JP2002511109A - 高性能金属加工油 - Google Patents

高性能金属加工油

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、非乳化性かつ無塩素性の金属加工または切削油に関し、該油は塩素を含有する油剤が示す性能と同等かまたはより優れた性能を示す。該金属加工油は、鉱油基材油中に共硫化オレフィン、多硫化炭化水素、リン酸エステル、動物性トリグリセリド、高分子量のポリオレフィンを含有する。該油はまた、金属不活化剤、BHT等の抗酸化剤および保存剤、ならびに上記の混合物を含有してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】 高性能金属加工油発明の背景 発明の分野 本発明は、非乳化性かつ無塩素性の金属加工油剤または切削油に関する。関連分野の説明 何年にもわたり、塩素処理を施したパラフィンは、金属加工油剤において顕著 な性能を示すことが一般に認められている。しかし、最近になって、塩素処理パ ラフィンの毒性の問題、ならびに通常使用時および廃棄時における混入の問題が 生じ、長期間の継続使用が懸念されている。更に、塩素処理パラフィンを使用す る者または使用しようとする者は、そうでない者と同様、塩素処理した材料は、 一般に避けておくのが最もよいという一般的な印象を持つ傾向がある。 1985年の初め頃に、塩素処理した短鎖(即ち、13個未満の炭素原子)のパラフ ィンの毒性が問題となり、この時、実験動物においても塩素処理パラフィンの毒 性を示唆する結果が得られた。より炭素数の多い塩素処理パラフィンに関する情 報は、得られていないが、一般大衆が関心を示していることが、用途および処方 物からできるだけ塩素処理炭化水素を減少または消滅することを求める十分な理 由になっている。塩素処理した短鎖のパラフィンは、環境保護局の放出性毒物の 目録に収載されている。 塩素処理を施した材料の廃棄も複雑かつ高価である。油性廃棄物中に1000ppm 以上の塩素が存在する場合、該廃棄物をRCRA危険性廃棄物として取り扱う必 要 がある。塩素処理を施した廃棄物の燃焼廃棄は、焼却炉が極めて高温で作動しな い限りダイオキシンが生じる可能性がある。 そのような塩素処理を施した材料を含有するこれまでのような金属加工油剤の 塩素処理パラフィンを置換および置き換えることは、塩素を含まない切削油は、 塩素処理製品に比較して同等に作用する限り、公衆衛生、廃棄および通常使用時 の問題の観点から望ましい措置である。発明の説明 本発明は、非乳化性、無塩素金属加工油または切削油剤であって、潤滑粘性を 有する大量の基油、ならびに硫化オレフィン、多硫化炭化水素、リン酸エステル 、精製されたトリグリセリド、および任意に、抗ミスト添加剤、抗酸化剤、金属 不活化剤、染料およびそれらの混合物から成る群より選択される更なる材料の混 合物を含む少量の添加剤パッケージを含む、非乳化性、無塩素金属加工油または 切削油剤である。 本発明の金属加工または切削油剤において用いられる基材油とは、潤滑粘性を 有する油(即ち、40℃で5〜250cstの範囲、好ましくは8〜200cStの範囲、最 も好ましくは10〜185cStの動粘度を有する油)である。 潤滑油の基材油は、天然の潤滑油、合成された潤滑油、またはそれらの混合物 から誘導することができる。適切な潤滑油の基材油としては、合成ワックスおよ びスラックワックスの異性化によって得られる基材油、ならびに原油の芳香性お よび極性成分を(溶媒抽出ではなく)水素化分解することによって、製造される 水素化分解性基材油が挙げられる。 天然の潤滑油としては、石油、鉱油、ならびに石炭または頁石から誘導され、 分留、溶媒抽出、脱ろうおよび水素化精製を含む典型的な手順により精製される 油 が挙げられる。 合成された油としては、重合オレフィンおよび異種重合オレフィン、アルキル ベンゼン、ポリフェニル、アルキル化ジフェニルエーテル、アルキル化ジフェニ ルエーテル、アルキル化ジフェニルスルフィド等の炭化水素油およびハロ置換炭 化水素油、ならびにそれらの誘導体、類似体、およびそれらの同属体等が挙げら れる。