JP6512204B2 - ステンレス鋼板用潤滑塗料および潤滑ステンレス鋼板 - Google Patents

ステンレス鋼板用潤滑塗料および潤滑ステンレス鋼板 Download PDF

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Description

本発明は、ステンレス鋼板をプレス加工する際に有用な表面潤滑性を付与する塗料、およびその塗料を塗装した潤滑ステンレス鋼板に関する。
ステンレス鋼板は一般的な軟鋼と比較して強度が高く、プレス加工時に金型からより高い面圧を受けて摺動され、鋼板表面の損傷（型かじり）が顕著となるため、鋼板表面には優れた表面潤滑性が必要である。
加工時に潤滑性を得るために一般的には潤滑油が広く用いられているが、潤滑油は垂れ落ちたり、また揮発性があり空気中に拡散するなど、作業環境を低下させる場合があった。
潤滑油以外に鋼板表面に潤滑性を付与するものとして、樹脂にワックスなどの潤滑剤を添加し焼付けにより乾燥させた固体潤滑皮膜がある。固体潤滑皮膜は、潤滑油と比較して一般的に潤滑性、耐型かじり性が優れており、皮膜自体に揮発性がないため作業環境も良好に保たれる。
ワックスは潤滑剤として広く用いられており、特に低融点のものは摩擦係数が低いために良く用いられている。しかし一方で、ワックスは固化しにくい欠点があり、ワックスを多く添加して潤滑性を向上させようとした場合、焼付け炉等で塗料を乾燥させようとしてもワックスが固化せずに皮膜にベタツキが残ってしまう問題があった。
特許文献１には、請求項１で、（ａ）特定のアクリル樹脂と、混合潤滑剤として（ｂ）金属石鹸等と（ｃ）融点Ｔｍが７０≦Ｔｍ≦１５０℃であるポリエチレン系ワックスを（ａ）の固形分に対して３〜２０ｗｔ％含む脱膜型潤滑鋼板が記載されている。この文献は（ｂ）金属石鹸等と（ｃ）特定の高融点ポリエチレン系ワックスとの混合潤滑剤を有する潤滑鋼板が深絞り性、耐カジリ性に優れるという発明を開示している。比較例７で特定の高融点ワックスのみの単独の潤滑剤の使用では耐カジリ性に劣る結果が示されている。また、比較例９、１２で、特定の高融点ワックスの配合量が２０ｗｔ％超であると鋼板との密着性に劣り、深絞り性、耐カジリ性が悪くなる（段落［００２１］、表２（その３）参照）結果が示されている。
特許文献２には、特定のアクリル樹脂に、潤滑剤として融点が６０℃以上の有機固形ワックスを含有する（請求項１）加工性、耐型かじり性に優れたステンレス冷延鋼板（請求項５）が記載されている。ワックスの含有量は塗料組成物の全樹脂固形分に対して１〜１０質量％程度とする（段落［００３８］）と記載され、実施例で使用されるワックスは低融点（６８℃〜１０７℃）で、使用量はアクリル系樹脂１００質量部に対して、２．０４〜１１．１質量部で少量である。特許文献２の発明では、高融点ワックスはそれ自体の摩擦係数が高いので、摩擦係数を下げるためにはより摩擦係数が低い比較的低融点ワックスを使う、との技術的理解で開発された発明である。
特許文献２の発明は、潤滑ステンレス鋼板としての効果が得られたが、ステンレス鋼における連続プレス時や激しい深絞り成形時にはまだ改良の必要があった。
また潤滑特性向上のために融点１１５℃未満の低融点ワックスを樹脂固形分に対して２０ｗｔ％を超えて添加すると、ワックスの融点が低いため、乾燥後も塗料が固化せずにベタツキが残り、鋼板を扱う際に塗装が周辺に付着し、塗装の潤滑効果が低下する、また周辺の清掃が必要になるという問題があった。
