JP3867964B2

JP3867964B2 - 金属表面調整剤および金属表面の潤滑処理方法

Info

Publication number: JP3867964B2
Application number: JP2002066652A
Authority: JP
Inventors: 英宏山口; 昌之吉田
Original assignee: Nihon Parkerizing Co Ltd
Current assignee: Nihon Parkerizing Co Ltd
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2022-03-12
Also published as: JP2003268570A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，鉄鋼，ステンレス，チタン，アルミニウム等の金属材料の表面に非反応系もしくは反応系の潤滑処理をする前に，潤滑処理液寿命向上もしくは反応性向上を図るために用いられる金属表面調整剤，および金属表面の潤滑処理方法に関するものである。より詳しく述べるならば，本発明は金属材料の鍛造，伸線，伸管のような塑性加工を行う際に金属材料表面に非反応系もしくは反応系の潤滑処理をする前に該金属表面のｐＨを調整することで潤滑処理液寿命向上もしくは反応性向上を図るために用いられる金属表面調整剤、およびかかる金属表面調整剤で予備処理を行う金属表面の潤滑処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に鉄鋼，ステンレス等の金属材料を塑性加工する際には，被加工材と工具との金属接触により生ずる焼き付きやかじりを防止する目的で，金属表面に潤滑皮膜を生成させている。金属表面に生成させる皮膜としては，潤滑剤を金属表面に物理的に付着させるタイプのものと化学的に金属表面に化成処理皮膜を生成させた後，潤滑剤を使用するタイプのものがある。金属表面に物理的に付着させる潤滑剤は，金属表面に化成処理皮膜を生成させて使用するものに比べ密着性が劣るため，一般に軽加工用として使用される。化成皮膜−潤滑剤タイプのものは表面にキャリアとしての役割を有するりん酸塩皮膜や蓚酸塩皮膜を生成させた後，滑り性のある潤滑剤を使用する。このタイプはキャリア皮膜としての化成皮膜と潤滑剤との二層構造を有しており，非常に高い耐焼付き性を示す。そのため化成皮膜−潤滑剤タイプのものは鍛造，伸線，伸管などの塑性加工分野において非常に広い範囲で使用されている。特に塑性加工の中でも加工が厳しい分野には，りん酸塩皮膜や蓚酸塩皮膜を下地皮膜とし，その上に潤滑剤を成膜する方法が多用されている。
【０００３】
金属表面に潤滑皮膜を生成する潤滑処理に先立ち金属表面の酸化物（スケール）を除去する目的で塩酸もしくは硫酸，硝酸もしくはそれらの混酸等による酸洗が行われる。潤滑剤を金属表面に物理的に付着させる場合，金属表面に残留している酸成分が潤滑剤に混入する。また，化成皮膜上に潤滑皮膜を生成する場合も同様に，酸系の化成処理液が潤滑剤に混入する。酸成分もしくは化成処理液の混入により潤滑剤の劣化は促進され，頻繁に潤滑剤の廃棄更新をする必要が生じる。これが近年の地球環境保全の観点から産業廃棄物は大きな課題となっており，廃棄物を低減する処理工程が望まれている。
【０００４】
