JPH04118133A - 熱間塑性加工用潤滑剤 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 及服辺貝酌 ［産業上の利用分野］ 本発明１表熱間鍛造等の熱間塑性加工用の潤滑剤に関す
る。

［従来の技術］ 従来、温度１０００〜１２００°Ｃに加熱された高温材
料を、所定の金型を用いて塑性加工する熱間鍛造におい
て（友材料と金型間の焼付き防止及び金型冷却の目的で
鍛造直前に金型表面に水に希釈した黒鉛が噴霧されてい
た ［発明が解決しようとする課題１ しかし、黒鉛は材料の熱によって酸化等を起こすため、
性能の劣化が生じ、鍛造時に十分な潤滑効果を発揮しな
かった。

このこと（表　第６図に示す様に、黒鉛（グラファイト
）の動的摩擦係数が温度６００°Ｃ程度から急激に増大
することからも理解される。

本発明（良熱間での塑性加工において十分な潤滑効果を
発揮し得る熱間塑性加工用潤滑剤を提供することを目的
とするものである。

［課題を解決するための手段］ かかる目的を達成するため、本発明の熱間塑性加工用潤
滑剤（よ黒鉛粉末と、ガラス粉末と、水とを混合してな
る。

二こで、ガラス粉末が、熱間塑性加工中の伝熱作用等に
より潤滑剤が加熱される温度の範囲（以下、加熱温度範
囲という）において、動粘度１０００ポアズに対応した
溶融状態となり得るものであることが望ましい。しかし
、これに限るものではなく、ガラス粉末が動粘度１００
０ポアズとなる温度（以下、作用温度という）と潤滑剤
の加熱温度範囲とが、一致していなくても構わない。

なお、ガラス粉末は一種類のガラスからなるものでもよ
いが、二種類以上のガラスを混合したものでもよい。ガ
ラスの作用温度（よ　このガラスの混合の仕方によって
調整することができる。

また、黒鉛粉末（よ熱間塑性加工における離型作用に必
要な量を混合すればよい。

［作用］ ガラス粉末は、本発明が対象とするような熱間塑性加工
（例えば材料を１０００〜１２００″Ｃに加熱しての塑
性加工）の温度において（よ材料からの伝熱作用等によ
り加熱さ札溶融状態となる。なお、その溶融温度や溶融
時の動粘度といつたもの（よ　ガラス粉末の成分の調整
により設定することができる。溶融したガラス成分は流
動性があるから、塑性加工に伴って変形する材料表面と
共にスムーズに延びて金型等の工具と材料との直接接触
を防ぎ、潤滑作用を発揮する。

一方、黒鉛（よ熱間加工温度では酸化等を起こして潤滑
剤としては劣化するものの、離型剤としては十分に作用
する。

これら両成分の作用により、本発明の熱間塑性加工用潤
滑剤によれ（１十分な潤滑作用と共に加工後の離型作用
も十分に得られる。

なお、もう一つの成分としての水（友材料または金型へ
の塗布等の便宜及び、金型冷却のために採用されたもの
である。

本発明の熱間塑性加工用潤滑剤（よ　こうした各成分の
相乗作用によって熱間塑性加工用として良好に作用する
が、特（ミ　ガラスの作用温度を潤滑剤の加熱温度範囲
内に調整されたものを用いた場合には、潤滑作用がさら
に優れたものとなる。作用温度の指標となる動粘度１０
００ポアズに対応する溶融状態と１表　ガラス成分がど
ろつと溶けて餅や水飴の様な状態であるため、潤滑剤が
材料の変形と共によく延び、かつ材料と金型との間１こ
適度な間隔を保つことができるからであると考える。

こうした潤滑作用の優劣は、例えば摩擦せん新係数ｍの
値を求めることで評価することができる。

摩擦せん新係数ｍ（よ　リング圧縮試験による以下の手
法で簡便に求めることができる。

摩擦せん新係数ｍＬＬ　第３図に示す様に、リング圧縮
試験による据込み率を横軸１：、その時の試験片の内径
変化率を縦軸にとると、一定の関係を有することが知ら
れている。従って、潤滑剤を金型に塗布してリング圧縮
試験を行ない、据込み率と内径変化率との関係を計測す
れ（Ｌ　この第３図の関係を用いて内挿あるいは外挿に
より摩擦せん新係数ｍが求まる。この結果、容易に潤滑
剤の潤滑性能を評価することができるのである。

