JP2006312735A - 金属加工用電解水溶液 - Google Patents

Abstract

【課題】実質的に油を含むことなく、高度の冷却性と良好な潤滑性とを発揮する金属加工用電解水溶液を提供することを主な目的とする。
【解決手段】カリウム500〜3000ppmを含むpH12.5〜13.5の電解水に対しSiO₂1500〜5000ppmとP₂O₅500〜2000ppmとを配合した金属加工用電解水溶液；カリウム3000〜12000ppmを含むpH13〜13.5の電解水に対しグリセリンまたはオレイン酸1000〜50000ppmを配合した金属加工用電解水溶液。
【選択図】なし

Description

本発明は、液成分が実質的に水からなる金属加工用電解水溶液に関する。

切削、研削、圧延、転造、プレス、引き抜きなどによる金属材料の加工に際しては、冷却性付与および潤滑性付与を主な目的とし、併せて切削性、防錆性などの改善をも目的として、金属加工油が使用されている。

例えば、転造加工によるネジの製造においては、目的とするネジと同じピッチでその山と谷とを逆にした形状のネジ山が形成されている2つの転造ダイスを、長寸のネジ素材に押しつけながら回転させることにより、素材の周囲にネジ山を形成させる。この加工時には、素材と転造ダイスとを冷却するとともに、両者間の摩擦を低下させるために、金属加工油を使用する必要がある。

金属加工油は、冷却性により優れた低粘度加工油(水溶性加工油)と潤滑性により優れた高粘度加工油(水不溶性加工油)とに大別される。金属加工油の冷却性と潤滑性とは、互いに反する性質なので、実用的には、被加工材料の種類と形状、加工方法、加工速度などに応じて、添加物の種類と量、油との乳化状態を作る水の配合比などを適宜選択して、両特性の程度を調整している。

従来使用されてきた金属加工油は、水不溶性加工油および水溶性加工油のいずれであっても、相当な量の油を必ず含むので、種々の問題を伴う。例えば、ネジの転造に際して多量に使用されているスピンドル油の場合には、(1)飛散した或いは滴り落ちたスピンドル油により、転造装置が汚れ、作業場の床が滑りやすくなるので、時間をかけて清掃を行う必要がある、(2)スピンドル油は、臭気を発し、人の皮膚を刺激するので、作業員は、健康管理のため、手袋、マスクなどを装着する必要がある、(3) 転造加工後のネジを後工程(電解亜鉛メッキ、溶融亜鉛メッキ、塗装などの工程)に送る前に、煩雑な脱脂処理が必要である、(4)脱脂処理には、人体に有害な化学薬品を使用する必要がある、(5)スピンドル油の廃液処理が高コストであるなどの問題点がある。転造加工以外の金属加工においても、従来の金属加工油を使用する限り、同様な問題点を回避することは出来ない。

従って、油を使用しない或いは油の使用量を大幅に低減した「金属加工用水性液」の開発が切望されてきたが、現在のところ、高度の冷却性と良好な潤滑性とを発揮しうる金属加工組成物は、実用化されるには至っていない。

従って、本発明は、油を含むことなく、或いは油の含有量を大幅に低減しつつ、高度の冷却性と良好な潤滑性とを発揮する金属加工用電解水溶液を提供することを主な目的とする。

本発明者は、上記の課題を解決するために、鋭意研究を行なった結果、予め電解により調製した特定のpH値を有する電解水に特定の成分を配合する場合には、その目的を達成しうることを見出した。

すなわち、本発明は、下記の金属加工用電解水溶液を提供する。なお、以下の記載において、［請求項１］−［請求項３］に係る金属加工用電解水溶液を「電解水溶液A」と略記し、［請求項４］−［請求項６］に係る金属加工用電解水溶液を「電解水溶液B」と略記することがある。
１．カリウム500〜3000ppmを含むpH12.5〜13.5の電解水に対しSiO₂1000〜5000ppmとP₂O₅300〜2000ppmとを配合した金属加工用電解水溶液。
２．電解促進剤としての炭酸カリウムの存在下に生成された電解水を用いる上記項１に記載の金属加工用電解水溶液。
３．電解水に対しSiO₂1500〜3000ppmとP₂O₅500〜1500ppmとを配合した上記項１に記載の金属加工用電解水溶液。
４．カリウム3000〜12000ppmを含むpH13〜13.5の電解水に対しグリセリンまたはオレイン酸500〜50000ppmを配合した金属加工用電解水溶液。
５．電解促進剤としての炭酸カリウムの存在下に生成された電解水を用いる上記項４に記載の金属加工用電解水溶液。
６．電解水に対しグリセリンまたはオレイン酸1000〜12000ppmを配合した上記４に記載の金属加工用電解水溶液。

