JP4054539B2 - 傾斜型２層潤滑皮膜を有する塑性加工用金属材料の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に、鍛造、伸線、伸管のような塑性加工に耐え得る優れた潤滑性を有する傾斜型２層潤滑皮膜を設けた新規な塑性加工用金属材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、鉄鋼、ステンレス等の金属材料を塑性加工する際には、被加工材と工具との金属接触により生ずる焼き付きやかじりを防止する目的で、金属表面に潤滑皮膜を形成させている。この潤滑皮膜としては、潤滑剤を金属表面に物理的に付着させて形成させるタイプのものと、化学反応により金属表面に化成処理皮膜を生成させた後に潤滑剤を付与して形成させるタイプのものがある。金属表面に物理的に付着させて形成させた潤滑皮膜は、金属表面に化成処理皮膜を生成させた後に潤滑剤を付与して形成させた潤滑皮膜に比べ、密着性が劣るため一般に軽加工用として使用される。化成処理皮膜を生成させた後に潤滑皮膜を形成させるタイプでは、表面にキャリアとしての役割を有するリン酸塩皮膜や蓚酸塩皮膜を生成させた後、滑り性のある潤滑剤を使用する。このタイプはキャリア皮膜としての化成皮膜と潤滑剤との二層構造を有しており、非常に高い耐焼き付き性を示す。そのため伸線、伸管、鍛造などの塑性加工分野において非常に広い範囲で使用されてきた。塑性加工の中でも特に加工が厳しい分野には、りん酸塩皮膜や蓚酸塩皮膜を下地にし、その上に潤滑剤を使用する方法が多用されている。
【０００３】
化成処理皮膜上に潤滑皮膜を形成させるのに用いられる潤滑剤は、使用方法で大きく二つに分けることが出来る。一つは、化成処理皮膜に潤滑剤を物理的に付着させるタイプのものであり、もう一つは、化成処理皮膜に潤滑剤を反応させて付着させるタイプのものである。前者の潤滑剤としては、鉱油、植物油及び合成油を基油として、その中に極圧剤を添加したもの、または黒鉛、二硫化モリブデン等の固体潤滑剤をバインダー成分とともに水に溶かし、付着、乾燥工程で使用するもの等が挙げられる。これらの潤滑剤はスプレー塗布や浸漬塗布により簡便に使用できるので、液管理も殆ど必要が無いなどの利点があるが、潤滑性が低いため比較的軽い潤滑の場合に使用される事が多い。一方後者の潤滑剤としては、ステアリン酸ナトリウムのような反応型石鹸が用いられている。反応型石鹸は、化成処理皮膜と反応することで高い潤滑性を発揮し、特に高い潤滑性が必要な場合に適する。
【０００４】
しかしながら化学反応を伴う反応型石鹸の使用は、液の管理、化学反応を制御するための温度管理、液の劣化による廃棄更新が必要となる。近年の地球環境保全を目的に、産業廃棄物の低減は大きな課題となっている。このために、廃棄物が生じない潤滑剤や処理方法が望まれているのである。また、従来技術は、工程や処理液の管理が複雑であるために簡便な処理が望まれている。このような課題や要望に沿うべく種々の潤滑皮膜形成組成物や形成方法が提案されている。例えば、水溶性高分子またはその水性エマルションを基材とし、固体潤滑剤と化成皮膜形成剤とを配合した潤滑剤組成物（特開昭５２−２０９６７号公報）等が示されているが、化成皮膜処理に匹敵するようなものは得られていない。
【０００５】
また、本出願人は、先に、（Ａ）水溶性無機塩、（Ｂ）固体潤滑剤、（Ｃ）鉱油、動植物油脂および合成油から選ばれる少なくとも１種の油成分、（Ｄ）界面活性剤ならびに（Ｅ）水からなる、固体潤滑剤および油が均一にそれぞれ分散および乳化した金属の冷間塑性加工用水系潤滑剤を提案した（特開平１０−８０８５号公報）が、この発明による潤滑剤は油成分を乳化しているために工業的に使用するには不安定であり、高い潤滑性を安定的に発揮すには至っていない。また、（Ａ）合成樹脂、（Ｂ）水溶性無機塩および水を含有し、この固形分重量比（Ｂ）／（Ａ）が０．２５／１〜９／１であって、合成樹脂が溶解または分散している、金属材料の塑性加工用潤滑剤組成物を提案した（特開２０００−６３８８０）が、この発明による潤滑剤は合成樹脂を主成分としており、厳しい加工条件では充分な潤滑性を安定的に発揮するには至っていない。また、これらの発明の潤滑剤は成分やその比率を限定しているものの、その潤滑皮膜自体の構造に関しては、なんら記述がなく、その特定はなされていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の抱える問題を解決するためのものであり、地球環境保全を考慮し、各種金属材料に適用でき、且つ従来の化成処理を不要とする塗布型の金属塑性加工用水系潤滑剤を用い、さらにその皮膜構造を限定することにより優れた潤滑性を有する塑性加工用金属材料およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するための手段について鋭意研究を行った結果、表面の金属界面側に特定の厚さのベース層を形成させ、また表面側に特定の厚さの滑剤層を