專利名稱：塑性加工用水系潤滑劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于對諸如碳鋼、特種鋼和非鐵金屬等金屬材料進(jìn)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(nèi)被提供至高溫的被加工材料的表面以在其上形成潤滑涂層，從而能夠進(jìn)行鍛造加工。
背景技術(shù)：
作為冷鍛技術(shù)，已知有包括下述步驟的方法在金屬材料的表面上預(yù)先形成諸如磷酸鋅等的轉(zhuǎn)化處理用潤滑涂層(以下稱為“磷酸鹽涂層”)，在加工過程中無需提供任何其他的潤滑劑，僅使用初期潤滑涂層來完成冷鍛處理(例如參見以下特許文獻(xiàn)1)。然而，如果在該方法中冷鍛處理重復(fù)進(jìn)行多次，則初期潤滑涂層會被消耗，結(jié)果，由于例如潤滑涂層的耗盡而導(dǎo)致在加工過程中材料會發(fā)生咬死(seizure)。
為消除該問題，已經(jīng)采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(jìn)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(chǎn)線中取出，將材料再次加熱，然后在材料上再次形成磷酸鹽涂層并使該材料返回鍛造生產(chǎn)線，由此完成加工處理(例如參見下述特許文獻(xiàn)2)。
然而，油溶性潤滑油可能伴有導(dǎo)致火災(zāi)的危險，因而，已經(jīng)對將油溶性潤滑油替換成水溶性潤滑劑或水溶性潤滑涂層進(jìn)行了研究(例如參見以下特許文獻(xiàn)3、特許文獻(xiàn)4、特許文獻(xiàn)5、特許文獻(xiàn)6、特許文獻(xiàn)7、特許文獻(xiàn)8和特許文獻(xiàn)9)。然而，傳統(tǒng)的水溶性潤滑劑的潤滑性能卻不夠充分。
因而，需要開發(fā)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，在包括多個步驟并要求使用諸如高接觸壓力和高伸長比等苛刻的成型環(huán)境的塑性加工處理中使用，不會伴隨任何造成火災(zāi)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(huán)境，能夠在將該水溶性潤滑劑供應(yīng)至金屬模具后立即形成高度致密且強(qiáng)韌的涂層，允許完成多個連續(xù)的塑性加工步驟直至最后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(xiàn)1特開昭第62-100595號公報；特許文獻(xiàn)2特開平第1-166841號公報；特許文獻(xiàn)3特開平第5-279689號公報；特許文獻(xiàn)4特開平第6-1994號公報；特許文獻(xiàn)5特開平第10-8085號公報；特許文獻(xiàn)6特開平第10-46184號公報；特許文獻(xiàn)7特開平第11-50083號公報；特許文獻(xiàn)8特開平第11-323363號公報；特許文獻(xiàn)9特開第2001-323294號公報發(fā)明內(nèi)容本發(fā)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(tǒng)水系潤滑劑具有的缺陷即潤滑性能不足的問題，并允許完成從原材料直至最終產(chǎn)品的多個連續(xù)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(fā)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(zhì)量％～40質(zhì)量％的固體潤滑劑；(b)2質(zhì)量％～20質(zhì)量％的同時具有潤滑性能和分散性能的附著劑；(c)2質(zhì)量％～20質(zhì)量％的同時具有潤濕特性和水蒸發(fā)促進(jìn)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，其中同時具有潤濕特性和水蒸發(fā)促進(jìn)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(jù)本發(fā)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濕特性和水蒸發(fā)促進(jìn)作用的試劑溶解并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(wěn)定性，(2)均勻的附著性，(3)快速干燥性能，(4)涂層與被加工材料的附著強(qiáng)度和(5)高潤滑性能。因而，不存在造成火災(zāi)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(yīng)至金屬模具，則不必將被加工的材料取出并且不必對所述材料進(jìn)行退火處理，因而，能夠不中斷地進(jìn)行一系列冷鍛操作直至獲得具有最終形狀的加工制品。
