と同様でよく、余分な工程を必要としない。
【００３８】
【実施例】
表１に示す本発明に従った潤滑剤組成物と、表２に示す比較例の潤滑剤組成物をそれぞれ準備した。使用した固体粉末の詳細は次の通りである（カッコ内は平均粒径）。
【００３９】
炭酸カルシウム−Ａ：重質炭酸カルシウム（３０μｍ）
炭酸カルシウム−Ｂ：重質炭酸カルシウム（１５μｍ）
炭酸カルシウム−Ｃ：重質炭酸カルシウム（３μｍ）
炭酸カルシウム−Ｄ：沈殿炭酸カルシウム（０．１μｍ）
水酸化カルシウム−Ａ：消石灰（２８μｍ）
水酸化カルシウム−Ｂ：消石灰（１４μｍ）
水酸化カルシウム−Ｃ：消石灰（２．５μｍ）
水酸化カルシウム−Ｄ：消石灰（０．５μｍ）
黒鉛：天然黒鉛（１７μｍ）
二硫化モリブデン（１６μｍ）
上記のうち、炭酸カルシウム−Ｃ、Ｄは脂肪酸カルシウムで表面処理されたものであり、残りの固体粉末は未被覆である。
【００４０】
また、基油として使用した材料の詳細は次の通りである．
塩素化油脂：プレンライザーＯＰ−１３２（味の素社製）
塩素化パラフィン：エンパラＫ−４３（Ｃ１４）（同上）
塩素化エステル：アデカルーブＣＢ４１９（アデカ・ファインケミカル社製）
塩素化脂肪酸：アデカルーブＣＦ４０（同上）
硫化油脂：ＤＡＩＬＵＢＥＧＳ１５０（大日本インキ化学工業社製）
硫化エステル：ＤＡＩＬＵＢＥＧＳ２１０（同上）
硫化脂肪酸：ＤＡＩＬＵＢＥＧＳ５５０（同上）
硫化オレフィン：ＤＡＩＬＵＢＥＧＳ４３０（同上）
ジアルキルポリスルフィド：ＤＡＩＬＵＢＥＧＳ８００（同上）。
【００４１】
潤滑性の評価は、リング圧縮試験での試験片表面の焼き付き程度と摩擦係数で行った。リング圧縮試験の試験方法は、図１に示すように、リング表面に潤滑剤組成物の原液をそのまま充分量ハケ塗りして図のダイス上に置き、その上からカバーとポンチを置き、図２に示すようにプレスで一定量変形させた。リング、ダイス、カバーおよびポンチは恒温オーブンで２００℃まで加熱してから試験に供した。これは、冷間での塑性加工といえども、過酷な塑性加工による加工熱および摩擦熱により被加工材の温度は上記の温度域まで上昇していると考えられるためである。潤滑剤組成物は試験直前にリング試験片に塗布した。
【００４２】
表３に、リング圧縮試験の条件を示す。また、リング圧縮試験での摩擦係数μの算出法を次に示す。h1, h2, ro, ri, ri' は、図２に示す通り、それぞれリング試験片の試験前高さ、試験後高さ、試験前外半径、試験前内半径、試験後内半径である。
【００４３】
【数１】

【００４４】
潤滑性の評価基準としては、焼き付きが全く発生しなかった場合だけを良好と判断した。摩擦係数は、０．２以下であれば、実機で使用する上で問題ないと考えた。表１と２には、潤滑性評価の結果と潤滑剤組成物の粘度（Ｂ型粘度計で測定）を併せて一緒に示す。
【００４５】
【表１】