本発明による金属加工用電解水溶液は、下記の様な顕著な効果を発揮する。
(1)電解された水を基本成分とするので、大量の油を含む金属加工油が引き起こす種々の問題は、実質的に生じない。より具体的には、(a)油汚れ、作業環境の悪化、作業者の健康への悪影響などは、殆ど生じない、(b)引火の危険性がない、(c)被加工物の脱脂処理は、不要である、(d)組成物の製造コストが低く、廃棄物の処理コストも殆ど要しない、などの大きな利点がある。
(2)電解水溶液であるにも関わらず、「被加工製品の発錆を防止する」という予測しがたい特異な効果を発揮する。後記実施例の結果からも明らかな様に、本発明電解水溶液を使用しつつ、転造により加工されたネジは、倉庫内の大気中で保管しても、長期に亘り、錆びない。
(3)従って、本発明による電解水溶液は、冷却と潤滑と発錆防止とを必要とする各種の金属加工(特に、普通鋼、合金鋼などの鉄系材料の加工)において、極めて有用である。

特に、グリセリンまたはオレイン酸を配合した電解水溶液Bは、潤滑性に著しく優れているので、難加工性のステンレス鋼(例えば、SUS303、SUS304、SUS305、SUS316、SUSXM7などのオーステナイト系ステンレス鋼）の加工時にも、優れた切削効果を発揮する。
(4)なお、本発明による電解水溶液Aが、金属における主たる発錆要因であると考えられる水を液体成分としているにもかかわらず、優れた防錆効果を発揮する理由については、未だ十分には解明されていない。しかしながら、電解水中に含まれるカリウムイオンと電解水に添加されるSiO₂およびP₂O₅との相乗効果により、金属表面に不動態層或いはこれに類似する被膜層が形成されて、錆の発生およびその進行が抑制されるのではないかと推測される。
(5)また、グリセリンまたはオレイン酸を少量含むとはいえ、水を主たる液体成分としている電解水溶液Bが、優れた潤滑性に加えて、極めて優れた防錆効果を併せて発揮する理由については、未だ解明されていない。すなわち、電解水溶液Bを使用する場合には、比較的発錆し易い普通鋼加工品を湿潤状態で、エアーブロー乾燥しても、防錆は完全に抑制されるという顕著な効果が達成される。これに対し、公知の金属加工油を使用する場合には、防錆効果が低いので、湿潤状態の普通鋼加工品をエアーブロー乾燥することは、実用上困難である。

電解水溶液A
本発明による金属加工用の電解水溶液Aは、液成分として、カリウムイオンを含有し、pH12.5〜13.5の電解水を使用することを必須とする。

電解水は、公知の水電解手法により製造することが出来る。電解に供する水(以下「原料水」という)としては、水道水レベルの水質を有する水を使用すればよい。水道水を電解用原料水として使用する場合には、Ca、Mgなどのミネラル成分、特にCaが、配管類、電解装置、加工装置などの表面に析出して、種々の障害の原因となるので、その濃度を低下させておくことが好ましい。これらのミネラル成分の除去は、常法に従って、イオン交換法などにより、行うことが出来る。電解用原料水のCa濃度は、0.05ppm(水1リットル中のmg量：以下同様)程度以下であることが好ましく、Mg濃度は、0.005ppm程度以下であることが好ましい。

原料水の電解に際しては、電解槽内を陽極側と陰極側とに分離するイオン交換膜を槽内部に配置した状態で、原料水を導入しつつ、直流電源を用いて、電解を行う。この際、陽極側の原料水に電解促進剤としてK₂CO₃を添加する。原料水に対するK₂CO₃の添加量は、特に限定されるものではないが、電解操作によりpH12.5〜13.5の電解水を生成させるために、原料水中のその濃度が1000〜3000ppm程度、より好ましくは1000〜2000ppm程度に維持される様に調整する。

電解は、通常、原料水を電解槽内に導入しつつ、陰極側からアルカリ電解水を取り出すことにより、連続的に行う。陽極側から取り出される酸性水は、原料水に循環混合しても良い。

陰極側から取り出されるアルカリ電解水は、カリウムイオン濃度500〜3000ppm程度(より好ましくは1000〜2000ppm程度)、pH12.5〜13.5程度の特性を備えている。

本発明によれば、上記のアルカリ電解水にさらに特定量のSiO₂とP₂O₅とを配合することにより、金属加工時の冷却性および潤滑性に優れ、かつ加工後の金属製品に高度の防錆性を付与しうる電解水溶液Aが得られる。

