(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基油の７０質量％以上が常温で液体の有機塩素化合物、有機硫黄化合物、および有機リン化合物の１種以上からなる基油に、水酸化カルシウムおよび炭酸カルシウムから選ばれたカルシウム含有固体粉末を組成物全体の２０〜７０質量％の量で分散させてなる、鋼材の冷間塑性加工用潤滑剤組成物。
【請求項２】
基油が、塩素化油脂、塩素化エステル、塩素化脂肪酸、および塩素化パラフィンから選ばれた有機塩素化合物；硫化油脂、硫化エステル、硫化脂肪酸、硫化オレフィン、ジヒドロカルビルポリサルファイド、チオカーバメート、チオテルペン、およびジアルキルチオジプロピオネートから選ばれた有機硫黄化合物；ならびにアルキルホスファイト、アルキルもしくはアリールアシッドホスフェート、トリアルキルもしくはトリアリールホスフェート、およびジチオリン酸亜鉛から選ばれた有機リン化合物の１種以上からなる、請求項１に記載の潤滑剤組成物。
【請求項３】
炭酸カルシウムが脂肪酸塩で表面処理された炭酸カルシウムである、請求項１または２に記載の鋼材の潤滑剤組成物。
【請求項４】
固体粉末の平均粒径が２０μｍ以下である、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の潤滑剤組成物。
【請求項５】
常温常圧での粘度が１０００〜５００００ｍＰａ・ｓの範囲に調整された、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の潤滑剤組成物。
【請求項６】
鋼材の冷間塑性加工が鋼管の冷間圧延である、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の潤滑剤組成物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐焼き付き性に優れる、鋼管の冷間圧延を始めとする各種の鋼材の冷間塑性加工用の潤滑剤組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材の冷間塑性加工では、加工時の摩擦低減や、工具と被加工材間の焼き付きを防止する目的で、潤滑剤が使用されている。そして、非常に過酷な冷間塑性加工、例えば、冷間鍛造、鋼管の冷間抽伸、鋼管の冷間圧延といった、加工度の高い、或いは摩擦面温度が高い塑性加工では、潤滑性の高い潤滑剤が必要とされている。
【０００３】
一般に潤滑剤には、油をベースとするもの、水をベースとするもの、さらには加工前に材料表面に被膜を形成させて使うタイプのものなどがある。
このうち、被膜タイプのものは、一般に耐焼き付き性に優れるため、上述のような過酷な冷間塑性加工に用いられてきたが、被加工材に被膜を形成するため、潤滑剤を被加工材に塗布して乾燥させる、という余分な工程が必要であり、生産効率、コストの面で問題がある。
【０００４】
水をベースにした潤滑剤には、水溶液タイプのもの、油を乳化させたエマルションタイプのものなどがある。これらは、熱伝導率の高い水をベースにしているため冷却性には優れる一方、形成される潤滑膜が薄いため、過酷な加工では焼き付きを防止することが難しかった。
【０００５】
油ベースのものは、最も広い範囲で使用されている。油ベースの潤滑剤は、水ベースのものに比べ、厚い潤滑膜が形成され易いためである。厳しい加工には、油中に極圧剤と呼ばれる添加剤を添加して、耐焼き付き性を向上させる手法がとられている。しかし、極圧剤を用いても、冷間鍛造、鋼管の冷間抽伸、鋼管の冷間圧延といった非常に厳しい加工では焼き付きを十分に防止できない。
【０００６】
