JP3971929B2

JP3971929B2 - 温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤

Info

Publication number: JP3971929B2
Application number: JP2002003940A
Authority: JP
Inventors: 賢一郎宇田; 辰巳原田
Original assignee: Yushiro Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Yushiro Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2022-01-10
Also published as: JP2003206493A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温間又は熱間領域における金属の鍛造、押し出し、プレス及び伸線等の塑性加工に用いられる温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤に関し、更に詳しくは、型と被加工物との間に供給され、両者間の摩擦を軽減する潤滑性や接触時間を短くするための離型性に優れると共に、作業環境及び作業効率の悪化並びに金型への堆積を抑制する温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から金属の塑性加工では、金属材料と工具又は金型間の摩擦を低減し、金属の塑性変形を一層円滑に行うと共に、工具又は金型の冷却、保護及び工具や金型からの金属材料の離型を容易にする目的で潤滑剤が使用されている。このような潤滑剤としては、例えば、黒鉛粉末を油又は水に分散した黒鉛系潤滑剤が挙げられる。黒鉛系潤滑剤は、潤滑性及び離型性に優れていることから、従来より塑性加工分野では広く利用されている。
【０００３】
しかし、黒鉛系潤滑剤では、塗布する際に黒鉛粉末が飛散したり、機械に付着したりして作業環境を悪化させるおそれがあるという問題がある。また、黒鉛系潤滑剤では、使用回数を重なるにしたがって、黒鉛粉末が潤滑剤を塗布するパイプやノズルに詰まり、作業に支障をきたすと共に、これらを清掃するために余分な作業を必要とする。その結果、塑性加工の作業効率を悪化させるという問題もある。そこで、このような黒鉛系潤滑剤の問題点を解決するために、黒鉛粉末を含有しない無黒鉛型の潤滑剤が求められている。
【０００４】
かかる観点から、従来より、無黒鉛型の潤滑剤として、ガラス系潤滑剤及びカルボン酸系潤滑剤が開発されている。上記ガラス系潤滑剤としては、例えば、リン酸、リン酸塩、ケイ酸及び硼酸のアルカリ金属塩からなるガラス系潤滑剤（特開昭５９−６４６９８号公報)が知られている。また、上記カルボン酸系潤滑剤としては、アジピン酸塩と有機増粘剤（特開昭５５−１３９４９８号公報）、フタル酸アルカリ金属塩と有機増粘剤（特開昭５８−８４８９８号公報）、芳香族カルボン酸のアルカリ金属塩（特開昭６０−１２９３号公報）、マレイン酸アルカリ金属塩と有機増粘剤（特開昭６１−１０３９９６号公報)、フマル酸アルカリ金属塩と有機増粘剤（特公昭６２−１２９６０号公報）、カルボキシ基を有する芳香族多カルボン酸のアルカリ塩（特開昭６２−５０３９６号公報）、リグニンスルホン酸のアルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩（特開昭６２−８１４９３号公報)、及びトリメリット酸とアルカリ金属水酸化物又はアルカリ土類金属水酸化物とのポリカルボン酸反応生成物（特公平４−６０５１号公報）等が知られている。
【０００５】