電解水溶液中のSiO₂の濃度は、通常1000〜5000ppm程度(より好ましくは1500〜3000ppm程度)であり、P₂O₅の濃度は、通常300〜2000ppm程度(より好ましくは500〜1500ppm程度)である。これらの配合量が低すぎる場合には、金属素材の種類によっては、加工時の潤滑性の改善および加工製品に対する防錆効果が十分に発揮されない場合がある。一方これらの配合量が多すぎる場合には、コスト高となり、かつ電解水溶液の安定性が阻害される場合がある。

本発明による金属加工用の電解水溶液Aは、転造によるネジ加工などの金属素材加工に際して、潤滑油などの公知の油性組成物にそのまま代替して使用することが出来る。従って、金属加工装置も、既存の装置をそのまま使用することが出来る。

また、電解水溶液Aを使用する場合には、加工製品のエアーブローを行うことにより、より一層優れた防錆効果が達成される。

電解水溶液B
本発明による金属加工用の電解水溶液Bは、液成分として、カリウムイオンを含有し、pH13〜13.5の電解水を使用することを必須とする。

原料水の電解は、電解水溶液Aで用いる電解水の場合とほぼ同様の手法により、行うことが出来る。すなわち、電解槽内を陽極側と陰極側とに分離するイオン交換膜を槽内部に配置した状態で、原料水を導入しつつ、直流電源を用いて、電解を行う。この際、陽極側の原料水に電解促進剤としてK₂CO₃を添加する。原料水に対するK₂CO₃の添加量は、特に限定されるものではないが、電解操作によりpH13〜13.5の電解水を生成させるために、原料水中のその濃度が3000〜12000ppm程度、より好ましくは6000〜10000ppm程度に維持される様に調整する。

電解は、通常、原料水を電解槽内に導入しつつ、陰極側からアルカリ電解水を取り出すことにより、連続的に行う。陽極側から取り出される酸性水は、原料水に循環混合しても良い。

陰極側から取り出されるアルカリ電解水は、カリウムイオン濃度3000〜12000ppm程度(より好ましくは6000〜10000ppm程度)、pH13〜13.5程度の特性を備えている。

本発明においては、上記のアルカリ電解水にさらに特定量のグリセリンまたはオレイン酸を配合することにより、金属加工時の冷却性および潤滑性に優れ、かつ加工後の金属製品により一層高度の防錆性を付与する電解水溶液Bが得られる。

グリセリンを含有する電解水溶液Bは、塑性転造加工において、特に優れた効果を発揮する。なお、グリセリン含有電解水溶液Bは、塑性転造加工用に限定されるものではなく、他の金属加工手法においても、優れた効果を発揮する。

オレイン酸を含有する電解水溶液Bは、切削加工において、特に優れた効果を発揮する。オレイン酸含有電解水溶液Bも、切削加工用に限定されるものではなく、他の金属加工手法においても、優れた効果を発揮する。

電解水溶液B中のグリセリンまたはオレイン酸の濃度は、通常500〜50000ppm程度(より好ましくは1000〜12000ppm程度)である。グリセリンまたはオレイン酸をこの濃度範囲に調整することにより、電解水溶液Bの粘度は、3〜30mps・s程度となる。この配合量が低すぎる場合には、金属素材の種類によっては、加工時の潤滑性の改善および加工製品に対する防錆効果が十分に発揮されない場合がある。一方この配合量が多すぎる場合には、コスト高となり、かつ電解水溶液の安定性が阻害される場合がある。

本発明による金属加工用の電解水溶液Bも、転造によるネジ加工などの金属素材加工に際して、潤滑油などの公知の油性組成物にそのまま代替して使用することが出来る。従って、金属加工装置も、既存の装置をそのまま使用することが出来る。

特に、防錆機能に極めて優れている電解水溶液Bを使用する場合には、加工後の普通鋼製品を湿潤状態でそのままエアーブローなどによる乾燥に供することが、可能となる。公知の金属加工油を使用する場合には、湿潤状態の普通鋼製加工品をエアーブローに供すると、発錆が生じるので、電解水溶液Bの有用性は、極めて大きい。

さらに、電解水溶液Bを使用する場合には、加工時の摩擦係数が低下するとともに、切削工具類の摩耗量が大幅に低下する。この点においても、電解水溶液Bの有用性は、極めて大きい。

以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明らかにする。
［実施例１］
イオン交換により予めCaを0.05ppm未満とし、Mgを0.005ppm未満とした水道水にK₂CO₃を0.03％の割合で添加した後、これを電解処理に供して、カリウムイオン濃度約2000ppm、pH12.8の電解水を調製した。

