JP6940069B2

JP6940069B2 - プレス加工用潤滑油

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Publication number: JP6940069B2
Application number: JP2017206307A
Authority: JP
Inventors: 涼太佐々木; 平田　和之; 和之平田; 加藤　直樹; 直樹加藤
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2021-09-22
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: DE102018126301A1; CN109705950A; US20190119599A1; JP2019077802A

Description

本発明は、プレス加工用潤滑油に関する。

燃料電池のセパレータ等の被加工物をプレス加工するときには、そのプレス加工によって被加工物等の形状を適正に形成することを目的として、セパレータ等の被加工物の素材である金属材料に対し潤滑油を塗布し、金属材料の表面にプレス加工時の摩擦を低減するための油膜を形成するようにしている。なお、燃料電池のセパレータをプレス加工する際の金属材料としては、一般にチタン等の硬質材料が用いられている。また、上記潤滑油としては、基油に対し各種の添加剤を添加することにより、同潤滑油に対する要求を満たすようにしたものが用いられている。

ところで、プレス加工時に金属材料の表面に油膜を形成するための上記潤滑油の動粘度（流動性）については、プレス加工を通じて被加工物の形状を適正に形成できるかどうかに影響を及ぼすことが確認された。詳しくは、潤滑油において過度に動粘度が低い（流動性が高い）と、プレス加工時に金属材料の表面に形成される油膜の強度が弱くなり、プレス加工時にいわゆる油膜切れが生じて被加工物に穴あき等が生じる。一方、潤滑油において過度に動粘度が高い（流動性が低い）と、金属材料の表面に形成された油膜がプレス加工の妨げとなり、被加工物の表面形状を意図した形状に形成できなくなる。このため、潤滑油の動粘度については、常温（例えば４０℃）という温度条件下で過度に低かったり過度に高かったりすることのない値、言い換えれば適正範囲（例えば５０〜７０ｍｍ2 ／ｓ）内の値とすることが望まれている。

なお、特許文献１には、高温時に動粘度が低下することにより基油等の動粘度と比較して動粘度が低くなる性質を有する有機カーボネートを、潤滑油の基油に対し添加することが記載されている。この場合、金属材料及びプレス加工のための金型を加熱して高温に維持することにより、潤滑油に添加された有機カーボネートの上記性質を利用して、プレス加工時に金属材料の表面に形成される油膜（潤滑油）の動粘度を上記適正範囲内の値に調整することができる。

特許第５３０６７２４号公報

しかし、潤滑油の基油に対し有機カーボネートを添加することにより、プレス加工時の潤滑油の動粘度を上記適正範囲内の値に調整する場合、上述したように金属材料及び金型を加熱して高温に維持しなければならず、その際のエネルギ消費が被加工物における製造コストの上昇を招くことは否めない。

また、潤滑油の動粘度をプレス加工にとっての適正範囲内の値に調整したとしても、そのときの値が金属材料に対する潤滑油の塗布にとって最適であるとは限らず、金属材料に対する潤滑油の塗布という観点では、動粘度が高すぎて潤滑油の均一な塗布を効率よく行えなくなる。

なお、潤滑油を効率良く均一に塗布する方法として、静電塗布を用いることも考えられるが、そうした静電塗布を行うためには潤滑油に導電性を持たせるための添加剤を基油に対し添加しなければならない。ただし、基油に対する上記添加剤の添加量が適切でないと、静電塗布に必要とされる導電率を潤滑油に持たせることができなかったり、プレス加工後に被加工物を洗浄する際の潤滑油の洗浄性が悪化したりするおそれがある。

本発明の目的は、高温にせずともプレス加工に適した動粘度が得られて洗浄性を悪化させることなく静電塗布による効率のよい均一な塗布を実現できるプレス加工用潤滑油を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するプレス加工用潤滑油では、基油に対し油脂系添加剤及びカルシウム系添加剤が添加されており、油脂系添加剤の添加量が全体の容量に対し１０〜３０％とされている一方、カルシウム系添加剤の添加量が全体の容量に対し５〜１５％とされている。