化成皮膜上に潤滑皮膜を生成する場合，潤滑剤としてステアリン酸ナトリウムのような反応型石けんによる処理が行われることが多い。ステアリン酸ナトリウムは化成処理皮膜と反応することで高い潤滑性を持つ反応石けんを生じる。りん酸塩皮膜にステアリン酸ナトリウムを反応させて生成した反応石けん量は潤滑性に大きく寄与することから，高潤滑な皮膜が必要とされる場合，安定した反応生成が不可欠となる。化成皮膜とステアリン酸ナトリウムはｐＨ１０〜１２程度で最も反応することが知られているが，金属表面に残留する化成処理液により被処理材界面のｐＨは酸性から弱アルカリ性になり，反応石けん生成量が減少する。この観点から化成皮膜上に反応石けんを安定的に生成させることができる表面調整剤が使用されている。
【０００５】
このような問題点を解決するために使用されている表面調整剤は，硼酸塩もしくはりん酸塩系である。これらの表面調整剤を使用することで潤滑剤への酸分もしくは化成処理液の持ち込みは軽減された。しかしながら硼酸塩もしくはりん酸塩に含まれるホウ素，リンはそれ自身が排水規制物質であり，これらを含む排水処理が問題となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって，本発明は上記従来技術の抱える問題を解決するためのものであり，地球環境保全を考慮し，各種金属材料の反応系もしくは非反応系潤滑処理工程内に使用できる表面調整剤を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果，炭酸塩および重炭酸塩，亜硝酸塩を特定の比率で配合することにより，優れた表面調整が行えることを見いだし，また，その処理方法を確立し，本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明の金属表面調整剤は、酸洗もしくは化成処理された金属材料の表面に、潤滑処理前に施される表面処理剤において、（Ａ）炭酸塩５０〜８０重量部と、（Ｂ）重炭酸塩１０〜４０重量部と、（Ｃ）亜硝酸塩５〜１５重量部とを含有することを特徴とし、本発明に係る金属表面潤滑処理法の第一は、酸洗により清浄化された金属表面を、（Ａ）炭酸塩０．０５〜７．０ｇ／Ｌと，（Ｂ）重炭酸塩０．１〜５．０ｇ／Ｌと，（Ｃ）亜硝酸塩０．０５〜１．０ｇ／Ｌとを含有し，ｐＨが８〜１２の表面調整液と常温〜８０℃で、１〜１０分間接触させ，次いで非反応系潤滑剤、もしくは油系潤滑剤に接触させることを特徴とし、第二は、りん酸塩処理または蓚酸塩処理のいずれかにて化成皮膜が形成された金属表面を（Ａ）炭酸塩０．５〜７．０ｇ／Ｌと，（Ｂ）重炭酸塩０．１〜５．０ｇ／Ｌと，（Ｃ）亜硝酸塩０．０５〜１．０ｇ／Ｌとを含有し，ｐＨが８〜１２の表面調整液と常温〜８０℃で１〜１０分間接触させ，次いで非反応系潤滑剤、油系潤滑剤または反応型潤滑剤に接触させることを特徴とする。
【０００９】
【作用】
酸洗もしくは化成処理された金属を本発明における表面調整剤により処理すると、詳しくは後述するように、処理液中のｐH調整、水素イオンの授受及び酸化抑制作用が協働的に実現されて、酸洗等が潤滑剤に及ぼす悪影響を阻止することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の内容を詳細に説明する。
