(57)【要約】【課題】  被加工材の温度が比較的低温であっても潤滑効果を発揮し、かつ、被加工材の全体を均一に効率良く塗布することのできる金属塑性加工用潤滑剤を提供する。【解決手段】  水不溶性リン酸塩の粒子を分散媒に分散させて金属塑性加工用潤滑剤とする。水不溶性リン酸塩が主成分であるため、酸化スケールが生成され難い比較的低温領域でも、潤滑効果を発揮し、工具と被加工材との焼付きを防止する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
水不溶性リン酸塩の粒子が分散媒に分散されてなる金属塑性加工用潤滑剤。
【請求項２】
前記水不溶性リン酸塩は、リン酸鉄、リン酸亜鉛、リン酸マンガンから選ばれる少なくとも一種を含む請求項１に記載の金属塑性加工用潤滑剤。
【請求項３】
前記水不溶性リン酸塩は、リン酸塩化成処理にて排出されたスラッジを含む請求項１に記載の金属塑性加工用潤滑剤。
【請求項４】
前記分散媒は、水または鉱油である請求項１に記載の金属塑性加工用潤滑剤。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材や非鉄金属材の塑性加工の際に用いられ、工具と被加工材との間に発生する焼付き等を抑制する金属塑性加工用潤滑剤に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材や、チタン等の非鉄金属材の塑性加工として、熱間圧延、熱間鍛造、熱間ダイス加工、熱間プレス加工等の熱間加工が多く行われている。例えば、ステンレス鋼の熱間圧延では、通常、五段程度の圧延スタンドが用いられ、加熱されたスラブから、各種断面形状の鋼材が圧延加工される。この際、圧延の初段では、被加工材の温度は１２００℃程度となっており、被加工材の表面には酸化スケールが充分に生成される。そのため、工具である圧延ロールと被加工材とは直接接触せず、焼付きは生じ難い。しかし、圧延の中段から終段では、被加工材の温度は８００〜１０００℃程度まで低下し、被加工材の表面に生成する酸化スケールは少なくなる。そのため、圧延ロールと被加工材とは直接接触し易くなり、結果として、焼付きが発生し、被加工材の肌荒れを招いていた。
【０００３】
熱間加工における工具と被加工材との焼付きを防止し、被加工材表面の肌荒れを抑制すべく、種々の潤滑剤が提案されている。例えば、黒鉛、ガラス、窒化ホウ素、雲母、二硫化モリブデン、酸化鉄、フッ素化黒鉛、炭酸カルシウム等の固体潤滑剤を主成分とした潤滑剤が一般的である。なかでも、炭酸カルシウムは、安価であり、また、白色系潤滑剤であるため加工装置周辺を汚し難く、作業環境面で優れる。よって、炭酸カルシウムの粉末を、鉱油に分散させたグリースが多用されている。また、リン酸塩、ホウ酸塩等からなる粉末状潤滑剤や、水溶性リン酸塩を水に溶解させた水溶液からなる潤滑剤が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）
【特許文献１】特開昭５２−１４０４４８号公報
【特許文献２】特開平１０−１１０１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、炭酸カルシウムのグリースの潤滑効果が発揮されるためには、被加工材の表面に酸化スケールが比較的厚く生成していることが必要となる。したがって、被加工材の温度が１０００℃程度以上であれば、酸化スケールが生成されるため、潤滑効果が得られるが、８００〜９００℃程度まで低下すると、酸化スケールは生成され難いため、充分な潤滑効果を得ることはできない。
【０００５】
また、特許文献１に記載された粉末状潤滑剤は、所定の温度で溶融することで潤滑効果を発揮する。よって、被加工材の温度があまり高くならないような熱間加工には不向きである。加えて、粉末状であるため、被加工材の全体に均一に付着させることは難しく、付着性も充分ではない。特に、高温となった被加工材に塗布する場合には、被加工材表面における空気の対流により塗布し難く、高い塗布圧力が必要となる。
【０００６】
また、特許文献２に記載された潤滑剤では、水溶性リン酸塩を用いるため、使用後の潤滑剤が、被加工材の冷却のために噴霧される冷却水に溶解してしまう。そのため、冷却水がリン酸塩に汚染され、冷却水を循環して使用することが困難になる。