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(jìn)行鍛造之前，預(yù)先在被加工的材料表面形成潤滑劑涂層并進(jìn)行從原料直至最后一步的全部加工步驟，而不向金屬模具供應(yīng)任何潤滑劑，或者在向金屬模具供應(yīng)潤滑劑的同時進(jìn)行各個塑性加工步驟。然而，前一種方法的問題在于初期潤滑涂層被消耗，結(jié)果，由于例如潤滑涂層的耗盡而導(dǎo)致在加工過程中材料會發(fā)生咬死，而后一種方法同樣存在使得加工效率明顯下降的問題。
本發(fā)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(dāng)在每一步之前立即向被加工的材料供應(yīng)潤滑劑時，能夠在其表面上瞬間(2秒之內(nèi))形成高度致密且強(qiáng)韌的潤滑劑涂層，因而使得能夠連續(xù)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。用于該目的的潤滑劑應(yīng)當(dāng)同時滿足下列要求(1)固體潤滑劑在水中的分散穩(wěn)定性，(2)均勻的附著性，(3)快速干燥性能，(4)涂層與被加工材料的附著強(qiáng)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(huán)境中的磷酸鹽涂層所觀測到的那些性質(zhì)相當(dāng))。
本發(fā)明涉及塑性加工用水系潤滑劑，其特征在于其包含(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)同時具有潤濕特性和水蒸發(fā)促進(jìn)作用的試劑，該塑性加工用水系潤滑劑溶解并分散于水中；并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(fā)明中所使用的成分(a)的固體潤滑劑優(yōu)選是在小于或等于500℃的溫度下具有減小摩擦系數(shù)的作用的物質(zhì)，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(jīng)表面處理的微粒狀碳酸鈣、和經(jīng)表面處理的微粒狀氫氧化鋁。其中，在此更優(yōu)選使用二硫化鉬。這些固體潤滑劑可以單獨(dú)使用或作為兩種或兩種以上的混合物使用。
作為本發(fā)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(yōu)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于或等于5個碳原子的伯胺鹽、異丁烯-馬來酸共聚物的包含小于或等于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(yōu)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(dú)使用或作為兩種或兩種以上的混合物使用。
作為本發(fā)明中所使用的成分(c)的同時具有潤濕特性和水蒸發(fā)促進(jìn)作用的試劑，例如，可以舉出烷撐二醇，并且在此特別優(yōu)選使用沸點(diǎn)大于或等于150℃的烷撐二醇。該烷撐二醇的具體實例包括乙二醇(沸點(diǎn)198℃)、二乙二醇(沸點(diǎn)246℃)、三乙二醇(沸點(diǎn)285℃)、乙二醇單叔丁基醚(沸點(diǎn)153℃)和乙二醇單丁基醚(沸點(diǎn)171℃)。其中，特別優(yōu)選二乙二醇。這些試劑可以單獨(dú)使用或作為兩種或兩種以上的混合物使用。
在本發(fā)明的潤滑劑中，如果將潤滑劑(原液)的總量假定為100質(zhì)量％，則加入至潤滑劑中的各成分的量對于成分(a)為10質(zhì)量％～40質(zhì)量％，優(yōu)選為15質(zhì)量％～30質(zhì)量％；對于成分(b)為2質(zhì)量％～20質(zhì)量％，優(yōu)選為4質(zhì)量％～12質(zhì)量％；對于成分(c)為2質(zhì)量％～20質(zhì)量％，優(yōu)選為3質(zhì)量％～12質(zhì)量％。
如果加入至潤滑劑中的成分(a)的量小于10質(zhì)量％，則當(dāng)附著于被加工的材料時所形成的潤滑劑涂層過薄，這會導(dǎo)致潤滑性能不足，而如果超過40質(zhì)量％，則所得的潤滑產(chǎn)品粘度升高并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)的量小于2質(zhì)量％，則所得潤滑劑不具有所需的固體潤滑劑的分散穩(wěn)定性和其對于被加工材料所需的附著性，而如果超過20質(zhì)量％，則所得潤滑劑產(chǎn)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)的量小于2質(zhì)量％，則所得潤滑劑不具有所需的水蒸發(fā)促進(jìn)效果且會提供干燥性能不足的涂層，而其用量超過20質(zhì)量％則會損害作為成分(a)的固體潤滑劑在水中的分散穩(wěn)定性。