本発明の金属表面調整剤に使用される（Ａ）炭酸塩は表面調整液のｐＨを上昇させ，十分な中和力を付与するためのものである。そのため適用する炭酸塩は処理液中で均一に溶解し，酸分の混入に対して十分な中和力を有する性質を持つことが必要である。更にりん酸塩処理，蓚酸塩処理のいずれか１つの化成処理方法にて表面に皮膜を形成された金属表面に対して，ステアリン酸ナトリウムを主成分とする反応型潤滑剤による処理を行う際には，金属と潤滑剤の界面のｐＨを上昇させ，その反応を促進する性質を持つことが必要である。そのような性質の炭酸塩として，具体的には炭酸ナトリウムや炭酸カリウムなどを挙げることができる。
【００１１】
次に，（Ｂ）重炭酸塩は酸の混入に対して水素イオンを授受することによる緩衝作用を付与するためのものである。そのため適用する重炭酸塩は処理液中で均一に溶解し，酸分の混入に対して十分な緩衝作用を持つことが必要である。更に金属表面にりん酸塩処理または蓚酸塩処理にて化成処理皮膜が形成された表面と，表面調整液を常温〜８０℃で，１〜１０分間接触させる際に，化成皮膜が過溶解しないようにｐＨを調整しうる性質を重炭酸塩が持つことが必要である。そのような重炭酸塩として，具体的には重炭酸ナトリウムや重炭酸カリウムなどを挙げることができる。
【００１２】
本発明で使用する（Ｃ）亜硝酸塩は調整液中の酸素を取り込むことにより金属表面の酸化を抑制するためのものである。そのため適用する亜硝酸塩は処理液中で均一に溶解し，金属表面の酸化に対して十分な抑制効果を持つことが必要である。そのような亜硝酸塩として具体的には亜硝酸ナトリウム，亜硝酸カリウムなどを挙げることができる。
【００１３】
本発明に係る金属表面調整剤中の（Ａ）炭酸塩の配合量は，５０〜８０重量部にするのが好ましい。より好ましくは５５〜７０重量部の範囲である。この配合量が５０重量部未満では被処理剤の形状によっては十分な表面調整効果が得られない場合がある。また，８０重量部を超えると化成処理皮膜の溶解が促進されるために好ましくない。
【００１４】
本発明に係る金属表面処理剤中の（Ｂ）重炭酸塩の配合量は１０〜４０重量部にするのが好ましい。より好ましくは２０〜３５重量部の範囲である。この配合量が１０重量部未満では処理液の緩衝作用が小さく，処理液安定性に問題を生じる場合がある。また，４０重量部を超えると十分な表面調整効果が得られない場合があるため好ましくない。
【００１５】
本発明に係る金属表面処理剤中の（Ｃ）亜硝酸塩の配合量は５〜１５重量部にするのが好ましい。より好ましくは７〜１２重量部の範囲である。この配合量が５重量部未満では十分な防錆性が得られない場合があるので好ましくない。また，１５重量部を超えると十分な表面調整効果が得られない場合があるので好ましくない。
【００１６】
本発明に係る表面調整液において（Ａ）炭酸塩は０．５〜７．０ｇ／Ｌにするのが好ましい。より好ましくは０．７〜５．０ｇ／Ｌの範囲である。この量が０．５ｇ／Ｌ未満では被処理材の形状によっては十分な表面調整効果が得られない場合があるので好ましくない。また，７．０ｇ／Ｌを超えると化成処理皮膜の溶解が促進されるために好ましくない。
【００１７】
本発明の表面調整液において（Ｂ）重炭酸塩は０．１〜５．０ｇ／Ｌにするのが好ましい。より好ましくは０．３〜３．０ｇ／Ｌの範囲である。この量が０．１ｇ／Ｌ未満では処理液の緩衝作用が小さく，処理液安定性に問題を生じる場合がある。また，５．０ｇ／Ｌを超えると十分な表面調整効果が得られない場合があるため好ましくない。
【００１８】
本発明に係る表面調整液において（Ｃ）亜硝酸塩は０．０５〜１．０ｇ／Ｌにするのが好ましい。より好ましくは０．１〜０．５ｇ／Ｌの範囲である。この量が０．０５ｇ／Ｌ未満では十分な防錆性が得られない場合があるので好ましくない。また，１．０ｇ／Ｌを超えると十分な表面調整効果が得られない場合があるので好ましくない。表面調整液のｐＨは８〜１２の範囲とする必要がある。ｐＨが８未満では表面調整効果が不充分となり，１２を超えると金属表面の溶出があるので好ましくない。