また、合成された潤滑油としては、アルキレンオキシドポリマ,異種ポリ マ、コポリマおよびそれらの誘導体が挙げられ、ここで、末端の水酸基は、エス テル化等によって改変されている。合成された潤滑油のもう1つの適切なクラス は、ジカルボン酸と様々なアルコールとのエステルを含む。また、合成油として 有用なエステルとしては、C5〜C12のモノカルボン酸およびポリオールから作 製されるエステルならびにポリオールエステルが挙げられる。 ケイ素を基材とする油(ポリアルキル、ポリアリール、ポリアルコキシまたは ポリアリールオキシシロキサン油およびケイ酸塩油等)は、もう1つの有用なク ラスの合成された潤滑油を含む。他の合成された潤滑油としては、リンを含有す る酸の液体エステル、高分子テトラヒドロフラン、ポリαオレフィン等が挙げら れる。 潤滑油は、未精製、精製、再精製油、またはそれらの混合物から誘導してもよ い。未精製油は、更なる精製または処理を行うことなく、天然源または合成源( 例えば、石炭、頁岩、またはタールおよび瀝青質)から直接得られる。未精製油 の例としては、レトルト操作より直接得られる頁石油、蒸留より直接得られる石 油、またはエステル化方法により直接得られるエステル油が挙げられ、次いで、 それぞれの油は、更なる処理を行うことなく使用することができる。精製油は、 未精製油に類似している。但し、精製油の方は、1つ以上の精製工程で処理され ており、1つ以上の特性が改善されている。適切な精製技術としては、蒸留、水 素化処理、脱ろう、溶媒抽出、酸または塩基抽出、濾過および浸出が挙げられ、 これらはすべて当 業者に公知である。再精製油は、精製油を得るために使用されるプロセスと類似 のプロセスで精製油を処理することによって得られる。これらの再精製油は、再 生油または再加工油として知られており、しばしば、使用済みの添加物および油 分解生成物を除去するための技術によって更に加工される。 ろうの水素異性化から誘導される潤滑油の基材油も、単独あるいは上記の天然 基材油および/または合成基材油との組み合わせのいずれかで使用される。その ようなろう異性体油は、水素異性化触媒上での天然または合成のろうあるいはそ れらの混合物の水素異性化によって生成される。 天然のろうとは、典型的には、鉱油の溶媒脱ろうにより回収される軟ろうであ り、合成ろうとは、典型的には、Fishcher-Tropsch法により生成されるろうであ る。 典型的に、得られる異性体生成物を溶媒脱ろうおよび分別に供することにより 、様々な比粘性範囲の留分が回収される。ろう異性体は、極めて高い粘性指数を 有し、一般に、少なくとも130、好ましくは少なくとも135以上のVIを有し、脱 ろう後は約-20℃以下の流動点を有することを特徴とする。 本発明の要件を満たすろう異性体油の生成については、米国特許第5,059,299 号および米国特許第5,158,671号において開示され、請求の範囲に記載されてい る。 好ましい基材は、ポリαオレフィン、エステル等の高価な基材の天然基材であ り、切削油には適していない。 添加剤パッケージは、硫化オレフィン、炭化水素を含む前記オレフィン、植物 由来の脂肪酸アルキルエステルおよび植物性トリグリセリド、多硫化炭化水素、 リン酸エステル、精製されたトリグリセリド、ならびに任意に、抗ミスト剤、金 属不活化剤、抗酸化剤、およびそれらの混合物から成る群より選択される更なる 添加物を含む混合物を含む。 硫化オレフィンは、硫化炭化水素、植物由来の硫化脂肪酸アルキルエステルお よび植物性硫化トリグリセリドの混合物を含む。好ましくは、硫化オレフィンは 、共硫化生成物であり、トリグリセリド、脂肪酸のアルキルエステル、およびオ レフィンの混合物を硫化することによって生成される。これにより得られるもの はネットワークポリマと考えられており、ここで、スルフィド結合は、すべての 3つの分子種に結合する。硫化の程度は、イオウで10〜40%、好ましくは、15〜 30%イオウの範囲である。トリグリセリドは、あらゆる供給源、動物または植物 、好ましくは植物から得ることができる。