焼き付き防止の目的で、ベースとなる水や油に固体粉末を添加することも試みられた。その焼き付き防止の機構は、例えば「プロセストライボロジー」（コロナ社、１９９３年発行）に記載されているように、固体粉末が厳しい加工においても工具と被加工材との界面に介在し、金属どうしの直接接触を物理的に防止するためである。
【０００７】
この目的に使用する固体粉末としては、黒鉛、二硫化モリブデン等が一般的である。これらはいずれも、冷間加工の温度範囲では熱的に安定な固体粉末であって、剪断力の小さい結晶格子滑り面を有することで潤滑効果を発揮し得る。しかし、これらの固体粉末はいずれも黒色粉末であり、これを添加した油、水等は黒色となり、潤滑個所周辺を黒色に汚染する。また、白色系の固体粉末を含有させた潤滑剤も種々開発されているが、いずれも厳しい冷間塑性加工にでは焼き付き防止効果が不十分であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、冷間鍛造、鋼管の冷間抽伸、鋼管の冷間圧延といった鋼材の非常に厳しい冷間塑性加工において、工具と被加工材の摩擦界面に強固な潤滑膜を形成し、両者の焼き付きを防止することができ、取り扱いと洗浄除去が容易で、好ましくは白色系の潤滑剤組成物を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題の解決手段について鋭意検討した結果、常温で液体である特定の有機化合物に微細なカルシウム含有固体粉末を分散させたものが有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明は、基油の７０質量％以上が常温で液体の有機塩素化合物、有機硫黄化合物、および有機リン化合物の１種以上からなる基油に、水酸化カルシウムおよび炭酸カルシウムから選ばれたカルシウム含有固体粉末を組成物全体の２０〜７０質量％の量で分散させてなる、鋼材の冷間塑性加工用潤滑剤組成物である。本発明の潤滑剤組成物において、固体粉末は平均粒径が２０μｍ以下のものが好ましい。また、本発明の潤滑剤組成物は、鋼管の冷間圧延に使用した場合に特に顕著な効果が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る鋼材の冷間塑性加工用潤滑剤組成物は、基油と固体粉末とから構成される。但し、後述するように、他の添加剤も含有しうる。
【００１２】
基油としては、従来より焼き付き防止や摩耗防止のための添加剤、特に極圧剤として使用されている、有機塩素化合物、有機硫黄化合物、および有機リン化合物から選んだ１種以上の化合物を使用する。これらの化合物は、基油として用いるため、常温で液体でなければならない。
【００１３】
本発明で使用する有機塩素化合物としては、動植物油や合成油またはその加水分解物を塩素化した塩素化油脂、塩素化エステル、塩素化脂肪酸、塩素化パラフィンなどを挙げることができる。
【００１４】
有機硫黄化合物としては、例えば、動植物油や合成油の硫化物である硫化油脂、硫化エステル、硫化脂肪酸、硫化オレフィン、ジヒドロカルビルポリサルファイド、チオカーバメート類、チオテルペン類、ジアルキルチオジプロピオネートなどを挙げることができる。
【００１５】
硫化油脂の例には、硫化鯨油、硫化ラード、硫化なたね油、硫化ひまし油、硫化大豆油、硫化米ぬか油などがある。硫化脂肪酸の例としては硫化オレイン酸などが、硫化エステルの例としては硫化オレイン酸メチルなどが挙げられる。硫化オレフィンとしては、例えば、下記一般式で示される化合物が挙げられる。
【００１６】
R1Ｓx R2  ・・・ (I)
上記式中、R1は炭素数２〜１５のアルケニル基、R2は炭素数２〜１５のアルキル基またはアルケニル基を示し、ｘは１〜８の整数である。この化合物は、炭素数２〜１５のオレフィン又はその２〜４量体を、硫黄、塩化硫黄等の硫化剤と反応させることによって得られ、該オレフィンとしては、オクテン、デセン、ドデセンなどが好ましい。しかし、プロピレンなどのより低級オレフィンも使用できる。