【００１９】
本発明に係る金属表面調整剤および潤滑表面処理方法の対象金属は，鉄もしくは鋼，ステンレス，銅もしくは銅合金，アルミニウムもしくはアルミニウム合金，チタンもしくはチタン合金等の金属材料である。金属材料の形状としては，棒材やブロック材等の素材だけでなく，伸管や鍛造などの塑性加工後の形状物（ギアやシャフト等）の加工も考えられるので，特に限定されない。
【００２０】
本発明の表面調整剤は、金属材料を脱脂し水洗を経て酸洗をしたもの，化成処理皮膜を施したもの等の金属表面を調整するものである。本発明で用いる表面調整剤は金属材料の材質や表面状態については特に限定されるものではない。
化成処理は、既知の方法でりん酸塩皮膜（リン酸亜鉛，リン酸マンガン，リン酸カルシウム，リン酸鉄，リン酸スズ等），蓚酸塩皮膜（蓚酸鉄等），クリオライト，アルミン酸カルシウム，ハイドロキシアパタイトを被覆させて行うことができる。
酸洗し表面調整後の後処理として用いる潤滑剤としては，非反応系潤滑剤または油系潤滑剤がある。非反応系潤滑剤としては、石灰石けんあるいは無機塩およびワックスあるいは二硫化モリブデンを成分とするものである。油系潤滑剤としては、基油としては鉱油あるいは油脂等を用い，Ｓ系，Ｐ系，Ｃｌ系極圧剤や他の添加剤を含有するものがある。
これらの種類や濃度は特に限定されない。
また，化成皮膜を形成後，表面調整した場合，後処理で用いる潤滑剤にも非反応系潤滑剤、油系潤滑剤または反応型潤滑剤がある。非反応系潤滑剤は、石灰石けんあるいは無機塩およびワックスあるいは二硫化モリブデンを成分とする。油系潤滑剤には，基油としては鉱油あるいは油脂等を用い，Ｓ系，Ｐ系，Ｃｌ系極圧剤や他の添加剤を含有するものがある。反応型潤滑剤はステアリン酸金属塩を主成分とする。これら潤滑剤の濃度や反応時間にも特に限定はない。
【００２１】
本発明の表面調整剤を用いて金属表面を処理する方法は特に限定されるものではないが，浸漬法，フローコート法，スプレー法などを用いることができる。素材の形状によっては金属表面の残留酸分を充分に置換するために１〜１０分間，好ましくは３〜５分接触させるのが好適である。また，スプレー法の場合には空気中の炭酸ガスを吸収し，ｐＨが下がる場合があるので注意が必要である。液温は素材，状況によって変わるが，常温から８０℃の範囲で使用するのが好ましい。より好ましくは４０〜７０℃である。
【００２２】
【実施例】
本発明の実施例を比較例と共に挙げ，その効果をより具体的に説明する。
【００２３】
【防錆性】
防錆性は試験片（ＳＰＣＣ−ＳＤ材７０ｍｍ×１５０ｍｍ×厚さ０．８ｍｍ）を下記工程にて処理した場合の乾燥中および工場内屋内暴露の発錆度合を目視により判断した。評価基準は以下の通りである。
【００２４】
＜処理工程＞
▲１▼脱脂：市販の脱脂剤（登録商標ファインクリーナー４３６０，日本パーカライジング
（株）製），濃度２０ｇ／Ｌ，温度６０℃，浸漬１０分
▲２▼水洗：水道水，常温，浸漬１０秒
▲３▼酸洗：塩酸，濃度１７．５％，常温，浸漬１０分
▲４▼水洗：水道水，常温，浸漬１０秒
▲５▼表面調整：本発明の処理剤，６０℃，浸漬１分
▲６▼乾燥（１）：自然乾燥，室温，５分
▲７▼乾燥（２）：８０℃，１０分
【００２５】
＜評価基準＞
