TW201441362A - 水性金屬加工油劑 - Google Patents

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Shinya Iizuka
Nobuhide Tanino
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Idemitsu Kosan Co
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Abstract

本發明之水性金屬加工油劑之特徵在於：係將(A)羧酸、(B)胺化合物、(C)雜環式化合物、(D)矽化合物及(E)水摻混而成的水性金屬加工油劑。

Description

水性金屬加工油劑 發明領域
本發明係有關於一種在將金屬材料成形加工時所使用的水性金屬加工油劑。
發明背景
將鋁板及鐵板等金屬材料成形加工(壓製加工)時係力求高加工性。具體上，必須可依製品設計以尺寸精度良好地加工，又為了使生產性提升而必須可在高速下加工，且加工時之金屬應變必須不會對加工後之製品性能造成不良影響，此外必須工具之摩耗少並可長期使用工具。
因此，壓製加工時多使用潤滑劑(金屬加工油劑)。又，由於壓製加工後多不會進行洗淨而僅以乾燥將潤滑劑除去(脫脂)，故而係採用揮發性高的潤滑劑(例如參照文獻1：特開平10-152690號公報、文獻2：特開2007-262371號公報、文獻3：特開2008-169311號公報)。
然而，文獻1~3中記載之油系金屬加工油劑必須以熱風進行高溫乾燥，因此亦須有防止火災之對策。又，VOC(Volatile Organic Compounds：揮發性有機化合物)對作業人員及環境的負荷亦為問題。爰此，現多採用冷卻性及 浸潤性佳、無火災危險且對環境之負荷亦低的水性金屬加工油劑(例如參照文獻4：特開平10-316988號公報、文獻5：特開2004-010729號公報、文獻6：特開2005-343955號公報)。
文獻4~6中記載之水性金屬加工油劑雖具有上述水性當然具備之效果，但對將金屬材料成形加工時的加工性而言未必充分。
發明概要
本發明目的在於提供一種在將金屬材料成形加工時之加工性佳，可抑制加工時之金屬應變，同時可抑制工具摩耗並可長期使用工具的水性金屬加工油劑。
為解決前述課題，本發明提供一種如下述的水性金屬加工油劑。
(1)一種水性金屬加工油劑，其特徵在於：其係摻混(A)羧酸、(B)胺化合物、(C)雜環式化合物、(D)矽化合物及(E)水而成的水性金屬加工油劑。
(2)在上述水性金屬加工油劑中，前述(A)成分為碳數8以上且18以下之羧酸。
(3)在上述水性金屬加工油劑中，前述(B)成分為選自烷醇胺、烷基胺、芳香族胺、脂環式胺及聚胺中之至少1種。
(4)在上述水性金屬加工油劑中，前述(C)成分為選自苯并三唑類、噻唑類、三唑類及咪唑類中之至少1種。
(5)在上述水性金屬加工油劑中，前述(D)成分為 選自聚矽氧類及氟化聚矽氧類中之至少1種。
(6)在上述水性金屬加工油劑中，其原液係：前述(A)成分之摻混量在15質量%以上且在30質量%以下，前述(B)成分之摻混量在10質量%以上且在40質量%以下，前述(C)成分之摻混量在0.01質量%以上且在10質量%以下，及前述(D)成分之摻混量在0.01質量%以上且在3質量%以下之原液。
(7)在上述水性金屬加工油劑中，其原液係：前述(A)成分之摻混量在18質量%以上且在25質量%以下，前述(B)成分之摻混量在10質量%以上且在35質量%以下，前述(C)成分之摻混量在0.1質量%以上且在8質量%以下，及前述(D)成分之摻混量在0.1質量%以上且在1質量%以下之原液。
(8)一種水性金屬加工油劑，其特徵在於係利用水將上述水性金屬加工油劑以200倍以下之倍率(容量比)稀釋而成。