【００１７】
ジヒドロカルビルポリサルファイドとしては、下記一般式で示される化合物が挙げられる：
R3Ｓy R4  ・・・ (II)
上記式中、R3およびR4はそれぞれ炭素数１〜２０のヒドロカルビル基であり、互いに同一でも異なっていてもよく、ｙは２〜８の整数である。R3およびR4のヒドロカルビル基の例としては、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数３〜２０の環状アルキル基、炭素数６〜２０のアリール基、炭素数７〜２０のアルキルアリール基、および炭素数７〜２０のアリールアルキル基が挙げられる。R3とR4がいずれもアルキル基である化合物は、硫化アルキルとも呼ばれる。R3およびR4の具体例としては、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、イソブチル、ｓｅｃ−ブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、各種ペンチル、各種ヘキシル、各種ヘプチル、各種オクチル、各種ノニル、各種デシル、各種ドデシル、シクロヘキシル、シクロオクチル、フェニル、ナフチル、トリル、キシリル、ベンジル、フェネチルなどの各基を挙げることができる。一般式(II)のジヒドロカルビルポリサルファイドの具体例としては、例えば、ジベンジルポリサルファイド、ジｔｅｒｔ−ノニルポリサルファイド、ジドデシルポリサルファイド、ジｔｅｒｔ−ブチルポリサルファイド、ジオクチルポリサルファイド、ジフェニルポリサルファイド、ジシクロヘキシルポリサルファイドなどが挙げられる。
【００１８】
チオカーバメートの例としてはジンクジチオカーバメートなどを、チオテルペンの例としては、五硫化リンとピネンの反応物を、ジアルキルチオジプロピオネートの例としては、ジヘキシルチオジプロピオネート、ジラウリルチオジプロピオネート、ジステアリルチオジプロピオネートなどをそれぞれ挙げることができる。
以上の有機硫黄化合物のうち、極圧性、潤滑性などの点から、硫化油脂が特に好ましい。
【００１９】
有機リン化合物としては、アルキルホスファイト（例、デシルホスファイト）、アルキルもしくはアリールアシッドホスフェート（例、デシルアシッドホスフェート、フェニルアシッドホスフェート）、トリアルキルもしくはトリアリールホスフェート（例、トリヘキシルホスフェート、トリクレシルホスフェート）、ジチオリン酸亜鉛などが挙げられる。
【００２０】
本発明の潤滑剤組成物における基油（即ち、室温で液状の成分）は、上記のような有機塩素化合物、有機硫黄化合物および有機リン化合物から選んだ１種以上の化合物だけから構成することが好ましいが、少量であればそれ以外の基油（例えば、鉱油、動植物油、合成エステル等）を共存させてもよい。但し、他の基油は、基油全体の３０質量％以下とし、好ましくは１５質量％以下である。
【００２１】
本発明の潤滑剤組成物に用いるカルシウム含有固体粉末とは、基油および水に実質的に不溶性のカルシウム化合物を意味する。また、この固体粉末は、少なくとも２００℃までの温度で固体にとどまるものであることが好ましい。このようなカルシウム含有固体粉末として好ましいのは、炭酸カルシウムおよび水酸化カルシウム（消石灰）である。
【００２２】
