JPWO2007040096A1 - アルミニウム合金材成形加工性向上用処理液 - Google Patents

Abstract

本発明は、アルミニウム合金材の表面に塗布し乾燥させて皮膜とし、皮膜を被覆したアルミニウム合金材を成形加工する際に優れた潤滑効果を発現させる、アルミニウム合金材成形加工性向上処理液を提供することを目的とする。本発明のアルミニウム合金材成形加工性向上処理液は、水溶性ウレタン樹脂、水溶性ポリエステル樹脂、水溶性アクリル樹脂、水溶性エポキシ樹脂、これらの有機樹脂を変性した樹脂のいずれか１種若しくは２種以上、又はこれらの樹脂に加えて、シランカップリング剤、コロイダルシリカ、潤滑剤、金属アルコキシド、耐熱性付与剤などを含有する。

Description

本発明は、アルミニウム合金材の成形加工性を向上させるために用いるアルミニウム合金板成形加工性向上用処理液に関する。

近年、フード、トランクリッド、フェンダー、ドア、ホイールなどの自動車用部品、旅行用のスーツケースや書類収納用のアタッシェケースなどの大型ケース、モバイル通信機器やノート型パソコンなどの携帯用電子機器の外装ケースなどの用途に、軽量のアルミニウム合金が多用されている。これらの用途において、鍛造、圧延、絞り加工、プレスフォージングなどの成形加工方法を用いて高加工度で成形加工を行なう場合、加工性を高めるためにアルミニウム合金や成形工具をを２００〜３５０℃程度の温度範囲に加熱して成形加工することが行なわれている。また、加工を容易にするために潤滑剤を用いることも行なわれている。例えば、生分解性油脂、防錆・潤滑剤、極圧添加剤、さらに有機化合物、有機モリブデン系化合物を含有してなるマグネシウム合金またはアルミニウム合金用塑性加工油を用いて成形加工する方法（特許文献１）が提案されている。しかし、この方法は冷間加工で成形加工する場合に用いられており、２００℃を超える加工温度で成形加工する場合には、有効な潤滑効果が得られない。

本発明に関する先行技術文献として、以下のものがある。
特開２００３−１０５３６４号公報

本発明は、アルミニウム合金材の表面に塗布し乾燥させて皮膜とし、皮膜を被覆したアルミニウム合金材を成形加工する際に優れた潤滑効果を発現させるアルミニウム合金板成形加工性向上処理液を提供することを目的とする。

本発明のアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液は、水溶性ウレタン樹脂、水溶性ポリエステル樹脂、水溶性アクリル樹脂、水溶性エポキシ樹脂、またはこれらの有機樹脂を変性した樹脂のいずれか１種、または２種以上からなることを特徴とするアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液（請求項１）であり、
上記（請求項１）のアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液において、前記アルミニウム合金材成形加工性向上用処理液がシランカップリング剤、コロイダルシリカ、潤滑剤、金属アルコキシドのいずれか１種、または２種以上を含有してなること（請求項２）を特徴とし、また
上記（請求項１または２）のアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液において、前記アルミニウム合金材成形加工性向上用処理液が耐熱性付与剤を含有してなること（請求項３）を特徴とし、また
上記（請求項３）のアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液において、前記耐熱性付与剤がシロキサン化合物であること（請求項４）を特徴とする。

以下、本発明の内容を説明する。
本発明のアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液の主剤を構成する樹脂としては、水溶性または水分散性の樹脂であることが好ましく、水溶性ウレタン樹脂、水溶性ポリエステル樹脂、水溶性アクリル樹脂、水溶性エポキシ樹脂、またはこれらの有機樹脂を変性してなる水溶性のアクリル変性ポリエステル樹脂、フェニルシリコン変性アクリル樹脂などが好ましい。これらの有機樹脂は１種のみで用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。有機樹脂の添加％は、２０〜８５重量％の範囲が望ましい。２０重量％未満では、形成した有機樹脂皮膜が加工により損傷しやすく望ましくない。８５重量％を超えると特性上問題ないが経済的でない。さらに、アルミニウム合金材の加工温度として、１５０℃を越えるような温度が好適に使用される場合が多いため、耐熱性に優れた有機樹脂を使用するのが好ましい。