形成させ、且つこの滑剤層／ベース層の層厚比を特定の値にした傾斜型２層潤滑皮膜を有する塑性加工用金属材料が優れた潤滑性を有することを知見し、またこの傾斜型２層潤滑皮膜は金属表面に無機化合物および滑剤を主成分として含む水系の処理液を接触させ、次いで乾燥させることにより得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、化成処理を施さない金属材料表面に、りん酸亜鉛、四ホウ酸ナトリウム、四ホウ酸カリウム及び硫酸カリウムから選ばれた少なくとも一種の無機化合物、並びにステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、マイクロクリスタリンワックス、ポリテトラフルオロエチレン（及びポリエチレンワックスから選ばれた少なくとも一種の滑剤を主成分として含む水系の処理液を接触させて該処理液の薄膜を作り、次いで該処理液温度より高い温度の温風を送風して乾燥させることにより、金属との界面側に上記無機化合物を主成分とする厚さ０．１〜１５μｍのベース層が位置し、また表面側に上記滑剤を主成分とする厚さ０．１〜１０μｍの滑剤層が位置し、且つ滑剤層／ベース層の層厚比が０．２〜３である傾斜型２層潤滑皮膜を形成させることを特徴とする塑性加工用金属材料の製造方法である。前記金属材料は、鉄、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金、銅、銅合金、錫、錫合金などが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の内容をより詳細に説明する。本発明の塑性加工用金属材料は、その表面にベース層と滑剤層からなる傾斜型２層潤滑皮膜を有する。本発明における傾斜型２層潤滑皮膜の傾斜型とは、皮膜層中で濃度勾配を有することを意味する。すなわち、完全に成分が２分化（２層化）されたものではなく、皮膜の最表面から金属界面に向かって、滑剤の濃度は減少し、反対にベース成分濃度は増加していくものである。本発明において、ベース層は、塑性加工時の追従性が良く、滑剤を保持し、金型との焼付きに対する硬さと強度を付与させるためのものである。一方、滑剤層は皮膜の滑り性を良くし摩擦係数を軽減させる作用を有するものである。金属側にベース層、表面側に滑剤層の２つの層を存在させることが重要であり、どちらか一方では、塑性加工に耐えうる潤滑性を発揮しない。
【００１０】
上記のベース層の厚さは、０．１〜１５μｍの範囲が好ましく、２〜８μｍの範囲がより好ましい。ベース層の厚さが０．１μｍ未満では充分な滑剤保持性が発揮されない。また、ベース層の厚さが１５μｍを超えると膜が厚すぎ加工時に押し込みキズなどを作りやすくなるために好ましくない。上記の滑剤層の厚さは、０．１μｍ〜１０μｍの範囲が好ましく、１〜６μｍの範囲がより好ましい。滑剤層の厚さが、０．１μｍ未満では充分な滑り性が得られない。また、１０μｍを超えると、加工時に余剰カス（金型などに付着）を生じるようになり好ましくない。滑剤層／ベース層の層厚比は０．２〜３の範囲内が良く、０．２未満では、皮膜全体として硬すぎて、滑り性が劣り、好ましくない。また、３以上では保持性が劣り、全体としての追従性が不純となり好ましくない。潤滑皮膜の全膜厚は、ベース層と滑剤層の厚さの合計であり、０．２〜２５μｍの範囲である。全膜厚が０．２μｍ未満では潤滑性が不充分であり、厳しい加工度の塑性加工に耐えられない。また、２５μｍを超えると余剰カスが多くなることとコストが高くなり好ましくない。
【００１１】
潤滑皮膜の全膜厚、ベース層および滑剤層の厚さは、皮膜形成後の金属材料を切断し、この断面を研磨し、分析することにより測定する。全膜厚は、特に高度な分析機器は必要とせず、顕微鏡で観察し得る。ベース層および滑剤層の厚さは、ＥＰＭＡを使用し測定する。断面の皮膜部分を定量分析するが、先ず、ベース層と滑剤層の主成分の代表元素を設定する。例えば、ベース層の主成分がりん酸亜鉛であるならばリンを代表元素に設定するのが適当であり、また滑剤層の主成分がワックスであれば炭素を代表元素に設定するのが適当である。この２つの元素の定量分析を表面から金属界面へ線分析する。次いで、この２つの存在比率をモル分率で計算する。モル分率がＣ／Ｐが１以上までを滑剤層、１未満をベース層とする。実際の測定では、当然のことながら、データのバラツキおよび皮膜の不均一（皮膜の部位によるバラツキ）を補正する目的で、この線分析は皮膜の部位を変え、５回以上行い、この平均化したものにより、最終的にベース層、滑剤層の膜厚を算出する。
【００１２】
傾斜型２層皮膜を生成しうることが可能であり、且つ潤滑皮膜としてのベース層に求められる追従性、密着性、強度および滑剤層に求められる滑り性を考慮し、これらの成分を選択した結果、ベース層の成分としては、無機化合物が好ましいことがわかった。この無機化合物は、りん酸亜鉛、四ホウ酸ナトリウム、四ホウ酸カリウム及び硫酸カリウムである。これらは単独で用いてもよいし、２種以上組み合わせてもよい。