(9)在上述水性金屬加工油劑中，該水性金屬加工油劑可使用於碳鋼、鍍鋅鋼、矽鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼及錳鋼之壓製加工。
依據本發明，可提供一種在將金屬或其合金尤其鋼板成形加工(例如壓製加工)時之加工性佳、可抑制工具摩耗並同時對人體及環境之負荷低的水性金屬加工油劑。
發明實施形態
本發明之水性金屬加工油劑(以下亦僅稱為「本油劑」)係以水稀釋方使用在壓製加工等成形加工的原液，乃將(A)羧酸、(B)胺化合物、(C)雜環式化合物、(D)矽化合物及(E)水摻混而成者。以下詳細說明。
本油劑之(A)成分為羧酸，碳數在8以上且在18以下為佳，在10以上且在16以下較佳。碳數若在8以上，臭氣及對皮膚之刺激亦少，並較可發揮摩擦減低效果。又，碳數若在18以下，原液穩定性佳並且對水之溶解性亦佳。
作為羧酸，可為單羧酸亦可為多羧酸(二元酸等)。又，就羧酸而言，有芳香族羧酸及脂肪酸，從水溶性及潤滑性之觀點以脂肪酸(脂肪族羧酸)為佳。作為羧酸，可為飽和脂肪酸亦可為不飽和脂肪酸。
具體上，就飽和脂肪酸而言，可舉如羊羶酸(辛酸)、天竺葵酸(壬酸)、羊脂酸(癸酸)、月桂酸(十二酸)、肉豆蔻酸(十四酸)、軟酯酸(十六酸)、珠光脂酸(十七酸)、硬脂酸(十八酸)等。又，該等脂肪酸不限於直鏈結構，可包含如異辛酸及新癸酸等所有的支鏈型異構物。作為不飽和脂肪酸，可舉如辛烯酸、癸烯酸、二十二烯酸、油酸等。其亦如同飽和脂肪酸並不限於直鏈結構，亦包含所有的支鏈型異構物。
自以水稀釋本油劑來使用時的消泡性及硬水穩定性之觀點看來，可舉如碳原子數8~12之月桂酸、羊油酸、 壬酸、異壬酸、癸酸、新癸酸(辛酸、壬酸及癸酸之混合物)；就二羧酸而言，可舉如碳原子數9~12之壬二酸、十一烷二酸、泌脂酸、十二烷二酸等。
特別是上述異壬酸或新癸酸，在降低以水稀釋油劑(原液)時液面形成固體成分之效果(硬水穩定性)尤佳。
又，就耐腐敗性之觀點，構成脂肪酸之主鏈的烷基以具有支鏈結構者為佳。尤其，上述異壬酸及新癸酸在降低以水稀釋油劑(原液)時液面形成固體成分之效果(硬水穩定性)亦佳。
脂肪酸方面，以使用二元酸在作為鹽使用時防鏽性較佳，而若從原液穩定性(難以不溶)之觀點看來，將二元酸及一元酸混合使用亦佳。
(A)成分之摻混量以本油劑總量基準計在15質量%以上且在30質量%以下為佳，在18質量%以上且在25質量%以下較佳。(A)成分之摻混量若在該範圍，與後述(B)成分之相乘效果(鹽之形成)即佳，以水稀釋本油劑時可發揮充分的潤滑性(加工性)，甚且消泡性亦佳。又，(A)成分之摻混量若在30質量%以下，與其他成分之比例不會相對地減少，因此不會對加工性造成不良影響。
此外，作為(A)成分宜含有直鏈羧酸。由加工性之觀點，該直鏈羧酸之摻混量在1質量%以上為佳。又，由消泡性之觀點，其摻混量在10質量%以下為佳，在8質量%以下較佳。
本油劑之(B)成分為胺化合物，尤以選自烷醇胺、 烷基胺、脂環式胺及芳香族胺中之至少1種為佳。
該等胺化合物中，就發明效果之觀點以烷醇胺為佳。作為烷醇胺，可舉如單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、單異丙醇胺、二異丙醇胺、三異丙醇胺、甲基二乙醇胺、乙基二乙醇胺、丁基二乙醇胺、環己基二乙醇胺、苯基二乙醇胺、苯甲基二乙醇胺、油基二乙醇胺、月桂基二乙醇胺、茬基二乙醇胺、二甲基乙醇胺、二乙基乙醇胺、二丁基乙醇胺、二辛基乙醇胺、二油基乙醇胺、辛基二丙醇胺、硬脂基二丙醇胺、甲苯基二丙醇胺、二丁基丙醇胺、二己基丙醇胺及二月桂基丙醇胺等。
就其他胺化合物而言，可舉如：單(C2~C18烷基)胺、二(C2~C18烷基)胺、單環己胺、二環己胺、三環己胺、單(C1~C18烷基)二環己胺、二(C1~C18烷基)環己胺、苯甲胺、二苯甲胺及三苯甲胺等單胺類；或，乙二胺、四亞甲二胺、N-乙基乙二胺、二伸乙三胺、三伸乙四胺、四伸乙五胺及五伸乙六胺等多胺類。該等胺化合物亦可經1以上之C1~C18烷基、或環己基、苯基等具環結構之官能基取代。
