JP7029127B2 - 冷間鍛造用の金属基体の表面潤滑処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷間鍛造用の金属基体の表面潤滑処理方法に関するものである。

特許文献１には、冷間加工用鋼の表面潤滑処理剤および表面潤滑処理方法が開示されている。また、同文献はタンニン酸溶液からなる冷間加工用鋼の表面潤滑処理剤を開示している。また、同文献は鋼の表面をタンニン酸溶液で処理し、さらにその表面に、金属石けんおよび／または潤滑油からなる潤滑皮膜を形成する、冷間加工用鋼の表面潤滑処理方法を開示している。

特開昭５５－１１０７７８号公報

特許文献１の方法では、工業的に量産処理した時に、プレス加工時の金型寿命が短く、現行のリン酸亜鉛皮膜＋金属石鹸の方法に比べて、優位性があまり発揮されていない。

本発明は、工業的な冷間鍛造加工に耐え得る良好な潤滑性を付与できる冷間鍛造用の金属基体の表面潤滑処理方法を提供することを目的とする。

（１）
上記課題を解決することのできる本発明の冷間鍛造用の金属基体の表面潤滑処理方法は、
金属基体を、タンニンと、溶媒と、を含む前処理液によって処理する第１工程と、
前記第１工程によって処理された前記金属基体を、アルミニウムイオンと、溶媒と、を含む、アルカリ性後処理液によって処理する第２工程と、
前記第２工程によって処理された前記金属基体を、金属石けん、潤滑油またはそれらの組み合わせによって処理する第３工程と、
を含む。
（２）
上記（１）の表面潤滑処理方法は、
前記前処理液がカルボン酸化合物を含む、と好ましい。
（３）
上記（２）の表面潤滑処理方法は、
前記前処理液が鉄イオンを１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下で含む、と好ましい。

本発明によれば、工業的な冷間鍛造加工に耐え得る良好な潤滑性を付与できる冷間鍛造用の金属基体の表面潤滑処理方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。まず、本実施形態に係る冷間鍛造用の金属基体の表面潤滑処理方法に用いられる前処理液を説明する。当該前処理液は、タンニンと、溶媒と、を含む。タンニンは、天然の多価フェノールの総称であり、加水分解性タンニンと、縮合型タンニンと、に大別される。加水分解型タンニンとしては、例えば、五倍子タンニン、没食子タンニン等のタンニン酸等を挙げることができる。縮合型タンニンとしては、例えば、ミモザタンニン、柿タンニン等のカテコール重合体等を挙げることができる。本実施形態においてはどちらの種類のタンニンも採用し得るが、加水分解性タンニンが潤滑性の観点で好ましい。

前処理液中のタンニンの濃度は、化成処理する対象の形状により、その浸漬状態や水切れのしやすさ等を考慮して決定する。例えば０．０１ｇ／Ｌ以上４０ｇ／Ｌ以下とすることができ、潤滑性の観点から０．１ｇ／Ｌ以上２０ｇ／Ｌ以下が好ましく、１ｇ／Ｌ以上１０ｇ／Ｌ以下がより好ましい。

前処理液はカルボン酸化合物を含むと好ましい。本実施形態におけるカルボン酸化合物は、１つ以上のカルボキシ基を有する有機酸である。カルボン酸化合物としては、脂肪族カルボン酸化合物および芳香族カルボン酸化合物のいずれも採用し得る。カルボン酸化合物が有するカルボキシ基の数は特に限定されるものではないが、例えば１～５としてもよく、潤滑性の観点から１～３が好ましく、１または２であるとさらに好ましい。カルボン酸化合物の分子サイズは特に限定されるものではないが、例えば分子量４５ｇ／ｍоｌ以上１０００ｇ／ｍоｌ以下のものを採用してよく、潤滑性の観点から分子量７０ｇ／ｍоｌ以上４００ｇ／ｍоｌ以下のものが好ましく、分子量８０ｇ／ｍоｌ以上２００ｇ／ｍоｌ以下のものがさらに好ましい。脂肪族カルボン酸化合物においては、潤滑性の観点から分子量７０ｇ／ｍоｌ以上１２０ｇ／ｍоｌ以下のものが特に好ましい。芳香族カルボン酸化合物においては、潤滑性の観点から、分子量１２０ｇ／ｍоｌ以上２００ｇ／ｍоｌ以下のものが特に好ましい。カルボン酸化合物の炭素数は特に限定されるものではないが、例えば１以上２０以下のものを採用してよく、潤滑性の観点から２以上１５以下のものが好ましく、２以上１０以下のものがさらに好ましい。