この電解水をPET製容器に収容して、6ヶ月間静置した後、そのpHを測定したところ、変化は実質的に認められなかった。

一方、調製直後の電解水に対し、SiO₂1500ppmおよびP₂O₅500ppm (それぞれJACC-W・1種2号およびW・2種2号規格品)を加えて、本発明による金属加工用電解水溶液Aを得た。

この電解水溶液Aを冷却・潤滑剤として用いて、普通鋼素材(直径8.15mm×長さ2000mm、820g)の転造加工を行い、得られたネジ製品をエアーブローン乾燥し、次いで、10日間にわたり、非密閉状態の倉庫に保管した後、製品2000本の表面を肉眼で観察して、発錆の有無を調べた。結果を後出の表１に示す。

本実施例における電解水溶液Aは、転造加工に際して良好な冷却能と潤滑能とを発揮したので、従来のスピンドル油を使用する場合と同様に、円滑な加工を行うことが出来た。

なお、表１には、SiO₂およびP₂O₅含有量を変化させた場合の発錆状態(実施例２〜５および比較例１〜３)を併せて示す。いずれの電解水溶液Aも、冷却能と潤滑能とに関しては、優れた効果を発揮した。
［実施例２］〜［実施例４］および［比較例１］〜［比較例３］
カリウムイオン濃度約2000ppm、pH12.8の電解水を液成分とし、電解水溶液A中のSiO₂およびP₂O₅含有量を変化させた以外は、実施例１と同様にして、転造加工によりネジ製品を製造した。

表１に示す結果から、転造加工によるネジの製造に際し、カリウムイオン濃度約2000ppm、pH12.8の電解水をそのまま加工液として使用する場合においても、かなり良好な防錆効果が得られている(比較例３)。

この様な電解水にさらに所定量のSiO₂およびP₂O₅を配合した本発明電解水溶液Aを使用する場合には、極めて優れた防錆効果が達成されることが明らかである。実施例１においては、2000本中の2本に僅かの発錆が認められたが、その発錆の程度および発生率は、実用的な許容範囲内にある。
［実施例５］
実施例１と同様の手法により調製した電解水(但し、カリウムイオン濃度約8000ppm、pH13の電解水)にオレイン酸10000ppmを加えて、本発明による金属加工用電解水溶液Bを得た。
この電解水溶液Bを用いて、ステンレス鋼線材(SUS304)に対し、レベラーカッター(丸鋸刃)による切断加工を行った。材料径は、10.7mmであり、切断加工本数は、3000本であった。

公知の水溶性加工油を使用する場合には、加工本数3000本程度で、鋸刃に0.3μm程度の摩耗(鋸刃中心から外縁方向への長さの減少)が生じて、交換する必要がある。しかるに、本発明による電解水溶液Bを使用する場合には、加工本数3000本の段階で、その摩耗は、僅か0.065μmに過ぎず、電解水溶液Bが優れた切削特性を備えていることが確認された。
［実施例６］
実施例１と同様の手法により調製した電解水(但し、カリウムイオン濃度約9000ppm、pH13の電解水)にグリセリン10000ppmを加えて、本発明による金属加工用電解水溶液Bを得た。

得られた電解水溶液Bを用いて、ステンレス鋼（SUS304）に対し、転造加工によるネジ塑性加工を行った。材料径は、14.5mmであり、加工本数は3000本であった。この電解水溶液Bは、製品加工性において、公知の潤滑油と同等の効果を発揮することが確認された。従って、電解水溶液Bは、転造加工における公知の潤滑油を代替しうることが確認された。

Claims (6)

1. カリウム500〜3000ppmを含むpH12.5〜13.5の電解水に対しSiO₂1000〜5000ppmとP₂O₅300〜2000ppmとを配合した金属加工用電解水溶液。
2. 電解促進剤としての炭酸カリウムの存在下に生成された電解水を用いる請求項１に記載の金属加工用電解水溶液。
3. 電解水に対しSiO₂1500〜3000ppmとP₂O₅500〜1500ppmとを配合した請求項１に記載の金属加工用電解水溶液。
4. カリウム3000〜12000ppmを含むpH13〜13.5の電解水に対しグリセリンまたはオレイン酸500〜50000ppmを配合した金属加工用電解水溶液。
5. 電解促進剤としての炭酸カリウムの存在下に生成された電解水を用いる請求項４に記載の金属加工用電解水溶液。
6. 電解水に対しグリセリンまたはオレイン酸1000〜12000ppmを配合した請求項４に記載の金属加工用電解水溶液。