炭酸カルシウムＣａＣＯ3 は、石灰石として天然に多量に存在し、これを機械的に粉砕、精選し、微粉砕したものが重質炭酸カルシウムである。また、石灰石を高温で焼成分解して生石灰ＣａＯにし、それを水和して消石灰Ｃａ（ＯＨ）2 とし、これを水中で微粉砕しスラリー状とした後、炭酸ガスを通じて炭酸塩にすると、コロイド状の沈殿炭酸カルシウムが得られる。本発明に用いられる炭酸カルシウムとしては、微粉末であれば、重質炭酸カルシウムと沈殿炭酸カルシウムのいずれも使用することができる。更に、沈殿炭酸カルシウムには、反応条件の異なる軽質炭酸カルシウム、コロイド状炭酸カルシウム、バテライト系炭酸カルシウム等の各種のものがあるが、いずれも使用できる。
【００２３】
また、これら炭酸カルシウムの基油への分散性を向上させるため、脂肪酸などで表面を処理した表面処理炭酸カルシウムも使用できる。この表面処理は、重質、沈殿を問わず全ての炭酸カルシウムに施すことができる。表面処理には、例えばラウリン酸ナトリウムなどのアニオン系の脂肪酸塩が使用され、炭酸カルシウムスラリーに添加するとナトリウムとカルシウムが置換されて大半は脂肪酸カルシウムになる。表面処理炭酸カルシウムは、その表面が脂肪酸カルシウムの層で被覆されているため、この脂肪酸塩の薄層によって粒子の表面エネルギーが低下するので、二次凝集が減少し、一次粒子近くまでほぐれ易くなる。そのため、炭酸カルシウム固体粉末が、基油中に一次粒子の状態で均一に分散し易くなる。
【００２４】
水酸化カルシウムは、上述したように、石灰石ＣａＣＯ3 を高温で焼成分解して、生石灰ＣａＯにし、それを水和して消石灰Ｃａ（ＯＨ）2 として得ることができる。
【００２５】
本発明の潤滑剤組成物は、工具と被加工材の摩擦界面に介在して潤滑膜を形成し、冷間鍛造、鋼管の冷間抽伸、鋼管の冷間圧延といった非常に過酷な冷間塑性加工においても、工具と被加工材の界面でのメタル接触、すなわち焼き付き、を防止することができる。その理由は次のように推測される。
【００２６】
まず、本発明の潤滑剤組成物で基油として使用する有機塩素化合物、有機硫黄化合物、および有機リン化合物は、ただ介在することで潤滑膜を形成するだけでなく、厳しい摩擦下で下地の工具あるいは被加工材の表面の金属成分と反応して、無機金属化合物 (例、塩化鉄、硫酸鉄、リン酸鉄など) からなる境界潤滑被膜を形成し、工具と被加工材間の焼き付きを防止する。しかし、この基油の作用だけでは、上記のような非常に過酷な冷間塑性加工での焼き付きを防止することはできない。
【００２７】
本発明の潤滑剤組成物は、この基油に分散させたカルシウム含有固体粉末を適量含有しており、この固体粉末が、工具と被加工材の界面を覆うように均一に拡がって、非常に過酷な冷間塑性加でも焼き付きを防止することができる。カルシウム含有固体粉末が他の固体粉末に比べて焼き付き防止能が高い理由は、完全には解明されていないが、次のように考えることができる。
【００２８】
例えば、炭酸カルシウムＣａＣＯ3 は弱酸と強塩基の塩であり、そこに強酸が存在すると強酸の塩を作って弱酸を遊離する加水分解反応が起こる。基油が分解して生じる強酸性のイオン、例えばＣｌ- 、ＰＯ4 2-、ＳＯ4 2-などが存在すると、ＣａＣＯ3 はそれぞれＣａＣｌ2 、ＣａＰＯ4 、ＣａＳＯ4 などの塩を形成し、加工により露出した金属面に生じている金属イオンＦｅ2+またはＦｅ3+と反応して、それぞれＦｅＣｌ2 、ＦｅＰＯ4 、ＦｅＳＯ4 などの境界潤滑被膜を構成する物質を生成する。すなわち、炭酸カルシウムは、基油が分解して境界潤滑皮膜を形成するのを促進する効果があると考えられる。
【００２９】
水酸化カルシウムは、一部は二酸化炭素を吸収して炭酸カルシウムとなり、上記のメカニズムで働くと考えられる。未反応の水酸化カルシウムも、それ自身がアルカリ性であるため、基油の分解で生じた強酸性イオンと反応して同様の塩を生成し、炭酸カルシウムと同様のメカニズムで境界潤滑皮膜の生成を促進すると考えられる。
【００３０】