因而，根據(jù)本發(fā)明的塑性加工用水系潤滑劑必須包含10質(zhì)量％～40質(zhì)量％的固體潤滑劑作為成分(a)；2質(zhì)量％～20質(zhì)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(zhì)量％～20質(zhì)量％的同時具有潤濕特性和水蒸發(fā)促進(jìn)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(wěn)定性，(2)均勻的附著性，(3)快速干燥性能，(4)涂層與被加工材料的附著強(qiáng)度和(5)高潤滑性能。
本發(fā)明的潤滑劑易于通過預(yù)先將成分(b)和成分(c)溶解在水中然后使用例如攪拌機(jī)使成分(a)均勻分散在所得溶液中而制備。為減少其分散所需的時間，也可以使用諸如均質(zhì)器、均勻混合器和/或Manton-Gaulin分散機(jī)等設(shè)備。
此外，本發(fā)明的潤滑劑優(yōu)選以傳統(tǒng)用量包含目前在傳統(tǒng)潤滑劑中所使用的例如消泡劑、防腐劑和/或防銹劑等添加劑。
在實際使用之前用水將由此獲得的本發(fā)明的潤滑劑稀釋2倍～10倍，并且其通常以水性分散液的形式使用并通過噴霧涂布于物體上。根據(jù)本發(fā)明的塑性加工用水系潤滑劑優(yōu)選在短時間內(nèi)間歇性地噴霧于被加工的材料的表面上然后干燥是適宜的，但本發(fā)明并不局限于該特定的實施方式。更具體地，水系潤滑劑的噴霧優(yōu)選在1秒～2秒的時期內(nèi)以0.01秒～0.05秒的間隔進(jìn)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涂層。
本發(fā)明的潤滑劑能夠應(yīng)用于各種金屬材料的塑性加工，并優(yōu)選能夠應(yīng)用于特別是諸如那些由碳鋼和特種鋼制成的金屬部件(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(fā)明進(jìn)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(guī)定的成分制備根據(jù)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，然后根據(jù)下述測試方法對各種性能進(jìn)行評估。在此方面，比較例6是磷酸鋅涂層，因而只對涂層與被加工物體的附著性和潤滑性能進(jìn)行檢測。
分散穩(wěn)定性將各樣品(各自為100cc)采入具有磨口塞的容量為100cc的量筒中，然后將樣品在室溫下靜置48小時，然后對各樣品的狀況進(jìn)行檢測并根據(jù)下述的四段標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行評估。在此方面，將評估為○或□的樣品判定為實際可接受的。
○樣品完全均勻并完全沒有漂浮物和沉淀物；□樣品均勻并且沒有漂浮物。存在可觀察到的沉淀物，但當(dāng)搖動圓筒少于10次時能夠使樣品變得均勻；△少于5cc的上層是透明的。即使當(dāng)搖動圓筒不少于10次時沉淀物也不能均勻分散；×不少于5cc的上層是透明的。即使當(dāng)搖動圓筒不少于30次時沉淀物也不能均勻分散。
附著性使用ANEST IWATA Corporation生產(chǎn)的二液式手噴槍(W-88-10K5G)將各樣品(各自為2cc)采入杯中。然后用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于加熱至預(yù)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)。在各樣品噴霧之后觀察碳鋼件的表面并依據(jù)下述四段標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行評估。在此方面，實際可接受的樣品應(yīng)當(dāng)評估為○。
○樣品均勻附著于碳鋼件的整個表面；□樣品附著于碳鋼件的整個表面，但其厚度不規(guī)則；△樣品不均勻地附著至表面(不少于50％的表面被覆有附著的涂層)；×樣品不均勻地附著至表面(少于50％的表面被覆有附著的涂層)。干燥性能在檢測附著性的測試中，噴霧之后立即測定完成樣品干燥所需的時間并根據(jù)下述三段標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行評估。在此方面，實際可接受的樣品應(yīng)當(dāng)評估為○。
○樣品立即干燥；△完成樣品干燥需要1秒～2秒；×完成樣品干燥需要的時間不少于2秒。涂層對鋼件的附著強(qiáng)度干燥性能測試后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后再將膠帶剝離。根據(jù)下述三段標(biāo)準(zhǔn)對膠帶的污著程度進(jìn)行評估。在此方面，實際可接受的樣品應(yīng)當(dāng)評估為○。
○膠帶完全未被沾污(可接受的膠帶顏色最多為淺灰色)；△涂層殘留在碳鋼件上，但膠帶受到黑色沾污；×涂層被從碳鋼件表面上剝離。