本実施形態において採用し得るカルボン酸化合物の具体例としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸等の飽和脂肪族モノカルボン酸；オレイン酸、リノール酸、リノレン酸、アラキドン酸、ソルビン酸等の不飽和脂肪族モノカルボン酸；シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、フマル酸、マレイン酸等の脂肪族ジカルボン酸；乳酸、リンゴ酸、クエン酸等のヒドロキシ酸；安息香酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、サリチル酸、没食子酸、メリト酸、ケイ皮酸等の芳香族カルボン酸、等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。ただし、本発明において採用し得るカルボン酸化合物のうち、カルボキシ基以外の官能基を有さない脂肪族カルボン酸およびカルボキシ基以外の官能基を有していてもよい芳香族カルボン酸が潤滑性の観点から好ましく、カルボキシ基以外の置換基を有さない脂肪族多価カルボン酸およびカルボキシ基以外の官能基を有していてもよい芳香族カルボン酸がさらに好ましく、カルボキシ基以外の官能基を有さない脂肪族多価カルボン酸が特に好ましい。

前処理液中のカルボン酸化合物の濃度としては、０．０１ｇ／Ｌ以上２０ｇ／Ｌ以下とすることができ、０．１ｇ／Ｌ以上１５ｇ／Ｌ以下が好ましく、１ｇ／Ｌ以上１０ｇ／Ｌ以下がより好ましい。

本実施形態における前処理液の溶媒は、水、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール、アセトンまたはこれらの組み合わせである。溶媒は、水、アルコールまたはこれらの組み合わせであると好ましい。

前処理液は、鉄イオンを１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下で含むと好ましく、２００ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下で含むとより好ましい。鉄イオンの濃度が１０ｐｐｍ以上であると、優れた潤滑性を発揮する金属を生産性良く製造することができる。鉄イオンの濃度が１０ｐｐｍより小さいと潤滑性のさらなる向上を達成することが困難である。また、鉄イオンの濃度が１０００ｐｐｍより大きいと皮膜の機械的耐久性が下がる恐れがある。鉄イオンの濃度を１０００ｐｐｍ以下とすることで、形成される皮膜の機械的耐久性を保つことができる。

前処理液は、上記の成分の他に、種々の添加成分を含んでもよい。例えば、酸化防止剤、防腐剤、ｐＨ調整剤、界面活性剤、還元剤を含んでも良い。添加成分の濃度は、本発明の効果を損なわない範囲において、添加成分による所望の効果を得られる濃度を選択できる。

前処理液は各成分を溶媒に溶解させることで調製できる。前処理液のｐＨは特に限定されるものではないが、１．２～７．０の間に設定すると、潤滑性の観点で好ましい。前処理液のｐＨを２．５～６．０の間に設定するとより好ましく、３．８～５．０の間に設定すると、特に好ましい。

次に、本実施形態に係る冷間鍛造用の金属基体の表面潤滑処理方法に用いられる後処理液を説明する。後処理液は、アルミニウムイオンと、溶媒と、を含むアルカリ性の溶液である。後処理液は、アルミニウム金属やアルミニウム塩をアルカリ性の溶液に溶解させて調製されてもよい。また、溶媒に溶解すると塩基性を示すアルミニウム塩を溶媒に溶解させて調製されても良い。このようなアルミニウム塩としては、水酸化ナトリウム等とアルミイオンとが形成する塩などが挙げられる。本実施形態における後処理液の溶媒は、水またはメタノール、エタノール、プロパノール等のアルコールと水との混合物である。溶媒は、水であると好ましい。アルミニウムイオンの濃度は、潤滑性の観点から、０．１ｇ／Ｌ以上２０ｇ／Ｌ以下であると好ましく、０．５ｇ／Ｌ以上１５ｇ／Ｌ以下であるとより好ましく、１ｇ／Ｌ以上１０ｇ／Ｌ以下であると特に好ましい。

