JP3777569B2

JP3777569B2 - 金属塑性加工潤滑剤組成物

Info

Publication number: JP3777569B2
Application number: JP2001328971A
Authority: JP
Inventors: 博吉守川; 昇松永; 東司横山
Original assignee: Daido Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Daido Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2021-10-26
Also published as: JP2003129079A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は金属加工たとえば圧延、プレス、引き抜き、鍛造、切削、研削等の金属加工の、工具と被加工材との接触部に作用せしめる潤滑剤組成物に関し、更に詳しくは、工具摩耗防止、工具への被加工材の焼き付き防止が可能な潤滑剤組成物を提供せんとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、金属の塑性加工用潤滑剤は、鉱油、動植物油、合成エステル等を基油として、これらに、脂肪酸、塩素系極圧剤、硫黄系極圧剤、燐系極圧剤、酸化防止剤、界面活性剤、固体潤滑剤粉末（黒鉛、二硫化モリブデン、タルク、無機塩、高分子化合物等）を、種々組み合わせ添加して、加工条件、要求性能・性質に適合させ、供給されている。
【０００３】
供給方法としては、原液のまま被加工材、工具、金型に塗布したり、連続的に加工部位に供給したり、適当な濃度に水で希釈して、エマルジョンとしたり、圧縮空気と混合して噴霧状にするエアーアトマイズ法や、水と混合して噴霧状にするウォーターインジェクション法等、用途、加工難易度、経済性を考慮して使い分けされている。塑性加工潤滑剤のうち、圧延油、特に熱間圧延油は、圧延ロール材質も種々変遷し、アダマイトロール、ニッケルグレンロール、ハイクロムロール、ハイスロール等と被圧延材、生産性、仕上がり表面精度、ロール原単位、消費電力等により、使い分けされている。
【０００４】
特開昭５１−１１９６５５号公報には、鋼材を熱間圧延する際、常温で固体または半固体状のワックスと金属石鹸、例えばステアリン酸カルシウム、オレイン酸アルミニウム、ステアリン酸亜鉛などを、界面活性剤で乳化・分散させて、供給する方法が開示されている。特開昭５１−１０９９０４号公報には、オレイン酸アルミニウム、ステアリン酸亜鉛などを鉱油、動植物油、合成エステルなどに溶解・分散させて供給する方法が開示されている。
【０００５】
特開昭５８−１３８７９３号公報には、鉱油に炭酸カルシウム、複合カルシウム石鹸を水に分散させて使用する方法が開示されている。
これら潤滑剤を用いることにより、ロール摩耗が減少し、圧延トン数が増大したとされている。しかし、このような油剤では、原液または水希釈液の安定性が悪く、タンク・配管内で分離し易く、このため、ノズル詰まり等を生じ、ロールへの安定供給が不十分で、しばしば、ロール摩耗・製品疵の原因となる。
【０００６】
中でもステンレス鋼は、焼き付き易く、圧延ロール表面に焼き付いたまま圧延されると、板表面の疵となったり、板表面の外観を損ねたりして問題となっている。又ステンレス鋼が焼き付いたロールは再研磨されるが、その研削量、研削時間をとっても、ロール損失や作業効率の悪化を招き、非経済的である。
【０００７】
又、プレス、引き抜き、切削、研削、鍛造油剤等では、塩素系極圧剤、硫黄系極圧剤、燐系極圧剤、固体粉末等が配合され、更に、冷間鍛造加工においては、被加工材に化成処理を施す工程が含まれており、排ガス公害、粉塵公害、作業環境汚染問題、工程管理の煩雑さ、莫大な廃液処理費用、製品単価の増大等の経済的問題もクローズアップされている。
【０００８】
