專利名稱：水系潤滑劑及金屬材料的表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在金屬材料表面上形成一種滑動(dòng)潤滑性優(yōu)良薄膜用的水系潤滑劑及其表面的處理方法。更具體講，本發(fā)明涉及由二硫化鉬和具有特定性質(zhì)的樹脂組成的水系潤滑劑，以及使用這種潤滑劑的金屬材料表面的處理方法。
二硫化鉬自古以來就作為固體潤滑劑使用，即使現(xiàn)在也還在以各種汽車部件為首的各種用途中使用。過去一般采用的方法是，將二硫化鉬潤滑劑和聚酰胺酰亞胺粘合劑溶解在有機(jī)溶劑中，將其噴涂后進(jìn)行燒結(jié)。然而，近年來從保護(hù)地球環(huán)境觀點(diǎn)來看，人們強(qiáng)烈地希望開發(fā)不用有機(jī)溶劑的水系潤滑劑。
另一方面，在二十世紀(jì)四十年代，磷酸錳處理作為鋼鐵用防銹處理就已實(shí)用化，其后逐漸將磷酸錳薄膜作為滑動(dòng)薄膜使用。因?yàn)榕c其它化成膜相比，堅(jiān)硬、耐磨損性優(yōu)良、初期磨合性好而且是多孔物質(zhì)，能夠使材料表面保持潤滑油，具有潤滑油保持特性。因?yàn)槲磳?shí)施表面處理的滑動(dòng)部分會(huì)有金屬間接觸，局部產(chǎn)生高溫和高壓。在這種狀態(tài)下滑動(dòng)時(shí)局部將出現(xiàn)顯著磨損，使構(gòu)件劣化。因此，防止金屬間直接接觸是十分重要的，而表面上形成磷酸錳薄膜對(duì)于防止這種金屬間的直接接觸是有效的，實(shí)際上已經(jīng)用于許多滑動(dòng)部件上。但是，近年來人們對(duì)滑動(dòng)部件的使用條件(荷載)提出了許多更嚴(yán)格要求，而且希望部件的使用壽命長。因此許多場(chǎng)合下，傳統(tǒng)的磷酸錳薄膜已不能單獨(dú)獲得所需的充分性能。
為了改善薄膜的摩擦學(xué)特性，有人提出在磷酸錳上形成二硫化鉬罩面涂層的方法。例如，特公平7-113401號(hào)公報(bào)(真空環(huán)境用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu))中公開了一種真空環(huán)境用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于它是至少在齒輪的嚙合部分由合金工具鋼制成，在此嚙合部分依次形成磷酸錳底層和固定潤滑膜固體的潤滑齒輪，而固體潤滑膜優(yōu)選由二硫化鉬形成。但是，關(guān)于形成固體潤滑膜的潤滑劑用粘合劑卻沒有任何記載。而特開平9-184079號(hào)公報(bào)(耐磨損構(gòu)件)公開了一種耐磨損構(gòu)件，其中至少在壓力環(huán)的上下表面上設(shè)有磷酸錳層，以及在其晶粒間隙間分散有平均粒徑1～2毫微米的二硫化鉬的潤滑劑層。在公開的此方法中，作為優(yōu)選的粘合劑舉出了聚酰胺酰亞胺、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺和聚四氟乙烯，但是卻未觸及該樹脂的機(jī)械性質(zhì)。其實(shí)施例中使用聚酰胺酰亞胺作粘合劑，采用的是有機(jī)溶劑系的涂裝方法。
本發(fā)明是為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的這些問題而提出的，具體而言本發(fā)明目的在于提供一種以低成本和在環(huán)境污染小的條件下形成新穎的水系潤滑劑及其表面的處理方法。
本發(fā)明人就上述現(xiàn)有技術(shù)存在問題的解決手段進(jìn)行深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由特定粒徑的二硫化鉬和具有特定機(jī)械特性的樹脂組成的水系潤滑劑以及使用這種潤滑劑的表面處理方法，此外還發(fā)現(xiàn)使之形成特定磷酸錳薄膜層和潤滑劑層組成的復(fù)合膜的方法。