この潤滑油によれば、基油に対する油脂系添加剤の添加量を全体の容量に対し１０〜３０％とすることにより、潤滑油の動粘度を常温のもとで５０〜７０ｍｍ2 （平方ミリメートル）／ｓというプレス加工にとっての適正範囲内の値とすることができる。一方、基油に対するカルシウム系添加剤の添加量を全体の容量に対し５〜１５％とすることにより、潤滑油の導電率を１０００〜１０００００ｐＳ／ｍという静電塗布にとっての適正範囲内の値とすることができ、その静電塗布を通じて潤滑油を効率よく均一に塗布することができる。更に、基油に対するカルシウム系添加剤の添加量を全体の容量に対し５〜１５％とすれば、プレス加工後に被加工品を洗浄する際の洗浄性が悪化することもない。

上記課題を解決するプレス加工用潤滑油では、基油に対し油脂系添加剤及びナトリウム系添加剤が添加されており、油脂系添加剤の添加量が全体の容量の１０〜３０％とされている一方、ナトリウム系添加剤の添加量が全体の容量に対し５〜２０％とされている。

この潤滑油によれば、基油に対する油脂系添加剤の添加量が全体の容量に対し１０〜３０％とすることにより、潤滑油の動粘度を常温のもとで５０〜７０ｍｍ2 ／ｓというプレス加工にとっての適正範囲内の値とすることができる。一方、基油に対するナトリウム系添加剤の添加量を全体の容量に対し５〜２０％とすることにより、潤滑油の導電率を１０００〜１０００００ｐＳ／ｍという静電塗布にとっての適正範囲内の値とすることができ、その静電塗布を通じて潤滑油を効率よく均一に塗布することができる。更に、基油に対するナトリウム系添加剤の添加量を全体の容量に対し５〜２０％とすれば、プレス加工後に被加工品を洗浄する際の洗浄性が悪化することもない。

本発明によれば、高温にせずともプレス加工に適した動粘度が得られて被加工物の洗浄性を悪化させることなく静電塗布による効率のよい均一な塗布を実現できる。

燃料電池のセパレータをプレス加工するときの潤滑油の使用態様を示す断面図。燃料電池のセパレータをプレス加工するときの潤滑油の使用態様を示す断面図。動粘度評価試験の試験結果を示すグラフ。油脂系添加剤添加量評価試験の試験結果を示すグラフ。カルシウム系添加剤添加量評価試験の試験結果を示すグラフ。ナトリウム系添加剤添加量評価試験の試験結果を示すグラフ。洗浄試験の試験結果を示す表。

本発明のプレス加工用潤滑油は、燃料電池のセパレータ等の被加工物をプレス加工する際、その被加工物の素材である金属材料に対し塗布されることにより、同金属材料の表面にプレス加工時の摩擦を低減するための油膜を形成するためのものである。こうした潤滑油としては、基油に対し油脂系添加剤を添加するとともに、カルシウム系添加剤もしくはナトリウム系添加剤を添加したものが用いられる。なお、潤滑油の上記基油としては、各添加剤の溶解及び分散を担う担体として機能する鉱物油が用いられる。また、上記金属材料としては、ステンレス鋼、チタン、チタン合金等を用いることが考えられる。

次に、上述した油脂系添加剤、カルシウム系添加剤、ナトリウム系添加剤について個別に詳しく説明する。
［油脂系添加剤について］
上記油脂系添加剤は、油膜強度の強化を行って潤滑油の耐荷重性を向上させるためのものである。上記油脂系添加剤は、少なくともリン酸エステルを含んでいることが好ましく、そのリン酸エステルに加えてヒマシ油脂肪酸エステル誘導体及び鉱物油のうちの少なくとも一つを含んでいてもよい。