ちなみ１：、従来の黒鉛と水とを混合しただけの潤滑剤
では摩擦せん新係数ｍが約０，４であることが知られて
いる。本発明の潤滑剤を採用すれ（戴　この摩擦せん新
係数ｍの値が０．４よりも小さくなり、良好な潤滑性能
を発揮するのである。

また、潤滑剤の加熱温度範囲において摩擦せん新係数ｍ
の値が小さいものほど潤滑性能がよいと評価することが
できる。これは、ガラスは熱間塑性加工の様な高温下で
は概ね溶融するが、そのときの動粘度の違いによって潤
滑成分としての性質が異なってくるからである。潤滑成
分として適した動粘度（よ上述の様１：、約１０００ポ
アズである。

ところで、この潤滑剤の加熱温度範囲は以下の様な手法
で求めることができる。

まず、鍛造金型の表面近傍の温度を計測できる様１：、
熱電対を金型内に埋め込み、所定の据込み率まで試験片
を鍛造する際の金型表面の温度変化を実測する。

一方、この鍛造試験に用いる試験片、潤滑剤及び金型に
ついて、同一の鍛造条件下における熱弾塑性的有限要素
解析を行なって金型表面の温度変化を計算しておく。こ
のとき、試験片と金型との間の接触熱コンダクタンスＫ
については何種類かの推定値を用いる。

こうして求めた、実測値と計算値との関係から、逆に接
触熱コンダクタンスＫを特定する。

接触熱コンダクタンスＫが特定されたら、以下、この値
を用いて有限要素解析し、試験片、潤滑剤及び金型の温
度分布を求めることができ、潤滑剤の加熱温度範囲を求
めることができる。

従って、こうして求めた加熱温度範囲を考慮して、作用
温度がこの範囲内になる様に調整したガラス粉末を潤滑
剤の成分として採用すれ（瓜極めて優れた潤滑性能のも
のとすることができる。

なお、黒鉛粉末を多く混合すれ（′；Ｌ　加工後の離型
作用を良好にし、逆にガラス粉末の混合量を多くすれば
潤滑性能を良好にする。実用する潤滑剤としての混合比
率（よ　こうした各成分の性質を踏まえると共同複雑形
状への加工なのか、それとも単純に押しつぶすだけなの
か等の条件から任意に設計することができる。

［実施例コ こうした構成、作用を備えた本発明の内容を一層明らか
にするため（ミ好適な実施例を説明する。

実施例の熱間塑性加工用潤滑剤の調整に匝以下の組成の
ガラス粉末Ａ、　　Ｂ、　　Ｃを用いた。

第１表 これらのガラス粉末Ａ、　　Ｂ、　　Ｃの各成分として
（よ　それぞ札粒度３００メツシュアンダーの割合が６
０％程度のものを用いた。なお、表中の、作用温度と（
よ前述の様１ミ　ガラス粉末Ａ−Ｃが同粘度１０００ポ
アズの溶融状態となる温度である。

実施例の潤滑剤として（よ　黒鉛と水との割合を重量比
１：１０とした商品名［デルタフォージ３１］　（日本
アチソン■製）の水溶液２００ｃｃにつき、これら三種
類のガラス粉末Ａ、　　Ｂ、　　Ｃのいずれかを５０ｇ
混合しｈ以下、この三種類の潤滑剤を、混合されるガラ
ス粉末の符号に対応して潤滑剤Ａ、　　Ｂ、　　Ｃとい
う。

次に、これら潤滑剤Ａ、　　Ｂ、　　Ｃについて、熱間
塑性加工用潤滑剤としての潤滑性能を検討するため、第
２図に示す様な荷重能力６０・０トンのメカニカルプレ
ス試験装置］を用いてリング圧縮試験を実施し翫なお、
この試験装置］で（表準備状態で上型２．試験片β及び
下型４の三者が離れた状態を維持できる様１ミ試験片３
を外周から挟持する保持リング５を備え、試験片３を中
空に保持することができる様に構成されている。保持リ
ング５（表土型２の下降に伴い下型４へ向かってたわみ
、上型２が上昇すると再び元の位置へ復帰する様になさ
れた弾性アーム６にて片持ち梁状に支持されている。ま
た、下型４の表面から０．４１■内部の位置にアルメル
−クロメル熱電対７を埋め込んで試験中の下型４表面の
温度変化を計測することができる様にも工夫されている
。