これらの樹脂は樹脂単独でアルミニウム合金材の表面や成形工具表面に塗布し乾燥して製膜して用いてもよいが、アルミニウム合金材の成形加工性や、成形加工後に保護皮膜としてアルミニウム合金材表面に付着残存した場合の耐食性を向上させるために、下記に示す物質を樹脂溶液に含有させて用いてもよい。シランカップリング剤を含有させることにより、樹脂皮膜のアルミニウム合金材に対する密着性、特に成形加工時の密着性が著しく向上する。シランカップリング剤には、ビニル系、エポキシ系、スチリル系、メタクリロキシ系、アクリロキシ系、アミノ系、ウレイド系、クロロプロピル系、メルカプト系、イソシアネート系などの官能基の種類によって分類され、これらはすべて効果的に使用可能である。これは、シランカップリング剤がほとんどの樹脂に対して結合性、すなわち密着性にすぐれているためと考えられる。具体的には、エポキシ系のシランカップリング剤ＫＢＭ４０３はウレタンやエポキシ系の樹脂等との結合に優れ、アミノ系のシランカップリング剤ＫＢＭ９０３はアクリル系の樹脂等との結合に優れ、優れた密着性を示す。また、ウレタン系の樹脂と言っても種々の物があるため、エポキシ系のシランカップリング剤ＫＢＭ４０３だけではなく、アミノ系のシランカップリング剤ＫＢＭ９０３でも優れた効果が得られる。シランカップリング剤は樹脂皮膜中に５重量％以下で含有していることが好ましく、１重量％以下で含有していることがより好ましい。５重量％を超えて含有しても密着性の向上効果は飽和してコスト的に有利でなくなる。

また、樹脂皮膜中にコロイダルシリカを含有させることにより、樹脂皮膜の硬さが増大してアルミニウム合金材の耐疵付性が向上し、耐食性も向上する。コロイダルシリカ樹脂皮膜中に５０重量％以下で含有していることが好ましい。５０重量％を超えて含有すると樹脂皮膜が硬くなりすぎるようになり、樹脂皮膜の加工性が劣化して表面に樹脂皮膜を形成したアルミニウム合金材を成形加工する際に樹脂皮膜にクラックが生じやすくなる。

さらに、樹脂皮膜中に潤滑剤を含有させることにより、表面に樹脂皮膜を形成したアルミニウム合金材の成形加工性が向上する。潤滑剤としては、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸などの高級脂肪酸、これらの高級脂肪酸のカルシウム塩、アルミニウム塩、亜鉛塩、バリウム塩、マグネシウム塩、これらの高級脂肪酸エステル、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックスなどのポリオレフィンワックス、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニルなどのフッ素系ワックス、グラファイト、二硫化モリブデン、ボロンナイトライドなどの無機質粉末などを用いることができる。これらの潤滑剤は有機樹脂皮膜中に２０重量％以下で含有していることが好ましい。２０重量％を超えて含有すると、マグネシウム合金材に対する有機樹脂皮膜の成形加工時も密着性が劣化する。

さらにまた、金属アルコキシドを含有させることにより、アルミニウム合金材に有機樹脂皮膜を形成させた成形加工用アルミニウム合金材の耐熱性が向上する。金属アルコキシドとしては、ボロン、アルミニウム、チタン、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、銅、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、ランタン、セリウム、タンタル、タングステンのアルコキシドをあげることができるが、中でもチタン系のアルコキシドが好適に用いることができる。これらの金属アルコキシドは、有機樹脂皮膜中に１０重量％以下で含有していることが好ましい。１０重量％を超えて含有すると、アルミニウム合金材に有機樹脂皮膜を形成させた成形加工用アルミニウム合金材の成形加工性が低下する。上記のシランカップリング剤、コロイダルシリカ、潤滑剤、金属アルコキシドは有機樹脂皮膜中にそれぞれ１種で単独で含有していてもよいが、２種以上が含有していてもよい。

上記のようにして得られる有機樹脂をアルミニウム合金材の表面に塗布乾燥して有機樹脂皮膜を形成させる。有機樹脂皮膜の厚さは乾燥後の厚さで０．１〜５０μｍであることが好ましく、１〜１０μｍであることがより好ましい。

本発明のアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液を適用するアルミニウム合金材としては、特に合金元素を含有していない純アルミニウム、またはＪＩＳ規格の１０００系、２０００系、３０００系、５０００系、６０００系、７０００系のいずれのアルミニウム合金からなる押出材、切削加工材、熱延材などの板材などのいずれにも適用することができる。また、マグネシウム合金、チタン合金、ステンレス鋼などの難加工性材料にも適用することができる。

本発明のアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液は、上記のアルミニウム合金材に絞り加工、鍛造、圧延、プレスフォージングなどの成形加工を施す際に適用する。本発明のアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液をアルミニウム合金材の表面に塗布し乾燥してこれらの成形加工に供する場合は、これまで常用されていた潤滑油や二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を用いることなく、好適に成形加工することができる。また、これまで常用されていた潤滑油や二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を併用しても好適に成形加工することができるので、従来の潤滑油塗布が必要なアルミニウム合金材の製造方法と本発明の無塗油加工が可能な製造方法を併用して、従来の塗油を行なう製造工程の中で連続して加工することも可能である。