【００１３】
また、滑剤層の成分としては、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、マイクロクリスタリンワックス、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）及びポリエチレンワックスから選ばれる少なくとも一種を使用する。
【００１４】
次に、金属材料の表面に本発明のベース層と滑剤層からなる傾斜型２層潤滑皮膜を形成させる方法について説明する。この傾斜型２層潤滑皮膜は、金属材料表面に、無機化合物および滑剤を主成分として含む水系の処理液を接触させ、次いで乾燥させることにより形成する。その具体的操作を説明する。また、傾斜型２層潤滑皮膜は次のような理論で形成されると考えられる。先ず、ベース層成分と滑剤層成分とを均一に溶解あるいは分散させた処理液を調製する。この処理液を金属材料表面に塗布する。金属材料表面に処理液の薄膜ができる。そして、常温の金属材料に常温の処理液を塗布し、金属材料表面に処理液の薄膜を作り、その後温風を送風することにより乾燥する場合には、気液界面の温度が高くなり、この界面での表面張力が低下し、これを緩和するために処理液の薄膜内で微小の対流が生じ、いわゆるベナール・セルが生じる。
【００１５】
上記の場合、対流が生じるとともに、空気との親和力の高い成分と金属や水との親和性の高い成分とに分離するようになる。そして、徐々に水が揮発して最終的な膜となった時に、成分の濃度勾配を生じた傾斜皮膜、すなわち金属との界面側とその反対の表面側とでは、特定の成分がリッチとなることに起因して成分差が生じるのである。
【００１６】
以上のように、本発明の金属材料表面への潤滑皮膜の形成は、金属材料を処理液に接触させ、次いで乾燥させることによって形成させるものであって、未反応型の潤滑皮膜の形成である。そして、傾斜型２層潤滑皮膜の形成を助長する目的で、必要に応じて処理液中に公知の増粘剤や界面活性剤を添加してもよい。例えば、平滑性を向上させ、皮膜ムラを抑制する場合などには増粘剤は有効である。また、皮膜の密着性を上げるためにバインダー成分として、高分子化合物などを添加してもよい。
【００１７】
本発明の対象となる金属材料としては、鉄、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金、銅、銅合金、錫、錫合金などが好ましい。金属材料の形状としては、棒材やブロック材等の素材だけでなく、鍛造後の形状物（ギヤやシャフト等）でもよく、特に限定されない。本発明では、金属材料を上記の処理液に接触させる前に、ショットブラスト、サンドブラスト、アルカリ脱脂および酸洗浄から成る群から選ばれる少なくとも１種の清浄化処理を行うことが好ましい。ここでの清浄化とは、焼鈍等により成長した酸化スケールや各種の汚れ（油など）を除去することを目的とするものである。
【００１８】
本発明の金属表面に形成させる潤滑皮膜の皮膜厚は、処理液の塗布量および処理液中の無機化合物および滑剤の濃度を適宜コントロールすることにより、規定の膜厚になるように調整する。塗布量は特に限定されるものではないが、一般的に１０〜１００ｇ／ｍ2である。また、無機化合物および滑剤の濃度も特に限定されるものではないが、一般的に０．１〜３０重量％である。なお、接触時間、接触温度等は特に限定されるものではない。接触方法も特に限定されるものではないが、浸漬方法、フローコート方法、スプレ−方法などを使用することができる。乾燥方法は、熱風を吹き付ける方法を使用する。
【００１９】
【実施例】
本発明の実施例を比較例と共に挙げ、その効果をより具体的に説明する。
＜素材＞
・後方せん孔試験片
後方せん孔試験に供した材料は市販のＳ４５Ｃ球状化焼鈍材であり、試験片の形状は円柱状であり、直径３０ｍｍφで、高さは１８〜４０ｍｍまで２ｍｍ単位で変えたものである。
・スパイク試験片
スパイク試験に供した材料は市販のＳ４５Ｃ球状化焼鈍材であり、試験片の形状は円柱状であり、直径２５ｍｍφで、高さが３０ｍｍである。
【００２０】
＜処理液＞
処理液１．
ベース層成分：りん酸亜鉛
滑剤層成分：ステアリン酸亜鉛
滑剤／無機化合物比：０．６
固形分濃度：３重量％
処理液２．
ベース層成分：りん酸亜鉛＋四ホウ酸ナトリウム（重量比１：２）
滑剤層成分：ステアリン酸亜鉛＋ステアリン酸カルシウム（重量比１：１）
滑剤／無機化合物比：１．０
固形分濃度：１０重量％
処理液３．
ベース層成分：四ホウ酸カリウム
滑剤層成分：マイクロクリスタリンワックス
滑剤／無機化合物比：０．３
固形分濃度：５重量％
【００２１】
処理液４．
ベース層成分：硫酸カリウム＋四ホウ酸カリウム（重量比１：１）
滑剤層成分：ＰＴＦＥ
滑剤／無機化合物比：０．３
固形分濃度：２０重量％
処理液５．
ベース層成分：四ホウ酸ナトリウム
滑剤層成分：ステアリン酸カルシウム＋ポリエチレンワックス(重量比１：２)
滑剤／無機化合物比：３．０