試験片３１ｔ、、外径４ム町　内径２１ｍｍで高さ１４
ｎｗｎのリング圧縮試験用のものであり、構造用炭素鋼
である３５５Ｃ鋼を材料として、表面粗度Ｒｍａｘ＝＝
５〜１０μｍに研削仕上したまた、上型２及び下型４（
よ熱間工具鋼である５ＫＤ６１鋼を用い、表面粗度Ｒｍ
ａｘ＝３〜６μｍに研削仕上しである。

５５５Ｃ鋼及び５ＫＤ６１鋼の組成を第２表に示す。

第２表 リング圧縮試験（よ試験片３を、表面温度が］０６４°
Ｃに加熱し、上型２及び下型４の表面温度を２００’Ｃ
に加熱した状態で実施した。このとき、上型２及び下型
４の表面には前述の潤滑剤Ａ〜Ｃのいずれかを２〜３ｇ
／ｍ”の割合で塗布しである。また、据込みの条件（よ
歪速度４．０［５ｅｃ−’　］前後で据込み率５５％と
したこうして試験した結果から、据込み率と内径変化率
の関係に基づき、第３図のグラフを用いて、各潤滑剤Ａ
−Ｃの摩擦せん新係数ｍを求めたまた、　［デルタフォ
ージ３］」のみを同様に上型２及び下型４の表面に塗布
して試験した結果からも摩擦せん新係数ｍを求め、比較
例とじん　この［デルタフォージ３］」のみからなる従
来から知られた潤滑剤を潤滑剤りとよ７人 これら実施例及び比較例についての試験結果を第１図に
示す。なお、図中の記号Ａ〜ＣＦ＆　実施例の潤滑剤Ａ
〜Ｃの試験結果を、記号りは比較例の試験結果を示す。

図から明らかな様に、比較例である潤滑剤りの結果は、
一般的な黒鉛の摩擦せん新係数ｍの値とほぼ一致する０
、４強であった従って、本試験方法によって妥当な値が
求まっているといえる。

これに対し、実施例である潤滑剤Ａ−Ｃについて（よ　
いずれも摩擦せん新係数ｍｈ＜０．　２前後と極めて小
さくなっている。従って′、潤滑性能が大幅に向上した
ことが分かる。

また、潤滑剤Ａ−Ｃを比較すると、潤滑剤Ａの摩擦せん
新係数ｍが最も小さくなっている。これ（よ潤滑剤Ａの
作用温度と、潤滑剤Ｂ、　　Ｃの作用温度との相違に基
づくものと考える。

このことを確認するため、リング圧縮試験中の潤滑剤被
膜の温度を有限要素解析で演算してみＬこの演算に当た
って（Ａ試験片３と上型２及び下型４との間の接触熱コ
ンダクタンスＫを特定する必要がある。

そこで、５５５Ｃ鋼により、外径２０…高さ３０ｒｒｒ
ｎの円柱状の試験片８を作製し、この試験片８をマツフ
ル炉で］２００°Ｃに加熱して第２図の試験装置］にて
据込みを行なった　この際、上型２及び下型４の表面に
（表　上述の黒鉛を水に溶かした潤滑剤りを３ｇ／ｍ２
スプレー噴霧し、２００°Ｃで５分間乾燥させたものを
用いたこの円柱状試験片８も保持リング５及び弾性アー
ム６の作用によって、中空に準備さね、復帰されるから
、試験中の円柱状試験片８から上型２及び下型４への熱
移動（よ圧縮中のみに限定される。

このときの温度変化を、熱電対７を介して計測した結果
を第４図に実線で示す。

この試験と併せて、接触熱コンダクタンスにの値を三種
類に設定して、それぞれについて、熱弾塑性理論に基づ
く有限要素解析を実施して求めた演算結果を、第４図に
点線で示した　なお、点線■は接触熱コンダクタンスに
：１１．６３ｋＷ／ｍ２°Ｃの場合を、点線■は接触熱
コンダクタンスに＝８−　１４ｋＷ／ｍ２°Ｃの場合を
、点線■は接触熱コンダクタンスに＝３．４９ｋＷ／ｒ
ｎ２０Ｃの場合を表している。

