塑性加工用水系潤滑劑的製作方法
2023-08-05 16:38:51 1
專利名稱：塑性加工用水系潤滑劑的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於對諸如碳鋼、特種鋼和非鐵金屬等金屬材料進行塑性加工的塑性加工用水系潤滑劑，特別是涉及以下塑性加工用水系潤滑劑，該塑性加工用水系潤滑劑在短時間內被提供至高溫的被加工材料的表面以在其上形成潤滑塗層，從而能夠進行鍛造加工。
背景技術：
作為冷鍛技術，已知有包括下述步驟的方法在金屬材料的表面上預先形成諸如磷酸鋅等的轉化處理用潤滑塗層(以下稱為「磷酸鹽塗層」)，在加工過程中無需提供任何其他的潤滑劑，僅使用初期潤滑塗層來完成冷鍛處理(例如參見以下特許文獻1)。然而，如果在該方法中冷鍛處理重複進行多次，則初期潤滑塗層會被消耗，結果，由於例如潤滑塗層的耗盡而導致在加工過程中材料會發生咬死(seizure)。
為消除該問題，已經採納了以含有油溶性極壓添加劑的潤滑油潤滑金屬模具的同時進行加工處理的方法，或是下述方法，即中斷加工處理，一旦將被加工的材料從鍛造生產線中取出，將材料再次加熱，然後在材料上再次形成磷酸鹽塗層並使該材料返回鍛造生產線，由此完成加工處理(例如參見下述特許文獻2)。
然而，油溶性潤滑油可能伴有導致火災的危險，因而，已經對將油溶性潤滑油替換成水溶性潤滑劑或水溶性潤滑塗層進行了研究(例如參見以下特許文獻3、特許文獻4、特許文獻5、特許文獻6、特許文獻7、特許文獻8和特許文獻9)。然而，傳統的水溶性潤滑劑的潤滑性能卻不夠充分。
因而，需要開發一種塑性加工用水系潤滑劑，該水系潤滑劑能夠在諸如鍛造等加工處理中使用，特別是，在包括多個步驟並要求使用諸如高接觸壓力和高伸長比等苛刻的成型環境的塑性加工處理中使用，不會伴隨任何造成火災的危險，能夠耐受要求高接觸壓力和高伸長比的苛刻的成型環境，能夠在將該水溶性潤滑劑供應至金屬模具後立即形成高度緻密且強韌的塗層，允許完成多個連續的塑性加工步驟直至最後一步而不會在其間中斷這一系列的塑性加工步驟。
特許文獻1特開昭第62-100595號公報；特許文獻2特開平第1-166841號公報；特許文獻3特開平第5-279689號公報；特許文獻4特開平第6-1994號公報；特許文獻5特開平第10-8085號公報；特許文獻6特開平第10-46184號公報；特許文獻7特開平第11-50083號公報；特許文獻8特開平第11-323363號公報；特許文獻9特開第2001-323294號公報發明內容本發明的一個目的是提供一種塑性加工用水系潤滑劑，該水系潤滑劑能夠消除傳統水系潤滑劑具有的缺陷即潤滑性能不足的問題，並允許完成從原材料直至最終產品的多個連續的塑性加工步驟，而不會在其間中斷這一系列的塑性加工步驟。
本發明在此提供下述潤滑劑1.一種塑性加工用水系潤滑劑，該潤滑劑包含(a)10質量％～40質量％的固體潤滑劑；(b)2質量％～20質量％的同時具有潤滑性能和分散性能的附著劑；(c)2質量％～20質量％的同時具有潤溼特性和水蒸發促進作用的試劑；和水。
2.如前述第1項所述的塑性加工用水系潤滑劑，其中所述固體潤滑劑(a)包含二硫化鉬。
3.如前述第1項或第2項所述的塑性加工用水系潤滑劑，其中同時具有潤滑性能和分散性能的附著劑(b)包含異丁烯-馬來酸共聚物。