【０００７】
本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、被加工材の温度が比較的低温であっても潤滑効果を発揮し、かつ、被加工材の全体を均一に効率良く塗布することのできる金属塑性加工用潤滑剤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】
本発明の金属塑性加工用潤滑剤は、水不溶性リン酸塩の粒子が分散媒に分散されてなることを特徴とする。本発明の金属塑性加工用潤滑剤は、水不溶性リン酸塩を主成分とするため、酸化スケールが生成され難い８００〜９００℃程度の温度領域でも、潤滑効果を発揮し、工具と被加工材との焼付きを防止する。水不溶性リン酸塩が焼付きを防止するメカニズムの詳細は明らかではないが、以下のように考えられる。すなわち、塑性加工において、水不溶性リン酸塩の粒子は、工具と被加工材との間で押し潰される。その際、水不溶性リン酸塩の粒子は、互いに結合して膜状になる。被加工材の表面に皮膜が形成されることで、工具と被加工材とは直接接触し難くなり、焼付きが防止される。このように、本発明の金属塑性加工用潤滑剤を用いれば、被加工材の温度が比較的低温であっても、工具と被加工材との焼付きが防止され、表面の平滑性の良好な製品を得ることができる。
【０００９】
また、上記水不溶性リン酸塩の粒子は分散媒に分散されている。つまり、本発明の金属塑性加工用潤滑剤は、分散媒の種類により、スラリー状あるいはグリース状を呈する。そのため、取り扱いが容易であり、被加工材の全体を均一に効率良く塗布することができる。例えば、被加工材が加熱され高温となっていても、容易に被加工材に塗布できる。また、例えば、水不溶性リン酸塩の二種以上を混合して用いる場合、それらの粒子を分散媒に均一に分散させることで、組成の偏りを生じさせずに被加工材へ塗布することができる。また、バインダー、極圧剤等の他の添加剤も容易に添加して使用することができる。
【００１０】
本発明の金属塑性加工用潤滑剤は、淡黄色の準白色系潤滑剤であるため、加工装置周辺を汚し難く、作業環境が良好である。さらに、水に不溶なリン酸塩を用いるため、該リン酸塩は、被加工材の冷却のための冷却水に溶解しない。よって、本発明の金属塑性加工用潤滑剤を用いれば、混入したリン酸塩を沈降分離するだけで、冷却水を循環して使用することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の金属塑性加工用潤滑剤は、水不溶性リン酸塩の粒子が分散媒に分散されてなる。水不溶性リン酸塩を主成分とするため、酸化スケールが生成され難い８００〜９００℃程度の温度領域でも、潤滑効果を発揮し、工具と被加工材との焼付きを防止する。よって、本発明の金属塑性加工用潤滑剤を用いれば、塑性加工における加工面の平滑性を向上させることができる。また、本発明の金属塑性加工用潤滑剤は、取り扱いが容易で、被加工材の全体を均一に効率良く塗布することができる。さらに、淡黄色を呈するため、加工装置周辺を汚し難く、作業環境面においても優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の金属塑性加工用潤滑剤について詳細に説明する。なお、本発明の金属塑性加工用潤滑剤は、下記の実施形態に限定されるものではない。本発明の金属塑性加工用潤滑剤は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００１３】
上述したように、本発明の金属塑性加工用潤滑剤は、水不溶性リン酸塩の粒子が分散媒に分散されてなる。水不溶性リン酸塩は、水に溶解しないリン酸塩であれば、その種類が特に限定されるものではない。例えば、無機系のリン酸塩として、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウム、リン酸アルミニウム、リン酸亜鉛亜、リン酸鉄、リン酸マンガン等が挙げられる。これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いればよい。また、鉄亜鉛複合リン酸化物、鉄マンガン複合リン酸化物等の複合リン酸塩を用いてもよい。特に、工具と被加工材との焼付きを防止する潤滑性能が高いという理由から、水不溶性リン酸塩に、リン酸鉄、リン酸亜鉛、リン酸マンガンから選ばれる少なくとも一種を含む態様が望ましい。