也就是說，本發(fā)明涉及一種水系潤滑劑，其特征在于其中含有平均粒徑0.5～10毫微米的二硫化鉬，以及斷裂強(qiáng)度為300千克/平方厘米以上、斷裂延伸率在10％以下、平均分子量在5000～50000的水系樹脂。其中所說的水系樹脂優(yōu)選聚酯樹脂或水性聚氨酯樹脂。此外，本發(fā)明還提供了一種金屬材料的表面處理方法，其特征在于使用所述的水系潤滑劑與清潔的金屬材料表面接觸，形成含有以鉬計(jì)0.1～5.0克/平方米二硫化鉬，以碳計(jì)0.1～5.0克/平方米樹脂的水系潤滑劑薄膜層，然后在100～250℃下進(jìn)行燒結(jié)。本發(fā)明也提供了一種金屬材料的表面處理方法，其特征在于使用所述的潤滑劑與薄膜厚度為1～15毫微米、結(jié)晶粒徑為0.5～30毫微米、表面粗糙度(Rz)為0.5～20毫微米的被晶狀磷酸錳薄膜覆蓋的金屬表面接觸，使之形成含有以鉬計(jì)0.1～5.0克/平方米二硫化鉬，以碳計(jì)0.1～5.0克/平方米樹脂的水系潤滑劑薄膜層后，在100～250℃下進(jìn)行燒結(jié)，使之形成由磷酸錳薄膜層和潤滑薄膜層組成的復(fù)合膜。
以下詳細(xì)說明本發(fā)明。
對(duì)用作本發(fā)明處理對(duì)象的材料并無特別限制，主要適用于鋼鐵材料，例如炭素鋼、鉻合金鋼、鉻鉬合金鋼、高碳鉻合金鋼、鋁、鋁合金等。
本發(fā)明的水系潤滑劑可以采用使二硫化鉬和水系樹脂分散在水中的方法制造。本發(fā)明的水系潤滑劑中使用二硫化鉬的平均粒徑必須處于0.5～10毫微米范圍內(nèi)。用平均粒徑處于此范圍內(nèi)的二硫化鉬可以獲得優(yōu)良滑動(dòng)特性。低于0.5毫微米時(shí)在性能上雖無問題，但是成本增高，不好。另一方面若超過10毫微米，在潤滑劑中的分散就會(huì)惡化，也不好。本發(fā)明水系潤滑劑中用的水系樹脂，是能在水中溶解或分散使用的一些樹脂，例如聚酯樹脂、聚氨酯樹脂、多酚樹脂等。特別優(yōu)選聚酯樹脂或水性聚氨酯樹脂(分散液)。聚酯系樹脂可以舉出用對(duì)苯二甲酸或間苯二甲酸的砜化物作為共聚成份的聚酯樹脂；而聚氨酯系樹脂可以舉出以聚醚多元醇、聚酯多元醇等多元醇，以及聯(lián)甲苯胺二異氰酸酯、芐撐二異氰酸酯等聚異氰酸酯為基料的水性聚氨酯樹脂。這些樹脂必須使用斷裂強(qiáng)度為300千克/平方厘米以上、斷裂延伸率在10％以下、平均分子量5000～50000的，因?yàn)閿嗔褟?qiáng)度高而延伸率低的樹脂有優(yōu)良的耐磨損性。其中平均分子量對(duì)處理劑的分散性有影響，所以必須處于此范圍內(nèi)。
以下說明用上述水系潤滑劑處理金屬材料表面的方法。這種金屬材料的表面處理方法是首先使所說的水系潤滑劑與清潔的金屬材料表面接觸，形成含有以鉬計(jì)0.1～5.0克/平方米的二硫化鉬，以碳計(jì)0.1～5.0克/平方米樹脂的水系潤滑劑薄膜層，然后在100～250℃下進(jìn)行燒結(jié)。通過這種燒結(jié)，使金屬材料表面形成含有以鉬計(jì)0.1～5.0克/平方米鉬和以碳計(jì)0.1～5.0克/平方米碳的潤滑劑薄膜。經(jīng)過這種燒結(jié)干燥后，鉬和碳的各自附著量低于0.1克/平方米時(shí)得不到足夠的滑動(dòng)性，而鉬和碳的各自附著超過5.0克/平方米雖然沒有特別問題，但經(jīng)濟(jì)性卻變差。
對(duì)水系潤滑劑與金屬材料的接觸方法沒有特別限制，可以采用浸漬法和噴涂法等。其中包括使水系潤滑劑以原液形式或者以稀釋處理液形式接觸。而且也可以并用表面活性劑，以便使二硫化鉬均一涂布。對(duì)這種處理液中二硫化鉬和樹脂的濃度沒有特別限制，其各自濃度通常0.1～1％左右較優(yōu)。濃度低于0.1％時(shí)，涂布次數(shù)少時(shí)不能獲得預(yù)定涂布量，因此使工序延長在經(jīng)濟(jì)上不合算。反之一旦超過1％，就會(huì)使處理液的穩(wěn)定性劣化也不好。