4.如前述第1～3項任一項所述的塑性加工用水系潤滑劑，其中同時具有潤溼特性和水蒸發促進作用的試劑(c)包含烷撐二醇。
5.如前述第1～4項任一項所述的塑性加工用水系潤滑劑，其中所述塑性加工是冷鍛。
根據本發明的塑性加工用水系潤滑劑是通過將固體潤滑劑、同時具有潤滑性能和分散性能的附著劑和同時具有潤溼特性和水蒸發促進作用的試劑溶解並分散在水溶液中獲得的，該塑性加工用水系潤滑劑同時具有下列特性(1)固體潤滑劑在水中的分散穩定性，(2)均勻的附著性，(3)快速乾燥性能，(4)塗層與被加工材料的附著強度和(5)高潤滑性能。因而，不存在造成火災的任何危險。此外，例如，如果在包括要求高加工率的多個塑性加工步驟的金屬材料的冷鍛過程中將潤滑劑供應至金屬模具，則不必將被加工的材料取出並且不必對所述材料進行退火處理，因而，能夠不中斷地進行一系列冷鍛操作直至獲得具有最終形狀的加工製品。
具體實施例方式
在包括要求高加工率的多個塑性加工步驟的冷鍛中，在進行鍛造之前，預先在被加工的材料表面形成潤滑劑塗層並進行從原料直至最後一步的全部加工步驟，而不向金屬模具供應任何潤滑劑，或者在向金屬模具供應潤滑劑的同時進行各個塑性加工步驟。然而，前一種方法的問題在於初期潤滑塗層被消耗，結果，由於例如潤滑塗層的耗盡而導致在加工過程中材料會發生咬死，而後一種方法同樣存在使得加工效率明顯下降的問題。
本發明在此提供一種塑性加工用水系潤滑劑，該水系潤滑劑能夠使得在鍛造過程中，當在每一步之前立即向被加工的材料供應潤滑劑時，能夠在其表面上瞬間(2秒之內)形成高度緻密且強韌的潤滑劑塗層，因而使得能夠連續完成包括多個塑性加工步驟甚至最終步驟的鍛造而不會在其間使鍛造中斷。用於該目的的潤滑劑應當同時滿足下列要求(1)固體潤滑劑在水中的分散穩定性，(2)均勻的附著性，(3)快速乾燥性能，(4)塗層與被加工材料的附著強度和(5)高潤滑性能(與在要求高接觸壓力和高伸長比的苛刻的成型環境中的磷酸鹽塗層所觀測到的那些性質相當)。
本發明涉及塑性加工用水系潤滑劑，其特徵在於其包含(a)固體潤滑劑；(b)同時具有潤滑性能和分散性能的附著劑；(c)同時具有潤溼特性和水蒸發促進作用的試劑，該塑性加工用水系潤滑劑溶解並分散於水中；並且該塑性加工用水系潤滑劑能夠滿足所有的鍛造要求(1)～(5)。
作為本發明中所使用的成分(a)的固體潤滑劑優選是在小於或等於500℃的溫度下具有減小摩擦係數的作用的物質，其例子包括氟化石墨、石墨、三聚氰胺與三聚氰酸的加合物(MCA)、二硫化鉬、二硫化鎢、經表面處理的微粒狀碳酸鈣、和經表面處理的微粒狀氫氧化鋁。其中，在此更優選使用二硫化鉬。這些固體潤滑劑可以單獨使用或作為兩種或兩種以上的混合物使用。
作為本發明中所使用的成分(b)的同時具有潤滑性能和分散性能的附著劑的例子包括聚乙烯吡咯烷酮和異丁烯-馬來酸共聚物。在此優選使用異丁烯-馬來酸共聚物。該共聚物的具體實例是異丁烯-馬來酸共聚物的鈉鹽、異丁烯-馬來酸共聚物的鉀鹽、異丁烯-馬來酸共聚物的鋰鹽、異丁烯-馬來酸共聚物的銨鹽、異丁烯-馬來酸共聚物的包含小於或等於5個碳原子的伯胺鹽、異丁烯-馬來酸共聚物的包含小於或等於3個碳原子的烷醇胺鹽、異丁烯-馬來酸共聚物的半甲基酯的銨鹽和異丁烯-馬來酸共聚物的半乙基酯的銨鹽。其中，特別優選的是通過以氨水中和分子量為50,000～400,000的異丁烯∶馬來酸酐(摩爾比＝1∶1)共聚物至中和度為0.6～1.0而得到的異丁烯-馬來酸共聚物的銨鹽。這些異丁烯-馬來酸共聚物可以單獨使用或作為兩種或兩種以上的混合物使用。