上記リン酸エステルは、潤滑油に摩耗防止効果を持たせるためのものであり、且つ、リン酸鉄系化合物皮膜の生成により加工性を向上させるためのものである。上記ヒマシ油脂肪酸エステル誘導体は、油性向上剤であって、極性基を有することにより潤滑油に金属面への吸着性と浸透性を与え、鉱物油（基油）よりも強固な潤滑油膜を形成するためのものである。また、上記ヒマシ油脂肪酸エステル誘導体は、他の添加剤の溶解性向上効果も有する。なお、上記油脂系添加剤に含まれる鉱物油としては、油脂系添加剤を基油に対し添加したときの混合性改善を考慮し、基油に用いられる鉱物油と同じものとすることが好ましい。

［カルシウム系添加剤について］
上記カルシウム系添加剤は、潤滑油の導電率を静電塗布にとっての適正範囲（例えば１０００〜１０００００ｐＳ／ｍ）内の値とするためのものである。こうしたカルシウム系添加剤を添加して潤滑油の導電率を静電塗布にとっての適正範囲内の値とすることにより、その静電塗布を通じて潤滑油を金属材料に対し効率よく均一に塗布することができるようになる。上記カルシウム系添加剤は、少なくとも石油スルホン酸カルシウムを含んでいることが好ましく、その石油スルホン酸カルシウムに加えて水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、及び鉱物油のうちの少なくとも一つを含んでいてもよい。

上記石油スルホン酸カルシウムは、潤滑油中で発生する不溶解成分を金属塩がミセル様に捕集して不溶解成分同士の接触を避ける清浄分散効果を持たせるためのものである。なお、塩基性の大きなものを用いれば、潤滑油の劣化により生成する酸性成分を中和して錆などの悪影響を抑えることができる。上記水酸化カルシウムは、潤滑油に塩基性を持たせるためのものである。上記炭酸カルシウムは、微細な固体潤滑剤となることにより、潤滑油の潤滑性を向上させるためのものである。なお、カルシウム系添加剤に含まれる鉱物油としては、カルシウム系添加剤を基油に対し添加したときの混合性改善を考慮し、基油に用いられる鉱物油と同じものとすることが好ましい。

［ナトリウム系添加剤について］
上記ナトリウム系添加剤も、潤滑油の導電率を静電塗布にとっての適正範囲内の値とするためのものである。こうしたナトリウム系添加剤を上記カルシウム系添加剤の代わりに添加して潤滑油の導電率を静電塗布にとっての適正範囲内の値とした場合も、その静電塗布を通じて潤滑油を金属材料に対し効率よく均一に塗布することができるようになる。上記ナトリウム系添加剤は、少なくとも石油スルホン酸ナトリウムを含んでいることが好ましく、その石油スルホン酸ナトリウムに加えて鉱物油及び水のうちの少なくとも一つを拭くんでいてもよい。

上記石油スルホン酸ナトリウムは、スルホン酸を水酸化ナトリウムで中和して得られるものであり、水に溶け込みやすく潤滑油の乳化剤や防錆剤として機能する。なお、ナトリウム系添加剤に含まれる鉱物油としては、ナトリウム系添加剤を基油に対し添加したときの混合性改善を考慮し、基油に用いられる鉱物油と同じものとすることが好ましい。

以下、本発明のプレス加工用潤滑油の実施例について説明する。
図１及び図２は、燃料電池のセパレータをプレス加工するときの潤滑油の使用態様を示している。図１に示されるように、セパレータを形成するための素材である板状の金属材料１に対し潤滑油が塗布されることにより、金属材料１の表面に油膜２が形成されるようになる。そして、図２に示されるように、プレス加工された金属材料１（セパレータ）には、燃料電池で用いられる燃料ガス、酸化ガス、及び冷却液といった流体を流す流路を形成するための溝３が形成される。上述したようにプレス加工されたセパレータについては、プレス加工後に洗浄されることにより、プレス加工時に塗布された潤滑油等の除去が行われるようになる。

