JP5455698B2 - 金属加工用潤滑剤および同潤滑剤の調製方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属粉末圧縮成形、金属材料の塑性加工および切削加工等、金属加工の際に使用する潤滑剤である金属加工用潤滑剤、および、同潤滑剤の調製方法に関する。

金属加工用潤滑剤は、例えば、加工具であるパンチとダイスの間の摩擦力を低減し、ポンチ抜出力を低減し、成形物の成形密度を向上すべく機能するもので、従来、種々の組成で、種々の形態の潤滑剤が提案され、かつ、提供されている。

例えば、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸亜鉛等を潤滑成分とし、当該潤滑剤を圧縮成形原料である金属粉末に混合して使用する方法（特許文献１）、ジカルボン酸とモノカルボン酸とジアミンの３者の反応生成物を潤滑成分とし、当該潤滑剤を加圧成形原料である鉄基金属部材に混合して使用する方法（特許文献２）が提案されている。

また、例えば、加圧成形温度より高い融点を有する金属石けん、ポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子化合物、ポリアミド、アミド系ワックス、フッ素樹脂等を潤滑成分とし、当該潤滑剤を加圧成形に使用する金型の表面に帯電付着して使用する方法（特許文献３）が提案されている。

また、例えば、ステアリン酸のリチウム塩、カルシウム塩、亜鉛塩等の高級脂肪酸系金属塩を潤滑成分とし、当該潤滑剤を水に適宜の界面活性剤を介して分散させて水分散液を調製し、当該水分散液を成形用金型に塗布する方法（特許文献４）、水溶性高分子化合物を溶解した水に水溶性または不溶性の固体潤滑剤を溶解して得た調合液から水分を除去することによって、粉体状の塑性加工用潤滑剤を得、得られた潤滑剤を水に溶解して潤滑性液体とし、当該潤滑性液体を塑性加工用の金型に塗布する方法（特許文献５）が提案されている。

特開平２−１５６００２号公報 特公平７−１０３４０４号公報 特開２００８−２４８２５３号公報 特開２００３−２９７６２４号公報 特開平８−３２５５８９号公報

近年、成形加工物には、成形密度の高密度化、および、小型化が要請されている。この要請に対処するには、金型等の成形加工に供する加工具の表面に潤滑剤を塗布する方法が有利であり、成形材料に潤滑剤を混合する方法は、必ずしも、適してはいない。金型の表面に潤滑剤を塗布する方法を採用して、金型を１００〜１５０℃に加温した状態で成形するのが効果的であり、これにより、成形物の高密度化が達成される。

ところで、金型を１００〜１５０℃に加温した状態で成形加工する場合は、金型に塗布する潤滑剤の潤滑成分が低融点である場合には潤滑性能が劣るため、潤滑成分が高融点の潤滑剤であって、当該潤滑成分を水に分散した状態で使用すること、換言すれば、水分散状潤滑剤の形態で使用することが好ましい。但し、高融点の潤滑成分を水に分散させることは、低融点の潤滑成分を水に分散させる場合に比較して、より困難であるという問題がある。

上記した特許文献４，５には、水難溶性の潤滑成分を水に分散させる技術が開示されている。しかしながら、特許文献４，５に開示されている水分散手段では、潤滑成分の水に対する分散性が十分とはいえず、水分散状を呈する潤滑剤を一旦静置した後、使用に供すべく、潤滑成分を再度分散させる再分散性が極めて悪い。

このため、当該水分散状潤滑剤を金型等の加工具に塗布する場合には、潤滑剤の塗布量が一定せずに不均一な状態となり、生成される成形物の成形密度にバラツキが生じるという問題がある。また、再分散させた水分散状潤滑剤を使用する場合には、当該水分散状潤滑剤の潤滑成分の分散濃度が変化しており、また、潤滑成分が塊（ダマ）となって存在するため、塗布に使用するスプレーノズルを詰まらせる等の問題がある。

従って、本発明の目的は、水難溶性粉体である潤滑成分の水分散性を向上させて、安定した分散状態を確保し得るとともに、一旦静置した状態の潤滑成分の再分散性を向上させることにあり、かかる特性を有する潤滑剤を提供することにある。

本発明は、金属加工の際に使用する金属加工用潤滑剤、および、当該金属加工用潤滑剤の調製方法に関する。

本願発明に係る金属加工用潤滑剤の第１は、潤滑能を有する水難溶性粉体と、ポリオキシエチレンアルキルエーテル系界面活性剤、ソルビタン系界面活性剤およびポリカルボン酸型アニオン系界面活性剤の群から選ばれる少なくとも１種の界面活性剤と、水を含有するペースト状を呈することを特徴とするものである。