しかし、上記ガラス系潤滑剤では、加工数の増加に伴って、金型の凹部又はコーナー部に潤滑剤の不揮発成分や、潤滑剤の不揮発成分と金属摩耗粉との混合固着物が堆積し易く、その結果、塑性加工後の製品に欠肉が生じ易いという問題がある。また、上記カルボン酸塩と有機増粘剤からなる潤滑剤は、作業環境や作業効率の悪化及び金型への堆積は解消される反面、上記黒鉛系潤滑剤と比較して潤滑性及び離型性がやや劣っている。しかも、上記カルボン酸塩と有機増粘剤からなる潤滑剤では、増粘剤を併用しているため、潤滑剤の粘度が高くなり、その結果、冷却性が低下して金型温度の上昇（即ち、連続加工における定常状態での金型温度が高くなること）により、金型寿命を低下させるという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、型と被加工物との間に供給され、両者間の摩擦を軽減する潤滑性や接触時間を短くするための離型性に優れると共に、作業環境及び作業効率の悪化並びに金型への堆積を抑制する温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑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】
これまでの白色系潤滑剤では、高分子化合物を主剤に用いた場合、金型への堆積汚れによるノックアウトピンの稼動不良や金型コーナー部へのスラッジ堆積による製品形状の不良が問題となるため、カルボン酸塩等を主剤に用い、高分子化合物はバインダーとしての役割しか求められていなかった。一方、高分子化合物を主剤に用いた場合の上記問題を解決するために、高分子化合物の分子量を低下させて水溶液に流動性を持たせてスラッジを除去しやすくしたり、皮膜形成を阻害する化合物を添加して皮膜強度を低下させて金型への堆積を抑制したりする方法が考えられるが、何れの場合も一次性能である潤滑性を低下させるおそれがあるという問題がある。
【０００８】
かかる点に鑑み、本発明者らは、潤滑剤の成分と潤滑性、離型性、金型への堆積等の諸性質との関係について鋭意研究を行なった。その結果、特定の分子量である高分子量アニオン系高分子化合物に、特定の分子量である低分子量アニオン系高分子化合物を併用することによって、潤滑性を低下させることなく離型性に優れると共に、型汚れが少ない温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤が得られることを見出して、本発明を完成するに至った。
【０００９】
本発明の温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤は、温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤１００質量％中、（ａ）炭素−炭素二重結合を有するカルボン酸又はその誘導体、炭素−炭素二重結合を有するスルホン酸又はその誘導体、及びアルケニル基を有するフェノール系化合物又はその誘導体のうちの少なくとも１種の重合体であり、平均分子量が１万〜１００万のアニオン系高分子化合物のアルカリ金属塩及び／又はアンモニウム塩（以下、「（ａ）成分」という。）を１５〜５０質量％、並びに（ｂ）炭素−炭素二重結合を有するカルボン酸又はそのエステル、イミド、アミド若しくは酸無水物、炭素−炭素二重結合を有するスルホン酸若しくはその誘導体、及びアルケニル基を有するフェノール系化合物若しくはその誘導体のうちの少なくとも１種の重合体、又は炭素−炭素二重結合を有するカルボン酸又はそのエステル、イミド、アミド若しくは酸無水物、炭素−炭素二重結合を有するスルホン酸若しくはその誘導体、及びアルケニル基を有するフェノール系化合物若しくはその誘導体のうちの少なくとも１種と、α−オレフィン、芳香族ビニル化合物、ハロゲン化ビニル化合物、及びジエン系化合物の１種又は２種以上との共重合体であり、平均分子量が５００〜１万未満のアニオン系高分子化合物のアルカリ金属塩及び／又はアンモニウム塩（以下、「（ｂ）成分」という。）を７．５〜３０質量％含むことを特徴とする。
【００１０】
また、上記炭素−炭素二重結合を有するカルボン酸又はその誘導体は、無水マレイン酸又はその誘導体とすることができる。更に、上記α−オレフィンはイソブチレンとすることができる。
【００１１】
【発明の効果】
本発明の温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤は、特定の高分子量であるアニオン系高分子化合物と、それよりも分子量が低い特定の分子量のアニオン系高分子化合物とを併用するという構成を備えている。これにより、従来の黒鉛系潤滑剤と同等以上の潤滑性及び離型性を示すと共に、かかる黒鉛系潤滑剤と異なり、金型汚れも少なく、作業環境の悪化や作業効率の低下を抑制することができる。従って、本発明の温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤は、潤滑性及び離型性に優れていることが求められる温間又は熱間領域を対象とする塑性加工に好適に使用することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について更に詳細に説明する。