本発明の潤滑剤組成物に用いられる固体粉末は、加工温度域で溶融するものではないので、粉末の分散が不十分で粒子の凝集した塊がある場合や、凝集していなくとも粒径が大きすぎる場合には、粒子が被加工材に押し込まれて押し込み疵を生じることがある。固体粉末の粒径が小さいほど、製品表面の押し込み疵を生じる可能性が低くなる。その意味で固体粉末は、一次粒子の平均粒径が２０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５μｍ以下である。
【００３１】
本発明の潤滑剤組成物において、固体粉末は組成物全体の５〜７０質量％の量で存在させる。固体粉末の量が５質量％未満になると、過酷な冷間塑性加工で焼き付きを防止できないことがあり、７０質量％より多くなると、いかなる基油を用いても系の粘度が高くなり過ぎて作業性が悪化する。固体粉末の量は好ましくは２０〜５０質量％である。
【００３２】
本発明の潤滑剤組成物の粘度は、使用する基油の粘度と固体粉末の量を調整することで、広い粘度範囲で自由に制御することができる。すなわち、基油に高粘度のものを使用すると系の粘度は高くなり、低いものを使用すると系の粘度は低くなる。また、固体粉末の添加量が多いと系の粘度は高くなり、少ないと低くなる。好ましい粘度範囲は１０００〜５００００ｍＰａ・ｓの範囲であり、より好ましくは５０００〜２００００Ｐａ・ｓの範囲である。この粘度とは常温常圧での粘度であり、例えば、Ｂ型粘度計などを用いて測定することができる。
【００３３】
本発明の潤滑剤組成物には、必要に応じて各種添加剤、例えば防錆添加剤、酸化防止剤、防食添加剤、界面活性剤などを添加することができ、その場合にも潤滑性能に著しい悪影響はない。
【００３４】
本発明の潤滑剤組成物は従来の油ベース潤滑剤と同様に使用することができる。すなわち、そのまま、或いは高濃度に調整したものを希釈して、ポンプによる塗布、スプレー塗布、ウオーターインジェクション、エアアトマイズなどの方法により冷間塑性加工工程に供給して使用することができる。また、界面活性剤などで乳化し、上述の方法で塗布することもできる。
【００３５】
本発明の潤滑剤組成物は、粘度および成分を調整することにより、全ての鋼材の冷間塑性加工に使用できる。例えば、鋼材の冷間鍛造、鋼管の冷間圧延および冷間抽伸、鋼板の冷間圧延、形鋼、鋼矢板、棒鋼、線材、板材、鋼管の矯正などが挙げられる。
【００３６】
中でも、鋼管の冷間圧延に本発明の潤滑剤組成物を使用すると、焼き付き防止効果が顕著に認められる。鋼管の冷間圧延では、被加工材鋼管内面とマンドレルと呼ばれる棒状工具との界面、および同鋼管外面と孔型ロールとの界面で焼き付きが問題となる。この種の加工では、加工度が高い上、異形材であるため潤滑剤を工具や被加工材に塗布してもすぐ流れ落ちてしまい、維持しておくことが難しかった。このため、加工時に十分な潤滑膜が形成されず、焼き付き疵が発生することがあった。しかし、本発明の潤滑剤組成物は、粘性が高いので、工具や被加工材に塗布された潤滑剤が流れ落ちてしまうような問題を生じない上、高潤滑性であるため、７０％以上の加工率となる鋼管の冷間圧延においても焼き付きを生じない。
【００３７】
本発明の潤滑剤組成物は、これを用いて冷間塑性加工を施した後、アルカリ洗浄、例えば、７０℃前後のオルソケイ酸ナトリウム水溶液で５〜１０分間洗浄することにより、被加工材の表面から容易に除去することができる。従って、取り扱いは従来の油ベース潤滑剤と同様でよく、余分な工程を必要としない。
【００３８】
【実施例】
表１に示す本発明に従った潤滑剤組成物と、表２に示す比較例の潤滑剤組成物をそれぞれ準備した。使用した固体粉末の詳細は次の通りである（カッコ内は平均粒径）。
【００３９】
炭酸カルシウム−Ａ：重質炭酸カルシウム（３０μｍ）
炭酸カルシウム−Ｂ：重質炭酸カルシウム（１５μｍ）
炭酸カルシウム−Ｃ：重質炭酸カルシウム（３μｍ）
