(57)【要約】【課題】従来の化成処理を用いた冷間塑性加工用潤滑方法における工程の多さや廃液処理に関するコストや労力の問題を解決すると共に、広い範囲で適用できる塑性加工用潤滑方法を提供する。また、その塑性加工用潤滑方法を用いた塑性加工方法を提供し、さらに、その塑性加工方法を用いた加工材を提供する。【解決手段】被加工材の表面に、被加工材と同一の素材より成る多孔質層を形成した後に、得られた多孔質層に潤滑剤を担持させることを特徴とする塑性加工用潤滑方法。前記塑性加工が、冷間塑性加工であって、前記多孔質層が、被加工材の表面を酸化処理した後、還元処理して形成されていることを特徴とする塑性加工用潤滑方法。前記塑性加工用潤滑方法を用いる塑性加工方法。さらに、その塑性加工方法により製造される加工材。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工材の表面に、被加工材と同一の素材より成る多孔質層を形成した後に、得られた多孔質層に潤滑剤を担持させることを特徴とする塑性加工用潤滑方法。
【請求項２】
前記被加工材が鉄鋼材料であることを特徴とする請求項１に記載の塑性加工用潤滑方法。
【請求項３】
前記塑性加工が、冷間塑性加工であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の塑性加工用潤滑方法。
【請求項４】
前記多孔質層が、被加工材の表面を酸化処理した後、還元処理して形成されていることを特徴とする請求項３に記載の塑性加工用潤滑方法。
【請求項５】
熱間塑性加工と冷間塑性加工とが連続的に行われる塑性加工における塑性加工用潤滑方法において、前記熱間塑性加工と前記冷間塑性加工との間で、前記還元処理を行うことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の塑性加工用潤滑方法。
【請求項６】
前記多孔質層における平均孔径が、１０ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の塑性加工用潤滑方法。
【請求項７】
前記多孔質層の厚さが、５０ｎｍ〜５０μｍであることを特徴とする請求項３ないし請求項６のいずれかに記載の塑性加工用潤滑方法。
【請求項８】
前記潤滑剤の４０℃における動粘度が、２〜２００ｃＳｔであることを特徴とする請求項３ないし請求項７のいずれかに記載の塑性加工用潤滑方法。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の塑性加工用潤滑方法を用いることを特徴とする塑性加工方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の塑性加工方法により製造されたことを特徴とする加工材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塑性加工用潤滑方法に関する。さらに、それを用いた塑性加工方法および加工材に関する。
【背景技術】
【０００２】
塑性加工における潤滑処理は、加工荷重の低減、良好な表面性状、加工欠陥の抑制などの点で重要である。特に、冷間塑性加工においては、加工荷重が大きくなるため、より硬質で高価な加工工具を必要とするが、加工荷重が大きいために加工工具の寿命が短いこと、さらに、被加工材の変形能が低いことより、被加工材表面に良好な潤滑性を付与することが特に重要であり、潤滑剤あるいは潤滑方法に対する要求は大きい。
【０００３】
このような要求を満足させる方法として、従来、燐酸塩皮膜法が自動車部品を始め多くの鉄鋼材料の冷間鍛造や冷間引き抜き等の冷間塑性加工に用いられていた。
【０００４】
燐酸塩皮膜法では、始めに被加工材を燐酸塩溶液に浸漬することによって、被加工材の表面に、下地金属と強固に密着した多孔質構造の燐酸塩皮膜を形成させ、次いで、燐酸塩皮膜上に、良好な潤滑性を有する金属石鹸皮膜を形成させている。
【０００５】
しかしながら、この燐酸塩皮膜法では、アルカリ脱脂、水洗、酸洗、水洗、中和、水洗、燐酸塩皮膜処理、水洗、中和、水洗、金属石鹸処理と、多くの工程を要するため、生産性を高めることができない。また、使用する薬剤が高価であり、さらに廃液処理に多くのコストと労力を必要とするという問題がある。
