TWI513812B

TWI513812B - A lubricant composition for a plastic working of a metal material, a lubricating film, a coated metal material containing the same, and a method for producing a metal material for coating

Info

Publication number: TWI513812B
Application number: TW100132205A
Authority: TW
Inventors: Masatoshi Komada; Naoyuki Kawahata; Ichiro Takahashi
Original assignee: Nippon Seisen Co Ltd
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2015-12-21
Also published as: CN103154216A; JPWO2012043087A1; KR20130124148A; WO2012043087A1; KR101838307B1; CN103154216B; TW201213536A; JP5806673B2; HK1185907A1

Description

金屬材料塑性加工用潤滑劑組成物、潤滑被膜及具備其之被覆金屬材料、以及被覆金屬材料之製造方法

本發明係關於一種使用於供於冷加工或溫加工之各種被加工用金屬材料的金屬材料塑性加工用潤滑劑組成物、由該組成物所形成之潤滑被膜及被覆有該皮膜之被覆金屬材料、以及被覆金屬材料之製造方法。

先前，不鏽鋼或鈦、鎳基合金等特殊金屬材料與其他普通金屬相比，具有耐腐蝕性、耐熱性及機械特性等多種優異特性，係當今技術進步不可或缺者。該等特殊金屬材料廣泛應用於例如螺釘、螺栓、螺母、針、繩索、軸承或彈簧等機械元件製品或各種機械構成材料。

但是，上述特殊金屬材料由於高強度、硬質且缺乏韌性，故屬於難加工材料。例如該等難加工性之金屬材料於進行用於製成上述各種製品之加工時，易產生材料之破裂、斷線或折損等加工問題。因此，為了抑制該等問題，並且謀求模具、輥及衝頭(punch)等加工用工具之長壽命化，業界正謀求最佳之潤滑技術。

例如，供於「將上述特殊金屬材料細徑化之拉線加工」、或「對所獲得之細線進行鍛粗機(header)鍛粗(heading)或者彈簧成形」之情形時，先前係於金屬材料之表面鍍敷Cu、Ni或其他金屬，或施予樹脂材料、石灰、草酸鹽、或磷酸鹽等有機、無機之各種潤滑被膜。又，除形成此種被覆之方法以外，亦已知如下併用型之潤滑方法：於即將進行加工之前，並行使用例如金屬皂、二硫化鉬、石墨、硼砂、石灰等輔助潤滑劑、或含有進一步視需要添加之各種添加劑等之輔助潤滑劑。

上述併用型之潤滑方法，對於形成利用上述難加工性之金屬材料之螺釘或螺栓、螺母等的強程度之鍛粗加工，或使用硬質線材之彈簧成形等之類的嚴格加工處理尤其有效。然而，該等潤滑被膜除上述加工潤滑性能以外，亦需要研究考慮到近年來之地球環境的組成。

例如下述專利文獻1中提出有：含有「藉由高級脂肪族單羧酸與二胺、或高級脂肪族單羧酸與多元酸之混合物與二胺之反應所獲得之羧酸醯胺系蠟(carboxylic amides wax)」的金屬材料之拉伸加工(drawing process)用潤滑劑。

又，下述專利文獻2中提出有：對不鏽鋼線鍍敷厚度為1μm以上5μm以下之Ni，進一步於其表面被覆含有鹵素之合成樹脂並施加剖面減少率為60%以上之拉線加工，製成表面粗糙度調整為0.8s～12s之自動捲繞用鋼線，藉此改善潤滑性能，謀求拉線時之模具壽命之提昇或捲繞速度之提昇。

又，下述專利文獻3中提出有：施有由「含有K₂ SO₄ 及Na₂ SO₄ 中之任一者或該等之混合物75～90重量%、Na₂ B₄ O₇ 3～25重量%、及非離子系界面活性劑2～10重量%者」所構成之硫酸鹽皮膜來作為環保型加工被膜的不鏽鋼線。

進一步，專利文獻4中提出有：為了提供捲繞特性優異之彈簧用不鏽鋼線，而藉由氮化處理於不鏽鋼線之表面設置氮化層，並對其拉線，而於表面形成特定大小之由龜裂引起的氮化層之島狀物，藉此提高所賦予之輔助潤滑劑之收容。

[專利文獻1]日本特開平4-202396號公報

[專利文獻2]日本特開平6-226330號公報

[專利文獻3]日本特開平10-88179號公報

[專利文獻4]日本特開平9-85332號公報

但是，利用草酸鹽或磷酸鹽進行化成被膜處理而得者、或進一步於其上附著有金屬皂等固體滑劑之潤滑被膜，於金屬材料之塑性加工後，為了去除潤滑被膜，需要進行酸洗、水洗等處理，因而於環保方面存在問題。

又，專利文獻1中所提出之潤滑劑存在耐熱性差之問題。

進一步，於專利文獻2中，由於該構成被膜含有含鹵素之合成樹脂，具體而言為四氟乙烯樹脂等氟系樹脂或氯系樹脂，故難以將其去除，或為其去除需要使用有機溶劑。因此，專利文獻2之技術亦於環保方面存在問題。