【００４６】
【表２】

【００４７】
【表３】

【００４８】
表１に示すように、本発明に従った実施例では、焼き付きは全く発生せず、摩擦係数も０．１５以下と低い。一方、表２に示すように、比較例では焼き付きが発生した。また、比較例の組成物は摩擦係数も高めであり、場合により０．２を超えた。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の潤滑剤組成物を用いることによって、鋼材の非常に厳しい冷間塑性加工において、工具と被加工材の摩擦界面で強固な潤滑膜を形成することにより、両者の焼き付きを防止して、最終加工工程において良好な製品表面性状を確保できる。また、加工後の洗浄も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で潤滑性を評価するために用いたリング圧縮試験の概要を示す説明図である。
【図２】リング圧縮試験の前後でのリング試験片の断面を示す説明図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lubricant composition that is excellent in seizure resistance and for cold plastic working of various steel materials including cold rolling of steel pipes.
[0002]
[Prior art]
In cold plastic working of steel materials, a lubricant is used for the purpose of reducing friction during processing and preventing seizure between the tool and the workpiece. In very severe cold plastic processing such as cold forging, cold drawing of steel pipe, and cold rolling of steel pipe, plastic processing with high workability or high friction surface temperature is used. An agent is needed.
[0003]
In general, lubricants include those based on oil, those based on water, and those that are used by forming a film on the surface of the material before processing.
Of these, the coating type is generally excellent in seizure resistance and has been used for severe cold plastic processing as described above. However, in order to form a coating on the workpiece, a lubricant is used as the workpiece. This requires an extra step of coating and drying, which is problematic in terms of production efficiency and cost.
[0004]
The water-based lubricant includes an aqueous solution type and an emulsion type oil emulsified. Since these are based on water with high thermal conductivity and are excellent in cooling performance, the formed lubricating film is thin, so that it is difficult to prevent seizure in severe processing.
[0005]
Oil-based ones are used in the widest range. This is because oil-based lubricants tend to form thicker lubricating films than water-based lubricants. For severe processing, an additive called an extreme pressure agent is added to oil to improve the seizure resistance. However, even if an extreme pressure agent is used, seizure cannot be sufficiently prevented by extremely severe processing such as cold forging, cold drawing of a steel pipe, and cold rolling of a steel pipe.
[0006]
For the purpose of preventing seizure, attempts have been made to add solid powder to water or oil as a base. The mechanism for preventing seizure is, for example, described in “Process Tribology” (Corona Co., Ltd., published in 1993), where the solid powder is present at the interface between the tool and the workpiece even in severe processing, This is to physically prevent direct contact.
[0007]
As the solid powder used for this purpose, graphite, molybdenum disulfide and the like are generally used. All of these are solid powders that are thermally stable in the temperature range of cold working, and can exhibit a lubricating effect by having a crystal lattice sliding surface with a small shearing force. However, all of these solid powders are black powders, and the oil, water, etc. to which these powders are added become black and contaminate the lubrication area around black. Also, various lubricants containing white solid powder have been developed, but all of them have insufficient seizure preventing effects in severe cold plastic working.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention forms a strong lubricating film at the friction interface between a tool and a workpiece in extremely severe cold plastic working of steel materials such as cold forging, cold drawing of steel tubes, and cold rolling of steel tubes. An object of the present invention is to provide a lubricant composition that can prevent image sticking and is easy to handle and wash and is preferably white.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies on the means for solving the above problems, the present inventors have found that a fine calcium-containing solid powder dispersed in a specific organic compound that is liquid at room temperature is effective, and completed the present invention. It came to do.
[0010]
That is, in the present invention, 70% by mass or more of the base oil is selected from calcium hydroxide and calcium carbonate as the base oil composed of one or more of organic chlorine compounds, organic sulfur compounds, and organic phosphorus compounds that are liquid at room temperature . It is a lubricant composition for cold plastic working of a steel material, in which a calcium-containing solid powder is dispersed in an amount of 20 to 70% by mass of the entire composition. In the lubricant composition of the present invention, the solid powder preferably has an average particle size of 20 μm or less. In addition, the lubricant composition of the present invention is particularly effective when used for cold rolling of steel pipes.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The lubricant composition for cold plastic working of steel materials according to the present invention comprises a base oil and a solid powder. However, as will be described later, other additives may also be contained.
[0012]
As the base oil, one or more compounds selected from organic chlorine compounds, organic sulfur compounds, and organic phosphorus compounds, which are conventionally used as additives for preventing seizure and wear, particularly as extreme pressure agents, are used. To do. Since these compounds are used as base oils, they must be liquid at room temperature.