Ａ：乾燥中および暴露中に全く発錆なし。
Ｂ：暴露試験中にエッジ部に点錆が発生しているが，著しい発錆はない。
Ｃ：暴露試験中に全面に点錆が発生している，もしくは局部的に著しい発錆がある。
Ｄ：暴露試験中に全面に発錆している。
Ｅ：乾燥中に発錆している。
一般的にはＣ以上の性能が必要とされる。
【００２６】
[化成皮膜溶解性]
化成皮膜溶解性は試験片（ＳＰＣＣ−ＳＤ材７０ｍｍ×１５０ｍｍ×厚さ０．８ｍｍ）を下記工程にて処理した場合の化成皮膜溶解量を測定する方法で評価を行った。
【００２７】
＜工程＞
▲１▼脱脂：市販の脱脂剤（登録商標ファインクリーナー４３６０，日本パーカライジング
（株）製），濃度２０ｇ／Ｌ，温度６０℃，浸漬１０分
▲２▼水洗：水道水，常温，浸漬１０秒
▲３▼酸洗：塩酸，濃度１７．５％，常温，浸漬１０分
▲４▼水洗：水道水，常温，浸漬１０秒
▲５▼化成処理：市販のリン酸塩系化成処理剤（登録商標パルボンド１８１Ｘ，日本パーカライジング（株）製），濃度９０ｇ／Ｌ，温度８０℃，浸漬１０分
▲６▼水洗：水道水，常温，浸漬１０秒
▲７▼表面調整：本発明の処理剤，６０℃，浸漬３０分
▲８▼水洗：水道水，常温，浸漬１０秒
▲９▼乾燥（２）：８０℃，１０分
【００２８】
＜評価基準＞
Ａ：溶解量が０．１ｇ/ｍ^２以下である。
Ｂ：溶解量が０．３ｇ/ｍ^２以下である。
Ｃ：溶解量が０．８ｇ/ｍ^２以下である。
Ｄ：溶解量が０．８ｇ/ｍ^２を超える。
一般的にはＢ以上の性能が必要とされる。
【００２９】
【潤滑皮膜反応性】
潤滑皮膜反応性は試験片（ＳＰＣＣ−ＳＤ材７０ｍｍ×１５０ｍｍ×厚さ０．８ｍｍ）を下記工程にて処理した場合の潤滑皮膜量を測定する方法で評価を行った。
【００３０】
＜工程＞
▲１▼脱脂：市販の脱脂剤（登録商標ファインクリーナー４３６０，日本パーカライジング（株）製），濃度２０ｇ／Ｌ，温度６０℃，浸漬１０分
▲２▼水洗：水道水，常温，浸漬１０秒
▲３▼酸洗：塩酸，濃度１７．５％，常温，浸漬１０分
▲４▼水洗：水道水，常温，浸漬１０秒
▲５▼化成処理：市販のリン酸塩系化成処理剤（登録商標パルボンド１８１Ｘ，日本パーカライジング（株）製），濃度９０ｇ／Ｌ，温度８０℃，浸漬１０分
▲６▼水洗：水道水，常温，浸漬１０秒
▲７▼表面調整：本発明の処理剤，６０℃，浸漬１分
▲８▼潤滑処理：市販の潤滑処理薬剤（登録商標パルーブ２３５），濃度７０ｇ／Ｌ，７０℃
浸漬３分
▲９▼乾燥：８０℃，１０分
【００３１】
＜評価基準＞
Ａ：金属石けん皮膜量が３０％以上増加する。
Ｂ：金属石けん皮膜量が１５％以上３０％未満増加する。
Ｃ：金属石けん皮膜量が５％以上１５％未満増加する。
Ｄ：金属石けん反応量の増加量が５％未満である。
一般的には金属表面調整剤としてＢ以上の性能が必要とされる。
【００３２】
【潤滑性】
潤滑性はスパイク試験にて行った。スパイク試験は特開平５−７９６９号の発明に準じて行った。スパイク試験片はＳ４５Ｃ球状化焼鈍材で，試験片寸法は２５ｍｍφ，高さ３０ｍｍである。試験後のスパイク高さにて潤滑性を評価した。スパイク高さが高いほど潤滑性に優れる。一般的には１３．０ｍｍ以上が合格とされる。
【００３３】
＜工程＞
▲１▼脱脂：市販の脱脂剤（登録商標ファインクリーナー４３６０，日本パーカライジング（株）製），濃度２０ｇ／Ｌ，温度６０℃，浸漬１０分
▲２▼水洗：水道水，常温，浸漬１０秒
▲３▼酸洗：塩酸，濃度１７．５％，常温，浸漬１０分
▲４▼水洗：水道水，常温，浸漬１０秒