專利文獻3雖然顧慮到環境保護，但硫酸鹽、硼酸鹽本身缺乏潤滑性，採用該等潤滑被膜未充分解決問題。

進一步，專利文獻4之不鏽鋼線存在如下問題：由於形成於其表面之上述氮化層之島狀物直接殘留，故使金屬材料之表面狀態下降，從而降低製品價值。

因此，本發明係為了解決先前之潤滑被膜之問題而提出者，其目的在於提供一種潤滑性能優異，可提高金屬材料之加工性能，並且可不使金屬材料之表面狀態下降而容易地去除，於環境保護方面有效且可生產線化(in-line)之通用性高之潤滑被膜及被覆有該被膜之被覆金屬材料、及被覆金屬材料之製造方法。

進一步，本發明之目的在於提供一種可形成此種潤滑被膜，且於固體滑劑之分散穩定性及環境保護方面優異之金屬材料塑性加工用潤滑劑組成物。

本案申請專利範圍第1項之發明係一種金屬材料塑性加工用潤滑劑組成物，其特徵在於：含有(A)選自由硫酸鹽、硼酸鹽、矽酸鹽、磷酸鹽、鉬酸鹽及鎢酸鹽所組成之群中至少1種無機鹽，(B)平均粒徑為20μm以下之滑物質，(C)平均分子量為5000～100000之水溶性樹脂材料，以及(D)水；上述成分(A)：(B)：(C)之重量比為1：0.01～20：0.01～20。

本案申請專利範圍第1項之潤滑劑組成物，由於用作固體滑物質之分散劑的樹脂材料(C)為水溶性，故容易製備，並且由於分散固體滑物質之能力優異，故分散穩定性優異。並且，本發明中所形成之被膜無需有機溶劑，可利用水而容易地去除。進一步，由於無機鹽(A)及滑物質(B)利用水溶性樹脂材料(C)而牢固地保持於金屬材料表面，故無須進行利用草酸鹽或磷酸鹽等之化成被膜處理等基底處理，藉由將該組成物直接塗佈於金屬材料表面並將其乾燥，可容易地提供潤滑性能優異之潤滑被膜。

作為上述樹脂材料(C)，較佳為選自由丙烯酸系樹脂及其他含有羧酸基之樹脂、磺酸系樹脂、以及聚乙烯醇所組成之群中至少1種具有電氣性質之水溶性樹脂，且平均分子量為8000～50000者。

又，上述樹脂材料(C)更佳為以丙烯酸烷基酯為主成分之含有陰離子性基之丙烯酸烷基酯共聚物。

本案申請專利範圍第4項之發明係一種潤滑被膜，其特徵在於：其係含有以下(A)～(C)之固化物：(A)選自由硫酸鹽、硼酸鹽、矽酸鹽、磷酸鹽、鉬酸鹽及鎢酸鹽所組成之群中至少1種無機鹽，(B)平均粒徑為20μm以下之滑物質，以及(C)固持上述無機鹽(A)及滑物質(B)之平均分子量為5000～100000之水溶性樹脂材料；該固化物中，具有上述無機鹽(A)之至少一部分結晶化而成之結晶部。

本案申請專利範圍第4項之潤滑被膜係由無機鹽(A)、粒徑為20μm以下之滑物質(B)、及將該等結合保持於金屬材料上之水溶性樹脂材料(C)所構成，於環保方面獲得改善。又，潤滑皮膜中，無機鹽(A)及滑物質(B)係藉由上述樹脂材料(C)而牢固地保持於金屬材料表面，並且具備上述無機鹽(A)之至少一部分結晶化而成之結晶部，因此具有進一步提昇之潤滑性能，尤其適合作為強加工或難加工性之金屬材料之潤滑被膜。

上述潤滑皮膜中之上述構成原料(A)：(B)：(C)之重量比較佳為1：0.01～20：0.01～20。

又，上述結晶部較佳為具有粒狀、短纖維狀及葉脈狀中任一種以上之形狀，且形成為凸設於潤滑皮膜之外表面上的突出部。

又，觀察潤滑皮膜之表面時，上述結晶部之面積率較佳為20～80%。

又，上述結晶部較佳為構成尺寸為0.5mm以下之微細者。

又，上述樹脂材料(C)更佳為選自由丙烯酸系樹脂及其他含有羧酸基之樹脂、磺酸系樹脂以及聚乙烯醇所組成之群中至少1種水溶性樹脂，並且具有電氣性質且分子量為8000～50000較理想。

又，較佳為於被加工用金屬材料之表面上以0.3～12g/m² 之附著量形成上述潤滑被膜而成之被覆金屬材料。

此種具有潤滑被膜之被覆金屬材料，於利用塑性變形之成形加工中，亦可併用金屬皂、二硫化鉬、石墨、硼砂或石灰等上述輔助潤滑劑作為第二潤滑物質，於該情形時第二潤滑物質有效地保持於上述結晶部之間，而可謀求潤滑性能之進一步提昇。又，由結晶部之突出所形成之微小凹凸係形成於潤滑被膜上，無須特地設置上述專利文獻4中之氮化層之類的異相，即可具有提高潤滑劑之收容效率之效果。因此，去除了該表面潤滑劑之金屬材料，可抑制表面性之下降，亦於簡化加工處理步驟等降低成本方面有利。