特開平９−１５６０２９号公報 特開２００８−２４８０７６号公報
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、一般的な軟鋼より強度が高いステンレス鋼板に優れたプレス加工性を付与する潤滑塗料およびそれを用いた潤滑ステンレス鋼板を提供することを目的とする。
本発明者らは、前記従来技術の課題を解決するために、潤滑塗料の組成を詳細に調査した結果、特許文献２での上記の考え方に反して、意外にも、アクリル系樹脂１００質量部に対して２０質量部超の多量の高融点ワックスを使用すれば、特許文献１の混合潤滑剤を使用せず、しかも特許文献１で結果が悪かった潤滑塗料における多量の高融点ワックスの使用がステンレス鋼では特許文献２の発明の基礎となった技術的考えに反して、十分な深絞り性および耐型かじり性が得られることを知見して本発明に至った。
すなわち本発明は、以下を提供する。
（１） アクリル系樹脂およびポリエチレンワックスを含み、前記ポリエチレンワックスの融点が１１５℃以上であり、前記アクリル系樹脂１００質量部に対して２０質量部超〜５０質量部のポリエチレンワックスを含有する、ステンレス鋼板用潤滑塗料。
（２） さらに、有機カルシウム化合物を、前記アクリル系樹脂１００質量部に対して、１質量部〜１０質量部含有する（１）に記載のステンレス鋼板用潤滑塗料。
（３） 水系溶媒を用い、前記ポリエチレンワックスをエマルション化して添加する、（１）または（２）に記載のステンレス鋼板用潤滑塗料の製造方法。
（４） ステンレス鋼板上に、（１）または（２）のいずれか１に記載のステンレス鋼板用潤滑塗料を塗布し、熱風乾燥して、乾燥後の質量で片面当たり０．５〜２．５ｇ／ｍ２の潤滑皮膜を形成する潤滑ステンレス鋼板の製造方法。
（５） 上記（１）または（２）に記載のステンレス鋼板用潤滑塗料を、乾燥後の質量で片面当たり０．５〜２．５ｇ／ｍ２有する潤滑ステンレス鋼板。
本発明の潤滑塗料を用いることにより、プレス加工性（深絞り性および耐型かじり性）に優れた潤滑ステンレス鋼板が提供される。
本発明の摩擦係数および型かじり性の評価方法を説明する模式図である。
＜ステンレス鋼板用潤滑塗料＞
本発明のステンレス鋼板用潤滑塗料は、アクリル系樹脂含有水性塗料であって、融点が１１５℃以上のポリエチレンワックスを、アクリル系樹脂１００質量部に対して２０質量部超〜５０質量部含有するステンレス鋼板用潤滑塗料である。
（アクリル系樹脂）
本発明に用いるアクリル系樹脂は、特に限定されない。好ましくは１．アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、無水マレイン酸、イタコン酸、フマル酸等の脂肪酸、２．上記１．の脂肪酸をメチル化、エチル化、イソプロピル化、ブチル化、２-エチルヘキシル化等をしたエステル、３．上記１．の脂肪酸とアンモニア等のアミド、４．スチレン、５．上記１．の脂肪酸にポリオキシエチレンを付加したもの、の上記１．から５．からなる群から選ばれる１種類または２種類以上をモノマーとして重合または共重合したものを使用する。重合または共重合する方法としては、溶液重合法、エマルション重合法または懸濁重合法などが例示できる。アクリル系樹脂に添加する添加剤としては、一般的に塗料に広く用いられている界面活性剤、防錆剤、極圧剤、ｐＨ調整剤等を合計で前記アクリル系樹脂１００質量部に対して１０質量部以下含有することができる。潤滑塗料の溶媒は、水系あるいは有機溶剤のいずれでも良いが水系溶媒が好ましい。