植物由来の脂肪酸のエステルは、C1 〜C20アルコールエステルおよびそれらの混合物である。オレフィンは、任意の C3〜C15オレフィン、好ましくはイソブチレンである。好ましい共硫化生成物 は、植物性トリグリセリド、植物性脂肪酸のメチル〜ペンチルエステルおよびC4 〜C12オレフィンを共硫化することによって確保される。最も好ましい材料は 、キャノーラトリグリセリド、キャノーラ由来脂肪酸のメチルエステルおよびイ ソブチレンである。適切な材料は、Additinの商品名で、Rhein Chemieより市販 されている。 この硫化オレフィン混合物成分は、本発明の組成物において、0.5〜15容量% 、好ましくは、2〜12容量%の範囲の量で使用される。 本発明の処方物において使用される多硫化炭化水素は、約3〜30個の炭素原子 を含有する少なくとも1つの脂肪族または脂環式オレフィン化合物を含む。本発 明の使用において適切な多硫化炭化水素は、以下の式: R1n2 の多硫化炭化水素である。 式中、R1およびR2は同一であるかまたは異なり、C3〜C30オレフィン、好ま しくは、C3〜C15オレフィンから選択され、「n」は平均して2〜6である。 好ましくは、R1およびR2はイソブチレンであり、「n」は平均して2〜6であ る。「n」が6を超える場合、分子は分解してイオウ単体を生じる傾向があり、 「n」 が2未満である場合、反応性は低い。この種の材料は、Lubrizol Corporation等 の多くの供給者から市販されている。 多硫化炭化水素は、本発明の処方物において、約0.5〜15容量%、好ましくは 、1〜5容量%の範囲の量で存在する。 本発明において使用されるリン酸エステルは、OP(OR)3の形式であり、 ここで、Rは、同一であるかまたは異なり、C1〜C10アルキル、置換されたア リールから選択され、好ましくは、Rはすべて同一であり、クレジル、イソプロ ピルフェニル、フェニル、キシレン、t-ブチルフェニル、好ましくは、イソプロ ピルフェニルである。この種の材料の適切な例は、Duradの商品名でFMCより 市販されている。 これらのリン酸エステルは、処方物において約0.1〜5容量%の範囲の量で存在 する。 本発明の処方物は、また、動物または植物供給源から誘導される精製されたト リグリセリド、好ましくは、高度に精製された動物(ブタ、ヒツジ、ウシ)性ト リグリセリド(例えば、ラード油)であり、0.5〜10容量%の範囲の量で使用さ れる。飽和度が比較的高く、それ故、トリグリセリドに伴う脂肪酸が化学的に不 活であることから、動物性脂肪が好ましい。この種の材料は、Emersolの商品名 でEmery Chemicalsより市販されている。 任意に、トリアゾールまたはチオジアゾール等の油可溶性の金属不活化剤が存 在してもよい。存在する場合は、それらは、0.01〜0.5容量%の範囲の量で使用 される。そのような材料としては、トリアゾール、ベンゾトリアゾール等のアリ ールトリアゾール、トリルトリアゾール、以下の式のようなトリアゾールの誘導 体が挙げられる。 R(C63)N3CH21 2 式中、RおよびR1は、同一であるかまたは異なり、C1〜C15アルキル、好まし くは、RおよびR1は、C6〜C10の範囲のアルキルであり;R(C63)N2S (式中、Rは、HまたはC1〜C10アルキルである)等のベンゾチオジアゾール も使用され得る。適切な材料は、IrgametおよびReometの商品名でCiba Geigyよ り、またはVanlubeの商品名でVanderbilt Chemical Corporationより市販されて いる。 好ましくは、金属不活化剤が処方物中に存在する場合は、トリアゾールおよび ベンゾトリアゾールの誘導体を使用する。 活性成分あたり0.05〜5.0容量%の範囲の量で抗ミスト剤を任意に使用しても よい。抗ミスト剤は、約30万〜400万以上の分子量(粘性平均分子量)の範囲の 典型的に油可溶性の有機ポリマである。典型的なポリマとしては、イソブチレン 、スチレン、アルキルメタアクリレート、エチレン、プロピレン、n-ブチレンビ ニルアセテート等のモノマから誘導されるポリマが挙げられる。