作為本發明中所使用的成分(c)的同時具有潤溼特性和水蒸發促進作用的試劑，例如，可以舉出烷撐二醇，並且在此特別優選使用沸點大於或等於150℃的烷撐二醇。該烷撐二醇的具體實例包括乙二醇(沸點198℃)、二乙二醇(沸點246℃)、三乙二醇(沸點285℃)、乙二醇單叔丁基醚(沸點153℃)和乙二醇單丁基醚(沸點171℃)。其中，特別優選二乙二醇。這些試劑可以單獨使用或作為兩種或兩種以上的混合物使用。
在本發明的潤滑劑中，如果將潤滑劑(原液)的總量假定為100質量％，則加入至潤滑劑中的各成分的量對於成分(a)為10質量％～40質量％，優選為15質量％～30質量％；對於成分(b)為2質量％～20質量％，優選為4質量％～12質量％；對於成分(c)為2質量％～20質量％，優選為3質量％～12質量％。
如果加入至潤滑劑中的成分(a)的量小於10質量％，則當附著於被加工的材料時所形成的潤滑劑塗層過薄，這會導致潤滑性能不足，而如果超過40質量％，則所得的潤滑產品粘度升高並且處理時其可加工性明顯惡化。
如果加入至潤滑劑中的成分(b)的量小於2質量％，則所得潤滑劑不具有所需的固體潤滑劑的分散穩定性和其對於被加工材料所需的附著性，而如果超過20質量％，則所得潤滑劑產品的粘度升高且其附著性也下降。
如果加入至潤滑劑中的成分(c)的量小於2質量％，則所得潤滑劑不具有所需的水蒸發促進效果且會提供乾燥性能不足的塗層，而其用量超過20質量％則會損害作為成分(a)的固體潤滑劑在水中的分散穩定性。
因而，根據本發明的塑性加工用水系潤滑劑必須包含10質量％～40質量％的固體潤滑劑作為成分(a)；2質量％～20質量％的同時具有潤滑性能和分散性能的附著劑作為成分(b)；2質量％～20質量％的同時具有潤溼特性和水蒸發促進作用的試劑作為成分(c)；和水，從而同時滿足下述要求(1)固體潤滑劑在水中的分散穩定性，(2)均勻的附著性，(3)快速乾燥性能，(4)塗層與被加工材料的附著強度和(5)高潤滑性能。
本發明的潤滑劑易於通過預先將成分(b)和成分(c)溶解在水中然後使用例如攪拌機使成分(a)均勻分散在所得溶液中而製備。為減少其分散所需的時間，也可以使用諸如均質器、均勻混合器和/或Manton-Gaulin分散機等設備。
此外，本發明的潤滑劑優選以傳統用量包含目前在傳統潤滑劑中所使用的例如消泡劑、防腐劑和/或防鏽劑等添加劑。
在實際使用之前用水將由此獲得的本發明的潤滑劑稀釋2倍～10倍，並且其通常以水性分散液的形式使用並通過噴霧塗布於物體上。根據本發明的塑性加工用水系潤滑劑優選在短時間內間歇性地噴霧於被加工的材料的表面上然後乾燥是適宜的，但本發明並不局限於該特定的實施方式。更具體地，水系潤滑劑的噴霧優選在1秒～2秒的時期內以0.01秒～0.05秒的間隔進行間歇噴霧操作(每次噴霧的時間為0.1秒～0.5秒)，從而在被加工的材料表面上形成潤滑劑塗層。
本發明的潤滑劑能夠應用於各種金屬材料的塑性加工，並優選能夠應用於特別是諸如那些由碳鋼和特種鋼製成的金屬部件(例如三角架接頭)的冷鍛。
實施例下面，將參考下述實施例和比較例對本發明進行更具體地描述。
實施例1～11和比較例1～6使用下述表1～3中規定的成分製備根據實施例1～11和比較例1～5的樣品潤滑劑。用水將這些樣品各自稀釋10倍，然後根據下述測試方法對各種性能進行評估。在此方面，比較例6是磷酸鋅塗層，因而只對塗層與被加工物體的附著性和潤滑性能進行檢測。