次に、潤滑油において、基油に対する油脂系添加剤の添加量を定めるための動粘度評価試験及び油脂系添加剤添加量評価試験について、詳しく説明する。
［動粘度評価試験］
プレス加工時に金属材料１の表面に油膜２を形成するための上記潤滑油の動粘度（流動性）については、プレス加工を通じてセパレータの形状を適正に形成できるかどうかに影響を及ぼす。このため、セパレータをプレス加工する際の潤滑油として適切な動粘度を定めることを目的に、次のような動粘度評価試験を行った。

この動粘度評価試験では、常温のもとで動粘度の異なる複数の潤滑油を用いてそれぞれ個別に金属材料１をプレス加工し、それらプレス加工後のセパレータにおける不良品の数を動粘度の異なる潤滑油毎に集計した。

図３は、動粘度評価試験の試験結果を示している。この試験において、動粘度が３０、５０、５５、７０、１００ｍｍ2 ／ｓとなる潤滑油において不良品の数を集計した結果、動粘度が３０ｍｍ2 ／ｓ以下であるとき、及び、１００ｍｍ2 ／ｓ以上であるとき、不良品の数が多くなることが分かった。

これは、潤滑油の動粘度が３０ｍｍ2 ／ｓ以下と低いとき（流動性が高いとき）には、金属材料１の表面に形成される油膜２（図１）の強度が弱くなってプレス加工時に図２に破線で囲んだ部分でいわゆる油膜切れが生じ、それに伴いセパレータに穴あき等が生じるためである。一方、潤滑油の動粘度が１００ｍｍ2 ／ｓ以上と高いとき（流動性が低いとき）には、金属材料１の表面に形成された油膜２（図１）がプレス加工の妨げとなり、セパレータの表面形状を意図した形状に形成できなくなる。詳しくは、図２に二点鎖線で示すようにプレス加工されたセパレータにおける溝３の深さが不足する。その結果、潤滑油の動粘度が１００ｍｍ2 ／ｓ以上と高いときにも不良品の数が多くなる。

動粘度評価試験の試験結果から分かるように、プレス加工用の潤滑油における常温のもとでの動粘度の適正範囲としては５０〜７０ｍｍ2 ／ｓをあげることができ、上記動粘度の最適値としては５５ｍｍ2 ／ｓをあげることができる。

［油脂系添加剤添加量評価試験］
油脂性添加剤添加量評価試験では、常温のもとで油脂系添加剤の添加量の異なる複数の潤滑油を用いて個別に金属材料１をプレス加工し、それらプレス加工後のセパレータにおける不良品の数を油脂系剤添加剤の添加量の異なる潤滑油毎に集計した。

図４は、油脂系添加剤添加量評価試験の試験結果を示している。この試験において、油脂系添加剤の添加量が潤滑油全体の容量に対し０、１０、２０、３０、５０％となる潤滑油において不良品の数を集計した結果、油脂系添加剤の添加量が０％であるとき、及び５０％以上であるとき、不良品の数が多くなることが分かった。

これは、以下の理由によると推測される。すなわち、油脂系添加剤の添加量が少なくなって０％に近づくと、金属材料１の表面に形成される油膜２（図１）の強度が弱くなってプレス加工時に図２に破線で囲んだ部分で油膜切れが生じ、それに伴いセパレータに穴あき等が生じる。一方、油脂系添加剤の添加量が５０％以上と多くなると、金属材料１の表面に形成された油膜２（図１）の強度が強くなって油膜２がプレス加工の妨げとなり、セパレータの表面形状を意図した形状に形成できなくなる。すなわち、図２に二点鎖線で示すようにプレス加工されたセパレータにおける溝３の深さが不足し、不良品の数が多くなる。

油脂系添加剤添加量評価試験の試験結果から分かるように、プレス加工用の潤滑油における油脂系添加剤の添加量としては１０〜３０％の範囲内の値とすることが好ましく、２０％とすることがより好ましい。