（融点１１５℃以上のポリエチレンワックス）
用いるポリエチレンワックスは、融点１１５℃以上のポリエチレンワックスであれば限定されない。好ましくは中密度〜高密度ポリエチレンワックス（密度0.930g/cm3以上）を使用する。融点が１１５℃未満であると、前記アクリル系樹脂１００質量部に対して２０質量部超えて添加した場合に、塗料乾燥後に容易に固化せずにベタツキが発生するため、融点１１５℃以上のポリエチレンワックスとする。特に融点が１２０℃以上の高密度ポリエチレンワックス（密度0.942g/cm3以上）が好ましく、さらに融点が１３０℃以上のポリエチレンワックスがより好ましい。融点は１４５℃以下であることが好ましい。融点が高くなりすぎると硬くなり、プレス加工時の金型との接触で皮膜の剥離が大きくなることがある。
融点１１５℃以上のポリエチレンワックスは、エマルション化したものをアクリル系樹脂含有水性塗料に添加するとアクリル系樹脂含有水性塗料に均一に混ざり、得られる潤滑塗料の特性が優れるので好ましい。
エマルション化されたポリエチレンワックスの平均粒径は１．０μｍ未満が好ましい。平均粒径が小さいほうがポリエチレンワックスが皮膜に均一に分散するためである。さらに均一に分散するためには、平均粒径が０．２μｍ以下であればより好ましい。
添加量は、プレス加工時の面圧が高くなるステンレス鋼板に対して、前記アクリル系樹脂１００質量部に対して２０質量部超えて添加し、軟鋼の場合より多くすることが有効であることがわかった。さらに、融点が１１５℃以上で高いポリエチレンワックスは、ワックス自体の摩擦係数が高いため、添加量が前記アクリル系樹脂１００質量部に対して２０質量部以下であると、潤滑皮膜としての摩擦係数が十分に低下せず、十分な潤滑性向上効果が得られないことがわかった。一方５０質量部を超えて添加しても潤滑性向上効果は飽和する。したがって２０質量部超え〜５０質量部未満とする。樹脂固形分に対する融点１１５℃以上のポリエチレンワックスの添加量が多いほど皮膜としての摩擦係数は小さくなるが、摩擦係数が小さすぎるとコイルが自重でつぶれたり、板の持ち運びで落下させる懸念もあり、より好ましくは前記アクリル系樹脂１００質量部に対して４０質量部以下、さらに好ましくは３０質量部以下でステンレス鋼の通常のプレス加工で十分な潤滑性を得ることができる。
（その他の添加物）
一般的に塗料に広く用いられている界面活性剤、防錆剤、極圧剤、pH調整剤などを合計で前記アクリル系樹脂１００質量部に対して１０質量部以下含有することができる。水性塗料の溶媒は、水を主体とする溶媒で、少量の有機溶媒を含んでも良いが潤滑塗料中の揮発性有機溶剤発生量を極力低減できるので水系溶媒が好ましい。
本発明により以下のことが初めて見出された。
１）特許文献２の基本的技術思想として、摩擦係数の小さい低融点ワックスを所定量使用する潤滑塗料では、ステンレス鋼板の高面圧のプレス加工では、前記アクリル系樹脂１００質量部に対して２０質量部以下のワックスの添加では、十分な耐型かじり性が得られない場合があり、ステンレス鋼板の高面圧のプレス加工ではより耐型かじり性を上げる必要がある。
融点１１５℃以上の高融点ポリエチレンワックスはそれ自体の摩擦係数が低融点ポリエチレンワックスよりも高いため、低融点ポリエチレンワックスと同量程度添加したのでは摩擦抵抗が十分に低下しないという懸念があったが、高融点ポリエチレンワックスを用いる場合は前記アクリル系樹脂１００質量部に対して２０質量部を超えて添加すると、アクリル樹脂の比率が低くなるため摩擦係数の高いアクリル樹脂の寄与が下がるとともに、高融点ポリエチレンワックス摩擦係数低減効果が現れるので従来得られなかった優れた潤滑性が得られる。