又，較理想為：上述被加工用金屬材料係配合冷或溫鍛粗用、壓製用、滾鍛用或彈簧用之最終用途的線狀、棒狀、帶狀、片狀或塊狀中之任一形狀。

又，較理想為：上述被加工用金屬材料係選自由不鏽鋼、鈦、鈦合金、鎳、鎳合金、鈮及鈮合金所組成之群中之難加工性金屬線材。

進一步，本案申請專利範圍第13項之發明係一種被覆金屬材料之製造方法，其特徵在於具備：(1)配合最終製品之形態而預先成形之被加工用素材金屬材料；(2)準備階段，係準備含有以下(A)～(D)之潤滑劑組成物：選自由硫酸鹽、硼酸鹽、矽酸鹽、磷酸鹽、鉬酸鹽及鎢酸鹽所組成之群中之至少1種無機鹽(A)，粒徑為20μm以下之滑物質(B)，平均分子量為5000～100000之水溶性樹脂材料(C)，以及水(D)；(3)於加熱至預先設定之溫度之上述潤滑劑組成物中浸漬上述素材金屬材料，並對該素材金屬材料進行加溫之階段；(4)造膜階段，係於上述素材金屬材料上使上述無機鹽(A)、滑物質(B)及樹脂材料(C)結晶化或膜化；(5)乾燥階段，係將具有結晶部而獲得之潤滑被膜乾燥固化而使該結晶部固定。

又，較佳為：於上述乾燥階段後，進一步包含進行上述素材金屬材料之塑性加工的中間加工階段，並且於該中間加工階段中，對上述素材金屬材料賦予與上述潤滑被膜不同種類之第二潤滑物質而進行加工。

又，較佳為：上述被覆金屬材料為鍛粗加工用被覆金屬線，且上述中間加工為加工率30%以下之輕程度之拉線或壓延加工。

又，較佳為：上述被覆金屬材料為彈簧加工用被覆金屬線，且上述中間加工為加工率60%以上之強程度之拉線或壓延加工。

根據本發明之被覆金屬材料之製造方法，可與先前之潤滑被膜之形成同樣地，將均勻且穩定之被覆處理設定為連續系統，而實現藉由生產線化減輕作業負擔之連續作業。

以下，基於圖式對本發明之一實施形態進行說明。

如圖1所示，被覆金屬材料1具有長條狀之金屬線2、與幾乎均勻地覆蓋其整個外表面之潤滑被膜3，金屬線2與潤滑被膜3形成為一體，並且該潤滑被膜3具有由其一部分組成之結晶化所形成之結晶部K。

上述金屬線2係根據其目的或用途而選定之金屬材料的線材。作為該金屬材料，可使用先前以來應用於塑性加工者。作為此種金屬材料，適宜為例如不鏽鋼、鈦或鈦合金、鎳或鎳合金、鈮或鈮合金等難加工性之金屬材料，其中較理想為加工硬化特性較強之上述不鏽鋼或鈦合金。又，上述塑性加工包含鍛粗加工、壓製加工、彎曲加工、滾鍛加工或彈簧加工等各種加工。

尤其是上述鍛粗加工或壓製加工，由於係對金屬材料進行瞬間推壓而使其較大地突出變形，故本發明之潤滑皮膜對抑制材料之變形破裂或工具類之缺損甚為有效。又，即便於彈簧成形中，本發明之潤滑皮膜對於使用「具有特定彈簧彈性之高強度之金屬細線」的塑性加工亦有效。

又，作為冷鍛粗加工用之金屬線2，適宜為例如線徑為0.01～20mm左右、較佳為0.5～10mm，且其拉伸強度為900MPa以下之經軟質加工之金屬線材。另一方面，作為彈簧用之金屬線2，適宜使用例如線徑為0.01～10mm左右，且具有拉伸強度為1600～2600MPa左右之高強度特性的經冷拉線加工之金屬線材。於金屬材料為不鏽鋼之情形時，為獲得如上述之高強度特性，前者之鍛粗加工用金屬線較佳為例如經固溶化熱處理精加工，或進一步藉由加工率30%以下(較佳為3～20%)之輕程度之拉線加工或壓延加工對其進行了調質(skin pass)精加工。又，後者之彈簧用金屬線較佳為最終精加工係藉由例如加工率60%以上之冷間拉線加工而進行了加工硬化者。

金屬線2之剖面形狀可為圓形或非圓形中之任一者。又，金屬線2之長邊方向之表面粗糙度或形狀亦可任意設定。例如，金屬線2亦可為沿長邊方向使外徑週期性地變化之帶有波浪形狀者。進一步，覆蓋有潤滑皮膜之金屬材料，除長條之線材以外，亦可廣泛採用棒狀、帶狀、片狀或塊狀等各種形狀品，本發明亦包含該等形狀者。

被覆此種金屬材料(於本形態中為金屬線2)之潤滑被膜3，於本發明中係由含有如下3種構成材之金屬材料塑性加工用潤滑劑組成物所形成。第一構成材係使用選自由硫酸鹽、硼酸鹽、矽酸鹽、磷酸鹽、鉬酸鹽及鎢酸鹽所組成之群中之至少1種無機鹽(A)。又，第二構成材係使用平均粒徑為20μm以下之微粒子狀之滑物質(B)。進一步，第三構成材係使用水溶性樹脂材料(C)，其具有固持上述無機鹽(A)及滑物質(B)之作用。潤滑被膜3係藉由將「以特定比率摻合該等構成材(A)～(C)而成之水性潤滑劑組成物」塗佈於上述金屬材料並乾燥固化而獲得。並且，本發明之特徵在於：於由該等構成材所構成之潤滑被膜2中，具有上述無機鹽(A)之至少一部分結晶化而成之結晶部K。