特開昭５３−４３６５８号公報には、冷間鍛造用潤滑剤として、銅石鹸（ナフテン酸銅）を用いる方法が開示されている。特開昭５４−１１８９５５号公報には、硫酸カルシウムもしくは硫酸バリウムと脂肪酸の金属塩を含有するものが、鋼、アルミニウム、銅の冷間鍛造および引き抜きに用いることができると開示している。
【０００９】
特に、鍛造加工においては、従来の切削、研削加工を省く、省資源、省エネルギーの考えから、工程削減して部品を生産する手段が広まりつつあり、その鍛造加工も熱間鍛造、温間鍛造から、冷間鍛造へと熱エネルギーを削減する方向に除々に移行しつつある。しかし、冷間鍛造は、長年化成皮膜処理を施して加工されてきたが、粉塵公害、工程管理、廃液処理の煩雑さ、ランニングコスト高という問題を抱えている。
【００１０】
また、特開平10-88170号公報には、特定のポリエステルにジンクジチオフォスフェートを併用した潤滑剤を、金属加工油として提案されている。しかしこれら塑性加工潤滑剤は、性能、省工程、環境に対し、未だ不十分である。また、潤滑油分野で古来より鉛化合物が効果的な極圧剤としてグリースに多用されてきた。それは、鉛化合物と硫黄化合物を併用することにより、境界潤滑過程で硫黄と金属表面の反応による硫化鉄の生成、摩擦熱による硫化鉛の生成という化学反応により、摩擦係数が低くなり、高い潤滑効果を示すことであった。しかし、その毒性ゆえに世界的に脱鉛の傾向にあり、国内においても水質汚濁防止法で鉛及び鉛化合物が有害物質と規定されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このような現状に鑑み、本発明は、金属塑性加工油剤に要求される諸性質、性能、例えば、潤滑性、作業性、低公害性は勿論、省資源、省エネルギー、経済性に優れた金属加工油剤を開発提供することを目的とした。
【００１２】
具体的に言えば、熱間圧延の場合は、酸化スケール抑制剤として、炭酸カルシウムの無機粉末が効果的であることは周知の事実であるが、供給方法、人体への影響を考えると、作業環境の汚染、粉塵公害等の問題を抱え、又熱間圧延油に混合、分散させて使用する場合も、容器やタンク等で分離し易く、攪拌機を付けて行っても安定供給が困難である。また、近年カルシウムスルホネート等のスルホン酸塩が、焼き付き防止、摩耗低減に効果があると提唱されているが、実機での評価は、十分満足できるものではない。
【００１３】
一方、プレス、引き抜き、冷間鍛造油剤には、極圧添加剤として、塩素系極圧剤が使用されているが、塩素系極圧剤を使用した廃油を焼却処理した場合、発生塩素ガスにより、焼却炉の傷みが激しく、又ダイオキシンなどの有害物質が生成する恐れがあり、人畜・植物に悪影響を及ぼすという理由から、近年、使用規制の対象化合物に指定されている。
【００１４】
さらに、従来鍛造加工に必須工程である化成皮膜処理工程が省略できれば、工程管理・廃液処理の煩雑さ、粉塵公害から免れ、工程の連続化により、大幅なコスト低減が実現可能であり、その経済効果は計り知れない。
【００１５】
本発明は、容易に適用並びに安定供給が出来、塩素系極圧剤、無機固体潤滑剤、化成被膜処理等と同等以上の潤滑性を有し、作業環境汚染、排ガス公害のない、経済性に優れた塑性加工潤滑剤組成物を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、下記［化１］及び［化２］で示される特定有機金属化合物の少なくとも１種を、潤滑剤組成物の全量に対し、1.0〜80重量％含有させて使用することによって、前述した課題を解決出来ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１７】
【化１】
【００１８】
【化２】
（式中、Ｒ ^２は炭素数４〜１８の直鎖又は分岐アルキル基又はＨ、Ｒ ^３は炭素数４〜１８の直鎖又は分岐アルキル基又はＨである。但しＲ ^２、Ｒ ^３は同時にＨとはならない。Ｒ ^４は炭素数８〜２８の直鎖又は分岐アルキル基、Ｒ ^５はＨ又は炭素数１〜８の直鎖又は分岐アルキル基、ｎは１〜４の整数を示す。）