後処理液は上記の成分の他に、種々の添加成分を含んでもよい。例えば、酸化防止剤、防腐剤、ｐＨ調整剤、界面活性剤、還元剤を含んでも良い。添加成分の濃度は、本発明の効果を損なわない範囲において、添加成分による所望の効果を得られる濃度を選択できる。後処理液のｐＨは８．０～１４．０の間に設定すると、潤滑性の観点で好ましい。後処理液のｐＨを９．０～１３．０の間に設定するとより好ましく、１１．０～１３．０の間に設定すると、特に好ましい。

続いて、本実施形態に係る冷間鍛造用の金属基体の表面潤滑処理方法を説明する。当該表面潤滑処理方法は、金属基体を上述した前処理液によって処理する第１工程と、第１工程によって処理された金属基体を上述した後処理液によって処理する第２工程と、第２工程によって処理された金属基体を、金属石けん、潤滑油またはそれらの組み合わせによって処理する第３工程と、を含む方法である。本実施形態に用いられる金属基体としては、亜鉛、ニッケル、マグネシウム、鉄、アルミニウム、銅またはこれらの合金などが挙げられる。

まず、第１工程について説明する。前処理液による金属基体の処理は、金属基体を前処理液に浸漬する方法、金属基体に前処理液を塗布する方法、金属基体に前処理液を噴霧する方法など、種々の手段を採用し得る。なお、上記前処理液による処理を行う前に、金属基体には脱脂処理、必要に応じて酸洗処理、水洗を行う。

金属基体を前処理液に浸漬する場合、同じ前処理液を再利用して次の金属基体に皮膜を形成することができる。前処理液中の鉄イオンの濃度は、金属基体の材質によっては処理を重ねるにつれて上昇する。鉄イオンが上昇しすぎると皮膜の機械的耐久性が低下する恐れがある。そこで、再利用される前記前処理液中の鉄イオンの濃度を１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下に調整すると好ましく、２００ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下に調整するとより好ましい。その場合は、使用中の前処理液に未使用の鉄イオンを含まない前処理液を追加することで、鉄イオンの濃度を下降させることができる。また、最初に用意した前処理液に鉄イオンが含まれていない場合には、金属基体をいくつか浸漬するか、鉄イオン含有剤を添加することによって、鉄イオンの濃度を上昇させることもできる。

次に、第２工程について説明する。第１工程を経た金属基体の後処理液による処理は、前処理液による処理において説明したものと同様、浸漬、塗布、噴霧等の種々の手段を採用し得る。なお、後処理液による処理は、第１工程で金属基体を水洗した後すぐに行うと好ましい。後処理液による処理の後、金属を水洗して乾燥させることで、皮膜付き金属が得られる。第２工程によって得られた皮膜付き金属は、アルミニウムを含むタンニン由来の有機性の皮膜を備える金属である。

次に、第３工程について説明する。第３工程での処理では金属石けん、潤滑油またはそれらの組み合わせによって金属基体を処理する。金属石けんは、ステアリン酸、オレイン酸、パルミチン酸などの脂肪酸とナトリウム、リチウム、カルシウム、アルミニウム、亜鉛などの金属からなる塩などが挙げられる。処理においては、上記の金属石けんを溶媒に溶解した水溶液を用いると好ましい。金属石けんの濃度としては、２％以上６％以下が好ましい。潤滑油としては、鉱油、合成油等、各種潤滑油を採用できる。第１工程～第３工程を経て、表面が潤滑化された皮膜付き金属を得ることができる。