上述第一構成材之無機鹽(A)係提昇潤滑被膜之承載性、耐壓性者，且為水溶性，藉由將其與併用之樹脂材料(C)一併加熱至特定溫度而容易溶解於水。無機鹽(A)適宜為伴隨塗膜之乾燥可將其之至少一部分結晶化者。

作為上述無機鹽(A)，可列舉例如：硫酸鈉、硫酸鉀等硫酸鹽，硼酸鈉、硼酸鉀、硼酸銨等硼酸鹽，矽酸鈉、矽酸鉀等矽酸鹽，磷酸鋅、磷酸鈣等磷酸鹽，鉬酸銨、鉬酸鈉等鉬酸鹽，或鎢酸鈉等鎢酸鹽等。該等可單獨使用，亦可組合使用2種以上。尤其是硫酸鉀或硼酸鈉藉由拉線會發揮出優異之承載效果，並且為水溶性且結晶於耐壓性方面優異，故於本發明中較為適宜。

第二構成材係與上述無機鹽(A)一併構成潤滑被膜3之滑物質(B)，於潤滑被膜中發揮使摩擦阻力下降之功能。作為滑物質(B)，適宜使用例如石墨、二硫化鉬、氮化硼、二硫化鎢、氟化石墨或PTFE等。該等滑物質可單獨使用其中任一種，或組合使用任意兩種以上。滑物質(B)之平均粒徑為20μm以下，其下限較佳為1μm以上。滑物質(B)之形狀並無特別限定，較佳為例如微粒子狀者。

推測上述滑物質(B)會隨著其被覆處理或其後之加工而發生形狀變化。但是，其平均粒徑超過20μm之粗大者，於將其作為潤滑劑而混合至液中時，易於堆積在底部而難以獲得均勻之被覆狀態。又，粗大粒子會使被膜表面性狀下降。就該觀點而言，滑物質(B)之更佳之平均粒徑為15μm以下。再者，所謂上述平均粒徑，係指對自該群中任意提取之複數個粒子進行測定而獲得之各粒子之最大尺寸的平均值。

石墨之滑動性尤其優異而會帶來良好潤滑性能，並且可藉由輕程度之衝擊而容易地進行細粒化，又，耐熱性及導電性亦優異。因此，石墨作為本發明之上述滑物質(B)尤其適宜。因此，含有其之潤滑皮膜在使用於例如「鍛粗加工之類的瞬間承受較大壓力之加工」之情形時，可吸收其負荷壓力而防止由發熱引起之燒附。又，含有石墨之潤滑皮膜於直接通電而進行之溫加工時容易加熱，有助於增加工具壽命或減輕加工破裂等問題。

又，作為第三構成材之水溶性樹脂材料(C)，其在作為潤滑被膜而固化之狀態下，發揮使上述無機鹽(A)及滑物質(B)牢固地固著於金屬材料2上之固著性。該樹脂材料(C)須具有如下特性：於溶液狀態下對滑物質(B)產生引力，或使水溶液之黏度上升而防止滑物質(B)之沈澱，或作為界面活性劑使滑物質(B)成為親水性而使分散穩定化之特性。又，上述潤滑被膜於該加工後經常會去除。該情形時，為了不使用特殊之溶劑等而以水或熱水即可容易地溶解，上述樹脂材料(C)設為：由產生水溶性之平均分子量為5000～100000之具有電氣性質的樹脂材料所形成者。

即，若上述平均分子量未達5000，則潤滑劑組成物之黏度下降，進一步其附著量減少，並且固著強度下降，而難以獲得良好之被膜(即適當之潤滑狀態)。相反，若為上述平均分子量超過100000之高分子者，則會超過水溶性之範圍故不適合本發明。又，於提高黏性而降低上述滑物質(B)之潤濕性、或於內部產生微細空孔等結構方面亦欠佳。上述樹脂材料(C)之平均分子量更佳為8000～50000，尤佳為10000～35000。

作為更佳之上述水溶性樹脂材料(C)，例如可列舉：丙烯醯胺系樹脂或丙烯酸酯系樹脂等丙烯酸系樹脂及其他含有羧酸基之樹脂、磺酸系樹脂、聚乙烯醇等之聚乙烯系樹脂等具有親水性官能基者。該等樹脂材料尤佳為具備下文所說明之電氣性質者，其比介電係數更佳為2～12，更理想為2.0～8.0，藉此可謀求促進該電氣性質，故較佳。上述丙烯酸系樹脂中，亦存在藉由熱硬化而形成牢固之膜者。例如於塑性加工後無須脫膜之情形時，亦可藉由加熱乾燥或熱處理而形成無機鹽(A)及/或滑物質(B)不易脫落之被膜。尤佳之樹脂材料(C)，可列舉以丙烯酸烷基酯為主成分之含有陰離子性基的丙烯酸烷基酯共聚物。

再者，所謂上述樹脂材料(C)具有電氣性質，係指具有電荷及/或極性之樹脂材料，其之驗證可根據藉由例如層析儀或FT-IR等所求得之結構式而進行。又，如此之特性尤其可由該分子結構中具有含有O及H之親水性之官能基者而實現，藉此可形成水溶性樹脂材料。同樣地，比介電係數亦如JIS-K6911所示，提出有例如形成電容器並利用其電容之平行平板法、發射電波並測定反射之自由空間法等各種方法。此種樹脂材料(C)纏繞上述粒子狀之滑物質(B)，產生導致凝聚之引力、及導致分離之由電荷引起之斥力，使水溶性之黏度上升而防止滑物質(B)之沈澱，或者作為界面活性劑而使滑物質(B)成為親水性從而使分散穩定化，亦可生成穩定且均勻性良好之潤滑劑組成物。