好ましい材料は 、100万から300万の範囲の分子量のポリメチルメタクリレートまたはポリ(エチ レン、プロピレン、ブチレンまたはイソブチレン)である。160万〜300万、より 好ましくは約210万〜235万の分子量のポリイソブチレンが最も好ましい。そのよ うなポリマは、鉱油希釈物中4〜6重量%のポリマの溶液として典型的に使用さ れる。メタクリレートは、Rohm GmBHまたはRohm and Haasより市販されており、 ポリオレフィン材料は、Exxon Chemical Companyより確保することができる。 油が切削油剤および機械潤滑油の両方の目的を果たすような場合、抗酸化剤も 本発明の潤滑油の特定の用途において有用である。 一般に、アミン系またはフェノール系の任意の抗酸化剤あるいはそれらの混合 物を使用することができ、存在する場合は、0.01〜1.0重量%の範囲の量で使用 される。低コストのため、フェノール性抗酸化剤のほうが好ましい。フェノール 性抗酸化剤としては、ブチル化ヒドロキシトルエン(BHT)、ビス-2,6-ジ-t- ブチル フェノール誘導体、含硫ヒンダードフェノール、含硫ヒンダードビスフェノール が挙げられる。BHTが好ましい抗酸化剤である。実施例 本発明の一連の処方物を調製し、異なる切削および加工用工具を使用し、異な る金属上、様々な条件下で、金属加工および金属切削用途の評価に供した。多く の処方物の性能を、異なる市販の切削および/または加工油剤と比較した。 実施例1 処方物Cを、1.3%で塩素処理を施した市販の機械用油と比較した。油を、ス チール付属具を組み立てるのに使用されるNew Britain Model 52ねじ締め機械に 用いた。切削しようとするスチールは、AISI 12L14である。該スチールは、再硫 化および再リン化スチールで金属鉛を添加し、高度な機械加工を可能にしたスチ ールである。切削工具は、主にM2工具用スチールであった。機械油は、青銅ブ ラッシング上のスチールギア、青銅ギア、逆生歯およびローラーチェーン、様々 な転動素子ベアリング、クラッチ、ならびに滑り面を含む機械の様々な部品を潤 滑する。油はギアポンプによって循環され、該油は濾別および濾過される。 潤滑剤として塩素処理を施された油を使用する場合、機械のアンペア数は10〜 12Aに変動した。機械が停止し、33℃になった時の油受け中の油の温度を測定し た。気温は25℃であった。機械に試験処方物Cを再充填し、同様に使用して同じ 金属を切削した。機械に10〜12Aを通し、停止時の油の温度は33℃であった。従 って、試験処方物は、(同一ではないとしても)実質的に塩素処理した市販の潤 滑剤と同様に挙動したことが見出された。油の性能の差は認められなかった。実施例2 試験処方物Cを、AISI 12L14ねじ締め機械原料を機械加工する様々な工具用ス チール切削工具を用いるBrown & Sharpeねじ締め機械において、0.3重量%の塩 素を含有する市販の潤滑剤(市販の油A)、1.3重量%の塩素を含有する市販の 潤滑剤(市販の油B)、および塩素を含有しない市販の油(市販の油C)と比較 した。性能の基準は、工具の使用基間、表面仕上げ、機械工具の振動、および噴 煙の最大抑制であった。Brown & Sharpeねじ締め機械は青銅ギブを用いる。 金属取り出し操作中の機械工具の振動は容認できるものではない。振動により 機械工具のギブおよびベアリングが破損し、工具の使用期間が短くなり、切削の 製作さが低下し、加工物の表面仕上げが低下し、過剰の熱および噴煙が生じる。 振動またはチャタリングは、通常、自励現象であり、この時、切削工具は回転し ている加工物に周期的に掘削して離れる。振動は、切削が深すぎるおよび/また は広すぎることを示す兆候であり、ここで、加工物および/または機械工具の剛 性が過度に小さくなる。 振動は、不適切な機械設定により生じるものであって、一般には切削油の性能 の問題にまでは及ばない。しかし、市販の油Cでは、市販の油Aよりも多くの振 動が生じた。 