【００１４】
水不溶性リン酸塩の粒子径は、特に限定するものではない。例えば、分散媒中での分散性を考慮した場合、粒子径を１５０μｍ以下とすることが望ましい。３０μｍ以下とするとより好適である。また、被加工材冷却用の冷却水に混入した後の沈降分離性を考慮した場合、粒子径を０．１μｍ以上とすることが望ましい。１μｍ以上とするとより好適である。
【００１５】
本発明の金属塑性加工用潤滑剤では、水不溶性リン酸塩は、以下の二つの役割を果たすと考えられる。一つは、被加工材の表面に皮膜を形成することにより焼付きを防止する役割である。もう一つは、工具と被加工材との間の摩擦係数を小さくする役割である。これら二つの役割により、焼付きを効果的に防止するという観点から、二種以上の水不溶性リン酸塩を、適宜混合して用いることが望ましい。
【００１６】
例えば、自動車ボデー等の塗装下地処理で用いられる電着塗装法では、前処理として、リン酸亜鉛等を用いて塗装面に被膜を形成する化成処理が行われる。このようなリン酸塩化成処理では、処理液中の沈殿物として水不溶性のスラッジが排出される。排出されるスラッジの組成は、化成処理に使用したリン酸塩、および被処理材の材質により異なるが、水不溶性リン酸塩を主成分とする。例えば、鋼材のリン酸亜鉛化成処理から排出されるスラッジは、被処理材に起因するリン酸鉄と、処理液に起因するリン酸亜鉛との複合物からなる。また、例えば、鋼材のリン酸マンガン化成処理から排出されるスラッジは、被処理材に起因するリン酸鉄と、処理液に起因するリン酸マンガンとの複合物からなる。これらの場合、リン酸鉄は、主に皮膜を形成して焼付きを防止する役割を果たし、リン酸亜鉛、リン酸マンガンは、主に摩擦係数を小さくする役割を果たすと考えられる。
【００１７】
このように、リン酸塩化成処理にて排出されるスラッジは、複合リン酸塩からなるため、上記二つの役割をバランス良く果たし、優れた潤滑性能を有する。よって、本発明の金属塑性加工用潤滑剤では、水不溶性リン酸塩として、リン酸塩化成処理にて排出されたスラッジ（以下、適宜「化成処理スラッジ」と称す。）を含む態様が望ましい。化成処理スラッジは、元来産業廃棄物であるため、材料としてのコストはほとんどかからない。そのため、本態様の金属塑性加工用潤滑剤は安価な潤滑剤となる。また、化成処理スラッジをリサイクルできるため、資源、環境面においても優れる。なお、化成処理に使用されるリン酸塩は、上記リン酸亜鉛、リン酸マンガンに限定されるものではなく、リン酸鉄、リン酸すず等であってもよい。また、被処理材の材質も、鋼材に限定されるものではなく、亜鉛合金、アルミニウム合金等であってもよい。
【００１８】
化成処理槽で形成された直後のスラッジは、結晶粒子径が数十μｍ以下の極めて微細な粒子である。化成処理槽中に沈殿したスラッジは、乾燥すると塊状となる。よって、化成処理スラッジは、通常、塊状で工場から排出される。塊状の化成処理スラッジは、ミキサー等の解砕機により容易に解砕され、微粉末となる。化成処理スラッジを、本発明の金属塑性加工用潤滑剤の水不溶性リン酸塩として用いる場合、その粒子径を、上記解砕後の凝集粒子径で１５０μｍ以下（１００メッシュアンダー）とすると好適である。３０μｍ以下（４４０メッシュアンダー）とするとより好適である。
【００１９】
水不溶性リン酸塩の粒子を分散させる分散媒には、水系あるいは油系の種々のものを用いることができる。例えば、工業用水等の水、ナフテン系もしくはパラフィン系の高沸点を有する鉱油等を分散媒とすればよい。
【００２０】
例えば、水を分散媒とした場合には、環境に優しく不燃性の潤滑剤となる。この場合、上記粉末状の化成処理スラッジ、あるいは乾燥前の化成処理スラッジ等の水不溶性リン酸塩を水に投入し、攪拌して分散させればよい。水系の分散媒では、本発明の金属塑性加工用潤滑剤は、スラリー状となる。ここで、スラリー中の水不溶性リン酸塩の濃度は、５重量％以上５０重量％以下とすることが望ましい。５重量％未満であると、潤滑効果を発揮させるためにはスラリーを大量に塗布する必要があり不便だからである。反対に、５０重量％を超えると、スラリーの粘度が高くなり、塗布し難くなるからである。