[0013]
Examples of the organic chlorine compound used in the present invention include chlorinated oils, chlorinated esters, chlorinated fatty acids, and chlorinated paraffins obtained by chlorinating animal and vegetable oils, synthetic oils or hydrolysates thereof.
[0014]
Examples of organic sulfur compounds include sulfurized fats and oils that are sulfides of animal and vegetable oils and synthetic oils, sulfurized esters, sulfurized fatty acids, sulfurized olefins, dihydrocarbyl polysulfides, thiocarbamates, thioterpenes, and dialkylthiodipropionates. Can do.
[0015]
Examples of sulfurized oils and fats include sulfurized whale oil, sulfurized lard, sulfurized rapeseed oil, sulfurized castor oil, sulfurized soybean oil, and sulfurized rice bran oil. Examples of the sulfurized fatty acid include sulfurized oleic acid, and examples of the sulfurized ester include sulfurized methyl oleate. Examples of the sulfurized olefin include compounds represented by the following general formula.
[0016]
R ¹ S _x R ² ... (I)
In the above formula, R ¹ represents an alkenyl group having 2 to 15 carbon atoms, R ² represents an alkyl group or alkenyl group having 2 to 15 carbon atoms, and x is an integer of 1 to 8. This compound is obtained by reacting an olefin having 2 to 15 carbon atoms or a dimer or tetramer thereof with a sulfurizing agent such as sulfur or sulfur chloride. As the olefin, octene, decene, dodecene and the like are preferable. However, lower olefins such as propylene can also be used.
[0017]
Dihydrocarbyl polysulfide includes compounds represented by the following general formula:
R ³ S _y R ⁴ ... (II)
In the above formula, R ³ and R ⁴ are each a hydrocarbyl group having 1 to 20 carbon atoms, which may be the same as or different from each other, and y is an integer of 2 to 8. Examples of the hydrocarbyl group of R ³ and R ⁴ include an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cyclic alkyl group having 3 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, and an alkylaryl group having 7 to 20 carbon atoms. And arylalkyl groups having 7 to 20 carbon atoms. A compound in which both R ³ and R ⁴ are alkyl groups is also called alkyl sulfide. Specific examples of R ³ and R ⁴ include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl, various pentyls, various hexyls, various heptyls, various octyls, various nonyls, Various groups such as various decyls, various dodecyls, cyclohexyl, cyclooctyl, phenyl, naphthyl, tolyl, xylyl, benzyl, phenethyl and the like can be exemplified. Specific examples of the dihydrocarbyl polysulfide of the general formula (II) include dibenzyl polysulfide, ditert-nonyl polysulfide, didodecyl polysulfide, ditert-butyl polysulfide, dioctyl polysulfide, diphenyl polysulfide, dicyclohexyl polysulfide and the like.
[0018]
Examples of thiocarbamates include zinc dithiocarbamate, examples of thioterpenes include reactants of phosphorus pentasulfide and pinene, examples of dialkylthiodipropionates include dihexylthiodipropionate, dilaurylthiodipropionate. , Distearyl thiodipropionate and the like.
Of the above organic sulfur compounds, sulfurized fats and oils are particularly preferable from the viewpoints of extreme pressure and lubricity.
[0019]
Organic phosphorus compounds include alkyl phosphites (eg, decyl phosphite), alkyl or aryl acid phosphates (eg, decyl acid phosphate, phenyl acid phosphate), trialkyl or triaryl phosphates (eg, trihexyl phosphate, tricresyl phosphate) Phosphate), zinc dithiophosphate and the like.
[0020]
The base oil (that is, the liquid component at room temperature) in the lubricant composition of the present invention may be composed of only one or more compounds selected from the above organic chlorine compounds, organic sulfur compounds, and organic phosphorus compounds. Although it is preferable, if it is a small amount, other base oils (for example, mineral oil, animal and vegetable oils, synthetic esters, etc.) may coexist. However, other base oil is 30 mass% or less of the whole base oil , Preferably it is 15 mass% or less.
[0021]
The calcium-containing solid powder used in the lubricant composition of the present invention means a calcium compound that is substantially insoluble in base oil and water. The solid powder preferably remains solid at a temperature of at least 200 ° C. Such calcium-containing solid Powder and to good Mashiino is a carbonate calcium Contact and calcium hydroxide (slaked lime).
[0022]
Calcium carbonate CaCO ₃ is naturally present in large amounts as limestone, and heavy calcium carbonate is obtained by mechanically pulverizing, selecting and finely pulverizing the calcium carbonate. Limestone is calcined and decomposed at high temperatures to quick lime CaO, which is hydrated to slaked lime Ca (OH) ₂ , pulverized in water to form a slurry, and then converted into carbonate through carbon dioxide to produce colloid. In the form of precipitated calcium carbonate. As the calcium carbonate used in the present invention, both heavy calcium carbonate and precipitated calcium carbonate can be used as long as they are fine powders. Furthermore, there are various precipitated calcium carbonates such as light calcium carbonate, colloidal calcium carbonate, and vaterite calcium carbonate having different reaction conditions, and any of them can be used.
[0023]