本發明所使用之上述樹脂材料(C)為水溶性，易溶解於水或溫水等中。因此，於被覆處理階段或最終加工後，具有可於去除皮膜時抑制有機溶劑等有害化學藥品之使用的優點，於環境方面亦較佳。

本發明之金屬材料塑性加工用之潤滑劑組成物係藉由將上述構成材(A)～(C)溶解或分散至水中而製備，該水藉由塗佈後之乾燥手段而最終去除，藉此形成由構成材(A)～(C)構成之潤滑被膜。各構成材(A)～(C)之摻合比以其固化狀態之重量換算計，為1：0.01～20：0.01～20(固體成分重量比)，較佳為設為1：0.1～12：0.1～10。更佳為，於例如冷鍛粗用途中設為1：0.5～3：0.5～8，又，於彈簧用途中以成為1：1～6：1～10之方式進行摻合，又，其附著量例如以固體成分成為0.3～12g/m² 左右之方式調整潤滑劑組成物之濃度或黏度而使用。通常潤滑劑組成物係以固體成分濃度成為3～30重量%之方式製備。

若上述附著量未達0.3g/m² ，則無法充分發揮潤滑性能，即使賦予超過12g/m² 之量亦無法獲得與其相稱之潤滑性能，反而會產生加工時之堵塞等弊病。又，若上述固體成分濃度未達3重量%，則難以藉由1次塗佈操作而獲得充分之附著量，若超過30重量%，則會產生溶液黏度變得過高等塗佈操作方面之問題。

本發明之被覆金屬材料係藉由將上述潤滑劑組成物塗佈於金屬線2上並將塗膜乾燥而獲得。潤滑劑組成物之塗佈可藉由浸漬塗佈或噴霧塗佈等任意方法進行。於乾燥階段，發生無機鹽(A)之結晶析出及水溶性樹脂材料(C)之造膜，藉由完全蒸發水而形成密接於金屬材料表面之潤滑被膜。潤滑劑組成物較佳為預先加溫至例如40～100℃、較佳為60～100℃，藉此可具備滑物質(B)，促進無機鹽(A)之結晶化。

上述乾燥階段中之溫度及時間並無特別限制，通常於室溫～150℃下加熱例如1～1000秒左右。為了使乾燥在短時間內結束，適宜進行例如80℃以上，較佳為100℃以上之熱風乾燥。如此而獲得之潤滑被膜以上述摻合比含有無機鹽(A)、滑物質(B)及水溶性樹脂材料(C)。若滑物質(B)及樹脂材料(C)之摻合比分別未達0.01，則結晶部K之面積率變得過大，或難以貼附牢固之被膜。另一方面，若該等摻合比分別超過20，則結晶部K之面積率減小，並且樹脂材料(C)之比例過大，因而無法發揮充分之潤滑性能。

圖3係上述被覆金屬線材(被覆金屬材料1)之製造製程之一例。該製程具備：

(1)準備階段，係準備上述被加工用之素材金屬線(素材金屬材料11)及上述潤滑劑組成物12；(2)於加熱至特定溫度之上述潤滑劑組成物12中浸漬素材金屬線11，塗佈潤滑劑組成物12並且對該素材金屬線11之表面進行加溫的階段；(3)造膜階段，係於上述素材金屬線11上使上述構成材(A)～(C)結晶化或膜化；(4)乾燥階段，係將具有結晶部之潤滑被膜乾燥固化而使該結晶部固定。

於本實施態樣中，素材金屬線11係準備將具有根據其目的、用途而調整之尺寸、形狀、特性之長條材料捲繞至例如卷軸或承載軸10上而成者，將該素材金屬線一面經由導輥R1、R2、R3連續地抽出，一面導入至以加熱狀態積存水性潤滑劑組成物12之槽13內。藉此，於素材金屬線11之表面上塗佈特定量之上述潤滑劑組成物12。

潤滑劑組成物12係「於上述構成材(A)及(C)之水溶液中分散有滑物質(B)之水性分散液」，較佳為藉由未圖示之適宜加熱手段加熱至特定溫度。加熱溫度係根據上述樹脂材料(C)之種類或結晶分量而適宜設定，例如若為含有上述丙烯酸烷基酯共聚物者，藉由設定為60～100℃，可使上述無機鹽(A)之結晶有效地析出至被膜固化後之潤滑被膜。

又，例如若為含有磺酸系樹脂或具有醯胺基之丙烯酸系樹脂作為上述構成材(C)者，藉由將上述乾燥或其後之加熱處理中之設定溫度設為例如樹脂材料之玻璃轉移溫度TG以上之加熱溫度，亦可增加熱硬化性而提高作為潤滑被膜之固著牢固性。

又，上述儲槽13具有「具備與該金屬線11之供給速度一併獲得調整之股線長度」的充分容積，以使上述長條金屬線11成為特定之溫度。並且，從儲槽13之液面出來之金屬線11藉由潤滑劑組成物12之熱，於其外面上生成上述結晶、膜，並利用乾燥器15獲得乾燥。其後，將金屬線11捲取至捲取卷軸14上。再者，於本形態中，於預先設定之位置配置熱風乾燥器15，例如藉由溫度100℃以上之熱風供給而使潤滑劑固定，以於潤滑劑之附著量達到特定範圍之狀態下進行固定。