【０００６】
一方、燐酸塩皮膜法のような化成処理によらずに潤滑性を高めるために、潤滑油剤の開発も進められてきたが、その潤滑性能には限界があり、適用できる範囲が限られているのが現状である（非特許文献１）。
【非特許文献１】小松崎茂樹：塑性と加工、３４−３９３（１９９３）、１１２２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、従来の化成処理を用いた冷間塑性加工用潤滑方法における工程の多さや廃液処理に関するコストや労力の問題を解決すると共に、化成処理によらない方法における適用範囲の制限問題を解決する冷間塑性加工用潤滑方法を提供することを課題とする。また、その冷間塑性加工用潤滑方法を用いた冷間塑性加工方法、および、その冷間塑性加工方法により加工された加工材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記の課題に鑑み、鋭意研究の結果、被加工材である金属材料の表面を単に酸化・還元することにより、被加工材の表面に多孔質層を設け、さらにその多孔質層に潤滑剤を担持させることにより、冷間塑性加工時に、低摩擦状態を維持できることを見出した。さらに、本発明者は、検討の結果、被加工材の表面に、被加工材と同一の素材より成る多孔質層を形成した後に、得られた多孔質層に潤滑剤を担持させた場合、冷間塑性加工に限らず、熱間塑性加工においても、低摩擦状態を維持できることを見出し、本発明を完成するに至った。
以下、各請求項の発明について説明する。
【０００９】
請求項１に記載の発明は、
被加工材の表面に、被加工材と同一の素材より成る多孔質層を形成した後に、得られた
多孔質層に潤滑剤を担持させることを特徴とする塑性加工用潤滑方法である。
【００１０】
本発明においては、潤滑剤が多孔質層内に担持されるため、塑性加工中であっても、被加工材と加工工具との間の摩擦を低く維持することができ、良好な潤滑性を維持することができる。
【００１１】
このように潤滑性が良好であるため、化成処理によらない従来の方法のように、適用範囲の制限を受けることがなく、広い適用範囲にわたって、加工荷重の低減による加工工具の寿命の延長や加工品の表面性状の改善を図ることができる。
【００１２】
また、本発明においては、多孔質層が同一の素材より形成されているため、被加工材の均質性をより保つことができる。なお、本発明に言う「被加工材と同一の素材より成る多孔質層」とは、形成された多孔質層が、基本的な構成材料において被加工材と同一の材料から成ることを示し、例えば、熱処理過程における表面の脱炭や窒化等、組成の変化があった場合も本発明に含まれる。
【００１３】
本発明における多孔質層としては、塑性加工中、潤滑剤を担持することができればよく、その厚さや多孔度等は特に限定されないが、塑性加工の条件や潤滑剤の種類等との関係から、適宜好ましい範囲が選択される。
【００１４】
本発明における潤滑剤は、特に限定されないが、求められる塑性加工の条件により適宜選択される。例えば、工具面圧が低い場合には、比較的粘性の低い潤滑剤も使用できるが、逆に工具面圧が高い場合には、粘性の高い潤滑剤を使用することが好ましい。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記の塑性加工用潤滑方法であって、
前記被加工材が鉄鋼材料であることを特徴とする特徴とする塑性加工用潤滑方法である。
【００１６】
本発明は、前記被加工材が鉄鋼材料である場合、特に大きな効果を示す。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、前記の塑性加工用潤滑方法であって、
前記塑性加工が、冷間塑性加工であることを特徴とする塑性加工用潤滑方法である。
【００１８】
本発明は、前記の塑性加工用潤滑方法が、塑性加工の内でも、特に冷間塑性加工の場合、特に大きい効果を示す。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、前記の塑性加工用潤滑方法であって、