固形分濃度：１０重量％
処理液６．
ベース層成分：四ホウ酸ナトリウム
滑剤層成分：なし
固形分濃度：１０重量％
処理液７．
ベース層成分：なし
滑剤層成分：ポリエチレンワックス
固形分濃度：１０重量％
【００２２】
実施例１〜５
前記の素材を、市販の脱脂剤（登録商標ファインクリーナー４３６０、日本パーカライジング(株)製）で濃度２０ｇ／Ｌ、温度６０℃、浸漬時間１０分にて脱脂処理し、６０℃の水道水で３０秒間浸漬水洗した。次いで、各素材を６０℃の前記の処理液１〜５に夫々１０秒間浸漬し、引上げ、液が付着したままの状態で８０℃の温風を３分間吹き付けて乾燥させた。
比較例１〜２
前記の素材を、実施例１〜５と同様に脱脂、水洗処理し、次いで前記の処理液６および処理液７を用いて、実施例１〜５と同様に処理した。
比較例３
前記の素材を、実施例１〜５と同様に脱脂、水洗処理した。次いで、６０℃の前記の処理液１に１０秒間浸漬し、引上げ、エアーブロー（空気圧３Kgf/cm2）して充分に液切りを行い、その後８０℃の温風を３分間吹き付けて乾燥した。
実施例１〜５および比較例１〜３の素材の各試験片について、下記に示す方法で潤滑皮膜の全膜厚、ベース層の厚さ及び滑剤層の厚さを測定し、また下記に示す方法で、後方せん孔試験およびスパイク試験を行った。この測定および試験の結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】
【００２４】
表１から明らかなように、本発明の塑性加工用金属材料の製造方法による実施例１〜５は優れた潤滑性を発揮することが分かる。滑剤層の層厚と滑剤層／ベース層の比が本発明の範囲外である比較例１は潤滑性が劣っていた。特にスパイクテストでは金型に焼付きを生じ、成形できなかった。また、ベース層の層厚と滑剤層／ベース層の比が本発明の範囲外である比較例２も潤滑性が劣っていた。さらに、ベース層および滑剤層の層厚が本発明の範囲外である比較例３も潤滑性が劣っていた。
【００２５】
測定・試験方法
（１）全膜厚、ベース層の厚さ及び滑剤層の厚さの測定方法
市販のＥＰＭＡ（島津製作所（株）製 ８７０５Ｌ型）を用い、皮膜の断面観察によってベース層および滑剤層の層厚を測定した。測定に当って、代表元素には、処理液１および２ではＰおよびＣ、処理液３ではＫおよびＣ、処理液４ではＫおよびＦ、処理液５ではＮａおよびＣとした。なお、測定は部位を変え、５回行い、この平均値を示した。
【００２６】
（２）後方せん孔試験方法（図１参照）
図１の（Ａ）に示す一組の前記した円柱型の後方せん孔試験片を、順次、図１の（Ｂ）に示す２００トンクランクプレスのダイとパンチによって成形加工し、図１の（Ｃ）のカップ状成型品を作成する。成形においては、１０ｍｍを残し、減面率５０％の加工である。内面にキズが入っていない試験片のカップ内高さを良好穿孔深さ（ｍｍ）とする。ここでは、従来の化成反応／石鹸処理にて作成したサンプルの性能である５６ｍｍ以上を良好とする。なお、ダイはＳＫＤ１１、パンチはＨＡＰ４０、ランド径２１．２１ｍｍφでｍ加工速度は３０ストローク／分である。
【００２７】
（３）スパイク試験方法（図２参照）
スパイク試験は、特開平５−７９６９号公報記載の方法に準じた。図２の（ａ）に示すごとく、ロート状の内面形状を有するダイ２の上に、前記の円柱状のスパイク試験片２を乗せて、この後プレート３を介して荷重をかけて試験片をダイ内に押し込んで、図２の（ｂ）に示す加工後の試験片の形状に成形する。これによりダイ形状に従うスパイクを形成し、この際のスパイク高さ（ｍｍ）で潤滑性を評価した。したがって、高さが高い方が潤滑性に優れるとの評価である。ここでは、従来の化成反応／石鹸処理にて作成したサンプルの性能である、１３．０ｍｍ以上を良好と評価している。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の塑性加工用金属材料の製造方法を用いると、簡便な処理で高い潤滑性を有する皮膜を生成することができ、また、産業廃棄物も発生せず環境への負荷も少ないので産業上の利用価値も極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】後方せん孔試験方法を説明する図
【図２】スパイク試験方法を説明する図
【符号の説明】
（Ａ） 成形加工前の試験片、（Ｂ） トランクプレス、（Ｃ） 成形加工後の試験片、１ プレート、２ 試験片、３ ダイ