然后在100～250℃溫度下進(jìn)行燒結(jié)和干燥，使之形成潤滑薄膜層。這種燒結(jié)干燥的目的在于揮發(fā)水份，使所用的樹脂流動(dòng)，即樹脂將軟化平滑，具有更高的附著性，所以燒結(jié)干燥溫度必須處于上述范圍，更處于150～200℃范圍較優(yōu)。
對(duì)鋼鐵材料實(shí)施上述金屬材料表面處理方法時(shí)，從滑動(dòng)潤滑性、附著性和耐腐蝕性角度看，應(yīng)當(dāng)首先在表面上形成磷酸錳薄膜，形成的磷酸錳薄膜控制在1～15毫微米薄膜厚度內(nèi)，晶粒直徑為0.5～30毫微米，表面粗糙度(Rz)為0.5～20毫微米范圍內(nèi)較優(yōu)。薄膜厚度低于1毫微米時(shí)，耐燒傷程度降低，不好。薄膜厚度超過15毫微米時(shí)，性能上雖然沒有差別但是經(jīng)濟(jì)性卻變差。晶粒直徑低于0.5毫微米時(shí)耐荷載不充分，而超過30毫微米時(shí)摩擦系數(shù)增高，也不好。表面粗糙度(Rz)低于0.5毫微米時(shí)附著性降低，而超過20毫微米時(shí)表面粗糙度增大，潤滑薄膜的覆蓋性差，所以都不好。
以下就本發(fā)明特定的上述薄膜厚度、晶粒直徑、表面粗糙度、鉬附著量和碳附著量的測(cè)定方法進(jìn)行說明。也就是說，磷酸錳薄膜的薄膜厚度，是將化成處理后的構(gòu)件剖開后，用金屬顯微鏡觀察斷面的方法測(cè)定的。而晶粒直徑是用市售的掃描電子顯微鏡(SEM)表面觀察的方法測(cè)定的。表面粗糙度是用市售的表面粗糙度計(jì)測(cè)定的。
鉬附著量用市售熒光X射線分析裝置(XRF)定量測(cè)定。首先測(cè)定不同鉬附著量已知的數(shù)個(gè)樣品，然后根據(jù)得到的強(qiáng)度繪制強(qiáng)度一附著量工作曲線。進(jìn)而在同樣條件下將本發(fā)明表面處理方法處理過的樣品切成適當(dāng)大小(φ3厘米左右)后測(cè)定。根據(jù)上述工作曲線將這些測(cè)得的強(qiáng)度換算成鉬附著量。碳附著量的測(cè)定用市售的表面碳分析裝置(TOC)進(jìn)行。將本發(fā)明表面處理方法處理的樣品切成適當(dāng)大小(20～50厘米左右)制成樣品。表面碳分析裝置的工作原理是，樣品升溫時(shí)表面上存在的碳氧化氣化，用紅外吸收光譜分析法(IR)進(jìn)行定量測(cè)定。測(cè)定時(shí)采用能使表面上碳氧化氣化的條件，一般優(yōu)選的條件是400℃下測(cè)定5分鐘。
以下列舉幾個(gè)實(shí)施例與比較例以便說明本發(fā)明的有用性。材料對(duì)下述鋼鐵材料進(jìn)行了處理。
平板S45C，尺寸30mm×80mm，厚度1mm滑動(dòng)潤滑試驗(yàn)片(SRV)SUJ2 24×8mm前處理洗滌處理用市售洗滌劑(注冊(cè)商標(biāo)Finecleaner-4360，日本PARKERIZING股份有限公司制)的2％水溶液60℃下浸漬3分鐘后，自來水洗滌30秒鐘。
磷酸錳處理洗滌處理后，浸漬在市售的表面調(diào)整劑(注冊(cè)商標(biāo)-Prepalan 55(實(shí)施例3)或Prepalan VM(實(shí)施例4和對(duì)照例2)，均為日本PARKERIZING股份有限公司制)的3％水溶液中，接著用市售的磷酸錳化成劑(注冊(cè)商標(biāo)Parhos M1A，PARKERIZING股份有限公司制)的15％水溶液在95℃下作5分鐘浸漬處理。其后水洗和干燥。
表面處理液1；二硫化鉬平均粒徑2.0毫微米水系樹脂聚酯系樹脂樹脂斷裂強(qiáng)度350千克/平方厘米樹脂延伸率2％樹脂的平均分子量10000處理液1是將二硫化鉬粉末分散在聚酯樹脂水分散液中制成的。
表面處理液2二硫化鉬(平均粒徑)4.0毫微米水系樹脂聚酯系樹脂樹脂斷裂強(qiáng)度320千克/平方厘米樹脂延伸率1％樹脂的平均分子量12000處理液2是將二硫化鉬粉末分散在聚酯樹脂水分散液中制成的。