▲５▼化成処理：市販のリン酸塩系化成処理剤（登録商標パルボンド１８１Ｘ，日本パーカライジング（株）製），濃度９０ｇ／Ｌ，温度８０℃，浸漬１０分▲６▼水洗：水道水，常温，浸漬１０秒
▲７▼表面調整：本発明の処理剤，６０℃，浸漬１分
▲８▼潤滑処理：市販の非反応系潤滑処理薬剤（登録商標パルーブ２３５），濃度７０ｇ／Ｌ，７０℃
▲９▼浸漬３分
(10)乾燥：８０℃，１０分
【００３４】
【比較例１】
各性能評価の処理工程における本発明の薬剤を市販の薬剤（登録商標プレパレン２１日本パーカライジング（株）製）で行った。
【００３５】
【比較例２】
各性能評価の処理工程における本発明の薬剤を苛性ソーダで行った。
【００３６】
【比較例２】
各性能評価の処理工程における本発明の薬剤を使用しないで行った。
【００３７】
以上の試験の結果を表１に示す。表１から明らかなように，本発明の金属表面調整剤を用いた実施例１〜７は比較例１の市販の表面調整剤と同等もしくはそれ以上の表面調整性を示す。
これに対して、比較例１はホウ素を多量に含んでいることから，排水による環境負荷が大きい。苛性ソーダを用いた比較例２は化成皮膜を著しく溶解することから，表面調整剤としては好ましくない。また，実施例１〜７は表面調整を行わない比較例３より優れた防錆性，化成皮膜溶解性および金属石けん反応性を示し，優れた表面調整性を発揮することがわかる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように，本発明の金属表面調整剤およびその表面処理方法を用いると，非反応系もしくは反応系の潤滑剤の処理において，潤滑処理液寿命向上もしくは反応性の向上ができる。また排水規制物質を含まないことから，地球環境に対する負荷も小さく，産業上の利用価値も極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１〜７、比較例１〜３の性能評価水準を示す図表（表１）である。
【図２】実施例１〜７、比較例１〜３の性能評価結果を示す図表（表１）である。

Claims

酸洗もしくは化成処理された金属材料の表面に、潤滑処理前に施される表面処理剤において、（Ａ）炭酸塩５０〜８０重量部と、（Ｂ）重炭酸塩１０〜４０重量部と、（Ｃ）亜硝酸塩５〜１５重量部とを含有することを特徴とする金属表面調整剤。
酸洗により清浄化された金属表面を、（Ａ）炭酸塩０．５〜７．０ｇ／Ｌと，（Ｂ）重炭酸塩０．１〜５．０ｇ／Ｌと，（Ｃ）亜硝酸塩０．０５〜１．０ｇ／Ｌとを含有し，ｐＨが８〜１２の表面調整液と常温〜８０℃で１〜１０分間接触させ，次いで非反応系潤滑剤、もしくは油系潤滑剤に接触させることを特徴とする金属表面の潤滑処理方法。
前記非反応系潤滑剤が石灰石けん，無機塩，ワックスまたは二硫化モリブデンを主成分とする請求項２記載の金属表面の潤滑処理方法。
りん酸塩処理または蓚酸塩処理のいずれかにて化成皮膜が形成された金属表面を、（Ａ）炭酸塩０．５〜７．０ｇ／Ｌと，（Ｂ）重炭酸塩０．１〜５．０ｇ／Ｌと，（Ｃ）亜硝酸塩０．０５〜１．０ｇ／Ｌとを含有し，ｐＨが８〜１２の表面調整液と常温〜８０℃で１〜１０分間接触させ，次いで非反応系潤滑剤，油系潤滑剤または反応系潤滑剤に接触させることを特徴とする金属表面の潤滑処理方法。
前記非反応系潤滑剤が石灰石けん，無機塩，ワックスもしくは二硫化モリブデンを主成分とする請求項４記載の金属表面の潤滑処理方法。
前記反応系潤滑剤がステアリン酸金属塩を主成分とする請求項４記載の金属表面の潤滑処理方法。