炭酸カルシウム−Ｄ：沈殿炭酸カルシウム（０．１μｍ）
水酸化カルシウム−Ａ：消石灰（２８μｍ）
水酸化カルシウム−Ｂ：消石灰（１４μｍ）
水酸化カルシウム−Ｃ：消石灰（２．５μｍ）
水酸化カルシウム−Ｄ：消石灰（０．５μｍ）
黒鉛：天然黒鉛（１７μｍ）
二硫化モリブデン（１６μｍ）
上記のうち、炭酸カルシウム−Ｃ、Ｄは脂肪酸カルシウムで表面処理されたものであり、残りの固体粉末は未被覆である。
【００４０】
また、基油として使用した材料の詳細は次の通りである．
塩素化油脂：プレンライザーＯＰ−１３２（味の素社製）
塩素化パラフィン：エンパラＫ−４３（Ｃ１４）（同上）
塩素化エステル：アデカルーブＣＢ４１９（アデカ・ファインケミカル社製）
塩素化脂肪酸：アデカルーブＣＦ４０（同上）
硫化油脂：ＤＡＩＬＵＢＥ  ＧＳ１５０（大日本インキ化学工業社製）
硫化エステル：ＤＡＩＬＵＢＥ  ＧＳ２１０（同上）
硫化脂肪酸：ＤＡＩＬＵＢＥ  ＧＳ５５０（同上）
硫化オレフィン：ＤＡＩＬＵＢＥ  ＧＳ４３０（同上）
ジアルキルポリスルフィド：ＤＡＩＬＵＢＥ  ＧＳ８００（同上）。
【００４１】
潤滑性の評価は、リング圧縮試験での試験片表面の焼き付き程度と摩擦係数で行った。リング圧縮試験の試験方法は、図１に示すように、リング表面に潤滑剤組成物の原液をそのまま充分量ハケ塗りして図のダイス上に置き、その上からカバーとポンチを置き、図２に示すようにプレスで一定量変形させた。リング、ダイス、カバーおよびポンチは恒温オーブンで２００℃まで加熱してから試験に供した。これは、冷間での塑性加工といえども、過酷な塑性加工による加工熱および摩擦熱により被加工材の温度は上記の温度域まで上昇していると考えられるためである。潤滑剤組成物は試験直前にリング試験片に塗布した。
【００４２】
表３に、リング圧縮試験の条件を示す。また、リング圧縮試験での摩擦係数μの算出法を次に示す。h1, h2, ro, ri, ri' は、図２に示す通り、それぞれリング試験片の試験前高さ、試験後高さ、試験前外半径、試験前内半径、試験後内半径である。
【００４３】
【数１】
0003738643.tif 000002
【００４４】
潤滑性の評価基準としては、焼き付きが全く発生しなかった場合だけを良好と判断した。摩擦係数は、０．２以下であれば、実機で使用する上で問題ないと考えた。表１と２には、潤滑性評価の結果と潤滑剤組成物の粘度（Ｂ型粘度計で測定）を併せて一緒に示す。
【００４５】
【表１】
0003738643.tif 000003
【００４６】
【表２】
0003738643.tif 000004
【００４７】
【表３】
0003738643.tif 000005
【００４８】
表１に示すように、本発明に従った実施例では、焼き付きは全く発生せず、摩擦係数も０．１５以下と低い。一方、表２に示すように、比較例では焼き付きが発生した。また、比較例の組成物は摩擦係数も高めであり、場合により０．２を超えた。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の潤滑剤組成物を用いることによって、鋼材の非常に厳しい冷間塑性加工において、工具と被加工材の摩擦界面で強固な潤滑膜を形成することにより、両者の焼き付きを防止して、最終加工工程において良好な製品表面性状を確保できる。また、加工後の洗浄も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で潤滑性を評価するために用いたリング圧縮試験の概要を示す説明図である。
【図２】リング圧縮試験の前後でのリング試験片の断面を示す説明図である。
【図１】
0003738643.tif 000006
【図２】
0003738643.tif 000007