In order to improve the dispersibility of these calcium carbonates in the base oil, surface-treated calcium carbonate whose surface is treated with a fatty acid or the like can also be used. This surface treatment can be applied to all calcium carbonates regardless of whether they are heavy or precipitated. For the surface treatment, for example, an anionic fatty acid salt such as sodium laurate is used, and when added to the calcium carbonate slurry, sodium and calcium are substituted, and most of them become calcium fatty acid. Since the surface treatment calcium carbonate is coated with a layer of fatty acid calcium, the surface energy of the particles is reduced by the thin layer of this fatty acid salt, so that secondary aggregation is reduced and it becomes easy to loosen to the vicinity of the primary particles. . Therefore, it becomes easy to disperse | distribute calcium carbonate solid powder uniformly in the state of a primary particle in base oil.
[0024]
As described above, calcium hydroxide can be obtained by calcining and decomposing limestone CaCO ₃ at a high temperature to obtain quick lime CaO and hydrating it to obtain slaked lime Ca (OH) ₂ .
[0025]
The lubricant composition of the present invention forms a lubricating film interposed at the friction interface between the tool and the workpiece, and is subjected to extremely severe cold plasticity such as cold forging, cold drawing of a steel pipe, and cold rolling of a steel pipe. Also in processing, metal contact at the interface between the tool and the workpiece, that is, seizure, can be prevented. The reason is presumed as follows.
[0026]
First, the organic chlorine compound, organic sulfur compound, and organophosphorus compound used as the base oil in the lubricant composition of the present invention not only form a lubricating film by intervening, but also the underlying tool under severe friction Alternatively, it reacts with the metal components on the surface of the workpiece to form a boundary lubrication film made of inorganic metal compounds (eg, iron chloride, iron sulfate, iron phosphate, etc.) to prevent seizure between the tool and the workpiece. To do. However, the action of this base oil alone cannot prevent seizure in the extremely severe cold plastic working as described above.
[0027]
The lubricant composition of the present invention contains an appropriate amount of calcium-containing solid powder dispersed in the base oil, and the solid powder spreads uniformly so as to cover the interface between the tool and the workpiece, Seizure can be prevented even under severe cold plastic processing. The reason why the calcium-containing solid powder has a higher anti-seizure ability than other solid powders has not been completely clarified, but can be considered as follows.
[0028]
For example, calcium carbonate CaCO ₃ is a salt of a weak acid and a strong base, and if a strong acid is present there, a hydrolysis reaction that forms a salt of the strong acid and releases the weak acid occurs. In the presence of strongly acidic ions, such as Cl ⁻ , PO ₄ ²⁻ , SO ₄ ^2−, etc., generated by the decomposition of the base oil, CaCO ₃ forms salts such as CaCl ₂ , CaPO ₄ , and CaSO ₄ , respectively. Reacts with metal ions Fe ²⁺ or Fe ³⁺ generated on the exposed metal surface due to the above, and produces substances constituting the boundary lubricating film such as FeCl ₂ , FePO ₄ , and FeSO ₄ , respectively. That is, it is considered that calcium carbonate has an effect of promoting the decomposition of the base oil to form a boundary lubricating film.
[0029]
It is considered that calcium hydroxide partially absorbs carbon dioxide to become calcium carbonate and works by the above mechanism. Unreacted calcium hydroxide itself is alkaline, so it reacts with strongly acidic ions generated by the decomposition of the base oil to produce the same salt, and the boundary lubrication film is produced by the same mechanism as calcium carbonate. It is thought to promote.
[0030]
Since the solid powder used in the lubricant composition of the present invention does not melt in the processing temperature range, there is a case where there is an agglomerated particle due to insufficient dispersion of the powder, or the particle size is not aggregated. If it is too large, the particles may be pushed into the workpiece and cause indentations. The smaller the particle size of the solid powder, the lower the possibility of indentation on the product surface. In that sense, the solid powder preferably has an average primary particle size of 20 μm or less, more preferably 5 μm or less.
[0031]
In the lubricant composition of the present invention, the solid powder is present in an amount of 5 to 70% by mass of the entire composition. If the amount of the solid powder is less than 5% by mass, seizure may not be prevented by severe cold plastic working, and if it exceeds 70% by mass, the viscosity of the system becomes too high even if any base oil is used. Sex worsens. The amount of the solid powder is preferably 20 to 50% by mass.
[0032]
The viscosity of the lubricant composition of the present invention can be freely controlled in a wide viscosity range by adjusting the viscosity of the base oil used and the amount of the solid powder. That is, if a base oil having a high viscosity is used, the viscosity of the system increases, and if a low base oil is used, the viscosity of the system decreases. Further, when the amount of the solid powder added is large, the viscosity of the system increases, and when the amount is small, the viscosity decreases. A preferred viscosity range is 1000 to 50000 mPa · s, more preferably 5000 to 20000 Pa · s. This viscosity is a viscosity at normal temperature and normal pressure, and can be measured using, for example, a B-type viscometer.