この実測値と計算値との関係から、接触熱コンダクタン
スＫを特定し、さらに、最初のリング圧線試験について
の熱弾塑性理論に基づいた有限要素解析を実行してリン
グ圧縮試験中の試験片３の表面温度と、潤滑剤層の温度
と、型２，４の表面温度との関係を演算した。その演算
結果を第５図に示す。

第５図に明らかな様に、リング圧縮試験が完了する接触
開始からの時間約０．　２６　ｓｅｃ後において、潤滑
剤は５５０〜８００″Ｃに加熱されていることが分かる
。従って、加熱温度範囲は５５０〜８００°Ｃであった
と推定することができる。

この結果から、潤滑剤Ａが最も良い潤滑性能を示したの
（よ　ガラス粉末への作用温度がこの加工中の加熱温度
範囲内にあるからであると判断することができる。

なお、ガラス粉末への配合としては、ある程度幅を持つ
ことができ、概ね以下の範囲であれ（Ｌ同様の作用温度
となると考える。

即ち、５ｉ０２が３０〜３５ｗｔ％１，１２０３が２〜
５ｗｔ％、ＣａＯが４〜８ｗｔ％、Ｂ２Ｏ３が３３〜４
０ｗｔ％、ＮａＯが１５〜２０ｗｔ％の範囲内で、　ト
ータル１００ｗｔ％となる様に配合すれ（ｆ、概ねガラ
ス粉末Ａと同程度の作用温度とすることができる。また
、これを黒鉛：水二１：］Ｏの水溶液に混合する量も、
１０〜３０ｗｔ％程度としても潤滑剤Ａと同様の作用・
効果が得られるものと考える。

以上本発明の詳細な説明したが、本発明はこれらに限定
されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲の種々
なる態様で実施することができることはいうまでもない
。

例え（瓜　ガラス粉末の選択や調整（よ実施例で説明し
たものに限定されず、鍛造等の熱間塑性加工中に、流動
性を帯びるものであればどの様なものであっても構わな
い。このガラスの高熱下での流動性により、従来の黒鉛
粉末の水溶液を用いたものよりも潤滑性能の向上が見ら
れるのだからである。

また、ガラス粉末と、黒鉛粉末と、水との配合比率につ
いても、実施例で説明した配合比率に限定されない。離
型性を向上させる必要があれ（ｉ黒鉛粉末の配合を増加
させればよく、逆に離型性が問題でない様な鍛造条件下
では　ガラス粉末の配合比率の多いものとすればよい。

水について（友主に潤滑剤の取り扱いに着目して分量等
を決定すればよい。

さらに、本発明の潤滑剤は、鍛造以外の他の熱間塑性加
工にも用いることができる。

発明の効果 本発明の熱間塑性加工用潤滑剤（友熱間加工の際に、良
好な潤滑性能を示す。従って、金型の焼き付き等を良好
に防止することができ、熱間塑性加工における加工性及
び金型寿命色大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はリング圧縮試験における実施例及び比較例の各
潤滑剤に対する摩擦せん新係数ｍについての試験結果を
表すグラフ、第２図はその試験に用いた装置の構成を表
す概略構成図、第３図は据込み率及び内径変化率と摩擦
せん新係数ｍとの関係を表すグラフ、第４図は接触熱コ
ンダクタンスＫを特定するための金型表面温度の実測値
と計算値との関係を表すグラフ、第５図はその結果特定
された接触熱コンダクタンスＫに基づいてリング圧縮試
験の際の潤滑剤の加熱温度範囲を演算した結果を表すグ
ラフ、第６図は従来の黒鉛潤滑剤の性質を説明するため
の動的摩擦係数と温度との関係を表したグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　黒鉛粉末と、ガラス粉末と、水とを混合してなる熱
   間塑性加工用潤滑剤。 ２　前記ガラス粉末が、熱間塑性加工中の伝熱作用等に
   より潤滑剤が加熱される温度の範囲において、動粘度１
   ０００ポアズに対応した溶融状態となり得るものである
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱間塑性加工用潤滑
   剤。 ３　前記黒鉛粉末は、熱間塑性加工における離型作用に
   必要な量を混合されたことを特徴とする請求項１または
   請求項２に記載の熱間塑性加工用潤滑剤。