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に、鍛造、伸線、伸管のような塑性加工に耐え得る優れた潤滑性を有する傾斜型２層潤滑皮膜を設けた新規な塑性加工用金属材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、鉄鋼、ステンレス等の金属材料を塑性加工する際には、被加工材と工具との金属接触により生ずる焼き付きやかじりを防止する目的で、金属表面に潤滑皮膜を形成させている。この潤滑皮膜としては、潤滑剤を金属表面に物理的に付着させて形成させるタイプのものと、化学反応により金属表面に化成処理皮膜を生成させた後に潤滑剤を付与して形成させるタイプのものがある。金属表面に物理的に付着させて形成させた潤滑皮膜は、金属表面に化成処理皮膜を生成させた後に潤滑剤を付与して形成させた潤滑皮膜に比べ、密着性が劣るため一般に軽加工用として使用される。化成処理皮膜を生成させた後に潤滑皮膜を形成させるタイプでは、表面にキャリアとしての役割を有するリン酸塩皮膜や蓚酸塩皮膜を生成させた後、滑り性のある潤滑剤を使用する。このタイプはキャリア皮膜としての化成皮膜と潤滑剤との二層構造を有しており、非常に高い耐焼き付き性を示す。そのため伸線、伸管、鍛造などの塑性加工分野において非常に広い範囲で使用されてきた。塑性加工の中でも特に加工が厳しい分野には、りん酸塩皮膜や蓚酸塩皮膜を下地にし、その上に潤滑剤を使用する方法が多用されている。
【０００３】
化成処理皮膜上に潤滑皮膜を形成させるのに用いられる潤滑剤は、使用方法で大きく二つに分けることが出来る。一つは、化成処理皮膜に潤滑剤を物理的に付着させるタイプのものであり、もう一つは、化成処理皮膜に潤滑剤を反応させて付着させるタイプのものである。前者の潤滑剤としては、鉱油、植物油及び合成油を基油として、その中に極圧剤を添加したもの、または黒鉛、二硫化モリブデン等の固体潤滑剤をバインダー成分とともに水に溶かし、付着、乾燥工程で使用するもの等が挙げられる。これらの潤滑剤はスプレー塗布や浸漬塗布により簡便に使用できるので、液管理も殆ど必要が無いなどの利点があるが、潤滑性が低いため比較的軽い潤滑の場合に使用される事が多い。一方後者の潤滑剤としては、ステアリン酸ナトリウムのような反応型石鹸が用いられている。反応型石鹸は、化成処理皮膜と反応することで高い潤滑性を発揮し、特に高い潤滑性が必要な場合に適する。
【０００４】
しかしながら化学反応を伴う反応型石鹸の使用は、液の管理、化学反応を制御するための温度管理、液の劣化による廃棄更新が必要となる。近年の地球環境保全を目的に、産業廃棄物の低減は大きな課題となっている。このために、廃棄物が生じない潤滑剤や処理方法が望まれているのである。また、従来技術は、工程や処理液の管理が複雑であるために簡便な処理が望まれている。このような課題や要望に沿うべく種々の潤滑皮膜形成組成物や形成方法が提案されている。例えば、水溶性高分子またはその水性エマルションを基材とし、固体潤滑剤と化成皮膜形成剤とを配合した潤滑剤組成物（特開昭５２−２０９６７号公報）等が示されているが、化成皮膜処理に匹敵するようなものは得られていない。
【０００５】
また、本出願人は、先に、（Ａ）水溶性無機塩、（Ｂ）固体潤滑剤、（Ｃ）鉱油、動植物油脂および合成油から選ばれる少なくとも１種の油成分、（Ｄ）界面活性剤ならびに（Ｅ）水からなる、固体潤滑剤および油が均一にそれぞれ分散および乳化した金属の冷間塑性加工用水系潤滑剤を提案した（特開平１０−８０８５号公報）が、この発明による潤滑剤は油成分を乳化しているために工業的に使用するには不安定であり、高い潤滑性を安定的に発揮すには至っていない。また、（Ａ）合成樹脂、（Ｂ）水溶性無機塩および水を含有し、この固形分重量比（Ｂ）／（Ａ）が０．２５／１〜９／１であって、合成樹脂が溶解または分散している、金属材料の塑性加工用潤滑剤組成物を提案した（特開２０００−６３８８０）が、この発明による潤滑剤は合成樹脂を主成分としており、厳しい加工条件では充分な潤滑性を安定的に発揮するには至っていない。また、これらの発明の潤滑剤は成分やその比率を限定しているものの、その潤滑皮膜自体の構造に関しては、なんら記述がなく、その特定はなされていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の抱える問題を解決するためのものであり、地球環境保全を考慮し、各種金属材料に適用でき、且つ従来の化成処理を不要とする塗布型の金属塑性加工用水系潤滑剤を用い、さらにその皮膜構造を限定することにより優れた潤滑性を有する塑性加工用金属材料およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するための手段について鋭意研究を行った結果、表面の金属界面側に特定の厚さのベース層を形成させ、また表面側に特定の厚さの滑剤層を形成させ、且つこの滑剤層／ベース層の層厚比を特定の値にした傾斜型２層潤滑皮膜を有する塑性加工用金属材料が優れた潤滑性を有することを知見し、またこの傾斜型２層潤滑皮膜は金属表面に無機化合物および滑剤を主成分として含む水系の処理液を接触させ、次いで乾燥させることにより得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、化成処理を施さない金属材料表面に、りん酸亜鉛、四ホウ酸ナトリウム、四ホウ酸カリウム及び硫酸カリウムから選ばれた少なくとも一種の無機化合物、並びにステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、マイクロクリスタリンワックス、ポリテトラフルオロエチレン（及びポリエチレンワックスから選ばれた少なくとも一種の滑剤を主成分として含む水系の処理液を接触させて該処理液の薄膜を作り、次いで該処理液温度より高い温度の温風を送風して乾燥させることにより、金属との界面側に上記無機化合物を主成分とする厚さ０．