【００２１】
また、上記スラリーにバインダー等の添加剤を加えてもよい。例えば、バインダーを添加することにより、スラリー塗布後の不溶性リン酸塩の保持性が向上する。よって、被加工材を加熱する前にスラリーを塗布した場合でも、乾燥後に塗布面から不溶性リン酸塩が脱落し難くなる。バインダーには、既に公知のものを使用すればよく、例えば、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）等が挙げられる。これら有機系バインダーの添加量は、不燃性であるという水スラリーの利点を損なわないよう、できるだけ少量であることが望ましい。例えば、２重量％以下とするとよい。なお、化成処理スラッジには、酸性の処理液成分が含まれていることが多い。よって、化成処理スラッジを水不溶性リン酸塩として用いる場合、必要に応じて、アルカリ等を添加してスラリーのｐＨ調整を行ってもよい。
【００２２】
一方、鉱油を分散媒とした場合には、冷却水に混入した後、沈降性のオイルボールを形成するため、分離除去性に優れた潤滑剤となる。この場合、上記粉末状の化成処理スラッジ等の水不溶性リン酸塩を鉱油に投入し、攪拌して分散させればよい。油系の分散媒では、本発明の金属塑性加工用潤滑剤は、グリース状となる。ここで、グリース中の水不溶性リン酸塩の濃度は、３０重量％以上６０重量％以下とすることが望ましい。３０重量％未満であると、潤滑効果が充分に発揮され難く、また、冷却水に混入した後、沈降性のオイルボールが形成され難いからである。反対に、６０重量％を超えると、グリースの流動性が損なわれ、塗布し難くなるからである。ちなみに、水不溶性リン酸塩は、油系の分散媒と馴染み易いため、高濃度での分散が可能となる。
【００２３】
また、油系の分散媒の場合には、上述したバインダーを添加しなくても、塗布後の不溶性リン酸塩の保持性は良好である。よって、バインダー以外の添加剤として、例えば、極圧剤を加えるとよい。極圧剤には、被加工材が工具と接触した瞬間の摩擦係数を小さくする働きがあるため、焼付き防止の信頼性がより向上する。極圧剤には、既に公知のものを使用すればよく、例えば、リン系化合物、硫黄系化合物等が挙げられる。極圧剤の添加量は、０．５重量％以上１０重量％以下とするとよい。
【００２４】
本発明の金属塑性加工用潤滑剤は、浸漬塗布、刷毛塗り、スプレー塗布等の種々の方法で塗布することができる。例えば、水系の分散媒を用いたスラリー状の金属塑性加工用潤滑剤は、加熱前の被加工材に塗布する場合に好適である。この場合、被加工材をスラリーに浸漬塗布し、引き上げ後に乾燥させればよい。また、油系の分散媒を用いたグリース状の金属塑性加工用潤滑剤は、加熱された被加工材や工具に塗布する場合に好適である。この場合、被加工材等にグリースをエアースプレー塗布すればよい。この際、グリースの給油には、一般に潤滑油ポンプとして使用されるギヤー方式、プランジャー方式等のポンプを用いればよい。給油速度は、被加工材等の材質、表面積、加熱温度、加工速度等に応じて、適宜決定すればよい。例えば、１０〜１０００ｍＬ／分程度とすればよい。
【００２５】
本発明の金属塑性加工用潤滑剤は、ステンレス鋼等の鋼材や、チタン等の非鉄金属材の塑性加工において広く用いることができる。なかでも、加熱して加工する熱間圧延、熱間鍛造、熱間ダイス加工、熱間プレス加工等の熱間加工において、優れた潤滑効果を発揮する。
【実施例】
【００２６】
上記実施形態に基づいて、種々の金属塑性加工用潤滑剤を製造し、塑性加工の一例である熱間圧縮加工においてそれらの潤滑性能を評価した。以下、順に説明する。
【００２７】
〈金属塑性加工用潤滑剤の製造〉
まず、水不溶性リン酸塩として、リン酸鉄粉末、および自動車ボデーのリン酸亜鉛化成処理にて排出されたスラッジの粉末を準備した。各々の粉末を、標準ふるいにて４４０メッシュアンダーに分級した。次に、分級した各々の粉末と、分散媒であるナフテン系鉱油と、極圧剤であるジチオリン酸亜鉛とを、下記表１に示す割合で混合し、同表に示すちょう度のグリースを得た（試料＃１１〜＃１８）。なお、ナフテン系鉱油には、動粘度の異なる三種類を用いた。混合には、自転公転式脱泡攪拌機を用いた。得られたグリースは、すべて本発明の金属塑性加工用潤滑剤に相当する。