表面處理液3二硫化鉬(平均粒徑)20毫微米水系樹脂水性聚氨酯樹脂樹脂斷裂強(qiáng)度310千克/平方厘米樹脂延伸率5％
樹脂的平均分子量8000處理液3是二硫化鉬粉末分散在聚酯樹脂水性分散液中制成的。
表面處理液4二硫化鉬(平均粒徑)15毫微米水系樹脂水性聚氨酯樹脂樹脂斷裂強(qiáng)度350千克/平方厘米樹脂延伸率3％樹脂的平均分子量15000處理液4是二硫化鉬粉末分散在聚酯樹脂水性分散液中制成。比較例1僅進(jìn)行上述洗滌處理，不實(shí)施其后的表面處理。比較例2；僅進(jìn)行上述洗滌處理及磷酸錳處理，未實(shí)施其后的表面處理。
表1所示有關(guān)實(shí)施例一～四以及對(duì)照例1和2中磷酸錳層薄膜厚度、粒徑和粗糙度、表面處理后形成的潤滑薄膜層中鉬量和碳量、以及滑動(dòng)潤滑評(píng)價(jià)結(jié)果。滑動(dòng)潤滑試驗(yàn)用以下方法進(jìn)行?；瑒?dòng)潤滑試驗(yàn)用市售SRV試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。將處理過的試驗(yàn)片和未處理的鋼球(SUJ2，直徑10毫米)組合，在100牛頓載荷、50赫茲振動(dòng)頻率、2毫米振幅下不涂油滑動(dòng)。測(cè)定摩擦系數(shù)及摩擦系數(shù)達(dá)到0.6前所需的時(shí)間。此時(shí)間越長，潤滑性越好。
表1所示的資料說明，本發(fā)明可以得到優(yōu)良的潤滑性。
表1
本發(fā)明采用特定的水系樹脂制成水系潤滑劑，然后用此水系潤滑劑進(jìn)行金屬材料表面處理，這樣能在低成本和環(huán)境污染小的條件下使金屬材料表面形成具有極優(yōu)良滑動(dòng)潤滑特性的薄膜，產(chǎn)生優(yōu)良效果。
權(quán)利要求
1.一種水系潤滑劑，其特征在于含有平均粒徑在0.5～10毫微米的二硫化鉬和斷裂強(qiáng)度在300千克/平方厘米以上、斷裂延伸率在10％以下、平均分子量在5000～50000的水系樹脂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水系潤滑劑，其特征在于所述的水系樹脂是聚酯樹脂或水性聚氨酯樹脂。
3.一種金屬材料的表面處理方法，其特征在于用如權(quán)利要求1或2所述的水系潤滑劑與清潔的金屬材料表面接觸，形成含有以鉬計(jì)0.1～5.0克/平方米的二硫化鉬，以碳計(jì)0.1～5.0克/平方米樹脂的水系潤滑劑薄膜層后，在100～250℃溫度下進(jìn)行燒結(jié)。
4.一種金屬材料的表面處理方法，其特征在于用如權(quán)利要求1或2所述的水系潤滑劑與薄膜厚度為1～15毫微米、結(jié)晶粒徑在0.5～30毫微米、表面粗糙度(Rz)為0.5～20毫微米的被晶狀磷酸錳薄膜覆蓋的金屬表面接觸，形成含有以鉬計(jì)0.1～5.0克/平方米的二硫化鉬，以碳計(jì)0.1～5.0克/平方米樹脂的水系潤滑劑薄膜層后，在100～250℃下進(jìn)行燒結(jié)，使之形成由磷酸錳薄膜層和潤滑薄膜層組成的復(fù)合膜層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在金屬材料表面上形成滑動(dòng)潤滑性優(yōu)良薄膜用的水系潤滑劑及其表面的處理方法,該水系潤滑劑特征在于其中含有平均粒徑0.5～10毫微米的二硫化鉬,以及斷裂強(qiáng)度為300千克/平方厘米以上、斷裂延伸率在10%以下、平均分子量在5000～50000的水系樹脂,所述的水系樹脂是聚酯樹脂或水性聚氨酯樹脂。
文檔編號(hào)C09D167/00GK1332232SQ0111841
公開日2002年1月23日 申請(qǐng)日期2001年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月28日
發(fā)明者川越亮助, 藤井政明, 吉田昌之 申請(qǐng)人:日本巴卡萊近估股份有限公司