於該步驟中，上述浸漬、加溫階段係於儲槽13內進行，無機鹽(A)之結晶化及樹脂材料(C)之膜化之上述造膜階段，係於自儲槽13之液面至乾燥器15為止之範圍進行。因此，藉由一系列之步驟，謀求連續處理，可實現生產線化。再者，金屬線11之供給速度當然可依照潤滑劑組成物12之組成及其乾燥條件而適宜地調節。

又，於潤滑被膜3之成形後進一步進行中間加工之情形時，亦可將與所形成之潤滑被膜3所含之滑物質(B)不同種類之滑物質作為第二潤滑物質而賦予被覆金屬材料。作為此第二潤滑物質，例如可列舉：金屬皂、二硫化鉬、石墨、氮化硼、二硫化鎢、氟化石墨、硼砂、石灰或PTFE粉末等。作為中間加工，例如可列舉：加工率30%以下之輕程度之拉線或壓延加工、或者加工率60%以上之強程度之拉線或壓延加工。本發明之被覆金屬材料由於如上所述於潤滑被膜表面具有微細凹凸，故所使用之第二潤滑物質之保持性能較高，發揮出優異之潤滑性能。

於圖2A及2B中，表示形成於潤滑被膜3之上述結晶部K之分佈狀態之一例，該等係放大至35～80倍之顯微鏡照片。上述結晶部K會因潤滑被膜之構成材之種類或分量比率而具有不同之結晶狀態，圖2A者係藉由使用硫酸鹽等作為無機鹽而形成有點狀或短纖維狀之突出部。又，圖2B之狀態係藉由使用硼酸鹽等而形成有葉脈狀之突出部。

如上述各圖所見，於潤滑被膜之外表面，各結晶部K係以自其面上凸設之突出狀態均勻地分佈，結晶部K間具備平面之凹部。因此，被覆金屬材料之外表面係形成為具有由結晶部K形成之凸部及上述凹部的微小凹凸面，而有助於提昇潤滑性。

上述結晶部K不僅可於該潤滑被膜3中形成為單層，亦可以於厚度方向以複數之積層分佈狀態而形成。進一步，關於結晶部K之方向性，無須使所有結晶部均成為與該潤滑被膜之平面方向並行之狀態，例如包含於傾斜方向交叉之情形。

又，上述結晶部K係由該構成要素之無機鹽(A)形成者，此情況係藉由使用掃描式電子顯微鏡或X射線分析之圖像繞射，根據各元素之構成圖案與該結晶部K之符號而確認。藉由此種圖案之圖像分析，可容易地求出該結晶部K之面積率。結晶部K之面積率係定義為俯視下之潤滑被膜之每單位面積內之結晶部K之合計面積的比例，較佳為20～80%。於該情形，該面積率係以任意選擇之數點之測定視野之結果的平均值表示。

根據上述圖像繞射之觀察，結晶部K以外之部分實質上檢驗出滑物質(B)，且可確認該部分為凹部。因此，此種微小凹凸面可效率良好地收容例如其後之加工時所賦予之上述輔助潤滑劑，而提高潤滑性。即，藉由結晶部K之面積率之最佳化，可於難加工材之鍛粗加工或彈簧成形之類的嚴格加工處理中具有優異之潤滑性，而確認上述面積率與潤滑性之間存在關聯性。

圖4為其結果之一例，橫軸表示結晶部K之面積率(%)，縱軸表示於上述鍛粗加工中之加工壽命(加工數)。於本實施態樣中，面積率較佳為設定為20～80%。由圖4可知，採用面積率低於20%者時，於適宜進行之中間加工中對被覆金屬材料所賦予之輔助潤滑劑之收容保持力下降，使工具壽命下降。相反，採用面積率超過80%者時，無法獲得輔助潤滑劑之充分之收容空間，又，結晶部K亦非常堅硬，因而若過多含有，則會使被加工用金屬材料之表面性下降，又，導致加工工具之壽命下降等。因此，結晶部K之面積率更佳為設定為30～80%，再更佳為設定為40～70%，尤佳為設定為40～60%。

再者，結晶部K之大小或形態係根據其處理條件或構成材之種類等而適宜變化。結晶部K之形狀並無特別限定，較佳為具備如圖2A及2B所示之粉末狀或短纖維狀或葉脈狀中任一種以上之形狀，其大小(構成尺寸)較佳為0.5mm以下之微細者。此處，關於結晶部K之構成尺寸，粉末狀之結晶係以其最大直徑之平均值表示，纖維狀或葉脈狀之結晶係以構成其單一單元(element)(各單一線)之最大粗度之平均值表示。

若結晶部K之尺寸超過0.5mm於其後之成形加工中會產生表面之粗糙化，又，上述短纖維狀或葉脈狀者會因結晶部間之凹部之小空間化，而使輔助潤滑劑之收容效率下降。結晶部K之尺寸更佳為0.1mm以下。

於結晶部K為短纖維狀或葉脈狀之情形時，結晶部之單一單元具有特定長度(L)(例如0.01～1mm)，此長度(L)與粗度(D)之縱橫比(L/D)較佳為在平均1.5～50之範圍內。尤其是結晶部K長於所需之情形時，藉由其無規分佈所確定之網眼會變大，故欠佳。關於結晶部K，更佳之縱橫比為2～20。如此縱橫比之調整，可藉由例如上述乾燥之條件設定而進行。