本発明の上記（ａ）成分及び／又は（ｂ）成分を構成する上記アニオン系高分子化合物は、水系において陰イオンを示すアニオン性基を有し、且つ、分子量が上記範囲にある高分子化合物であれば、その構造、性質等については特に限定はない。上記アニオン性基としては、例えば、スルホン酸基又はそのイオン基（−ＳＯ_３ ⁻）、カルボン酸基又はそのイオン基（−ＣＯＯ⁻）、及びフェノール性水酸基又はそのオキシイオン基等が挙げられる。また、上記アニオン系高分子化合物は、異なる１以上の上記アニオン性基を１つの高分子化合物中に備えていてもよいし、同種の上記アニオン性基を２以上備えていてもよい。
【００１３】
また、本発明の上記アニオン系高分子化合物は、アルカリ金属塩（リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩及びルビジウム塩等）やアンモニウム塩の形で存在する。本発明では、上記アニオン系高分子化合物のアルカリ金属塩又はアンモニウム塩のいずれか一方のみを含んでいてもよく、あるいは、両方を含んでいてもよい。尚、本発明の上記アニオン系高分子化合物のアルカリ金属塩及び／又はアンモニウム塩には、各々イオンの状態であるものも含まれる。即ち、本発明の温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤中、上記アニオン系高分子化合物のイオンと、アルカリ金属イオン及び／又はアンモニウムイオンの形とが含まれている場合でも、本発明の上記アニオン系高分子化合物のアルカリ金属塩及び／又はアンモニウム塩に含まれる。
【００１４】
上記アニオン系高分子化合物は、上記アニオン性基を有する単量体の単独重合若しくは共重合、又は上記アニオン性基を有しない重合体に後工程を行って上記アニオン性基を導入することにより得ることができる。そして、上記アニオン性基を有する単量体としては、例えば、炭素−炭素二重結合を有するアニオン性基含有化合物の重合体が挙げられる。上記炭素−炭素二重結合を有するアニオン性基含有化合物は、化合物中、炭素−炭素二重結合と上記アニオン性基又はその誘導体を１以上含有している化合物であればよい。このような炭素−炭素二重結合を有するアニオン性基含有化合物としては、例えば、炭素−炭素二重結合を有するカルボン酸又はその誘導体の重合体、炭素−炭素二重結合を有するスルホン酸又はその誘導体の重合体、及びビニル基、アリル基等のアルケニル基を有するフェノール系化合物又はその誘導体等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００１５】
上記炭素−炭素二重結合を有するカルボン酸の誘導体及びスルホン酸の誘導体としては、エステル、イミド、アミド、無水物等が挙げられ、上記アルケニル基を有するフェノール系化合物の誘導体としては、エステル等が挙げられる。また、上記炭素−炭素二重結合を有するカルボン酸としては、例えば、マレイン酸、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、イタコン酸及びウンデシレン酸等が挙げられる。特に好ましい上記炭素−炭素二重結合を有するカルボン酸としては、マレイン酸又は無水マレイン酸が挙げられる。更に、好ましい上記炭素−炭素二重結合を有するカルボン酸の誘導体としては、例えば、マレイン酸イミド、２−メチルマレイン酸、マレイン酸モノメチルエステル、マレイン酸モノエチルエステル及びマレイン酸モノフェニルエステル等の無水マレイン酸誘導体が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００１６】