本発明者らは、特許文献１に開示のタンニン溶液による処理では工業的に量産処理した時に、プレス加工時の金型寿命が短く、現行のリン酸亜鉛皮膜＋金属石鹸の方法に比べて、優位性があまり発揮されないという問題点を解決すべく検討した。その結果、タンニンを含む溶液での処理の後、更にアルカリ性アルミニウム溶液で処理する事により、金属表面にタンニン酸アルミの被膜が生成される事によって、後の金属石鹸等による処理によって潤滑皮膜が良好に生成される事を見出した。上記実施形態に係る方法で金属基体を処理した場合、現在主流のリン酸亜鉛皮膜＋金属石鹸で生成されたステアリン酸亜鉛等に比べて潤滑性の良いステアリン酸アルミを生成させる事が可能となった。

現在、鋼の冷間鍛造加工において、鋼表面にリン酸亜鉛皮膜＋金属石鹸による潤滑被膜のステアリン酸亜鉛を生成させる方法が一般的である。しかしこの方法は、リン酸亜鉛処理温度が７０℃～８０℃と高温で、しかも大量の廃棄スラッジの発生が問題であった。上記実施形態に係る方法の前処理液は、処理温度４０℃と低温で、スラッジ発生がほとんど無く処理できるという優位性がある。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。ただし、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

金属基体として酸洗鋼板を試験片とした。試験片の表面を脱脂処理して、水洗した。水洗した試験片を直ちに、２ｇ／Ｌのタンニン酸（市販試薬１級、和光純薬株式会社製）を含み、ｐＨが３．８～５．０に調整された水溶液（前処理液１）に４０℃で１２０秒間浸漬した。その後、３０秒間、試験片を水洗して、１０ｇ／Ｌの水酸化アルミニウムを含み、ｐＨが１１～１３に調整された水溶液（後処理液）に室温（約２０℃）で３０秒間浸漬した。その後、３０秒間試験片を水洗し、続いて、６０℃で３分間乾燥させて、皮膜付き金属（試料１）を得た。

次に、前処理液１に代えて、２ｇ／Ｌのタンニン酸（市販試薬１級、和光純薬株式会社製）と、２ｇ／Ｌの安息香酸と、３００ｐｐｍの鉄イオンと、を含み、ｐＨが３．８～５．０に調整された、水溶液（前処理液２）を用いた以外は、前記と同様の方法に従って、皮膜付き金属（試料２）を得た。

その後、試料１および試料２の鋼表面へのアルミニウム取り込み量を測定するため、ＷＤＸ（波長分散型Ｘ線分析装置、株式会社リガク製、ＺＳＸ Ｐｒｉｍｕｓ ＩＩ）にて定量分析を行った。結果を表１に示す。

上記結果が示すように、タンニン酸溶液単独で処理して、アルカリ性アルミニウムに浸漬した場合と、タンニン酸＋カルボン酸溶液で処理して、アルカリ性アルミニウムに浸漬した場合とでは、鋼表面へのアルミニウム金属の取り込み量が６～８倍の差がある事が確認された。

Claims (3)

1. 金属基体を、タンニンと、水、アルコールまたはこれらの組み合わせである溶媒と、を含み、ｐＨが３．８～５．０である前処理液によって処理する第１工程と、
   前記第１工程によって処理された前記金属基体を、アルミニウムイオンと、水またはアルコールと水との混合物である溶媒と、を含み、ｐＨが１１．０～１３．０であるアルカリ性後処理液によって処理する第２工程と、
   前記第２工程によって処理された前記金属基体を、金属石けん、潤滑油またはそれらの組み合わせによって処理する第３工程と、
   を含む、冷間鍛造用の金属基体の表面潤滑処理方法。
2. 前記前処理液がカルボン酸化合物を含む、請求項１に記載の冷間鍛造用の金属基体の表面潤滑処理方法。
3. 前記前処理液が鉄イオンを１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下で含む、請求項２に記載の冷間鍛造用の金属基体の表面潤滑処理方法。