１〜１５μｍのベース層が位置し、また表面側に上記滑剤を主成分とする厚さ０．１〜１０μｍの滑剤層が位置し、且つ滑剤層／ベース層の層厚比が０．２〜３である傾斜型２層潤滑皮膜を形成させることを特徴とする塑性加工用金属材料の製造方法である。前記金属材料は、鉄、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金、銅、銅合金、錫、錫合金などが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の内容をより詳細に説明する。本発明の塑性加工用金属材料は、その表面にベース層と滑剤層からなる傾斜型２層潤滑皮膜を有する。本発明における傾斜型２層潤滑皮膜の傾斜型とは、皮膜層中で濃度勾配を有することを意味する。すなわち、完全に成分が２分化（２層化）されたものではなく、皮膜の最表面から金属界面に向かって、滑剤の濃度は減少し、反対にベース成分濃度は増加していくものである。本発明において、ベース層は、塑性加工時の追従性が良く、滑剤を保持し、金型との焼付きに対する硬さと強度を付与させるためのものである。一方、滑剤層は皮膜の滑り性を良くし摩擦係数を軽減させる作用を有するものである。金属側にベース層、表面側に滑剤層の２つの層を存在させることが重要であり、どちらか一方では、塑性加工に耐えうる潤滑性を発揮しない。
【００１０】
上記のベース層の厚さは、０．１〜１５μｍの範囲が好ましく、２〜８μｍの範囲がより好ましい。ベース層の厚さが０．１μｍ未満では充分な滑剤保持性が発揮されない。また、ベース層の厚さが１５μｍを超えると膜が厚すぎ加工時に押し込みキズなどを作りやすくなるために好ましくない。上記の滑剤層の厚さは、０．１μｍ〜１０μｍの範囲が好ましく、１〜６μｍの範囲がより好ましい。滑剤層の厚さが、０．１μｍ未満では充分な滑り性が得られない。また、１０μｍを超えると、加工時に余剰カス（金型などに付着）を生じるようになり好ましくない。滑剤層／ベース層の層厚比は０．２〜３の範囲内が良く、０．２未満では、皮膜全体として硬すぎて、滑り性が劣り、好ましくない。また、３以上では保持性が劣り、全体としての追従性が不純となり好ましくない。潤滑皮膜の全膜厚は、ベース層と滑剤層の厚さの合計であり、０．２〜２５μｍの範囲である。全膜厚が０．２μｍ未満では潤滑性が不充分であり、厳しい加工度の塑性加工に耐えられない。また、２５μｍを超えると余剰カスが多くなることとコストが高くなり好ましくない。
【００１１】
潤滑皮膜の全膜厚、ベース層および滑剤層の厚さは、皮膜形成後の金属材料を切断し、この断面を研磨し、分析することにより測定する。全膜厚は、特に高度な分析機器は必要とせず、顕微鏡で観察し得る。ベース層および滑剤層の厚さは、ＥＰＭＡを使用し測定する。断面の皮膜部分を定量分析するが、先ず、ベース層と滑剤層の主成分の代表元素を設定する。例えば、ベース層の主成分がりん酸亜鉛であるならばリンを代表元素に設定するのが適当であり、また滑剤層の主成分がワックスであれば炭素を代表元素に設定するのが適当である。この２つの元素の定量分析を表面から金属界面へ線分析する。次いで、この２つの存在比率をモル分率で計算する。モル分率がＣ／Ｐが１以上までを滑剤層、１未満をベース層とする。実際の測定では、当然のことながら、データのバラツキおよび皮膜の不均一（皮膜の部位によるバラツキ）を補正する目的で、この線分析は皮膜の部位を変え、５回以上行い、この平均化したものにより、最終的にベース層、滑剤層の膜厚を算出する。
【００１２】
傾斜型２層皮膜を生成しうることが可能であり、且つ潤滑皮膜としてのベース層に求められる追従性、密着性、強度および滑剤層に求められる滑り性を考慮し、これらの成分を選択した結果、ベース層の成分としては、無機化合物が好ましいことがわかった。この無機化合物は、りん酸亜鉛、四ホウ酸ナトリウム、四ホウ酸カリウム及び硫酸カリウムである。これらは単独で用いてもよいし、２種以上組み合わせてもよい。
【００１３】
また、滑剤層の成分としては、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、マイクロクリスタリンワックス、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）及びポリエチレンワックスから選ばれる少なくとも一種を使用する。
【００１４】