前記多孔質層が、被加工材の表面を酸化処理した後、還元処理して形成されていることを特徴とする塑性加工用潤滑方法である。
【００２０】
本発明においては、被加工材表面の多孔質層を、被加工材の表面を単に酸化・還元処理するのみで形成することができるため、従来の化成処理の場合のように多くの工程を必要とせず、生産性やコスト面で優れており、廃液処理に関するコストや労力の問題もない。
【００２１】
本発明における酸化処理は、所定の温度の下、酸化性雰囲気中に、被加工材を保持することにより行われることが効率的で好ましい。酸化性雰囲気としては、コストの面より、大気雰囲気が好ましく用いられる。
【００２２】
還元処理は、所定の温度の下、還元性雰囲気中に、被加工材を保持することにより行われる。還元性雰囲気としては、還元能が高く、処理時間が短いため、水素雰囲気が好ましく用いられる。また、水素とアルゴンの混合ガスや、一酸化炭素ガスを使用することもできる。
【００２３】
このように、本発明における酸化・還元処理は、所定の温度下において、所定の雰囲気中に、被加工材を保持した状態だけでも行うことができるため、工程の簡略化を図ることができる。
【００２４】
また、一般的に、被加工材である金属材料は、熱間加工を経て製造されているが、この熱間加工は酸化性雰囲気中で行われるため、被加工材の表面は、既に酸化処理が施された状態となっており、本発明のために追加的な酸化処理を行う必要がない。
【００２５】
本発明における潤滑剤は、上述したように、特に限定されないが、一般的には、多孔質層への浸透が容易な市販のマシン油あるいはグリース等の液体潤滑剤が好ましく使用できる。また、前記液体潤滑剤に替えて、液体の状態で多孔質層に浸透し、その後、反応もしくは乾燥により固体として多孔質層内に留まることのできる固体潤滑剤を使用することもできる。このような固体潤滑剤の例としては、金属石鹸やテフロン（登録商標）などが挙げられる。
【００２６】
請求項５に記載の発明は、前記の塑性加工用潤滑方法であって、
熱間塑性加工と冷間塑性加工とが連続的に行われる塑性加工における塑性加工用潤滑方法において、前記熱間塑性加工と前記冷間塑性加工との間で、前記還元処理を行うことを特徴とする塑性加工用潤滑方法である。
【００２７】
前記したように、一般的に、被加工材である金属材料は、熱間塑性加工を経て製造され、熱間塑性加工は酸化性雰囲気中で行われるため、被加工材の表面は、既に酸化処理が施された状態となっている。このため、線材加工等における塑性加工のように、熱間塑性加工から冷間塑性加工までの全行程が連続的に行われる場合には、熱間塑性加工と冷間塑性加工との間に還元性雰囲気の炉を設けるだけで、酸化処理、還元処理を連続的に行うことが可能となる。これにより、被加工材の表面に多孔質層を連続的に形成でき、引き続いて冷間塑性加工に進むことができるため、効率よく生産でき、生産性やコスト面において大きな効果をもたらすことができる。したがって、冷間引抜き加工に対して好ましく使用できる。
【００２８】
請求項６に記載の発明は、前記の塑性加工用潤滑方法であって、
前記多孔質層における平均孔径が、１０ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする塑性加工用潤滑方法である。
【００２９】
多孔質層における平均孔径が、１０ｎｍ以上である場合には、潤滑剤が多孔質層に浸透し易く、また１０μｍ以下である場合には、加工製品の表面性状がより好ましい。
【００３０】
多孔質層における平均孔径は、還元処理の温度、時間、もしくは還元性ガスの分圧を、調整することによって制御することができる。
【００３１】
請求項７に記載の発明は、前記の塑性加工用潤滑方法であって、
前記多孔質層の厚さが、５０ｎｍ〜５０μｍであることを特徴とする塑性加工用潤滑方法である。
【００３２】
多孔質層の厚さが、５０ｎｍ以上である場合には、潤滑能を発揮するのに十分な量の潤滑剤を担持させることができ、また５０μｍ以下である場合には、加工製品の寸法精度への影響が少ない。
【００３３】
多孔質層の厚さは、酸化処理の温度、時間、もしくは酸素ガスの分圧を、調整することによって制御することができる。