また、本発明に係る金属加工用潤滑剤の第２は、潤滑能を有する水難溶性粉体と、ポリオキシエチレンアルキルエーテル系界面活性剤、ソルビタン系界面活性剤およびポリカルボン酸型アニオン系界面活性剤の群から選ばれる少なくとも１種の界面活性剤と、水を含有するペースト状物質が水に均一に分散されて水分散状を呈することを特徴とするものである。

本発明に係る第２の金属加工用潤滑剤においては、金属粉末を金型内にて圧縮成形する際に使用することができ、この場合には、圧縮成形に使用する金型の型面に塗布する使用態様を採ることができる。

また、本発明に係る第２の金属加工用潤滑剤においては、金属材料を切削加工する際に使用することができ、この場合には、切削加工に使用する金属材料の被加工面に塗布する使用態様を採ることができる。

また、本発明に係る第２の金属加工用潤滑剤においては、金属材料を塑性加工する際に使用することができ、この場合には、塑性加工に使用する加工具の型面または金属材料の表面のいずれか、または、両方に塗布する使用態様を採ることができる。

本発明に係る金属加工用潤滑剤の調製方法は、本発明の第２の金属加工用潤滑剤を調製する調製方法である。当該調製方法は、潤滑能を有する水難溶性粉体と、ポリオキシエチレンアルキルエーテル系界面活性剤、ソルビタン系界面活性剤およびポリカルボン酸型アニオン系界面活性剤の群から選ばれる少なくとも１種の界面活性剤を含有する水分散状を呈する金属加工用潤滑剤を調製する調製方法である。

当該潤滑剤の調製方法では、前記水難溶性粉体と前記界面活性剤に水を加えて混練してペースト状物とし、当該ペースト状物を水に均一に分散して水分散状潤滑剤を調製することを特徴とするものである。当該調製方法では、本発明に係る第１の潤滑剤であるペースト状潤滑剤を前駆体として採用することができる。

本発明に係る第２の潤滑剤においては、本発明で規定している特定の界面活性剤は、潤滑能を有する水難溶性粉体（潤滑成分）の水に対する分散性を大きく向上させる。また、水分散状を呈する潤滑剤を一旦静置した後の再分散性をも大きく向上させる。

本発明に係る第１の潤滑剤においては、ペースト状態それ自体で、塗布等の使用態様を採ることができるが、むしろ、本発明に係る第２の潤滑剤（水分散状潤滑剤）の前駆体として、当該ペースト状潤滑剤を水に分散させることにより、本発明に係る第２の潤滑剤（水分散状潤滑剤）を調製することができる。

本発明は、金属加工の際に使用する金属加工用潤滑剤、および、当該金属加工用潤滑剤を調製する調製方法に関する。本発明に係る第１の金属加工用潤滑剤は、潤滑能を有する水難溶性粉体と、ポリオキシエチレンアルキルエーテル系界面活性剤、ソルビタン系界面活性剤およびポリカルボン酸型アニオン系界面活性剤の群から選ばれる少なくとも１種の界面活性剤と、水を含有するペースト状を呈する潤滑剤である。本発明では、かかる形態の潤滑剤をペースト状潤滑剤と称することがある。

また、本発明に係る第２の金属加工用潤滑剤は、潤滑能を有する水難溶性粉体と、ポリオキシエチレンアルキルエーテル系界面活性剤、ソルビタン系界面活性剤およびポリカルボン酸型アニオン系界面活性剤の群から選ばれる少なくとも１種の界面活性剤と、水を含有するペースト状物質が水に均一に分散されて水分散状を呈する潤滑剤である。本発明では、かかる形態の潤滑剤を水分散状潤滑剤と称することがある。

本発明に係る第１の金属加工用潤滑剤は、ペースト状を呈することから、それ自体、金属加工用の加工具（金型、ポンチ、ダイ等）や、被加工材に直接塗布して使用することができるが、本発明に係る第２の金属加工用潤滑剤である水分散状を呈する金属加工用潤滑剤の前駆体として機能する。従って、本発明に係る第１の金属加工用潤滑剤（ペースト状潤滑剤）は、第２の金属加工用潤滑剤（水分散状潤滑剤）を調製するために好適に使用される。

本発明に係る金属加工用潤滑剤を構成する「潤滑能を有する水難溶性粉体」は、従来公知の金属加工用潤滑剤のうち、水に難溶性の粉体である。当該水難溶性粉体として好適に採用し得るものとしては、高融点のビスアミド、金属石けん等を挙げることができる。