市販の油Bを使用すると、市販の油Aまたは市販の油Cと比較して機械工具の 振動が顕著に低下した。加工物の表面仕上げは改善され、聞き取りで振動の低下 が認められ、噴煙は減少し、使用期間については、再形成までの期間が1〜3日 延長した。 市販の油Bでは、加工物の下流の油の温度は、39℃(室温は15℃)であっ た。市販の油Aでは、下流の油の温度は42℃(室温は18℃)であった。両塩 素処理油とも実質的に同様の挙動を示した。 市販の油Bを試験処方物Cに置き換えた。比較したところ、両油ともほぼ同じ 温度(室温より高い24℃)で平衡に達することが明らかにされた。はじめは、 試験処方物Cの方が市販の油Cよりも多く機械振動が認められた。このことは、 聞き取りおよび機械加工された部品の表面仕上げでも認められた。試験処方物C を加温して、より多くの流体を切削領域に送達させると、振動は、市販の油B( 1.3%塩素)とあまり変わらなかった。工具の使用期間を比較すると、試験処方 物Cは、3日間の再形成期間を有する市販の油Bと同様に作動したことが明らか になった。 試験処方物Cは、市販の油B(1.3%塩素)と同等に作動して、市販の油C(0 % 塩素)を超える性能を示し、試験処方物C自体の塩素含有量は0である。機械工 具の振動は、試験処方物C中に存在する共硫化脂肪/エステル/オレフィンの存 在に対応した。そのような共硫化材料は、摺動面油用のスチックスリップ摩擦調 整剤として使用され、本実施例において振動の減少に有用であることが見出され ている。実施例3 試験処方物Bを、Davenportねじ締め機械において、黄銅片の組み立てにおけ る機械油および切削油の両者として評価したところ、市販の油B(1.3重量%塩 素および硫化鯨油置換物)よりも優れていた。処方物Bでは、若干の小さな泡が 認められたが、これは、機械床盤から切削油タンクに至る切削油の「落水」の高 さがかなり大きいことによる。リザーバ内の油のレベルが高ければ、「落水」の 高さは減少し、泡立ちが抑えられる。生成された加工片を電子顕微鏡で比較した ところ、表面仕上げ、光沢または輝度に差は、認められなかった。 機械加工された黄銅材料は、米国指定の銅および黄銅を使用した360合金とし て知られている。Unified Numbering System(UNS)は合金をC36000と指定 した。工具用スチール工具を用いて、穿孔、挿通、旋削、および分割操作を実施 した。実施例4 硬化した工具用スチール切削工具を用いて焼き鈍した工具用スチール加工物を 機械加工する操作における切削工具の使用期間について、試験処方物Fを、1.9 重量%塩素を含有する市販の油(市販の油D)と比較した。工具用スチールは化 学的に耐火性であるため、切削油添加剤による化学的な硫化または塩素化を極め て受け難い。加工物基材の破壊力学は、添加物の変動に応じて変化することはな い。従って、高度の耐火性機械操作において、切削油は、主に冷却剤および潤滑 剤として 機能する。 試験では、約100リットルの切削用油を保持するOOZT-ALATNI MASINI機械工具 を用いた。切削工具は硬化したT15工具用スチールで作製された形状浮き彫り カッターであり、加工物基材も工具用スチールM4であったが、軟焼き鈍し条件 下にあった。組み立て用とする生成物は、側部および面フライス旋回カッターで あった。カッターの直径は135mm、幅15.4mm、および内径40mmである。 切削用油の性能の主な基準は、形状浮き彫りカッターの使用期間であった。使 用期間は、再形成を要する前に作製された部品の数によって測定する。一連の8 個の形状浮き彫りカッターを使用して、フライス旋回カッターを組み立てて塩素 処理を施した市販の油Dを満たし、続いて試験処方物Fを満たした。一連の形状 浮き彫りカッターの再形成期間は、2つの切削用油とも同じであった。両油を伴 う基材油の棒材あたり30個の形勢物が必要であった。塩素処理を施した市販の油 Dの性能は、塩素を含まない試験処方物Fと同じであった。実施例5 硬化したT15工具用スチールを用いて焼き鈍したM4工具用スチール加工物 を機械加工するOOZT-ALATNI MASINI機械工具において、試験処方物Eを市販の油 Dと比較した。