於本實施形態中，對「被加工用金屬材料為用於冷鍛粗成形或彈簧成形用途之潤滑被覆線材」之情形進行了說明。又，主要對「將潤滑劑組成物均勻地塗佈於金屬材料之整個面而進行被覆形成處理」之情形進行了說明。但是，本發明並不限定於該等，例如作為金屬材料，棒材或帶材、片材、塊材等各種形狀品之選擇、或其材質之種類及大小程度之應用，係發明所屬技術領域中具有通常知識者可容易地完成者，應作為本發明之一形態而包含在本發明中。

[實施例]

接著，藉由以下之實施例更詳細地說明本發明。

[實施例1]

[受試材料之製作]

於本實施例中，選定鋼種SUS304、316及XM7型之冷鍛粗用之沃斯田鐵系不鏽鋼之3種作為該被處理材料，進一步將分別冷拉線加工為線徑3.65mm者作為素材。接著，於溫度1000～1100℃以股線型之熱處理裝置對該等進行固溶化熱處理，並且使用下述之潤滑劑組成物進行被覆，而獲得被覆不鏽鋼線。於該處理步驟中，上述熱處理裝置係於其出口側連接圖3所示之結構之被覆裝置，以固溶化熱處理與被覆處理同時進行之方式構成一系列之生產線裝置。潤滑劑組成物係使用如下之組成。

[潤滑劑組成物]

(A)硫酸鈉　10重量%

(B)硼酸鈉　2重量%

(C)氮化硼(平均粒徑5μm)　10重量%

(D)丙烯酸系樹脂　10重量%

(陰離子系丙烯酸烷基酯共聚物/介電係數3.8，有電荷、極性)

(E)水　68重量%

(A)：(B)：(C)：(D)=5：1：5：5(固體成分重量比)

固體成分濃度32重量%

將混合該等(A)～(E)而成之潤滑劑組成物導入寬度200×深度600×高度300mm之儲槽內，一面利用外部加熱器於溫度80～95℃之範圍內加熱一面充分攪拌，而製成水性分散液。於該狀態下，上述無機鹽及水溶性樹脂材料溶解於溶劑之水中，氮化硼均勻地分散於該水溶液中。

[被膜形成、結晶化處理]

被膜形成處理係以如下方式進行：基於上述潤滑劑組成物之組成或加熱溫度及儲槽容積，調節被處理線材(不鏽鋼線)之供給速度，藉此使塗膜附著量成為特定範圍。於本實施例中，藉由將線材供給速度設為3～7m/min，可將平均附著量調整為6～12g/m² 之範圍。蒸發水之補充係藉由適宜進行之自動調整而進行。因此，該潤滑劑之被覆狀態均為良好，可將附著量之不均抑制為較少。

如此經浸漬塗佈之被處理線材自該液面送出，利用配置於自該液面起約0.8m之位置之筒狀之熱風乾燥器，使所塗佈之潤滑劑組成物於100℃完全乾燥，而使潤滑被膜固定於線材。又，由於上述儲槽係加溫至80～95℃，故可觀察到線材在自液面至熱風乾燥器之間水分蒸發而析出無機鹽之結晶。

藉由以上述速度進行如此一系列之金屬線材之熱處理及被膜形成處理，於各不鏽鋼線之表面上以附著量6～12g/m² 被覆潤滑被膜，而獲得具有具備如圖2A之短纖維狀之結晶部之潤滑被膜的軟質不鏽鋼線。藉由利用X射線繞射裝置(堀場製作所製造)之圖像分析所求得之結晶部，係寬度為10～50μm、平均縱橫比為2～15之短纖維狀無規分佈者，且其面積率平均為49.6～52.1%。

又，藉由結晶部之放大顯微鏡觀察，確認到凸設之突出狀態，進一步由根據「該被覆鋼線於特定位置有無潤滑劑」而獲得的表面粗糙度(Rz)之下述測定結果，亦獲得證明。

．潤滑被膜面上之表面粗糙度　9.6～10.4μm

．去除潤滑劑之面之表面粗糙度　7.6μm

[比較潤滑劑]

作為比較潤滑被膜(比較例)，分別於上述3種不鏽鋼線上以附著量6～12g/m² 形成草酸鹽被膜而用作比較線材。再者，該草酸鹽被膜先前多用於不鏽鋼之冷加工用途，其處理過程中存在產生六價Cr或產生含有有害物之薄霧(mist)等含有有害重金屬之淤渣(sludge)或廢酸之問題，近年來趨向減少。

[中間加工處理]

對本實施例之被覆軟質不鏽鋼線，進一步以4%之加工率實施調質拉線加工，而獲得表1中所記載之冷鍛粗用不鏽鋼線。該調質加工係使用於輔助潤滑劑中併用有金屬皂者，可確認該輔助潤滑劑保持於上述鋼線表面之凹部內。

[潤滑性試驗]

其次，使用上述實施例之表1之各不鏽鋼線，進行評價其加工性之鍛粗試驗。試驗係一面滴加錠子油一面以冷加工進行十字皿頭螺釘之鍛粗成形，加工條件為利用工具鋼製之十字衝頭(header punch)以每分鐘150個之傳送速度進行合計25000個之鍛粗成形，並觀察工具面數及是否產生破裂等缺陷。