具体的には、エチレンビスステアリン酸アミド、エチレンビスカプリン酸アミド、エチレンビスラウリン酸アミド、キシレンビスステアリル尿素、ステアリン酸カルシウム、１２−ヒドロキシステアリン酸カルシウム、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸ナトリウム、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム等を挙げることができる。本発明においては、これらの「潤滑能を有する水難溶性粉体」の１種または２種以上を採用して、換言すれば、少なくとも１種を採用することによって、本発明に係る金属加工用潤滑剤を調製することができる。

本発明に係る金属加工用潤滑剤を構成する界面活性剤は、ポリオキシエチレンアルキルエーテル系界面活性剤、ソルビタン系界面活性剤、ポリカルボン酸型アニオン系界面活性剤等を挙げることができる。本発明においては、これらの「潤滑能を有する水難溶性粉体」の１種または２種以上を採用して、換言すれば、少なくとも１種を採用することによって、本発明に係る金属加工用潤滑剤を調製することができる。

以下では、「潤滑能を有する水難溶性粉体」を、単に、「水難溶性粉体」と称することがあり、「金属加工用潤滑剤」を単に「潤滑剤」と称することがある。また、以下では、本発明に係る「第１の金属加工用潤滑剤」を、単に、本発明に係る「第１の潤滑剤」と称し、本発明に係る「第２の金属加工用潤滑剤」を、単に、本発明に係る「第２の潤滑剤」と称することがある。

本発明に係る第１の潤滑剤は、水難溶性粉体（Ａ成分）と、ポリオキシエチレンアルキルエーテル系界面活性剤、ソルビタン系界面活性剤、ポリカルボン酸型アニオン系界面活性剤から選ばれた少なくとも１種の界面活性剤（Ｂ成分）と、水（Ｃ成分）の３成分を含有するものである。当該第１の潤滑剤を調製するには、水難溶性粉体（Ａ成分）と界面活性剤（Ｂ成分）に、水（Ｃ成分）を添加し、これらを十分に混練する。これにより、水難溶性粉体（Ａ成分）と、界面活性剤（Ｂ成分）と、水（Ｃ成分）を含有するペースト状を呈する潤滑剤、換言すれば、ペースト状潤滑剤が調製される。

本発明に係る第１の潤滑剤であるペースト状潤滑剤における各成分（Ａ，Ｂ，Ｃ）の潤滑剤全体に対する混合割合（重量％）は、水難溶性粉体（Ａ成分）は１％〜８０％、界面活性剤（Ｂ成分）は０．５％〜５０％、水（Ｃ成分）は１％〜８０％の範囲にあることが好適である。

本発明に係る第１の潤滑剤は、基本的には、水難溶性粉体（Ａ成分）と、界面活性剤（Ｂ成分）と、水（Ｃ成分）との３成分を構成成分するものであるが、必要に応じて、通常の潤滑剤の構成成分として使用されている各種の成分を配合することができる。配合可能な成分としては、消泡剤、バインダー、油性向上剤、レベリング剤、酸化防止剤、香料、防錆剤、防腐剤、造膜助剤、キレート剤、その他の潤滑剤、界面活性剤等を挙げることができる。

本発明に係る第１の潤滑剤は、ペースト状潤滑剤であって、本発明に係る第２の潤滑剤の前駆体として位置付けることができる。従って、本発明に係る第１の潤滑剤であるペースト状潤滑剤は、本発明に係る第２の潤滑剤である水分散状潤滑剤を調製するために使用される。

本発明に係る第２の潤滑剤で規定する、水難溶性粉体（Ａ成分）、界面活性剤（Ｂ成分）、水（Ｃ成分）を含有するペースト状物質は、本発明に係る第１の潤滑剤であるペースト状潤滑剤に相当するものである。本発明に係る第２の潤滑剤の調製では、本発明に係る第１の潤滑剤であるペースト状潤滑剤を使用し、当該ペースト状潤滑剤を、十分な水に均一に分散させる。これにより、水分散状を呈する潤滑剤、すなわち、水分散状潤滑剤が調製される。本発明に係る第１の潤滑剤の水に対する分散濃度（重量％）は、０．１％〜９０％であることが好適である。

本発明に係る第２の潤滑剤である水分散状潤滑剤を構成する水難溶性粉体（Ａ成分）は、水に対する分散性が極めて悪く、たとえ、界面活性剤（Ｂ成分）を介して粉体状態で分散させても、均等に分散させることは、必ずしも容易ではなく、また、分散させるために長時間を要することになる。これを回避するため、粉体状の水難溶性粉体（Ａ成分）を一旦、界面活性剤（Ｂ成分）と水（Ｃ成分）を含有するペースト状物質とし分散性を向上させ、水難溶性粉体（Ａ成分）が均一に分散している水分散状潤滑剤を、容易かつ短時間に調製できるようにしている。