また、上記アニオン系高分子化合物は、２種以上の単量体を重合させた共重合体であってもよい。例えば、上記二重結合を有するカルボン酸又はその誘導体の重合体、二重結合を有するスルホン酸の重合体又はその誘導体、及びビニル基を有するフェノール系化合物又はその誘導体等の上記二重結合を有するアニオン性基含有化合物又はその塩と他の単量体との共重合体とすることができる。上記他の単量体としては、例えば、プロピレン、１-ブテン、イソブチレン、１−ペンテン、１−ドデセン及び１−テトラデセン等のα−オレフィン、スチレン等の芳香族ビニル化合物、塩化ビニル等のハロゲン化ビニル化合物、ブタジエン、イソプレン等のジエン系化合物等が挙げられる。この中で、特にイソブチレンを用いると、造膜性、被膜強度、被膜密着性に優れ、また、加工時の被膜追従性も良好であることから好ましい。また、上記α-オレフィン等の他の単量体は、単独で用いてもよく、あるいは２種以上を併用してもよい。
【００１７】
上記アニオン系高分子化合物の具体例としては、イソブチレンと無水マレイン酸との共重合物のナトリウム塩又はアンモニウム塩、スチレンスルホン酸とアクリル酸若しくはメタクリル酸との共重合物のナトリウム塩又はアンモニウム塩、とアクリル酸若しくはメタクリル酸とマレイン酸との共重合物のナトリウム塩又はアンモニウム塩、（メタ）ポリスチレンスルホン酸のアルカリ金属塩又はアンモニウム塩、ポリアクリル酸のナトリウム塩又はアンモニウム塩、ポリメタクリル酸のナトリウム塩又はアンモニウム塩、アクリル酸とアクリルアミドの共重合体のナトリウム塩又はアンモニウム塩、ポリアルケニルコハク酸のナトリウム塩又はアンモニウム塩等が挙げられる。
【００１８】
本発明の上記（ａ）成分中の上記アニオン系高分子化合物は、１種単独でもよく、２種以上を併用してもよい。同様に、本発明の上記（ｂ）成分中の上記アニオン系高分子化合物も、１種単独でもよく、２種以上を併用してもよい。更に、上記（ａ）成分及び（ｂ）成分中の上記アニオン系高分子化合物は、同じ種類のアニオン系高分子化合物でもよく、異なる種類のアニオン系高分子化合物でもよい。
【００１９】
本発明の上記（ａ）成分の平均分子量は１万〜１００万、好ましくは２万〜５０万、更に好ましくは２万〜４０万、より好ましくは３万〜３０万、特に好ましくは３万〜２５万、最も好ましくは５万〜２５万である。この平均分子量が１万未満では、潤滑性に劣るため好ましくない。一方、この平均分子量が１００万を超えると、潤滑性は良好になる反面、スプレー塗布が難しくなり、作業効率が低下するため好ましくない。
【００２０】
また、本発明の上記（ｂ）成分の平均分子量は５００〜１万未満、好ましくは１０００〜１万未満、更に好ましくは１０００〜９０００、より好ましくは１０００〜８０００、特に好ましくは２０００〜８０００、最も好ましくは２０００〜７０００である。この平均分子量が５００未満では、皮膜強度が低下し、その結果、潤滑性が低下するため好ましくない。一方、この平均分子量が１万以上であると、型汚れが生じるため好ましくない。
【００２１】
本発明の温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤１００質量％中、上記（ａ）成分の含有量は１５〜５０質量％、好ましくは１５〜４０質量％、更に好ましくは２０〜４０質量％である。上記（ａ）成分の含有量を１５質量％以上とすることにより、優れた潤滑性を奏し、製品形状の悪化を抑制できるため好ましい。また、５０質量％以下とすることにより、潤滑剤の液安定性を向上させて、使用液のスプレー塗布を容易に行うことができるようになることから好ましい。
【００２２】
また、上記（ｂ）成分の含有量は、本発明の温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤１００質量％中７．５〜３０質量％、好ましくは７．５〜２０質量％、更に好ましくは７．５〜１５質量％、より好ましくは７．５〜１０質量％である。上記（ｂ）成分の含有量を７．５質量％以上とすることにより、型汚れを低減して、製品形状の悪化を抑制できるので好ましい。また、３０質量％以下とすることにより、皮膜強度を向上させて潤滑性を高めることができるので好ましい。
【００２３】
更に、上記（ａ）成分及び（ｂ）成分の合計１００質量％中の上記（ｂ）成分の含有量は、通常１〜７０質量％、好ましくは５〜６０質量％、更に好ましくは５〜５０質量％、より好ましくは１０〜５０質量％、特に好ましくは２０〜５０質量％である。この含有量を５質量％以上とすることにより、型汚れによる製品形状の悪化を抑制できることから好ましく、一方、７０質量％以下とすることにより、潤滑性を向上させて、製品形状の悪化や型寿命の低下を抑制することができるので好ましい。