【００２８】
比較のため、上記水不溶性リン酸塩の代わりに、４４０メッシュアンダーに分級した炭酸カルシウム粉末を使用して、上記同様にしてグリースを得た（試料＃２１〜＃２７）。
【００２９】
製造した種々のグリースを容器に収容し放置した。＃１１〜＃１８のグリースでは、六ヶ月以上経過しても、水不溶性リン酸塩と鉱油との分離は全く認められなかった。これより、本発明の金属塑性加工用潤滑剤では、事前に水不溶性リン酸塩の粒子の表面処理を何ら行わなくても、粒子の分散性が極めて良好であることがわかる。これに対して、＃２１〜＃２７のグリースでは、放置から２４時間以内に、炭酸カルシウムの粒子が容器底部に沈降し、鉱油と分離した。これより、炭酸カルシウムの粒子は鉱油と馴染み難く、分散性が悪いことがわかる。
【００３０】
〈熱間圧縮加工試験および潤滑性能の評価〉
製造した＃１１〜＃１８、＃２１〜＃２７のグリースの潤滑性能を評価するため、各グリースを用いて熱間圧縮加工試験を行った。試験は、回転圧縮式摩擦試験装置を用いて行った。被加工材には、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製の円柱状のビレット（直径３０ｍｍ、高さ３０ｍｍ）を用い、工具には、ダクタイル鋳鉄製のパンチを用いた。図１に、試験の概要を示す。
【００３１】
図１に示すように、（ａ）まず、ビレット１を電気炉２に入れ、８００〜１０００℃の所定の温度まで加熱した。（ｂ）ビレット１を電気炉２から取り出した後、直ちに試験装置の試料台５へ設置した。また、パンチ３は、円柱状を呈し、その下端面は、すり鉢状にくり抜かれている。パンチ３の下端周縁には、予めグリース４が塗布されている。（ｃ）次いで、ビレット１の上方より、パンチ３を回転させながら押しつけた。この時のすべり速度は０．８ｍ／ｓ、接触面圧は２００ＭＰａ、接触時間は０．８秒とした。（ｄ）その後、パンチ３を上昇させ、ビレット１から離脱させた。ビレット１の上端面には、パンチ３の接触により円形の溝６が形成された。
【００３２】
上記試験において、パンチの回転トルクと押付け荷重とから、摩擦係数を算出した。摩擦係数は、通常、パンチ接触後０．２秒前後で最大となる。よって、ここでは、その最大摩擦係数で評価する。また、試験後の各ビレットを常法に従って酸洗、脱スケールし、パンチ接触部の表面粗さを粗さ計で測定すると共に、焼付きの有無を目視で観察した。表１に、各グリースの成分およびちょう度、ビレット温度、最大摩擦係数、ビレット表面粗さを示す。
【００３３】
【表１】
2005060619.tif 000002
【００３４】
表１に示すように、＃１１〜＃１８のグリースでは、ビレット温度によらず、摩擦係数は０．２５以下と小さくなった。また、ビレット表面粗さも小さく、焼付きによる肌荒れは全く見られなかった。特に、化成処理スラッジを用いた＃１２〜＃１８のグリースでは、ビレット表面粗さがより小さく、より平滑な表面が得られることがわかる。
【００３５】
一方、炭酸カルシウムを用いた＃２１〜＃２７のグリースでは、ビレット温度により異なる結果となった。すなわち、ビレット温度が１０００℃と高温の場合（＃２１）のみ、摩擦係数が小さく、ビレット表面粗さが小さくなった。それ以外の場合（＃２２〜＃２７）には、摩擦係数は０．３０以上と大きくなり、ビレット表面粗さも極めて大きく、焼付きによる肌荒れが見られた。これより、炭酸カルシウムのグリースを使用しても、８００〜９００℃程度の温度領域では、工具と被加工材との焼付きを防止することはできないことがわかる。
【００３６】
以上より、水不溶性リン酸塩を主成分とする本発明の金属塑性加工用潤滑剤は、８００〜９００℃程度の温度領域でも、優れた潤滑効果を発揮し、工具と被加工材との焼付きを効果的に防止することが確認された。また、水不溶性リン酸塩として化成処理スラッジを用いると、特に潤滑効果が高いことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施例における熱間圧縮加工試験の概要を示す。
【符号の説明】
【００３８】
１：ビレット  ２：電気炉  ３：パンチ  ４：グリース  ５：試料台  ６：溝
【図１】
2005060619.tif 000003