本発明に係る第２の潤滑剤である水分散状潤滑剤は、各種の金属加工の際に使用されるもので、金属粉末を金型内にて圧縮成形する成形加工、切削加工、金属材料のプレス加工、鍛造加工等の塑性加工の他、引抜・伸線加工、サイジング加工、スエージング加工、バテット加工等に使用することができる。

本発明に係る第２の潤滑剤である水分散状潤滑剤においては、各種の加工具の表面に塗布し、また、被加工物である金属材料の表面に塗布する使用態様を採ることができる。例えば、圧縮成形加工では、スプレー塗布、ローラー塗布、刷毛塗り等の手段で、当該水分散潤滑剤を金型の表面に塗布することができる。また、切削加工や塑性加工では、浸漬塗布、スプレー塗布、垂れかけ塗布、ローラー塗布、刷毛塗り等の手段で、当該水分散状潤滑剤を、被加工物である金属材料や、各種の加工具の表面に塗布することができる。

本発明に係る潤滑剤においては、特定された界面活性剤（Ｂ成分）を採用して、水難溶性粉体（Ａ成分）の水への分散性を向上させ、かつ、本発明に係る第２の潤滑剤である水分散状潤滑剤を一旦静置した後の再分散性を向上させている。本発明に係る潤滑剤を構成する、特定された界面活性剤（Ｂ成分）は、水難溶性粉体（Ａ成分）の表面に十分に吸着して、電気的および立体構造的な効果等により、水難溶性粉体（Ａ成分）の水への分散性および再分散性を向上させるものと推測される。

本実施例では、本発明に係る第１の潤滑剤であるペースト状潤滑剤を調製し、当該ペースト状潤滑剤を水に分散させて、本発明に係る第２に潤滑剤である水分散状潤滑剤を調製し、当該水分散状潤滑剤の水分散性実験、および、一旦静置後の再分散性実験を試みた。

（ペースト状潤滑剤の調製）：潤滑能を有する水難溶性粉体（Ａ成分）として、代表的な潤滑剤であるステアリン酸リチウムを、界面活性剤（Ｂ成分）として、特定された界面活性剤であるソルビタンモノオレート（ｂ1）、ポリオキシエチレンラウリルエーテル（ｂ２）、ポリカルボン酸型アニオン系界面活性剤（ｂ3）を、水（Ｃ成分）として精製水を採用した。なお、本実施例と比較するため、界面活性剤（Ｂ成分）として、特定された界面活性剤の範疇に属さない界面活性剤である高級アルコールエトキシレート（ｂ4）、ジアルキルスルホコハク酸ナトリウム（ｂ5）を採用した。

ペースト状潤滑剤の調製では、採用する界面活性剤（Ｂ成分）の組合せ、および、配合割合を変えて、水難溶性粉体（Ａ成分）と界面活性剤（Ｂ成分）とを水（Ｃ成分）を介して混練し、表１に示す９種類のペースト状潤滑剤を調製した。但し、水難溶性粉体（Ａ成分）、界面活性剤（Ｂ成分）、水（Ｃ成分）の配合割合は質量部である。

（水分散性実験）：水分散性実験に供する水分散状潤滑剤は、表１に記載のペースト状潤滑剤（実施例１〜７、比較例１，２）を使用して、各ペースト状潤滑剤１質量部を精製水４質量部に十分に分散して、潤滑成分が均一に分散した水分散状潤滑剤を調製した。調製された各水分散状潤滑剤は、試験管に採取して放置すれば、分散している粉体は時間の経過に応じて沈降し、試験管内では、下部の白濁粉体層と上部の透明水層とに分離する。各分離層の体積比は、時間の経過に応じて変化する。透明層は、一定の時間が経過する間は、時間の経過に応じて増大する。

水分散性の実験では、調製した水分散状潤滑剤を試験管に１００ｍＬ採取して、そのまま室温で放置し、１２時間、および、４８時間経過した時点での、採取したサンプル液全体に対する透明水層の体積比率（％）を測定した。得られた測定結果を表２に示す。