上述各胺中，烷基胺中之烷基的理想碳數在6以上且在10以下。又，脂環式胺及芳香族胺中之烷基的理想碳數在1以上且在4以下。在上述任一胺化合物中，就烷基結構而言亦可為直鏈或支鏈。
(B)成分之摻混量以本油劑總量基準計在10質量%以上且在40質量%以下為佳，在10質量%以上且在35質量 %以下較佳，在10質量%以上且在30質量%以下尤佳，在10質量%以上且在20質量%以下又更佳，在10質量%以上且在15質量%以下最佳。(B)成分之摻混量若在10質量%以上，對於金屬材料(鋼板等)之防鏽性即佳。又，該摻混量若在40質量%以下，加工性即佳。
當將鋼板壓製加工，則在加工面會生成剪切面及破裂面。破裂面所占比例愈大，加工面愈不均，加工面附近愈會產生應變，因此就加工後之鋼板而言在品質上為一大問題。因此，必須增大加工面中剪切面所占比例(剪切面比率)並減小破裂面的比例。若使用(B)成分摻混量在上述範圍之本組成物，不僅摩擦係數低、難以摩耗，亦可高度維持所謂的剪切面比率。
而，推測上述(A)成分與(B)成分在摻混時間點上會形成鹽。因此，本油劑包含了含有由(A)成分與(B)成分生成之羧酸胺鹽的形態，及預先調製該鹽並將之摻混至後述(C)成分、(D)成分及(E)成分的形態。
本油劑之(C)成分為雜環式化合物，尤以選自苯并三唑類、噻唑類、三唑類及咪唑類中之至少1種為佳。
作為苯并三唑類，可舉如苯并三唑、羧苯并三唑及2,5-二胺基苯并三唑等。作為噻唑類，可舉如2-巰基苯并噻唑及2-胺噻唑等。作為三唑類，可舉如3-胺三唑及4-胺三唑等。作為咪唑類，可舉如2-巰基咪唑及2-巰基-1-甲咪唑等。該等雜環式化合物可單獨使用，亦可將2種以上併用。該等中，從相對於銅之抗蝕性佳之觀點看來，適合使用苯 并三唑類。
(C)成分之摻混量以本油劑總量基準計在0.01質量%以上且在10質量%以下為佳，在0.1質量%以上且在8質量%以下較佳。(C)成分之摻混量若在該範圍，加工性即佳。
本油劑之(D)成分為矽化合物，理想係選自聚矽氧類及氟化聚矽氧類中之至少1種。例如，可使用現已作為甲基聚矽氧油及氟聚矽氧油而市售者。
(D)成分之摻混量以本油劑總量基準計在0.01質量%以上且在3質量%以下為佳，在0.1質量%以上且在1質量%以下較佳。(D)成分之摻混量若在該範圍，消泡性即佳。
(E)成分係本油劑(原液)調製用之水，可為自來水，不過宜使用蒸餾水或離子交換水。原液調製用之水的比例基本上是依上述(A)~(D)成分之比例而定，惟，水比例若過少，有(A)~(D)成分難以溶解而使原液調製變煩雜之虞。又，原液調製用之水比例一旦過多，作為原液之保管量或輸送量會變過大而使處理性降低。因此，原液中之水摻混量在20質量%以上且在60質量%以下為佳。
而，本油劑可直接以原液作使用，惟，理想係以水在200倍以下之倍率(容量比)下稀釋使用，較理想在2倍以上且在100倍以下，更理想在5倍以上且在50倍以下之倍率下稀釋使用。
由潤滑性提升之觀點，亦可於本油劑進一步摻混酸性磷酸酯及亞磷酸酯。
作為酸性磷酸酯，可舉如2-乙基己基酸式磷酸 酯、乙基酸式磷酸酯、丁基酸式磷酸酯、油基酸式磷酸酯、二十四基酸式磷酸酯、異癸基酸式磷酸酯、月桂基酸式磷酸酯、十三基酸式磷酸酯、硬脂基酸式磷酸酯及異硬脂基酸式磷酸酯等。
作為亞磷酸酯，可舉如三乙基亞磷酸酯、三丁基亞磷酸酯、三苯基亞磷酸酯、三甲苯酚基亞磷酸酯、三(壬基苯基)亞磷酸酯、三(2-乙基己基)亞磷酸酯、十三基亞磷酸酯、三月桂基亞磷酸酯、三異辛基亞磷酸酯、二苯基異癸基亞磷酸酯、三硬脂基亞磷酸酯及三油基亞磷酸酯等。
該等酸性磷酸酯及亞磷酸酯可個別單獨亦可將兩者混合摻混，其於本油劑之摻混量，以合計量計且以油劑總量基準計在1質量%以上且在15質量%以下程度為佳。
又，在不阻礙本發明目的之範圍內，可於本油劑進一步摻混抗氧化劑及界面活性劑。