【００２４】
本発明の温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤には、通常、水が配合される。この水の配合量については特に限定はないが、通常は、本発明の温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤１００質量％中、１０〜９９．５質量％、好ましくは４０〜９５質量％、更に好ましくは６０〜８９質量％である。この水の含有量を１０質量％以上とすることにより、潤滑剤の粘度を低くして作業性の悪化を抑制することができるので好ましい。また、この水の含有量が９９．５重量％以下とすることにより、潤滑成分の不足による潤滑性の低下を抑制し、塑性加工後の製品形状の悪化を防ぐことができるので好ましい。尚、本発明では、上記のように最初から水を配合した潤滑剤とするだけでなく、使用時に水を加えて所定の水系潤滑剤として使用することもできる。また、必要に応じて、使用の際に更に水で稀釈して使用することもできる。
【００２５】
本発明の温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤は、上記（ａ）成分及び（ｂ）成分を必須とするが、その他に、通常、温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤としての基本的性能を維持するために、本発明の目的を阻害しない範囲で、種々の添加剤を必要に応じて適宜添加することができる。このような添加剤としては、例えば、防菌防黴剤、消泡剤、金属の防錆・防食剤、界面活性剤等が挙げられる。また、その他に、一層苛酷な加工条件で使用された場合の焼き付き防止等の性能を向上する目的で、極圧添加剤、ステアリン酸カルシウム等の金属セッケン、ポリエチレンワックスエマルション、ポリエチレンワックス粉末、ポリアミド粉末、ポリイミド粉末、ポリエチレンテレフタレート粉末等の有機粉体を添加することもできる。
【００２６】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示して、本発明の効果を説明する。尚、本発明はこれらに限定されるものでない。
（１）温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤の調製
以下に示す各成分を表２に示す質量％の割合で常法により配合することにより、実施例１〜４及び比較例１〜８の各温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤を調製した。
〔１〕高分子量イソブチレン−無水マレイン酸共重合物のナトリウム塩（分子量９万）
〔２〕アクリル酸−マレイン酸共重合物のナトリウム塩（分子量７万）
〔３〕ポリスチレンスルホン酸−アクリル酸共重合物のナトリウム塩（分子量２０万）
〔４〕アクリル酸重合物のナトリウム塩（分子量３０００）
〔５〕低分子量イソブチレン−無水マレイン酸共重合物のナトリウム塩（分子量２万及び分子量６０００）
〔６〕エチルセルロース（分子量６０００）
【００２７】
（２）性能評価
上記（１）で調製した実施例１〜４及び比較例１〜８の各温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤を水で１０倍に希釈した希釈液を調製した。そして、以下の表１に記載の試験条件及び塗布条件で、上記希釈液を金型に塗布して前方押し出し試験を行うことにより、潤滑性を評価した。また、上記前方押し出し試験後の金型表面を目視で観察し、型汚れの状態を評価した。その結果を上記表２に併記する。尚、表２の最大押し出し荷重（ｔ）は平均値であり、押し出し長さ（ｍｍ）はフランジの厚みを引いた長さ（図１のＬ）の平均値である。また、潤滑性評価は、黒鉛系潤滑剤である比較例８と同等あるいは同等以上の場合を「◎」、比較例８よりやや劣るが、カルボン酸塩含有潤滑剤である比較例６よりも優れている場合を「○」、比較例６と同等な場合を「△」、比較例６よりも劣る場合を「×」として表２に示した。更に、型汚れの評価は、カルボン酸塩含有潤滑剤である比較例６と同等あるいは同等以上の場合を「◎」、比較例６よりやや劣るが、黒鉛系潤滑剤である比較例８と同等あるいは同等以上の場合を「○」、比較例８よりも劣る場合を「×」として表２に示した。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