【００１９】
更には本発明は、［化１］、［化２］で表される金属化合物の含有量が、潤滑剤組成物の全量に対して1.0〜80重量％である金属塑性加工潤滑剤組成物に係るものである。
即ち、潤滑面における磨耗防止効果が高く、ロール、工具、金型の損傷防止作用を有する潤滑性に優れ、作業環境、廃液処理性も大幅に改善し得る金属加工油剤を開発するに至った。
【００２０】
【発明の作用並びに構成】
本発明における上記［化１］、［化２］で表される有機金属化合物は、鉱物油、動植物油、合成エステル等に可溶であり、被加工材、加工条件、加工難易度などで適宜添加量を選択して適用出来る。
【００２１】
一般市販の金属石鹸は、鉱物油、動植物油、有機溶剤等には殆ど不溶で、溶けても僅かで、高分子化合物や分散剤を用いて、油中に分散させて使用したり、粉末状でそのまま使用されているのが現状であり、作業環境の悪化、人体への悪影響のため、使用個所が制限されている。また、高塩基性カルシウムスルホネートを使用する加工油も上市されているが、満足する結果は得られていない。本発明になる特定有機金属化合物は、このような問題はなく、塩素系極圧剤や固体潤滑剤に置換し得る化合物で、しかも基油中に、透明に溶解し、従来の熱間圧延油、プレス鍛造油剤にない性質を有し、潤滑性、作業性にも優れ、低公害性という極めて優れた特徴を有するものである。
【００２２】
また、市販の金属石鹸、固体潤滑剤、例えば黒鉛、二硫化モリブデン、タルク、炭酸カルシウム等は、粒子径も大きく、1.5〜50ミクロンであり、基油中に分散されていても、金属−金属接触部（潤滑が必要な部分）の微細間隙には浸入し難く、それ故、金属/金属の直接接触によって、摩耗の原因になり易い。
【００２３】
これに対し、本発明特定有機金属化合物は、完全透明液状に溶解し、粒子径が微細であって、容易に微細間隙に浸入し、その有機金属化合物が、工具・材料間の金属と金属との直接接触を防止し、ロール摩耗、工具・金型摩耗防止の役目を果たし、加工部品の外観・精度の向上に寄与することが判明した。
【００２４】
本発明において使用される有機金属化合物は前記［化１］及び［化２］に示されるものである。
（式中、Ｒ^１は炭素数４〜１８の直鎖又は分岐アルキル基又はＨ、Ｒ^２は炭素数４〜１８の直鎖又は分岐アルキル基又はＨである。但しＲ^１、Ｒ^２は同時にＨとはならない。Ｒ^３は炭素数８〜２８の直鎖又は分岐アルキル基、Ｒ^４はＨ又は炭素数１〜８の直鎖又は分岐アルキル基、ｎは１〜４の整数を示す。）
【００２５】
［化１］中で使用される酸性リン酸エステルとしては、２−エチルヘキシルアシッドホスフェイト、イソデシルアシッドホスフェイト、トリデシルアシッドホスフェイト、イソステアリルアシッドホスフェイト、ジ−２エチルヘキシルアシッドホスフェイト等が挙げられる。
【００２６】
［化２］中で使用されるフォスフォン酸としては、オクチルフォスフォン酸、デシルフォスフォン酸、ドデシルフォスフォン酸、テトラデシルフォスフォン酸、オクチルフォスフォン酸モノプロピルエステル、デシルフォスフォン酸モノエチルエステル、ドデシルフォスフォン酸モノプロピルエステル、テトラデシルフォスフォン酸モノプロピルエステル、オクチルフォスフォン酸モノ２−エチルヘキシルエステル等が挙げられる。
【００２７】
本発明において、本発明有機金属化合物を含有させるべき基油としては、鉱物油たとえばマシーン油、シリンダー油、モーター油、ブライトストック等がその代表例として例示できるが、その他牛脂、パーム油，ナタネ油、ヤシ油等の動植物油、合成エステル等も基油として使用することが出来る。
【００２８】
上記本発明有機金属化合物を組成中に含有させるべき量は、1.0〜80重量％であり、1.0重量％に達しない量では潤滑、磨耗防止としての効果が無く、80重量％以上多くなっても、それ以上の効果は無く、経済的に不利益である。