この理由は不明であるが以下のことが考えられる。
高融点のワックスは、低融点のワックスと比較して粘度が高く、金型と鋼板との接触摺動時にその隙間に残存しやすいため、深絞り性および型かじりに対して効果があると推定される。
２）本願の型かじり性の評価は、実施例で説明するように特許文献１，２とは異なる評価方法である。特許文献１では角筒絞りの型カジリを観察し、特許文献２ではエリクセンカップ（円筒絞り）の型カジリで評価している。評価の段階（金型と板との接触面圧）としてはおよそ、本願＞特許文献１＞特許文献２であり、本願の「同じ供試材に対して高面圧（約200MPa）で２０回連続して摺動しても摩擦係数が上昇しない」評価は、ステンレス鋼にとって好適な評価方法である。この理由はステンレス鋼では一回のプレスでは成形加工が完了せず複数回のプレス成型が行われる場合があるため、過酷なプレス成型の評価方法で初めてステンレス鋼の耐型かじり性を適切に評価できる。このような過酷なプレス成型の評価を行った従来技術はない。
（有機カルシウム化合物）
ステンレス鋼板のプレス成形の際には、１回のプレスでは完了せずに、複数回のプレスで成形が行われる場合がある。その際に初期のプレスで塗装が損傷を受け、その後摩擦係数が上昇して行く型かじりという現象がある。耐型かじり性を向上させるために、必要により有機カルシウム化合物を添加する。
有機カルシウム化合物は、カルシウムを６質量％以上含有しているものを使用する。例えば、ステアリン酸カルシウム、オレイン酸カルシウム，ラウリン酸カルシウム等、脂肪酸がＣ１２〜Ｃ１８の脂肪酸カルシウム。あるいは、過塩基性アルキルベンゼンスルフォン酸カルシウム、過塩基性アルキルナフタレンスルフォン酸カルシウム，過塩基性アルキルアリールスルフォン酸カルシウム等の過塩基性石油スルフォン酸カルシウムを使用する。
有機カルシウム化合物は、前記アクリル系樹脂１００質量部に対して１〜１０質量部添加すると型かじり性改善効果が得られるため、必要に応じて添加する。１質量部未満であると、型かじり性改善効果が得られない。１０質量部超えて添加しても効果は飽和する。
（ステンレス鋼）
本発明のステンレス鋼板用潤滑塗料は、ステンレスの種類によらず全てのステンレス鋼板に適用でき深絞り加工性と耐型かじり性に優れる潤滑ステンレス鋼板が得られる。特に絞り加工が用いられるフェライト系ステンレス鋼板のプレス加工に適している。
＜潤滑ステンレス鋼板の製造方法＞
本発明のステンレス鋼板用潤滑塗料をステンレス鋼板表面に塗布して乾燥する。塗布方法は、限定されないが、スプレー塗布、ロールコーター塗布、浸漬塗布、刷毛塗塗布等の方法が例示できる。本発明塗料の固形分（アクリル系樹脂＋ポリエチレンワックス+カルシウム化合物）濃度は、用いられる塗布方法や乾燥方法に合わせて調製することができる。好ましくは１質量％〜５０質量％である。塗料の乾燥方法は、一般的な焼付け炉等を使用することが出来るが、本発明の潤滑塗料は固化しやすいため、簡易的な熱風乾燥で十分に固化させることが出来る。塗装は、鋼板の使用用途により鋼板の片面または両面に行うが、乾燥後の付着量は、片面当り０．５〜２．５ｇ／ｍ２が好ましい。