潤滑性能根據(jù)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于維持在150℃的試驗片上并在噴霧后5秒內(nèi)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于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磷酸鋅涂層。
前述數(shù)據(jù)清晰地表明本發(fā)明實施例1～11的潤滑劑具有優(yōu)異的所有下述性能(1)分散穩(wěn)定性，(2)均勻的附著性，(3)快速干燥性能，(4)涂層與被加工材料的附著強(qiáng)度和(5)潤滑性能，所述潤滑劑包含(a)10質(zhì)量％～40質(zhì)量％的固體潤滑劑；(b)2質(zhì)量％～20質(zhì)量％的同時具有潤滑性能和分散性能的附著劑；(c)2質(zhì)量％～20質(zhì)量％的同時具有潤濕特性和水蒸發(fā)促進(jìn)作用的試劑；和水。
相反，在比較例1～5中制備的潤滑劑存在下列問題更具體地，在比較例1中制備的未包含作為成分(c)的同時具有潤濕特性和水蒸發(fā)促進(jìn)作用的試劑的潤滑劑在分散穩(wěn)定性和150℃時的干燥性能方面不足。
在比較例2中制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干燥性能、均勻的附著性、涂層與被加工材料的附著強(qiáng)度以及潤滑性能方面不佳。
在比較例3中制備的未包含作為成分(a)的固體潤滑劑的潤滑劑在干燥性能和潤滑性能方面不佳。
在比較例4中制備的未包含作為成分(c)的同時具有潤濕特性和水蒸發(fā)促進(jìn)作用的試劑的潤滑劑在分散穩(wěn)定性和150℃時的干燥性能方面不佳。
在比較例5中制備的使用1質(zhì)量％乙二醇作為同時具有潤濕特性和水蒸發(fā)促進(jìn)作用的試劑的成分(c)的潤滑劑在分散穩(wěn)定性、150℃時的干燥性能以及潤滑性能方面不佳。
工業(yè)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濕特性和水蒸發(fā)促進(jìn)作用的試劑溶解并分散在水溶液中而制備的本發(fā)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(wěn)定性，(2)均勻的附著性，(3)快速干燥性能，(4)涂層與被加工材料的附著強(qiáng)度和(5)高潤滑性能。鑒于此，不存在導(dǎo)致火災(zāi)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(yīng)至金屬模具，則不必將被加工的材料取出并且不必對所述材料進(jìn)行退火處理，因而，能夠不中斷地進(jìn)行一系列冷鍛操作直至獲得具有最終形狀的加工制品。
權(quán)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(zhì)量％～40質(zhì)量％的固體潤滑劑；(b)2質(zhì)量％～20質(zhì)量％的同時具有潤滑性能和分散性能的附著劑；(c)2質(zhì)量％～20質(zhì)量％的同時具有潤濕特性和水蒸發(fā)促進(jìn)作用的試劑；和水。
2.如權(quán)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(quán)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(quán)利要求1所述的塑性加工用水系潤滑劑，其中同時具有潤濕特性和水蒸發(fā)促進(jìn)作用的所述試劑(c)包含烷撐二醇。
5.如權(quán)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；同時具有潤濕特性和水蒸發(fā)促進(jìn)作用的所述試劑(c)包含烷撐二醇。
6.如權(quán)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(fā)明提供一種塑性成形用水系潤滑劑，其中包含(a)10質(zhì)量％～40質(zhì)量％的固體潤滑劑；(b)2質(zhì)量％～20質(zhì)量％的同時具有潤滑性能和分散性能的附著劑；(c)2質(zhì)量％～20質(zhì)量％的同時具有潤濕特性和水蒸發(fā)促進(jìn)作用的試劑；和水。當(dāng)使用該潤滑劑時，不僅能夠解決傳統(tǒng)水溶性潤滑劑潤滑不足的缺點(diǎn)，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(xù)進(jìn)行從原料直至最終產(chǎn)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(yōu)先權(quán)日2003年11月26日
發(fā)明者土井善久, 榊原正義, 酒井健次, 后藤孝一, 吉田広明, 伊藤樹一 申請人:本田技研工業(yè)株式會社