表２を参照すれば、本発明に係る水分散状潤滑剤（実施例１〜７）は、比較例の水分散状潤滑剤（比較例１，２）に比較して、分散性が大幅に向上していることが確認される。

（再分散性実験）：水分散状潤滑剤を放置すると、粉体は時間に応じて沈殿し、使用し得ない状態になる。このため、当該潤滑剤を使用する場合には、使用する際に、再分散する必要がある。本実験では、当該潤滑剤を再分散させて、その再分散性を目視によって確認した。

再分散性実験では、調製した水分散状潤滑剤を１００ｍＬビーカーに５０ｍＬ採取し、そのまま室温で１週間静置して粉体を沈降させた。この状態のビーカーに回転子を入れて、マグネチックスターラーにて１００ｒｐｍの回転条件で２０秒間撹拌した。本実験では、撹拌後の分散状態を目視で確認し、再分散性を評価した。再分散性の評価は、分散性優（◎）、良（○）、劣または撹拌不可（×）とし、また、再分散後のダマの有無を確認した。得られた測定結果を表３に示す。

表３を参照すれば、本発明に係る水分散状潤滑剤（実施例１〜７）は、ダマの発生が皆無で、比較例に係る水分散状潤滑剤（比較例１，２）に比較して、再分散性が大幅に向上していることが確認される。

本実施例では、金属粉末圧縮成形用の潤滑剤（水分散状潤滑剤）を調製する実験を試みた。調製された水分散状潤滑剤を表４に示す。

ステアリン酸リチウム１０質量部、ソルビタンモノオレート１質量部、ポリカルボン酸型高分子界面活性剤１質量部、ポリオキシエチレンラウリルエーテル１質量部の混合物に精製水１０質量部を加え、３本ロールで十分に混練して、ペースト状潤滑剤を調製した。当該ペースト状潤滑剤を採用して、表４に示す水分散状潤滑剤を調製した。

得られた水分散状潤滑剤の潤滑剤としての評価は、分散性および再分散性が高く、金型、加工具の表面に対する均一な皮膜の成膜性が高く、金型、加工具等の低摩擦係数を確保して、これらの金型、加工具の寿命を向上させることができる。また、高い成形密度の成形物を生成することができる。

本実施例では、金属材料の塑性加工用の潤滑剤（水分散状潤滑剤）を調製する実験を試みた。調製された水分散状潤滑剤を表５に示す。

ステアリン酸リチウム１０質量部、ソルビタンモノオレート１質量部、ポリカルボン酸型高分子界面活性剤１質量部、ポリオキシエチレンラウリルエーテル１質量部の混合物に精製水１０質量部を加え、３本ロールで十分に混練して、ペースト状潤滑剤を調製した。当該ペースト状潤滑剤を採用して、表５に示す水分散状潤滑剤を調製した。

得られた水分散状潤滑剤の潤滑剤としての評価は、分散性および再分散性が高く、金型、加工具の表面に対する均一な皮膜の成膜性が高く、金型、加工具等の低摩擦係数を確保して、これらの金型、加工具の寿命を向上させることができる。また、高い成形密度の成形物を生成することができる。

Claims (5)

1. 金属加工の際に使用する金属加工用潤滑剤であり、当該金属加工用潤滑剤は、潤滑能を有する水難溶性粉体と、ポリオキシエチレンアルキルエーテル系界面活性剤、ソルビタン系界面活性剤およびポリカルボン酸型アニオン系界面活性剤の群から選ばれる少なくとも２種の界面活性剤と、水を含有するペースト状を呈していることを特徴とする金属加工用潤滑剤。
2. 請求項１に記載の金属加工用潤滑剤であり、ポリオキシエチレンアルキルエーテル系界面活性剤、ソルビタン系界面活性剤およびポリカルボン酸型アニオン系界面活性剤の３種の界面活性剤を含有することを特徴とする金属加工用潤滑剤。
3. 請求項１または２に記載の金属加工用潤滑剤を水に均一に分散させてなる金属加工用潤滑剤。
4. 請求項３に記載の金属加工用潤滑剤であり、当該金属加工用潤滑剤は、
   金属粉末を金型内にて圧縮成形する際に、圧縮成形に使用する金型の型面に塗布して使用されること、
   金属材料を切削加工する際に、切削加工に使用する金属材料の被加工面に塗布して使用されること、または
   金属材料を塑性加工する際に、塑性加工に使用する加工具の型面または金属材料の表面に塗布して使用されること、
   を特徴とする金属加工用潤滑剤。
5. 請求項３に記載の金属加工用潤滑剤の調製方法であって、
   前記水難溶性粉体と前記界面活性剤に水を加えて混練してペースト状物とし、当該ペースト状物を水に均一に分散させることを特徴とする金属加工用潤滑剤の調製方法。