次に、金属材料の表面に本発明のベース層と滑剤層からなる傾斜型２層潤滑皮膜を形成させる方法について説明する。この傾斜型２層潤滑皮膜は、金属材料表面に、無機化合物および滑剤を主成分として含む水系の処理液を接触させ、次いで乾燥させることにより形成する。その具体的操作を説明する。また、傾斜型２層潤滑皮膜は次のような理論で形成されると考えられる。先ず、ベース層成分と滑剤層成分とを均一に溶解あるいは分散させた処理液を調製する。この処理液を金属材料表面に塗布する。金属材料表面に処理液の薄膜ができる。そして、常温の金属材料に常温の処理液を塗布し、金属材料表面に処理液の薄膜を作り、その後温風を送風することにより乾燥する場合には、気液界面の温度が高くなり、この界面での表面張力が低下し、これを緩和するために処理液の薄膜内で微小の対流が生じ、いわゆるベナール・セルが生じる。
【００１５】
上記の場合、対流が生じるとともに、空気との親和力の高い成分と金属や水との親和性の高い成分とに分離するようになる。そして、徐々に水が揮発して最終的な膜となった時に、成分の濃度勾配を生じた傾斜皮膜、すなわち金属との界面側とその反対の表面側とでは、特定の成分がリッチとなることに起因して成分差が生じるのである。
【００１６】
以上のように、本発明の金属材料表面への潤滑皮膜の形成は、金属材料を処理液に接触させ、次いで乾燥させることによって形成させるものであって、未反応型の潤滑皮膜の形成である。そして、傾斜型２層潤滑皮膜の形成を助長する目的で、必要に応じて処理液中に公知の増粘剤や界面活性剤を添加してもよい。例えば、平滑性を向上させ、皮膜ムラを抑制する場合などには増粘剤は有効である。また、皮膜の密着性を上げるためにバインダー成分として、高分子化合物などを添加してもよい。
【００１７】
本発明の対象となる金属材料としては、鉄、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金、銅、銅合金、錫、錫合金などが好ましい。金属材料の形状としては、棒材やブロック材等の素材だけでなく、鍛造後の形状物（ギヤやシャフト等）でもよく、特に限定されない。本発明では、金属材料を上記の処理液に接触させる前に、ショットブラスト、サンドブラスト、アルカリ脱脂および酸洗浄から成る群から選ばれる少なくとも１種の清浄化処理を行うことが好ましい。ここでの清浄化とは、焼鈍等により成長した酸化スケールや各種の汚れ（油など）を除去することを目的とするものである。
【００１８】
本発明の金属表面に形成させる潤滑皮膜の皮膜厚は、処理液の塗布量および処理液中の無機化合物および滑剤の濃度を適宜コントロールすることにより、規定の膜厚になるように調整する。塗布量は特に限定されるものではないが、一般的に１０〜１００ｇ／ｍ2である。また、無機化合物および滑剤の濃度も特に限定されるものではないが、一般的に０．１〜３０重量％である。なお、接触時間、接触温度等は特に限定されるものではない。接触方法も特に限定されるものではないが、浸漬方法、フローコート方法、スプレ−方法などを使用することができる。乾燥方法は、熱風を吹き付ける方法を使用する。
【００１９】
【実施例】
本発明の実施例を比較例と共に挙げ、その効果をより具体的に説明する。
＜素材＞
・後方せん孔試験片
後方せん孔試験に供した材料は市販のＳ４５Ｃ球状化焼鈍材であり、試験片の形状は円柱状であり、直径３０ｍｍφで、高さは１８〜４０ｍｍまで２ｍｍ単位で変えたものである。
・スパイク試験片
スパイク試験に供した材料は市販のＳ４５Ｃ球状化焼鈍材であり、試験片の形状は円柱状であり、直径２５ｍｍφで、高さが３０ｍｍである。
【００２０】
＜処理液＞
処理液１．
ベース層成分：りん酸亜鉛
滑剤層成分：ステアリン酸亜鉛
滑剤／無機化合物比：０．６
固形分濃度：３重量％
処理液２．
ベース層成分：りん酸亜鉛＋四ホウ酸ナトリウム（重量比１：２）
滑剤層成分：ステアリン酸亜鉛＋ステアリン酸カルシウム（重量比１：１）
滑剤／無機化合物比：１．０
固形分濃度：１０重量％
処理液３．
ベース層成分：四ホウ酸カリウム
滑剤層成分：マイクロクリスタリンワックス
滑剤／無機化合物比：０．３
固形分濃度：５重量％
【００２１】
処理液４．
ベース層成分：硫酸カリウム＋四ホウ酸カリウム（重量比１：１）
滑剤層成分：ＰＴＦＥ
滑剤／無機化合物比：０．３
固形分濃度：２０重量％
処理液５．
ベース層成分：四ホウ酸ナトリウム
滑剤層成分：ステアリン酸カルシウム＋ポリエチレンワックス(重量比１：２)
滑剤／無機化合物比：３．０
固形分濃度：１０重量％
処理液６．
ベース層成分：四ホウ酸ナトリウム
滑剤層成分：なし
固形分濃度：１０重量％
処理液７．
ベース層成分：なし
滑剤層成分：ポリエチレンワックス
固形分濃度：１０重量％
【００２２】
実施例１〜５
前記の素材を、市販の脱脂剤（登録商標ファインクリーナー４３６０、日本パーカライジング(株)製）で濃度２０ｇ／Ｌ、温度６０℃、浸漬時間１０分にて脱脂処理し、６０℃の水道水で３０秒間浸漬水洗した。次いで、各素材を６０℃の前記の処理液１〜５に夫々１０秒間浸漬し、引上げ、液が付着したままの状態で８０℃の温風を３分間吹き付けて乾燥させた。
比較例１〜２