分散穩定性將各樣品(各自為100cc)採入具有磨口塞的容量為100cc的量筒中，然後將樣品在室溫下靜置48小時，然後對各樣品的狀況進行檢測並根據下述的四段標準對其進行評估。在此方面，將評估為○或□的樣品判定為實際可接受的。
○樣品完全均勻並完全沒有漂浮物和沉澱物；□樣品均勻並且沒有漂浮物。存在可觀察到的沉澱物，但當搖動圓筒少於10次時能夠使樣品變得均勻；△少於5cc的上層是透明的。即使當搖動圓筒不少於10次時沉澱物也不能均勻分散；×不少於5cc的上層是透明的。即使當搖動圓筒不少於30次時沉澱物也不能均勻分散。
附著性使用ANEST IWATA Corporation生產的二液式手噴槍(W-88-10K5G)將各樣品(各自為2cc)採入杯中。然後用5秒在1.5kg/cm2的空氣壓力下從距表面40cm處將各樣品間歇地噴霧於加熱至預定溫度的碳鋼件(S10C46mmΦ×30mm)的表面上15次(噴霧時間0.3秒；噴霧間隔0.03秒)。在各樣品噴霧之後觀察碳鋼件的表面並依據下述四段標準對其進行評估。在此方面，實際可接受的樣品應當評估為○。
○樣品均勻附著於碳鋼件的整個表面；□樣品附著於碳鋼件的整個表面，但其厚度不規則；△樣品不均勻地附著至表面(不少於50％的表面被覆有附著的塗層)；×樣品不均勻地附著至表面(少於50％的表面被覆有附著的塗層)。乾燥性能在檢測附著性的測試中，噴霧之後立即測定完成樣品乾燥所需的時間並根據下述三段標準對其進行評估。在此方面，實際可接受的樣品應當評估為○。
○樣品立即乾燥；△完成樣品乾燥需要1秒～2秒；×完成樣品乾燥需要的時間不少於2秒。塗層對鋼件的附著強度乾燥性能測試後使各碳鋼件冷卻至室溫，通過手指壓力將透明膠帶(Scotch tape)附著在該碳鋼件上然後再將膠帶剝離。根據下述三段標準對膠帶的汙著程度進行評估。在此方面，實際可接受的樣品應當評估為○。
○膠帶完全未被沾汙(可接受的膠帶顏色最多為淺灰色)；△塗層殘留在碳鋼件上，但膠帶受到黑色沾汙；×塗層被從碳鋼件表面上剝離。
潤滑性能根據日本特開平第5-7969號公報中所披露的所謂「Spike測試」評估各樣品的潤滑性能。測試條件如下所示1)金屬模具SKD-11(150℃)；2)試驗片S10C(150℃)20mmΦ(直徑)×30mm高度；3)樣品將用水(0.05cc)稀釋10倍的各樣品一次噴霧於維持在150℃的試驗片上並在噴霧後5秒內開始測試；4)評估記錄釘(spike)高(mm)和鍛造荷重(t)。潤滑性能用釘高/鍛造荷重(mm/t)的比表示。其實際使用所要求的值不小於0.135。
表1
表2
表3
*1異丁烯-馬來酸(1∶1)共聚物的Na鹽(中和度0.8；分子量200,000)*2異丁烯-馬來酸(1∶1)共聚物的NH4鹽(中和度0.8；分子量80,000)；*3異丁烯-馬來酸(1∶1)共聚物半乙基酯的NH4鹽(1∶1)(中和度0.8；分子量88,000)；*4磷酸鋅塗層。
前述數據清晰地表明本發明實施例1～11的潤滑劑具有優異的所有下述性能(1)分散穩定性，(2)均勻的附著性，(3)快速乾燥性能，(4)塗層與被加工材料的附著強度和(5)潤滑性能，所述潤滑劑包含(a)10質量％～40質量％的固體潤滑劑；(b)2質量％～20質量％的同時具有潤滑性能和分散性能的附著劑；(c)2質量％～20質量％的同時具有潤溼特性和水蒸發促進作用的試劑；和水。