乾燥後の付着量が０．５ｇ／ｍ２〜２．５ｇ／ｍ２であると皮膜の損傷が起こりにくく、耐型かじり性が優れ、潤滑効果が十分で、摺動時の皮膜の剥がれが少なく、剥がれたものがプレス金型に堆積してプレス加工に悪影響を及ぼすことがない。より好ましくは０．８ｇ／ｍ２以上、２．０ｇ／ｍ２以下、さらに好ましくは１．５ｇ／ｍ２以下とする。
（摩擦抵抗）
摩擦係数は測定方法による違いがあり、本発明で得られる潤滑皮膜の同一サンプルでも測定方法により絶対値が異なるため、絶対値では評価できないが、一般的には相対比較で高いとすべりが悪くなるため、プレス性は低下する。一方で低すぎると、鋼帯をコイルにした場合、コイルが自重でつぶれる場合があり、また滑りすぎて板のハンドリングに支障をきたす場合もある。
以下に実施例・比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例・比較例に限定されない。
（実施例１〜１８、比較例１〜６）
表１の組成のアクリル樹脂含有水性塗料を作製し、ステンレス鋼板（SUS444の（19mass%Cr-2mass%Mo-0.4mass%Nb）2D仕上げ）に、スプレーで均一に塗布し、ドライヤーの熱風で乾燥させる塗装を板の両面に実施し、その特性を評価した。なお、各塗料とも固形分（アクリル樹脂＋ポリエチレンワックス＋カルシウム化合物）濃度を１０質量％に調整した。その結果を表１に示す。ポリエチレンワックスはエマルション化したものを水性塗料に混合して用いた。
＜評価方法＞
１．摩擦係数は、図１に示す装置、すなわち曲率５がＲ２０の上下の金型の間に、厚さ１．５ｍｍ×長さ２００ｍｍ×幅２０ｍｍの供試材を挟み、押し付け荷重方向６で押し付けた状態で引抜荷重方向８に引抜き、引抜荷重を測定する摺動試験機で引抜荷重を測定した。摩擦係数は、引抜荷重／押し付け荷重、により求めた。試験条件は、金型：材質ＳＫＤ１１、曲率Ｒ２０、サンプル幅２０ｍｍ、摺動距離：１００ｍｍ、引抜速度：２０ｍｍ／ｓ、押し付け荷重：３９２０Ｎで行った。金型と供試材の接触面積は約２０ｍｍ２（２０ｍｍ幅×約１ｍｍ）であり、面圧は約200MPa（=3920N／20ｍｍ２）となる。
２．ベタツキ有無、潤滑皮膜形成後のステンレス鋼板に、皮膜無しのステンレス鋼を面圧0.01MPaで押し付け、剥がしたのちに皮膜無しのステンレス鋼板の表面に潤滑皮膜が転写されていないかを、蛍光Ｘ線でＣカウント量を測定することにより評価した。Ｃ量の増加は見られない場合、ベタツキ無しとした。皮膜無しのステンレス鋼板の表面にＣ量の増加があった場合をベタツキ有り、と評価した。
３．深絞り性は、限界深絞り比（ＬＤＲ（=Limiting Drawing Ratio））測定により評価した。円板形の試験片に、円筒形のポンチ（直径ｄ=33mm）を押し込み、破断することなく、絞り抜けする最大の試験片直径（Ｄ（mm））を求め、Ｄ／ｄの計算式で求めた。ポンチの肩Ｒは3mm、ポンチ送り速度1mm/秒、しわ押さえ荷重10ｋN、しわ押さえ肩Ｒ3mmで行った。
４．耐型かじり性は、図１に記載する摺動試験機を用い、１つの供試材を途中金型研磨なしで２０回連続して摺動し、摩擦係数が上昇しない場合を耐型かじり性良好と評価した。摩擦係数が上昇しないとは、「同じ供試材に対して高面圧（約200MPa）で２０回連続して摺動しても２０回目の摩擦係数が０．１５未満である」とし、この場合を耐型かじり性良好とし、「０．１５以上」を不可と評価した。
表１の有機カルシウム化合物の種類、
Ａ：ステアリン酸カルシウム
Ｂ：過塩基性石油スルフォン酸カルシウム
表１の樹脂の種類、
アクリル１：スチレン＋メタクリル酸ブチル＋メタクリル酸+エチレン性不飽和カルボン酸 の共重合物（質量比２５：３０：２４：２１）