（３）実施例の効果
表２より、従来より多用されている黒鉛系の塑性加工用水溶性潤滑剤である比較例８は、潤滑性については良好なものの、型汚れが著しいことが判る。また、無黒鉛系の塑性加工用水溶性潤滑剤である比較例６及び７は、依然として潤滑性及び型汚れとも不十分な結果である。これに対し、本発明の範囲内である実施例１〜４の各温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤は、いずれも最大押し出し荷重が７０〜７７トンと小さく、また、押し出し長さも２２ｍｍ以上と長いことから、優れた潤滑性を示していることが判る。また、実施例１〜４はいずれの試料も型汚れが少ないことが判る。
【００３１】
一方、表２より、本発明の上記（ｂ）成分を含有しない比較例１及び上記（ｂ）成分の分子量が本発明の範囲外である比較例４では、潤滑性は比較的良好であるものの、型汚れが多く実用的とは言い難い結果であることが判る。また、本発明の上記（ａ）成分を含まず、上記（ｂ）成分の分子量が本発明の範囲外である比較例２では、潤滑性も悪く、型汚れも多いことが判る。逆に、本発明の上記（ａ）成分を含有しない比較例３及び上記（ａ）成分の分子量が本発明の範囲外である比較例５では、型汚れは少ないものの、最大押し出し荷重が８８．７トン及び８５．５トンと大きく、押し出し長さが２１．３ｍｍ及び２１．５ｍｍと短いことから、潤滑性に劣るものであることが判る。以上より、特定の高分子量であるアニオン系高分子化合物と、それよりも分子量が低い特定の分子量のアニオン系高分子化合物とを併用するという本発明の構成を備えることにより、種々の性質に優れた潤滑剤とすることができることが判る。
【００３２】
尚、本発明においては、前記具体的実施例に示すものに限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】前方押し出し試験における加工後のワークを表す図である。

Claims

温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤１００質量％中、
（ａ）炭素−炭素二重結合を有するカルボン酸又はその誘導体及び炭素−炭素二重結合を有するスルホン酸又はその誘導体のうちの少なくとも１種の重合体であり、平均分子量が１万〜１００万のアニオン系高分子化合物のアルカリ金属塩及び／又はアンモニウム塩を１５〜５０質量％、並びに
（ｂ）炭素−炭素二重結合を有するカルボン酸又はそのエステル、イミド、アミド若しくは酸無水物と、α−オレフィンの１種又は２種以上との共重合体であり、平均分子量が５００〜１万未満のアニオン系高分子化合物のアルカリ金属塩及び／又はアンモニウム塩を７．５〜３０質量％含むことを特徴とする温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤。
上記アニオン系高分子化合物は、α−オレフィンと炭素−炭素二重結合を有するカルボン酸又はその誘導体との共重合体である請求項１記載の温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤。
上記炭素−炭素二重結合を有するカルボン酸又はその誘導体は、無水マレイン酸又はその誘導体である請求項１又は２記載の温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤。
上記α−オレフィンがイソブチレンである請求項２記載の温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤。
上記（ｂ）分子量が５００〜１万未満のアニオン系高分子化合物のアルカリ金属塩及び／若しくはアンモニウム塩を構成する上記アニオン系高分子化合物は、イソブチレンと無水マレイン酸との共重合物のナトリウム塩又はアンモニウム塩である請求項１記載の温間又は熱間塑性加工用水溶性潤滑剤。