試験処方物E(塩素0)および市販の油D(1.9重量%塩素)の 両者は、同じように作動することが見出された。実施例6 試験処方物Fおよび試験処方物Bを、Landis旋盤において2つの市販の油と比 較して評価した。 試験処方物Fを市販の油Fを市販の油F(1.7重量%塩素)と比較したところ 、 工具の使用期間、機械の雑音、加工物の温度上昇、および加工物の表面仕上げに ついて同等に作動することが見出された。操作は、後の挿通のためにGrade 400 スチールを適切な直径で切削する工程を包含した。旋盤は、工具用スチールカッ ターおよびスチール挿通ダイスを用いて本操作を行った。 広範な棒原料上で圧延挿通を行うために使用されるLandis旋盤において、試験 処方物Bを市販の油G(塩素を含まない、1重量%イオウおよび40℃で29cS t)と比較した。挿通転子は工具用スチールであった。本操作は、切削方法では なく、むしろ金属変形または形成方法である。使用される原料は、典型的にAISI 1541およびAISI 1540(高マンガン、1.35〜1.65重量%、炭素鋼)である。機械 の設計上、ブラッシングに達する直径の小さな油通路への潤滑剤の進行を可能に するためには、粘性の低い油が必要とされる。 試験処方物Bおよび市販の油Gは、操作の最初の2時間の間は同等に作動する が、過度の加熱のために約4時間後には装置が停止することが見出された。この ことは驚くべきことであった。何故なら、加工片は手動で供給されるため、操作 はゆっくりと進行するからである。加工片の手動供給の間、温度による自動停止 が行われるのに十分な温度の上昇を、装置の操作者が最初に認識するべきであっ た。破壊された形成用工具が高いトルクを生じ、使用した潤滑剤とは無関係の予 想外かつ制御不能な温度上昇が発生したと思われる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C10N 30:10 C10N 30:10 30:14 30:14 30:20 30:20 40:20 40:20 Z (72)発明者 ジェロウ ジェラルド ケイス カナダ国 エヌ0エヌ 1シー0、オンタ リオ州、ブライト グローブ、ジョンズ アヴェニュー 1925

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.潤滑粘性を有する大量の基材油、ならびに硫化オレフィン、多硫化炭化水 素、リン酸エステル、および精製されたトリグリセリドの混合物を含む少量の添 加物を含む、塩素を含まない金属加工油剤。 2.添加混合物が、抗ミスト添加物、抗酸化剤、金属不活化剤、染料およびそ れらの混合物からなる群より選択される更なる成分を含有する、塩素を含まない 金属加工油剤。 3.前記硫化オレフィンが、硫化炭化水素、植物由来の硫化脂肪酸アルキルエ ステルおよび植物性硫化トリグリセリドの混合物を含む、請求項1または2に記 載の塩素を含まない金属加工油剤。 4.前記硫化オレフィンが、トリグリセリド、脂肪酸のアルキルエステルおよ びオレフィンの混合物を硫化することによって生成される共硫化生成物を含む、 請求項3に記載の塩素を含まない金属加工油剤。 5.前記多硫化炭化水素が、3〜30個の炭素を含有する少なくとも1つの脂 肪族または脂環式オレフィン化合物の硫化生成物を含む、請求項1または2に記 載の塩素を含まない金属加工油剤。 6.前記多硫化炭化水素が以下の式 R1n2 式中、R1およびR2は、同一または異なるC3〜C30オレフィンであり、nは、 平均して2〜6である、請求項5に記載の塩素を含まない金属加工油剤。 7.金属加工用機械および加工片を潤滑する方法であって、潤滑粘性を有する 大量の基材油、ならびに硫化オレフィン、多硫化炭化水素、リン酸エステル、お よび精製されたトリグリセリドの混合物を含む少量の添加物を含む、塩素を含ま ない潤 滑剤を使用することを包含する、方法。
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