作為抗氧化劑，可使用習知公知的苯酚系抗氧化劑。
作為苯酚系抗氧化劑，可舉如2,6-二-三級丁基-4-甲苯酚、2,6-二-三級丁基-4-乙苯酚、2,4,6-三-三級丁苯酚、2,6-二-三級丁基-4-羥甲苯酚、2,6-二-三級丁苯酚、2,4-二甲基-6-三級丁苯酚、2,6-二-三級丁基-4-(N,N-二甲基胺甲基)苯酚、2,6-二-三級戊基-4-甲苯酚、正十八基3-(4-羥-3,5-二-三級丁苯)丙酸酯等單環苯酚類；及，4,4’-亞甲基雙(2,6-二-三級丁苯酚)、4,4’-異亞丙基雙(2,6-二-三級丁苯酚)、2,2’-亞甲基雙(4-甲基-6-三級丁苯酚)、4,4’-雙(2,6-二-三級 丁苯酚)、4,4’-雙(2-甲基-6-三級丁苯酚)、2,2’-亞甲基雙(4-乙基-6-三級丁苯酚)、4,4’-亞丁基雙(3-甲基-6-三級丁苯酚)、2,2’-硫代雙(4-甲基-6-三級丁苯酚)、4,4’-硫代雙(3-甲基-6-三級丁苯酚)等多環苯酚類等。
作為胺系抗氧化劑，可舉例如二苯胺系，具體上如二苯胺及單辛基二苯胺、單壬基二苯胺、4,4’-二丁基二苯胺、4,4’-二己基二苯胺、4,4’-二辛基二苯胺、4,4’-二壬基二苯胺、四丁基二苯胺、四己基二苯胺、四辛基二苯胺、四壬基二苯胺等具有碳數3~20烷基的烷基化二苯胺等；及可舉例如萘胺系，具體上如α-萘胺、苯基-α-萘胺、還有丁基苯基-α-萘胺、己基苯基-α-萘胺、辛基苯基-α-萘胺、壬基苯基-α-萘胺等經碳數3~20烷基取代的苯基-α-萘胺等。該等中，由效果之觀點看來，以二苯胺系優於萘胺系，尤其具有碳數3以上且20以下之烷基的烷基化二苯胺為宜，其中又以4,4’-二(C3~C20烷基)二苯胺尤佳。
本發明中，作為抗氧化劑可使用選自前述苯酚系抗氧化劑及胺系抗氧化劑中之1種或2種以上。又，從抗氧化效果及經濟性之平衡等面向看來，以本油劑總量基準計其摻混量在0.01質量%以上且在5質量%以下程度。
作為界面活性劑無特別限制，可使用陰離子界面活性劑、陽離子界面活性劑、非離子界面活性劑、兩性界面活性劑等公知的界面活性劑，具體上可舉如對壬基苯磺酸鈉、月桂基氧基磺酸鈉、月桂基氧基磷酸二鈉等陰離子界面活性劑；氯化月桂基三甲銨、氯化鯨蠟吡啶等陽離子 界面活性劑；硬脂酸聚乙二醇、新戊四醇硬脂酸單酯等非離子界面活性劑；及，月桂基二甲基甜菜鹼等兩性界面活性劑，該等可單獨使用一種或可將2種以上組合使用。又，從效果及經濟性之平衡等面向看來，其摻混量在0.01質量%以上且在10質量%以下。
本油劑如前述，可適當稀釋於水以成為適當濃度，並適合使用於碳鋼、鍍鋅鋼、矽鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼、及錳鋼等壓製加工。
實施例
接下來，以實施例進一步詳細說明本發明，惟本發明不受該等例任何限定。
[實施例1~5、比較例1~5]
以表1所示之摻混組成來調製水性金屬加工油劑(原液)。
1)非離子界面活性劑：乙炔二醇環氧乙烷加成物
2)抗氧化劑：2,6-二-三級丁基-4-甲苯酚
3)矽化合物：消泡劑(Munzing製FOAMBAN MS-455)
[評估方法]
針對表1之各原液，進行以下所示之各種性能評估。
(1)加工性評估1(往復動摩擦試驗)
將各原液以自來水稀釋成10容量%，在下述條件下藉由往復動摩擦試驗求出滑動第1次的摩擦係數。
<往復動摩擦試驗之條件>
試驗機：往復動摩擦試驗機((股)Orientec製)
試驗片：無方向性電磁鋼板35A440(JFE鋼鐵製)
試驗溫度：25℃
荷重：2kgf(19.6N)
滑動速度：10mm/s
滑動距離：20mm
試球：SUJ-2、1/2英吋
(2)加工性評估2(連續壓製試驗)
將各原液以自來水稀釋成10容量%，在下述條件下進行連續壓製試驗，並以光學顯微鏡觀察試驗後之模具工具而求出模具工具摩耗幅度(μm)。