アクリル２：スチレン＋メタクリル酸ブチル＋メタクリル酸 の共重合物（質量比２５：５１：２４）
表１のＰ系添加剤、
＊）オレイルアシッドホスフェイト（極圧剤）
＜実施例・比較例の評価＞
表１の結果から、実施例１〜１８では、高融点のポリエチレンワックスを前記アクリル系樹脂１００質量部に対して従来の量より多い特定量添加すると、ステンレス鋼板に対して優れた加工性を有する潤滑塗料が得られることがわかる。表１の実施例１、３、５、６、１５、１７では有機カルシウム化合物を無添加としても耐型かじり性に優れるが、有機カルシウム化合物を添加するとさらに耐型かじり性が向上した。比較例１、４、６では高融点のポリエチレンワックスの量が樹脂に対して少ないと耐型かじり性が劣る。比較例５では低融点のポリエチレンワックスが前記アクリル系樹脂１００質量部に対して多量に添加されると潤滑塗料がベタツクことがわかる。比較例２，３では、低融点ワックスを使用すると、摩擦係数は低くなるがステンレス鋼用の潤滑塗料としては耐型かじり性が低いことがわかる。また、比較例１、２、３、４、６のポリエチレンワックスの添加量が低い場合、ＬＤＲ値が実施例より低く、深絞り性が劣る結果となっている。
本発明のステンレス鋼用潤滑塗料は、ステンレス鋼板に塗布すると、深絞りや耐型かじり性等の加工性に優れる潤滑ステンレス鋼板が得られる。これを用いればステンレス鋼板を容易に高面圧のプレス成形で加工できるので、耐食性や高温特性に優れたステンレス鋼の適用が、自動車や家電、厨房分野を中心に拡大でき工業的に有用である。特にフェライト系ステンレス鋼は、Ｎｉを含有しないためオーステナイト系ステンレス鋼に比べて安価であり、しかも応力腐食割れ（ＳＣＣ）の心配がないという利点を備えているので、今後需要増加が期待される材料である。フェライト系ステンレス鋼は、軟鋼に比べてＣｒを多量に含有しているため、延性に乏しく、張り出し性に劣るため、成形可能範囲が限定されるという問題があったが、本発明のステンレス鋼用潤滑塗料を利用すれば広範囲な成型加工が可能となりその材料の特性を生かして工業製品を得ることが出来る。
１：供試材 ２：下金型 ３：上金型 ５：曲率 ６：押し付け荷重方向
８：引抜荷重方向

Claims (5)

  1. アクリル系樹脂およびポリエチレンワックスを含み、前記ポリエチレンワックスの融点が１１５℃以上であり前記アクリル系樹脂１００質量部に対して２０質量部超〜５０質量部の前記ポリエチレンワックスを含有し、
    さらに、有機カルシウム化合物を、前記アクリル系樹脂１００質量部に対して、１質量部〜１０質量部含有する、ステンレス鋼板用潤滑塗料。
  2. 前記有機カルシウム化合物が、過塩基性石油スルフォン酸カルシウムである、請求項１に記載のステンレス鋼板用潤滑塗料。
  3. 水系溶媒を用い、前記ポリエチレンワックスをエマルション化して添加する、請求項１または２に記載のステンレス鋼板用潤滑塗料の製造方法。
  4. ステンレス鋼板上に、請求項１または２に記載のステンレス鋼板用潤滑塗料を塗布し、熱風乾燥して、乾燥後の質量で片面当たり０．５〜２．５ｇ／ｍ２の潤滑皮膜を形成する潤滑ステンレス鋼板の製造方法。
  5. 請求項１または２に記載のステンレス鋼板用潤滑塗料を、乾燥後の質量で片面当たり０．５〜２．５ｇ／ｍ２有する潤滑ステンレス鋼板。
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