[0033]
Various additives such as rust preventive additives, antioxidants, anticorrosive additives, surfactants, and the like can be added to the lubricant composition of the present invention as necessary. There is no significant adverse effect.
[0034]
The lubricant composition of the present invention can be used in the same manner as conventional oil-based lubricants. That is, it can be used as it is or after it is diluted to a high concentration and supplied to the cold plastic working step by a method such as application by a pump, spray application, water injection, air atomization and the like. Moreover, it can emulsify with surfactant etc. and can also apply | coat by the above-mentioned method.
[0035]
The lubricant composition of the present invention can be used for cold plastic working of all steel materials by adjusting the viscosity and components. For example, cold forging of steel materials, cold rolling and cold drawing of steel tubes, cold rolling of steel plates, shape steel, steel sheet piles, bar steel, wire rods, plate materials, straightening of steel pipes and the like can be mentioned.
[0036]
Among these, when the lubricant composition of the present invention is used for cold rolling of steel pipes, the seizure prevention effect is remarkably recognized. In the cold rolling of a steel pipe, seizure becomes a problem at the interface between the inner surface of the workpiece steel pipe and a bar-shaped tool called a mandrel, and the interface between the outer surface of the steel pipe and the perforated roll. In this type of processing, the degree of processing is high, and since it is a deformed material, even if a lubricant is applied to a tool or a workpiece, it immediately flows down and is difficult to maintain. For this reason, a sufficient lubricating film is not formed during processing, and seizure flaws may occur. However, since the lubricant composition of the present invention has a high viscosity, it does not cause a problem that the lubricant applied to the tool or the work material flows down. Seizure does not occur even in cold rolling of a steel pipe that has a processing rate.
[0037]
The lubricant composition of the present invention is subjected to cold plastic working using the lubricant composition, and then washed with an alkali, for example, with a sodium orthosilicate aqueous solution at around 70 ° C. for 5 to 10 minutes, whereby the surface of the workpiece Can be easily removed. Thus, handling may be similar to conventional oil-based lubricants and does not require extra steps.
[0038]
【Example】
A lubricant composition according to the present invention shown in Table 1 and a comparative lubricant composition shown in Table 2 were prepared. The details of the solid powder used are as follows (average particle size in parentheses).
[0039]
Calcium carbonate-A: Heavy calcium carbonate (30 μm)
Calcium carbonate-B: Heavy calcium carbonate (15 μm)
Calcium carbonate-C: Heavy calcium carbonate (3 μm)
Calcium carbonate-D: Precipitated calcium carbonate (0.1 μm)
Calcium hydroxide-A: Slaked lime (28 μm)
Calcium hydroxide-B: Slaked lime (14 μm)
Calcium hydroxide-C: Slaked lime (2.5 μm)
Calcium hydroxide-D: Slaked lime (0.5 μm)
Graphite: natural graphite (17μm)
Molybdenum disulfide (16μm)
Among the above, calcium carbonate-C and D are surface-treated with fatty acid calcium, and the remaining solid powder is uncoated.
[0040]
The details of the materials used as the base oil are as follows.
Chlorinated fats and oils: Pruniser OP-132 (Ajinomoto Co., Inc.)
Chlorinated paraffin: Empara K-43 (C14) (same as above)
Chlorinated ester: ADEKA LUBE CB419 (manufactured by Adeka Fine Chemical)
Chlorinated fatty acid: ADEKALUBE CF40 (same as above)
Sulfurized fats and oils: DAILUBE GS150 (Dainippon Ink Chemical Co., Ltd.)
Sulfurized ester: DAILUBE GS210 (same as above)
Sulfurized fatty acid: DAILUBE GS550 (same as above)
Sulfurized olefin: DAILUBE GS430 (same as above)
Dialkyl polysulfide: DAILUBE GS800 (same as above).
[0041]
The lubricity was evaluated by the degree of seizure on the surface of the test piece and the friction coefficient in the ring compression test. As shown in FIG. 1, the test method of the ring compression test is to apply a sufficient amount of the stock solution of the lubricant composition on the ring surface as it is and place it on the die shown in the figure, and then place a cover and a punch from above. As shown in Fig. 2, it was deformed by a certain amount with a press. The ring, dice, cover and punch were heated to 200 ° C. in a constant temperature oven before being subjected to the test. This is because, even in cold plastic working, it is considered that the temperature of the workpiece has risen to the above temperature range due to processing heat and frictional heat due to severe plastic working. The lubricant composition was applied to the ring specimen immediately before the test.
[0042]
Table 3 shows the conditions of the ring compression test. The calculation method of the friction coefficient μ in the ring compression test is shown below. h1, h2, ro, ri, and ri 'are the height before the test, the height after the test, the outer radius before the test, the inner radius before the test, and the inner radius after the test, respectively, as shown in FIG.
[0043]
[Expression 1]