相反，在比較例1～5中製備的潤滑劑存在下列問題更具體地，在比較例1中製備的未包含作為成分(c)的同時具有潤溼特性和水蒸發促進作用的試劑的潤滑劑在分散穩定性和150℃時的乾燥性能方面不足。
在比較例2中製備的未包含作為成分(b)的同時具有潤滑性能和分散性能的附著劑的潤滑劑在乾燥性能、均勻的附著性、塗層與被加工材料的附著強度以及潤滑性能方面不佳。
在比較例3中製備的未包含作為成分(a)的固體潤滑劑的潤滑劑在乾燥性能和潤滑性能方面不佳。
在比較例4中製備的未包含作為成分(c)的同時具有潤溼特性和水蒸發促進作用的試劑的潤滑劑在分散穩定性和150℃時的乾燥性能方面不佳。
在比較例5中製備的使用1質量％乙二醇作為同時具有潤溼特性和水蒸發促進作用的試劑的成分(c)的潤滑劑在分散穩定性、150℃時的乾燥性能以及潤滑性能方面不佳。
工業實用性通過將固體潤滑劑、同時具有潤滑性能和分散性能的附著劑和同時具有潤溼特性和水蒸發促進作用的試劑溶解並分散在水溶液中而製備的本發明的塑性加工用水系潤滑劑能夠同時滿足下述要求(1)固體潤滑劑在水中的分散穩定性，(2)均勻的附著性，(3)快速乾燥性能，(4)塗層與被加工材料的附著強度和(5)高潤滑性能。鑑於此，不存在導致火災的任何危險。此外，例如，如果在包括要求高加工率的多個塑性加工步驟的金屬材料的冷鍛中將潤滑劑供應至金屬模具，則不必將被加工的材料取出並且不必對所述材料進行退火處理，因而，能夠不中斷地進行一系列冷鍛操作直至獲得具有最終形狀的加工製品。
權利要求
1.一種塑性加工用水系潤滑劑，所述潤滑劑包含(a)10質量％～40質量％的固體潤滑劑；(b)2質量％～20質量％的同時具有潤滑性能和分散性能的附著劑；(c)2質量％～20質量％的同時具有潤溼特性和水蒸發促進作用的試劑；和水。
2.如權利要求1所述的塑性加工用水系潤滑劑，其中所述固體潤滑劑(a)包含二硫化鉬。
3.如權利要求1所述的塑性加工用水系潤滑劑，其中同時具有潤滑性能和分散性能的所述附著劑(b)包含異丁烯-馬來酸共聚物。
4.如權利要求1所述的塑性加工用水系潤滑劑，其中同時具有潤溼特性和水蒸發促進作用的所述試劑(c)包含烷撐二醇。
5.如權利要求1所述的塑性加工用水系潤滑劑，其中所述固體潤滑劑(a)包含二硫化鉬；同時具有潤滑性能和分散性能的所述附著劑(b)包含異丁烯-馬來酸共聚物；同時具有潤溼特性和水蒸發促進作用的所述試劑(c)包含烷撐二醇。
6.如權利要求1～5任一項所述的塑性加工用水系潤滑劑，其中所述塑性加工是冷鍛。
全文摘要
本發明提供一種塑性成形用水系潤滑劑，其中包含(a)10質量％～40質量％的固體潤滑劑；(b)2質量％～20質量％的同時具有潤滑性能和分散性能的附著劑；(c)2質量％～20質量％的同時具有潤溼特性和水蒸發促進作用的試劑；和水。當使用該潤滑劑時，不僅能夠解決傳統水溶性潤滑劑潤滑不足的缺點，而且塑性成形加工處理的多個階段中無需中斷，因此能夠連續進行從原料直至最終產品的塑性成形加工處理。
文檔編號C10M129/16GK1898367SQ20048003844
公開日2007年1月17日 申請日期2004年11月25日 優先權日2003年11月26日
發明者土井善久, 榊原正義, 酒井健次, 後藤孝一, 吉田広明, 伊藤樹一 申請人:本田技研工業株式會社