本発明のアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液は、冷間加工温度で成形加工する場合に適用可能であることは言うまでもないが、特に２００〜３５０℃の温間加工温度で成形加工すると高加工度で成形加工することが可能となり、特に好適に適用することができる。しかし２００℃を超える温度範囲で成形加工する場合、有機樹脂皮膜が分解して変色したり皮膜にクラックが生じ、見栄えが劣化するとともに絞り比を向上させることが困難になる。そのため、有機樹脂単独での耐熱性を向上させるだけでなく、有機樹脂皮膜中にさらに耐熱性付与剤を含有させることにより、２００〜３５０℃以下の高温の温間加工温度範囲で有機樹脂皮膜が変色したり、クラックを生じることなく、安定して成形加工を行うことが可能となり、加工度も向上させることができる。結果として、本発明の成形加工用アルミニウム合金材成形加工性向上用処理液を用いる成形加工において、従来から実施されている潤滑油を使用した場合と同じ加工性が得られる加工温度を、３５０℃以下の温度領域において、より低くすることが可能となり、必要以上の加熱処理が不要となるメリットが得られる。もちろん、成形加工時の潤滑油塗布が不要となることは言うまでもない。

耐熱性付与剤としては、ポリイミドなどの耐熱性樹脂やシロキサン化合物を用いることが好ましい。シロキサン化合物としては、ジメチルシロキサン、ジエチルシロキサン、メチルエチルシロキサン、ジフェニルシロキサン、メチルフェニルシロキサンなどのオルガノシロキサンのポリマーやモノマー、またはこれらのオルガノシロキサン分子内にポリアルキレンオキシド基、水酸基、アミド基、カルボキシル基、スルホン基、アミノ基のいずれか１種または２種以上の置換基を１個以上有するものが好適に好適に用いられる。これらの耐熱性付与剤は、有機樹脂皮膜中に５〜８０重量％含有されていることが好ましく、１０〜６０重量％含有されていることがより好ましい。このように、有機樹脂皮膜中に耐熱性付与剤を含有させることにより、成形加工用アルミニウム合金材を２００〜３５０℃の温間加工温度範囲まで加熱し、高加工度で成形加工することが可能となる。なお、耐熱性付与剤は有機樹脂に単独で含有してもよいが、上記のシランカップリング剤、コロイダルシリカ、潤滑剤のいずれか１種、または２種以上と併用して含有していてもよい。

さらに、必要に応じて本発明のアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液をアルミニウム合金材の表面に塗布し乾燥して得られる有機樹脂皮膜上に、塗装を施すことも可能である。あるいは上記のようにして成形加工用アルミニウム合金材上に形成した有機樹脂皮膜上に予め塗装を施しておいた塗装材を成形加工してアルミニウム合金成形加工体としてもよい。また、アルミニウム合金成形加工体に成形加工した後にアルカリ溶液を用いて有機樹脂皮膜を溶解除去したり、研磨粒子を表面に吹き付けるショットブラスト法用いて除去し、陽極酸化処理やめっきなどの表面処理を施すことも可能である。

以下、実施例にて本発明を詳細に説明する。
（アルミニウム合金材成形加工性向上用処理液の作成）
表１に示す水溶性樹脂溶液に、シランカップリング剤、コロイダルシリカ、潤滑剤、金属アルコキシド、耐熱性付与剤を表１に示す含有量で含有させて、試料番号１〜１３で示すアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液を作成した。

（成形加工用アルミニウム合金材の作成）
成形加工用アルミニウム合金材として、板厚０．６ｍｍのアルミニウム合金板（ＪＩＳ ５０５２ Ｈ１９）の両面に、表１に試料番号１〜１３で示すアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液を、乾燥後の状態でそれぞれの添加物が表１に示す含有量となるように、また乾燥後の樹脂皮膜の厚さが表１に示す厚さとなるようにバーコーターを用いて塗布し乾燥させ、試料番号１〜１３で示す供試用の成形加工用アルミニウム合金材を作成した。

（成形加工用アルミニウム合金材の加工性の評価）
成形加工用アルミニウム合金材の加工性の評価として、下記の条件で試料番号１〜１３で示す成形加工用アルミニウム合金材に絞り加工を施し、限界絞り比を求めた。加工温度はダイスおよびブランクホルダーを同一温度とし、パンチのみ常温とした。
＜パンチ肩Ｒ＞
５ｍｍ
＜パンチ温度＞
２５℃
＜ダイス温度＞
１５０℃、２００℃、２５０℃、３００℃、３５０℃
＜ブランクホルダー温度＞
１５０℃、２００℃、２５０℃、３００℃、３５０℃
＜絞り速度＞
１ｍｍ／秒
＜潤滑油および潤滑剤＞
試料番号１〜１３で示す成形加工用アルミニウム合金材の絞り加工には潤滑油および潤滑剤を不使用