[0044]
As the evaluation standard of lubricity, only when no seizure occurred, it was judged to be good. If the coefficient of friction was 0.2 or less, it was considered that there was no problem in use with an actual machine. In Tables 1 and 2, the results of the lubricity evaluation and the viscosity of the lubricant composition (measured with a B-type viscometer) are shown together.
[0045]
[Table 1]

[0046]
[Table 2]

[0047]
[Table 3]

[0048]
As shown in Table 1, in the examples according to the present invention, no seizure occurs and the friction coefficient is as low as 0.15 or less. On the other hand, as shown in Table 2, burn-in occurred in the comparative example. Moreover, the composition of the comparative example also had a high friction coefficient, and exceeded 0.2 depending on the case.
[0049]
【The invention's effect】
By using the lubricant composition of the present invention, in a very severe cold plastic working of the steel material, by forming a strong lubricating film at the friction interface between the tool and the work material, both seizures are prevented, Good product surface properties can be secured in the final processing step. In addition, cleaning after processing is easy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a ring compression test used for evaluating lubricity in Examples.
FIG. 2 is an explanatory view showing a cross section of a ring test piece before and after a ring compression test.

Claims

Composition of a calcium-containing solid powder selected from calcium hydroxide and calcium carbonate in a base oil consisting of one or more of organic chlorine compounds, organic sulfur compounds, and organic phosphorus compounds in which 70% by mass or more of the base oil is liquid at room temperature A lubricant composition for cold plastic working of steel, which is dispersed in an amount of 20 to 70% by mass of the whole product.

An organic chlorine compound in which the base oil is selected from chlorinated fats and oils, chlorinated esters, chlorinated fatty acids, and chlorinated paraffins; An organosulfur compound selected from dialkylthiodipropionates; and one or more of an organophosphorus compound selected from alkyl phosphites, alkyl or aryl acid phosphates, trialkyl or triaryl phosphates, and zinc dithiophosphate. Item 2. The lubricant composition according to Item 1.

The lubricant composition for steel according to claim 1 or 2 , wherein the calcium carbonate is calcium carbonate surface-treated with a fatty acid salt .

The lubricant composition according to any one of claims 1 to 3, wherein the average particle size of the solid powder is 20 µm or less.

The lubricant composition according to any one of claims 1 to 4, wherein the viscosity at ordinary temperature and pressure is adjusted to a range of 1000 to 50000 mPa · s.

The lubricant composition according to any one of claims 1 to 5, wherein the cold plastic working of the steel material is cold rolling of a steel pipe.