【００３４】
請求項８に記載の発明は、前記の塑性加工用潤滑方法であって、
前記潤滑剤の４０℃における動粘度が、２〜２００ｃＳｔであることを特徴とする塑性加工用潤滑方法である。
【００３５】
潤滑剤の４０℃における動粘度が、２ｃＳｔ以上である場合には、潤滑剤は、容易にしみ出すことがなく、加工前および加工中を通して、多孔質層に担持することができ、また、２００ｃＳｔ以下である場合には、潤滑剤は、多孔質層中の気孔に、十分に浸透することができるため、２〜２００ｃＳｔであることが好ましい。
【００３６】
請求項９に記載の発明は、
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の塑性加工用潤滑方法を用いることを特徴とする塑性加工方法である。
【００３７】
本発明においては、有効な潤滑効果を得ることができるため、加工荷重の低減や加工品の表面性状の改善、加工欠陥の抑制を図ることができる。また、線材加工等における連続的な塑性加工のような場合には、熱間塑性加工と冷間塑性加工の間に還元性雰囲気の炉を設けるだけで、本発明を適用でき、熱間塑性加工から好適な冷間塑性加工へと連続処理することが可能となり、効率的に生産性の向上を図ることができる。
【００３８】
請求項１０に記載の発明は、
請求項９に記載の塑性加工方法により製造されたことを特徴とする加工材である。
【００３９】
本発明は、請求項９に記載の発明を加工材の面から捉えたものである。
本発明における加工材は、適切な潤滑効果の下で製造されているため、表面性状が改善され、また加工欠陥が抑制されている。また加工材は，二次加工時に，あるいは摺動部品として使用すれば、高い潤滑性を有する加工材を提供することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明により、従来の化成処理の場合のように多くの工程を必要とせず、生産性やコスト面で優れており、廃液処理に関するコストや労力の問題が少ない塑性加工用潤滑方法を提供できる。また、適用範囲の制限を受けることがなく、広い適用範囲にわたって、加工荷重の低減による加工工具の寿命の延長や加工品の表面性状の改善を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明を実施するための最良の形態につき、以下の実施例に基づき、説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
【００４２】
最初に、無潤滑の場合を参考例として、以下に述べる。
（参考例１）
（試験片の準備）
１５％炭素鋼Ｓ１５ＣＫ丸棒から、切削により、外径２０ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ５ｍｍのリングを切り出し、リングの両端面を、＃１５００のエメリー紙で研磨した後、さらに脱脂して、リング状試験片を作製した。
【００４３】
（多孔質層の形成）
作製したリング状試験片を、大気雰囲気の７００℃の炉中で３０分間保持して、酸化膜を形成させ、続いて、雰囲気を純水素に置換し（所要時間５分間）、さらに１５分間保持した。この処理により、リング状試験片の表面下に、厚さ約１０μｍの多孔質層が形成された。
【００４４】
（圧縮試験）
リング状試験片の潤滑性については、リング状試験片を軸方向に圧縮したときの内径の変化から潤滑性能を知ることができる。即ち、内径減少率が小さい（圧縮後の内径が大きい）ほど、均一変形に近く潤滑性が良いことを意味している。
【００４５】
このため、リング状試験片を軸方向に圧縮し、圧縮後のリング状試験片の内径を測定し、その内径減少率（％）を求めた。また、軸方向の高さから圧縮率（％）を求めた。
【００４６】
さらに、内径の変化を、「日本塑性加工学会冷間鍛造分科会温間鍛造研究班：塑性と加工、１８−２０２（１９９７）、９４６」に示されたエネルギー法による校正曲線と比較することにより、摩擦係数を求めた。
【００４７】