プレス加工用の潤滑油において、基油に対する油脂系添加剤の添加量を全体の容量に対し１０〜３０％とすれば、動粘度評価試験及び油脂系添加剤添加量評価試験の試験結果から分かるように、潤滑油の動粘度がプレス加工にとっての適正範囲内の値になると推測される。なお、ここでの適正範囲とは、上述した動粘度評価試験の試験結果から分かるように常温環境下で５０〜７０ｍｍ2 ／ｓである。

次に、潤滑油において、基油に対するカルシウム系添加剤の添加量、及び、基油に対するナトリウム系添加剤の添加量を定めるためのカルシウム系添加剤添加量評価試験、ナトリウム系添加剤添加量評価試験、及び洗浄試験について、詳しく説明する。

［カルシウム系添加剤添加量評価試験］
カルシウム系添加剤添加量評価試験では、カルシウム系添加剤の添加量の異なる複数の潤滑油を用意し、それら潤滑油の導電率を個別に測定した。

図５は、カルシウム系添加剤添加量評価試験の試験結果を示している。この試験において、カルシウム系添加剤の添加量が潤滑油全体の容量に対し、０、５、１０、１５％となる潤滑油について電導率を測定した結果、カルシウム系添加剤の添加量が５、１０、１５％となる潤滑油については、電導率が静電塗布にとっての適正範囲（１０００〜１０００００ｐＳ／ｍ）内の値となることが分かった。

［ナトリウム系添加剤添加量評価試験］
ナトリウム系添加剤添加量評価試験では、ナトリウム系添加剤の添加量の異なる複数の潤滑油を用意し、それら潤滑油の導電率を個別に測定した。

図６は、ナトリウム系添加剤添加量評価試験の試験結果を示している。この試験において、ナトリウム系添加剤の添加量が潤滑油全体の容量に対し、０、５、１０、１５、２０％となる潤滑油について電導率を測定した結果、ナトリウム系添加剤の添加量が５、１０、１５、２０％となる潤滑油については、電導率が静電塗布にとっての適正範囲（１０００〜１０００００ｐＳ／ｍ）内の値となることが分かった。

［洗浄試験］
洗浄試験では、カルシウム系添加剤の添加量の異なる複数の潤滑油、及び、ナトリウム系添加剤の添加量の異なる複数の潤滑油を用いて個別に金属材料１をプレス加工し、それらプレス加工後のセパレータをアルカリ洗浄機で一定時間（例えば７分間）洗浄させ、その後に乾燥炉にて各セパレータを乾燥させる。そして、乾燥後における各セパレータの潤滑油染みの数を個別に集計し、潤滑油染みの個数に基づき各潤滑油の洗浄性を評価するようにした。

図７は、洗浄試験の試験結果を示している。
この試験において、潤滑油Ａ〜Ｇは、いずれも油脂系添加剤の添加量が２０％とされている。そして、潤滑油Ｂ、潤滑油Ｃ、潤滑油Ｄについては、カルシウム系添加剤が添加されており、同カルシウム系添加剤の添加量がそれぞれ５、１０、１５％とされている。また、潤滑油Ｅ、潤滑油Ｆ、潤滑油Ｇについては、ナトリウム系添加剤が添加されており、同ナトリウム系添加剤の添加量がそれぞれ５、１０、２０％とされている。

また、各潤滑油Ａ〜Ｇの洗浄性については、上記潤滑油染みの個数に応じて「１」〜「５」の五段階で評価している。ちなみに、この五段階の評価では、「１」が最も洗浄性が悪く、「２」、「３」、「４」、「５」と値が大きくなってゆくほど洗浄性が良いことを示している。なお、潤滑油Ａ〜Ｇのうち「３」以上の値となるものが、プレス加工用の潤滑油として使用可能である。