【００２９】
本発明においては、公知の添加剤、例えばエステル類、脂肪酸、高分子化合物、硫黄系極圧剤、燐系極圧剤、酸化防止剤等を必要に応じて適宜併用できる。
【００３０】
なお米国では、ビスマスは人体にたいし無毒無害であるため胃薬の酸中和剤に使われ、他に化粧品分野で口紅、マニキュア、アイシャドウの添加剤として、更に刺激性が低いことから焼灼用傷薬にも使用されている。
【００３１】
具体的に言えば、Ｂｉは、融点が271℃（鉛327.4℃）と低く、また鉛と同様の性質、即ち鉛系の極圧剤を使用すると、金属表面と鉛を含んだ潤滑剤の間に、単一原子レベルの低融点合金が形成されたことが明らかにされていたが、ビスマス系化合物も同様の現象がおこり、工具、加工物表面の分析より明らかになった。
【００３２】
また、硫黄系化合物との併用により、鉛と同様な硫化ビスマス（Bi₂S₃）を形成するが、その異なった結晶構造が、強い極性を示し、金属表面への強い吸着性を発揮するため、境界潤滑による摩耗防止及び金属加工における効果が増大することが判明した。
【００３３】
又、［化１］、［化２］で表される有機リン化合物の金属塩も、同様に基油に透明に溶解し、金属の物理・化学吸着、及び燐の化学吸着により、その極圧性は増幅され、工具摩耗防止効果に寄与することが明らかになった。
【００３４】
本発明潤滑剤組成物は、広く金属加工分野に使用され、工具・金型磨耗防止効果があり、製品表面の美観も優れている。更に詳しくは、熱間圧延時における焼き付き防止、ロール磨耗防止効果、冷間鍛造時における化成処理工程を省いて工具・金型磨耗防止、工具・金型寿命延長という、潤滑性に優れ、低公害性で、経済的に、優れた金属加工油剤である。
【００３５】
【実施例】
本発明を理解し易くするために以下に合成例たる参考例を示し、それらと同様の方法で合成された特定有機金属化合物を用いての実施例並びに比較例を示すが、下記の合成例及び実施例は本発明を何ら制限するもではない。
【００３６】
【参考例１】
温度計、攪拌機、逆流冷却管を取り付けた反応容器にキシレン５００ｍｌ、イソデシルアシッドフォスフェート（堺化学製）９２７ｇ、酸化ビスマス(Bi₂O₃)２３３ｇを仕込み、キシレン環流下１４０〜１５０℃で３〜５時間反応させる。その後減圧下に反応水とキシレンを留去し、濾過精製して黄色粘稠反応物を得た。
Ｂｉ＝１７．７％（計算値１８．０％）
【００３７】
【参考例２】
温度計、攪拌機、逆流冷却管を取り付けた反応容器にキシレン５００ｍｌ、ドデシルフォスフォン酸モノイソプロピル（大同化学製）６７４ｇ、水酸化カルシウム７４ｇを仕込み、キシレン環流下１４０〜１５０℃で５〜１０時間反応させる。その後減圧下に反応水とキシレンを留去し、濾過精製して黄色粘稠反応物を得た。
Ｃａ＝５．２％（計算値５．３％）
【００３８】
【実施例1〜５及び比較例1〜3】
表１及び表２に示す成分を混合して各種組成物を調製した。
上記各組成物について下記の方法で潤滑試験を行った。
【００３９】
＜潤滑試験＞ 1.ティムケン式潤滑試験
リング材質：SUJ-2, ブロック材質：Ni-Mo鋼, 回転数：800rpm, 試験温度：25℃給油方法：ビューレットより滴下
評価：負荷（荷重）をかけ、1min回転させ、焼き付きを起こすまで毎回リングとブロックを交換し、焼き付きを起こさず持続回転した荷重（Lbs）でその試料のＯＫLbsとし、結果を表１及び表２に併記して示す。
【００４０】
＜潤滑試験＞ 2.ボール通し試験
豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュウー,Vol.28,No.3.P.12-13（1993.9）の記載に従い、各潤滑剤液に円筒状試験片を浸漬して潤滑皮膜を生成させ、この潤滑皮膜生成した。
試験片をクランクプレス機にてボール通し試験を下記項目に従い試験した。
試験片材質：Ｓ１０Ｃ（低炭素鋼）
試験変形状：外径29.9mm,内径14.5ｍｍ又は15.0ｍｍ