試驗結果良好，本實施例之潤滑被膜係獲得超過比較例之草酸鹽被膜之15000個之工具壽命者。又，可於不發生加工破裂或燒附等問題之情況下進行鍛粗加工。該加工分數係評價鍛粗加工性之加工壽命者，認定本實施例之被膜具有與作為比較潤滑劑之草酸鹽被膜同等以上之潤滑性。將所獲得之鍛粗製品(試樣No.A-2)之表面狀態之一例示於圖5，未見燒附之痕跡。

[實施例2]

針對上述XM7不鏽鋼線(線徑：3.65mm)之固溶化熱處理材，一併進行改變了「上述構成材(A)無機鹽、(B)滑物質、(C)水溶性樹脂之水準」的如下加工性評價。該評價係與上述同樣地以鍛粗加工所造成之工具壽命而確認，將結果示於表2。

由該等各實施例確認：本發明之潤滑被膜與先前之潤滑劑同樣地，可用於不鏽鋼之鍛粗機鍛粗用途，尤其是難加工性材料之強加工用被膜。

[實施例3]

[鈦-鎳合金帶材之應用例]

製備下述組成之潤滑劑組成物。

(A)矽酸鈉

(B)二硫化鉬(平均粒徑2μm)

(D)丙烯酸系樹脂　10重量%

(陰離子系丙烯酸烷基酯共聚物/介電係數2.7，具有電荷、極性)

固體成分重量比(A)：(B)：(C)=5：4：2

固體成分濃度　22重量%

已知Ni-Ti合金為金屬間化合物且為難加工材，即便於拉線中亦易產生由拉線模具引起之瑕疵或斷線。作為其解決方法，例如會形成氧化被膜，然而，形成氧化被膜雖難以產生瑕疵或斷線，但最終製品不得不除去氧化被膜(descale)，此時由於使用酸故表面性狀下降，而存在損害製品品質之缺點。

因此，為了評價本潤滑被膜對該Ni-Ti合金線之適應性，對線徑為1.8mm之合金退火材100kg以2～6g/m² 塗佈上述潤滑劑組成物，並拉線至線徑為1.6mm。於拉線中無瑕疵或斷線，可獲得良好之加工性，對於最終製品，僅藉由去除上層部之金屬皂所需之鹼洗(alkaline wash)及熱水清洗，便能完全去除潤滑被膜。藉此，變得可省略酸洗步驟，降低環境負擔並且提昇作業性，又，於品質方面亦成功地縮小線徑公差之範圍。

[實施例4]

[彈簧用不鏽鋼線之拉線加工]

製備下述組成之潤滑劑組成物。

(A)硫酸鉀

(B)石墨(平均粒徑3μm)

(C)羧酸鹽系水溶性樹脂(銨鹽/有電荷、極性)

固體成分重量比(A)：(B)：(C)=1：15：2

固體成分濃度18重量%

對線徑1.5mm之SUS304N1不鏽鋼線之退火材200kg以0.3～2g/m² 塗佈上述潤滑劑組成物，並拉線至線徑為0.7mm。確認拉線後之材料無瑕疵，表面狀態良好，且未見被膜剝離或瑕疵等表面缺陷。繼而，確認彈簧之捲繞性。先前，彈簧材之捲繞加工係以鍍鎳材為主流，故以鍍鎳材為比較材進行比較試驗。

試驗係針對如下規格之壓縮彈簧，以其捲繞成形中之彈簧自由長度之偏差3σ進行評價，實施例材為0.25，比較例材為0.24，結果幾乎相同，又，若使用鍍鎳材，例如除了所謂活體過敏之對健康之影響以外，於將其去除時亦存在廢液處理等環境負擔，或難以避免去除後之表面狀態下降等問題，相對於此，本發明品可改善此種問題。

彈簧規格

壓縮彈簧D/d=20.0

自由長度15.5mm

自由長度公差±0.3mm

總卷數10

速度50個/分鐘

[產業上之可利用性]

如以上所說明，本發明之潤滑被膜可使用於要求潤滑性之各種用途。尤其可用作不鏽鋼或鈦或鈦合金、鎳或鎳合金、鈮或鈮合金等難加工性之金屬材料之鍛粗加工或壓製加工、彎曲加工、滾鍛加工、彈簧加工等嚴格之塑性加工之潤滑手段，進一步提供一種潤滑性優異及消除環境保護問題且可生產線化之技術。

1．．．被覆金屬材料

2．．．金屬線

3．．．潤滑皮膜

10．．．承載軸

11．．．金屬線

12．．．潤滑劑組成物

13．．．儲槽

14．．．捲取卷軸

15．．．乾燥器

R1．．．導輥

R2．．．導輥

R3．．．導輥

K．．．結晶部

圖1係表示本實施形態之被膜金屬材料之一例的放大斜視圖。

圖2A係將潤滑被膜之外面放大之顯微鏡照片，表示結晶部形成為點狀與短纖維狀混合存在之突出部的結晶部之分佈狀態。

圖2B係將潤滑被膜之外面放大之顯微鏡照片，表示結晶部形成為葉脈狀之突出部的分佈狀態之一例。

圖3係例示被覆金屬材料之製造製程的步驟圖。

圖4係表示結晶部之面積率與鍛粗加工中之加工壽命之關係的關係圖。

圖5係表示去除潤滑被膜後之金屬材料之加工製品之表面狀態的放大照片。