この試験結果から分かるように、カルシウム系添加剤が添加された潤滑油Ｂ〜Ｄのうちでは、最も洗浄性が悪いのは潤滑油Ｂである。これは、カルシウム系添加剤の添加量が５％と少ないことに起因して、潤滑油の乳化作用が少なくなるためと考えられる。一方、カルシウム系添加剤の添加量を１５％よりも多くすると、カルシウム系添加剤の添加量が多くなりすぎて、やはり洗浄性の悪化がみられるようになった。

従って、潤滑油の導電率を静電塗布にとっての適正範囲内の値とするためにカルシウム系添加剤を添加する場合には、潤滑油の洗浄性を考慮して、カルシウム系添加剤の添加量を潤滑油全体の容量に対し５〜１５％の範囲内の値とすることが好ましく、１０％とすることがより好ましい。

また、上記試験結果から分かるように、ナトリウム系添加剤が添加された潤滑油Ｅ〜Ｇのうちでは、最も洗浄性が良いのは潤滑油Ｆであり、潤滑油Ｇは上記潤滑油Ｆよりも洗浄性が悪く使用可能な最低限のレベルの洗浄性しか持たない。また、静電塗布に必要とされる電導率を得るためには、上記ナトリウム系添加剤添加量評価試験の試験結果から分かるように、ナトリウム系添加剤の添加量を少なくとも潤滑油Ｅのように５％としなければならない。

従って、潤滑油の導電率を静電塗布にとっての適正範囲内の値とするためにナトリウム系添加剤を添加する場合には、潤滑油の洗浄性及び導電率を考慮して、ナトリウム系添加剤の添加量を潤滑油全体の容量に対し５〜２０％の範囲内の値とすることが好ましく、１０％とすることがより好ましい。

以上から分かるように、プレス加工用潤滑油において、基油に対する油脂系添加剤の添加量を全体の容量に対し１０〜３０％とすれば、潤滑油の動粘度が常温のもとで５０〜７０ｍｍ2 ／ｓというプレス加工にとっての適正範囲内の値となる。

一方、プレス加工用潤滑油において、基油に対しカルシウム系添加剤を添加する場合には、その添加量を全体の容量に対し５〜１５％とすることにより、潤滑油の導電率を１０００〜１０００００ｐＳ／ｍという静電塗布にとっての適正範囲内の値とすることができ、その静電塗布を通じて潤滑油を効率よく均一に塗布することができる。更に、基油に対するカルシウム系添加剤の添加量を全体の容量に対し５〜１５％とすれば、プレス加工後に被加工品を洗浄する際の洗浄性が悪化することもない。

また、プレス加工用潤滑油において、基油に対しカルシウム系添加剤を添加することに代えて、ナトリウム系添加剤を添加することも可能である。この場合には、ナトリウム系添加剤の添加量を全体の容量に対し５〜２０％とすることにより、潤滑油の導電率を１０００〜１０００００ｐＳ／ｍという静電塗布にとっての適正範囲内の値とすることができ、その静電塗布を通じて潤滑油を効率よく均一に塗布することができる。更に、基油に対するナトリウム系添加剤の添加量を全体の容量に対し５〜２０％とすれば、プレス加工後に被加工品を洗浄する際の洗浄性が悪化することもない。

１…金属材料、２…油膜、３…溝。

Claims

基油に対し、リン酸エステルからなる油脂系添加剤、及び、石油スルホン酸カルシウムからなるカルシウム系添加剤が添加されており、前記油脂系添加剤の添加量が全体の容量に対し２０％とされている一方、前記カルシウム系添加剤の添加量が全体の容量に対し１０％とされていることを特徴とするプレス加工用潤滑油。
基油に対し、リン酸エステルからなる油脂系添加剤、及び、石油スルホン酸ナトリウムからなるナトリウム系添加剤が添加されており、前記油脂系添加剤の添加量が全体の容量の２０％とされている一方、前記ナトリウム系添加剤の添加量が全体の容量に対し１０％とされていることを特徴とするプレス加工用潤滑油。