前記の素材を、実施例１〜５と同様に脱脂、水洗処理し、次いで前記の処理液６および処理液７を用いて、実施例１〜５と同様に処理した。
比較例３
前記の素材を、実施例１〜５と同様に脱脂、水洗処理した。次いで、６０℃の前記の処理液１に１０秒間浸漬し、引上げ、エアーブロー（空気圧３Kgf/cm2）して充分に液切りを行い、その後８０℃の温風を３分間吹き付けて乾燥した。
実施例１〜５および比較例１〜３の素材の各試験片について、下記に示す方法で潤滑皮膜の全膜厚、ベース層の厚さ及び滑剤層の厚さを測定し、また下記に示す方法で、後方せん孔試験およびスパイク試験を行った。この測定および試験の結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】
表１から明らかなように、本発明の塑性加工用金属材料の製造方法による実施例１〜５は優れた潤滑性を発揮することが分かる。滑剤層の層厚と滑剤層／ベース層の比が本発明の範囲外である比較例１は潤滑性が劣っていた。特にスパイクテストでは金型に焼付きを生じ、成形できなかった。また、ベース層の層厚と滑剤層／ベース層の比が本発明の範囲外である比較例２も潤滑性が劣っていた。さらに、ベース層および滑剤層の層厚が本発明の範囲外である比較例３も潤滑性が劣っていた。
【００２５】
測定・試験方法
（１）全膜厚、ベース層の厚さ及び滑剤層の厚さの測定方法
市販のＥＰＭＡ（島津製作所（株）製 ８７０５Ｌ型）を用い、皮膜の断面観察によってベース層および滑剤層の層厚を測定した。測定に当って、代表元素には、処理液１および２ではＰおよびＣ、処理液３ではＫおよびＣ、処理液４ではＫおよびＦ、処理液５ではＮａおよびＣとした。なお、測定は部位を変え、５回行い、この平均値を示した。
【００２６】
（２）後方せん孔試験方法（図１参照）
図１の（Ａ）に示す一組の前記した円柱型の後方せん孔試験片を、順次、図１の（Ｂ）に示す２００トンクランクプレスのダイとパンチによって成形加工し、図１の（Ｃ）のカップ状成型品を作成する。成形においては、１０ｍｍを残し、減面率５０％の加工である。内面にキズが入っていない試験片のカップ内高さを良好穿孔深さ（ｍｍ）とする。ここでは、従来の化成反応／石鹸処理にて作成したサンプルの性能である５６ｍｍ以上を良好とする。なお、ダイはＳＫＤ１１、パンチはＨＡＰ４０、ランド径２１．２１ｍｍφでｍ加工速度は３０ストローク／分である。
【００２７】
（３）スパイク試験方法（図２参照）
スパイク試験は、特開平５−７９６９号公報記載の方法に準じた。図２の（ａ）に示すごとく、ロート状の内面形状を有するダイ２の上に、前記の円柱状のスパイク試験片２を乗せて、この後プレート３を介して荷重をかけて試験片をダイ内に押し込んで、図２の（ｂ）に示す加工後の試験片の形状に成形する。これによりダイ形状に従うスパイクを形成し、この際のスパイク高さ（ｍｍ）で潤滑性を評価した。したがって、高さが高い方が潤滑性に優れるとの評価である。ここでは、従来の化成反応／石鹸処理にて作成したサンプルの性能である、１３．０ｍｍ以上を良好と評価している。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の塑性加工用金属材料の製造方法を用いると、簡便な処理で高い潤滑性を有する皮膜を生成することができ、また、産業廃棄物も発生せず環境への負荷も少ないので産業上の利用価値も極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】後方せん孔試験方法を説明する図
【図２】スパイク試験方法を説明する図
【符号の説明】
（Ａ） 成形加工前の試験片、（Ｂ） トランクプレス、（Ｃ） 成形加工後の試験片、１ プレート、２ 試験片、３ ダイ
Claims (2)
- 化成処理を施さない金属材料表面に、りん酸亜鉛、四ホウ酸ナトリウム、四ホウ酸カリウム及び硫酸カリウムから選ばれた少なくとも一種の無機化合物、並びにステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、マイクロクリスタリンワックス、ポリテトラフルオロエチレン及びポリエチレンワックスから選ばれた少なくとも一種の滑剤を主成分として含む水系の処理液を接触させて該処理液の薄膜を作り、次いで該処理液温度より高い温度の温風を送風して乾燥させることにより、金属との界面側に上記無機化合物を主成分とする厚さ０．１〜１５μｍのベース層が位置し、また表面側に上記滑剤を主成分とする厚さ０．１〜１０μｍの滑剤層が位置し、且つ滑剤層／ベース層の層厚比が０．２〜３である傾斜型２層潤滑皮膜を形成させることを特徴とする塑性加工用金属材料の製造方法。
- 金属材料が、鉄、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金、銅、銅合金、錫、錫合金である請求項１記載の塑性加工用金属材料の製造方法。
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