具体的には、多孔質層が形成されたリング状試験片を、材料試験機を用いて、速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで、軸方向に約５０％圧縮した。その際、潤滑剤を使用しなかった。得られた内径減少率、圧縮率、摩擦係数を、表１に示す。
【００４８】
（参考例２）
参考例１における多孔質層の形成工程に換えて、７００℃の純水素雰囲気のみに同時間保持した（即ち、表面が多孔質層となっていない）以外は、参考例１と同様にして、内径減少率、圧縮率、摩擦係数を求めた。結果を表１に示す。
【００４９】
次に、潤滑剤を使用した場合の実施例および比較例を、以下に述べる。
（実施例１）
潤滑剤としてマシン油（出光興産（株）製、商品名：出光ダフニーメカニックオイル３２、４０℃における動粘度３２ｃＳｔ）を使用し、圧縮前にダイス鋼製の上下加工工具に薄く前記潤滑剤を塗布する以外は、参考例１と同様にして、内径減少率、圧縮率、摩擦係数を求めた。結果を表１に示す。
【００５０】
（比較例１）
実施例１における多孔質層の形成工程に換えて、７００℃の純水素雰囲気のみに同時間保持した（即ち、表面が多孔質層となっていない）以外は、実施例１と同様にして、内径減少率、圧縮率、摩擦係数を求めた。結果を表１に示す。
【００５１】
（実施例２）
潤滑剤としてグリース（コスモ石油ルブリカンツ（株）製、商品名：コスモオートグリ−ス００、４０℃における動粘度１１８ｃＳｔ）を使用した以外は、実施例１と同様にして、内径減少率、圧縮率、摩擦係数を求めた。結果を表１に示す。
【００５２】
（比較例２）
実施例２における多孔質層の形成工程に換えて、７００℃の純水素雰囲気のみに同時間保持した（即ち、表面が多孔質層となっていない）以外は、実施例２と同様にして、内径減少率、圧縮率、摩擦係数を求めた。結果を表１に示す。
【００５３】
【表１】
2008155224.tif 000002
【００５４】
表１に示すように、多孔質層を設けて潤滑剤を担持させた実施例１、および実施例２は、多孔質層を設けずに潤滑剤を塗布しただけの比較例１、および比較例２に比べ、内径減少率が小さく、摩擦係数も小さいことが分かる。即ち、実施例１および実施例２の方が、潤滑性が良好であることが分かる。また、潤滑剤を使用しない場合（参考例１、２）、多孔質層を形成すると、摩擦係数が却って悪化していることが分かる。
【００５５】
また、グリースを潤滑剤として用いた実施例２においては、実施例１に比べ、多孔質層の効果が顕著に現れ、摩擦係数が０．２１という低い値が達成されている。このことは、粘性が高い潤滑剤を用いた場合には、多孔質層による潤滑剤担持効果が顕著に現れ、潤滑効果を促進したと考えられる。
【００５６】
次に、多孔質層を形成する条件を変えた場合の実施例および参考例を、以下に述べる。
（実施例３）
実施例２における多孔質層の形成工程に換えて，作製したリング状試験片を、大気雰囲気の１０００℃の炉中で２分間保持して、酸化膜を形成させ、続いて、雰囲気を純水素に置換し（所要時間５分間）、さらに１３分間保持した以外は、実施例２と同様にして、内径減少率、圧縮率、摩擦係数を求めた。結果を表２に示す。
【００５７】
（参考例３）
潤滑剤を使用しなかった以外は、実施例３と同様にして、内径減少率、圧縮率、摩擦係数を求めた。結果を表２に示す。
【００５８】
【表２】
2008155224.tif 000003
【００５９】
表２に示すように、（１０００℃×２分：大気）＋（１０００℃×１３分：水素）の条件で多孔質層を形成した実施例３における摩擦係数は０．２５であり、（７００℃×３０分：大気）＋（７００℃×１５分：水素）の条件で多孔質層を形成した実施例２における摩擦係数０．２１に近い値が得られている（潤滑剤は、ともにグリース）。これは、多孔質層を形成する際の処理温度の高い方が、短い時間で、所望する摩擦係数に対応する多孔質層が得られることを示している。
【００６０】
また、参考例３より、多孔質層は形成するが潤滑剤を使用しない場合には、高い温度で酸化処理をした場合でも、摩擦係数が潤滑剤を使用した場合より高くなっていることが分かる。一方、参考例２と比較した場合、摩擦係数は参考例３の方が小さくなっており、酸化処理温度が摩擦係数に影響していることが窺える。