比較用として、上記のアルミニウム合金材の両面に市販の塑性加工用油Ｇ３０８０（日本工作油（株）製）を塗布したものを比較例の試料番号１４、およびアルミニウム合金材の両面に５０μｍの厚さのフッ素樹脂フィルムを取付けたものを比較例の試料番号１５として同様の条件で絞り加工し、限界絞り比を求めた。なお、フッ素樹脂フィルムを取付けない試料番号１４のアルミニウム合金材の場合、加工温度が低い場合の加工性が極めて劣っており、絞り加工することが困難であるので、ダイス温度およびブランクホルダー温度が２００℃以上の場合にのみ絞り加工した。また、フッ素樹脂フィルムを取付けた試料番号１５のアルミニウム合金材の場合は、ダイス温度およびブランクホルダー温度が３５０℃であるとフッ素樹脂フィルムの損傷が激しく絞り加工することが困難であるので、ダイス温度およびブランクホルダー温度が１５０〜３００℃の場合にのみ絞り加工した。

（有機樹脂皮膜の外観の評価）
成形加工後のアルミニウム合金成形加工体（絞り容器）表面の有機樹脂皮膜の外観を肉眼観察し、下記の基準で評価した。
◎：皮膜の変色および損傷は認められない。
○：わずかに皮膜の変色が認められるが、損傷は認められない。
△：皮膜の変色および損傷が認められる。
×：皮膜の激しい損傷、および成形加工体（絞り容器）表面に実用上問題となる疵が認 められる。
これらの結果を表２〜４に示す。

表２〜４に示すように、アルミニウム合金材に本発明のアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液を塗布し乾燥してなる有機樹脂を被覆してなる成形加工用アルミニウム合金材は優れた加工性を有しており、従来法によるアルミニウム合金板に潤滑油を塗布し、絞り加工した場合の比較例（試料番号１４）と比較して、大幅に優れた加工性を示す。さらに、従来では最も優れた加工性を示すことから、主として研究開発で用いられていた、潤滑剤として高価なフッ素樹脂フィルムを用いた比較例（試料番号１５）と比較した場合、同等以上の加工性を示しており、量産用としてはコストと生産性に問題があるフッ素樹脂フィルムを用いる方法に替わる方法として、本発明のアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液を塗布し乾燥して成形加工する方法の優位性は明瞭である。さらに、有機樹脂に耐熱性付与剤を含有させた場合は、３５０℃までの高温で絞り加工することが可能であり、このような高温で絞り加工した場合に絞り比が４．０までの高加工度でアルミニウム合金成形加工体（絞り容器）に成形加工することが可能である。

アルミニウム合金材の表面に、本発明のアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液を塗布し乾燥してなる有機樹脂を被覆してなる成形加工用アルミニウム合金材は、高加工度成形加工体することが可能であり、特に有機樹脂にシロキサン化合物などの耐熱性付与剤を含有させた場合は、２００〜３５０℃の温間加工温度範囲で優れた潤滑効果が発現し、フード、トランクリッド、ドア、フェンダーなどの自動車用部材、モバイル通信機器やノートパソコンなどの携帯用電子機器の小型の外装ケース、旅行用のスーツケースや書類収納用のアタッシェケースなどの大型ケースなどの容器、特に絞り比が４．０以下の高加工度で絞り加工する絞り容器などのアルミニウム合金成形加工体に好適に適用することができる。

Claims (4)

1. 水溶性ウレタン樹脂、水溶性ポリエステル樹脂、水溶性アクリル樹脂、水溶性エポキシ樹脂、またはこれらの有機樹脂を変性した樹脂のいずれか１種、または２種以上からなることを特徴とする、アルミニウム合金材成形加工性向上用処理液。
2. 前記アルミニウム合金材成形加工性向上用処理液がシランカップリング剤、コロイダルシリカ、潤滑剤、金属アルコキシドのいずれか１種、または２種以上を含有してなることを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液。
3. 前記アルミニウム合金材成形加工性向上用処理液が耐熱性付与剤を含有してなることを特徴とする、請求項１または２に記載のアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液。
4. 前記耐熱性付与剤がシロキサン化合物であることを特徴とする、請求項３に記載のアルミニウム合金材成形加工性向上用処理液。