<連續壓製試驗之條件>
試驗機：連續壓製試驗((股)Matex精工製CB-3)
被加工材：無方向性電磁鋼板35A440(JFE鋼鐵製)
壓製次數：9,000shot
壓製速度：220shot/分
捲送速度：12mm/shot
衝床：SKD11 Jector Punch φ 10.00mm
模具：SKD11 Button Die φ 10.05mm
塗油方法：使毛氈浸漬潤滑劑而進行塗佈
(3)加工性評估3(連續壓製試驗)
將各原液以自來水稀釋成10容量%，在與(2)相同之條件下進行連續壓製試驗，並以光學顯微鏡觀察試驗後之穿孔單截面(第9,000shot)而求出剪切面比率(%)。
(4)防鏽性
將各原液以自來水稀釋成10容量%，將稀釋液50mL放入100mL透明玻璃瓶中，在下述條件下進行半浸漬試驗。試驗後觀察試驗片有無生鏽，藉此評估防鏽性。
<半浸漬試驗之條件>
試驗片：無方向性電磁鋼板35A440(寬15mm、長40mm)
試驗溫度：25℃±5℃
評估基準：合格：無鏽；不合格：生鏽
(5)消泡性(圓筒振盪法)
將各原液以自來水稀釋成10容量%，將稀釋液100mL放入100mL附共栓之量筒中並使其激烈振盪5秒鐘。振盪後，將量筒置於水平處並計測表面泡消失並可觀察到液面積1/2以上之時間，藉此評估消泡性。
<評估基準>
極佳：低於20秒
佳：20秒以上且低於30秒
差：30秒以上
[評估結果]
如表1所示，在本發明之實施例1~5之稀釋液中，往復動摩擦試驗中之摩擦係數皆低，此外連續壓製試驗中之工具摩耗幅度亦極短。即，可知本發明之稀釋液於加工性上極佳。尤其，應特別聲明實施例4之稀釋液中，由於其(B)成分之摻混量在尤佳的範圍內，因此不僅摩擦係數低、摩耗幅度小，更發揮加工面之剪切比率亦高的效果。此外，本實施例之稀釋液於消泡性及防鏽性亦佳。
另一方面，在比較例1~5之稀釋液中，因欠缺本發明之構成要素中任一者，故加工性差。

Claims (9)

  1. 一種水性金屬加工油劑，其特徵在於：該水性金屬加工油劑係摻混(A)羧酸、(B)胺化合物、(C)雜環式化合物、(D)矽化合物及(E)水而成。
  2. 如請求項1之水性金屬加工油劑，其中前述(A)成分係碳數8以上且18以下之羧酸。
  3. 如請求項1之水性金屬加工油劑，其中前述(B)成分係選自烷醇胺、烷基胺、芳香族胺、脂環式胺及多胺中之至少1種。
  4. 如請求項1之水性金屬加工油劑，其中前述(C)成分係選自苯并三唑類、噻唑類、三唑類及咪唑類中之至少1種。
  5. 如請求項1之水性金屬加工油劑，其中前述(D)成分係選自聚矽氧類及氟化聚矽氧類中之至少1種。
  6. 如請求項1之水性金屬加工油劑，其係如下之原液：前述(A)成分之摻混量在15質量%以上且在30質量%以下，前述(B)成分之摻混量在10質量%以上且在40質量%以下，前述(C)成分之摻混量在0.01質量%以上且在10質量%以下，及前述(D)成分之摻混量在0.01質量%以上且在3質量%以下。
  7. 如請求項6之水性金屬加工油劑，其係如下之原液：前述(A)成分之摻混量在18質量%以上且在25質量%以下，前述(B)成分之摻混量在10質量%以上且在35質量%以下，前述(C)成分之摻混量在0.1質量%以上且在8質量 %以下，及前述(D)成分之摻混量在0.1質量%以上且在1質量%以下。
  8. 一種水性金屬加工油劑，其特徵在於：該水性金屬加工油劑係利用水將如請求項6之水性金屬加工油劑以200倍以下之倍率(容量比)稀釋而成。
  9. 如請求項1至8中任一項之水性金屬加工油劑，其中該水性金屬加工油劑係使用於碳鋼、鍍鋅鋼、矽鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼及錳鋼之壓製加工。
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