ボール材質：ＳＵＪ−２（高炭素クロム軸受鋼）
ボール直径：15.08mm、15.88mm、16.67mm又は17.46mm
工具材質：ＳＫＤ−１２（合金工具鋼）
試験温度：３０℃
【００４１】
評価：試験片の内径より大きな直径のボールを円筒内に押し込み、貫通させて加工した時、内径が拡大し軸方向に伸びる変形を受けるが、この時にボール直径と試験片内径との組み合わせを一定の間で変化させるに伴って試験片の断面積が減少する割合（減面率）及び試験後の試験片内面を調べ、焼き付きを生じることなく加工できた最大の減面率（％）及びその時の負荷荷重（トン）を測定した。結果：表３（実施例６〜８、比較例４〜６）に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
【表２】
【００４４】
【表３】
但し、比較例５は、従来の水溶性乾燥皮膜タイプ
比較例６は、化成処理皮膜
【００４５】
表３の結果からも明らかなように、本発明有機金属化合物を用いた実施例は、比較例の水溶性乾燥タイプの冷間鍛造油剤や化成皮膜処理と同等の潤滑性を示し、工程の簡素化・液管理や廃液処理の煩雑さから免れ、大幅なコスト低減が期待される。
【００４６】
【実施例９〜１３及び比較例７〜８】
表４に示す成分を混合して各種組成物を調製した。
【００４７】
【表４】
上記各組成物について下記の方法で潤滑試験を行った。
【００４８】
＜潤滑試験＞3,熱間ティムケン試験（当社考案熱間潤滑試験機）
試験片：SS-41（摩擦係数測定用）,SUS-304（耐焼き付き性試験用），温度：900℃, 荷重：5〜50Kg, 回転数：150〜1000rpm, ロール：ハイスロール，給油方法：water injection 300ml／min, 給油量：7ml／min
【００４９】
試験方法：図1に示す装置にて、（1）の試験片を（2）の高周波加熱コイルにより加熱し、その温度は（6）の熱電対により記録、表示される。（3）のロールと接触・荷重をかけた状態で（4）のウォーターインジェクションrinjection)より給油し、（5）のエアーワイパー（air-wiper）にて水切りを行って、熱間状態での潤滑性の評価を行う。
【００５０】
結果：図２に荷重とトルクより計算された摩擦係数の変化を示した。但し図２中イ〜ニは夫々以下のことを示す
イ:実施例１２
ロ:比較例７
ハ:比較例８
【００５１】
図２からも明らかなように、本発明のビスマス化合物を用いた場合、実施例は比較例より摩擦係数は低く、又表４に示すごとくステンレスに対する耐焼き付き荷重も高く、比較品より強靭な油膜強度を有し、工具、被加工材、金型の保護、磨耗防止に寄与することが解かる。但し、50Kgは機械Ｍａｘである。
【００５２】
同様のことが、表1及び表２のティムケン試験結果のＯＫLbsを見ても言える。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は熱間ティムケン試験に使用する装置の説明である
【図２】図２は各組成物の摩擦係数を測定した結果を示すグラフである
【００５０】
【符号の説明】
１:試験片
２;高周波コイル
３:ロール
４:ウォーターインジェクション
５:エアーワイパー
６:熱電対

Claims

下記［化１］で表される酸性リン酸エステルの金属塩及び［化２］で表されるアルキルフォスフォン酸の金属塩から選ばれる１種又は２種以上を含有することを特徴とする金属塑性加工潤滑剤組成物。
（式中、Ｒ ^２は炭素数４〜１８の直鎖又は分岐アルキル基又はＨ、Ｒ ^３は炭素数４〜１８の直鎖又は分岐アルキル基又はＨである。但しＲ ^２、Ｒ ^３は同時にＨとはならない。Ｒ ^４は炭素数８〜２８の直鎖又は分岐アルキル基、Ｒ ^５はＨ又は炭素数１〜８の直鎖又は分岐アルキル基、ｎは１〜４の整数を示す。）
前記［化１］又は［化２］で表される金属化合物の含有量が、潤滑剤組成物の全量に対して1.0〜80重量％である請求項１に記載の金属塑性加工潤滑剤組成物。