JP2014125680A - 水系冷却剤 - Google Patents

Abstract

【課題】高い冷却性能を有しながら、冷却対象となる金属材料が腐食を生じにくい水系冷却剤を提供する。
【解決手段】水系冷却剤は、炭酸塩、炭酸水素塩、セスキ炭酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、モリブデン酸塩、およびタングステン酸塩から選ばれる１種以上の無機酸塩と、金属腐食防止剤とを配合してなる。本発明の水系冷却剤は、高い冷却性能を有し、かつ、冷却対象となる金属材料に腐食を生じにくい。それ故、本発明の水系冷却剤は熱処理油あるいは切削油として好適である。
【選択図】なし

Description

本発明は水系冷却剤に関し、詳しくは、金属部品の焼入れなどに使用される水系冷却剤に関する。

金属部品の焼入れに使用される冷却剤（熱処理液）は、油系および水系（水溶液）に大別され、油系の熱処理液が広く用いられている。油系の熱処理液は適度な冷却性能があり、焼入れ歪が小さく、焼割れ発生の心配がないからである。
一方、特に大きな金属部品や、焼入れ性の悪い金属部品の場合、油系の熱処理液では、冷却速度が遅く、冷却性能が不足するので、水系の熱処理液が用いられる。ところが、水系の熱処理液は、油系熱処理液よりも冷却性能が高いので、冷却むらが生じやすく焼割れのおそれがある。
耐冷却むら性能を高くする技術として、古くから食塩水による焼入れが知られている。食塩水は、蒸気膜段階が無いので、高い冷却性能を有しながら耐冷却むら性能が高く焼割れが少ない（非特許文献１参照）。しかし、食塩水を熱処理液として使用すると、熱処理後１時間以内という極めて短時間で錆が発生し、油槽等の設備への腐食も著しいことから工業的にはほとんど使用できない。
そこで、ギ酸や酢酸などの有機酸や、塩酸や硫酸などの無機酸、あるいはこれらの塩を含有させた水系熱処理液により冷却速度を向上させることが提案されている（特許文献１、２参照）。

特開昭６４−４２５２１号公報 特開平１−２５９１１９号公報

大和久重雄、「焼割れを考える」、熱処理、昭和４２年６月、第７巻、第３号、ｐ．１４０〜１４４

しかしながら、特許文献１、２の水系熱処理液においても、冷却対象となる金属材料に腐食を生じるおそれがある。

本発明の目的は、高い冷却性能を有しながら、冷却対象となる金属材料が腐食を生じにくい水系冷却剤を提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明は、以下のような水系冷却剤を提供するものである。
（１）炭酸塩、炭酸水素塩、セスキ炭酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、モリブデン酸塩、およびタングステン酸塩から選ばれる１種以上の無機酸塩と、金属腐食防止剤とを配合してなることを特徴とする水系冷却剤。
（２）上述の（１）に記載の水系冷却剤において、前記金属腐食防止剤が、ベンゾトリアゾール系化合物、ベンゾイミダゾール系化合物、ベンゾチアゾール系化合物、およびベンゾチアジアゾール系化合物から選ばれる１種以上の化合物であることを特徴とする水系冷却剤。
（３）上述の（１）または（２）に記載の水系冷却剤において、さらに殺菌剤を配合してなることを特徴とする水系冷却剤。
（４）上述の（３）に記載の水系冷却剤において前記殺菌剤の配合量が当該冷却剤全量基準で０．００１質量％以上０．５質量％以下であることを特徴とする水系冷却剤。
（５）上述の（１）から（４）までのいずれか１つに記載の水系冷却剤において、前記無機酸塩の配合量が当該冷却剤全量基準で１質量％以上２０質量％以下であることを特徴とする水系冷却剤。
（６）上述の（１）から（５）までのいずれか１つに記載の水系冷却剤において、前記金属腐食防止剤の配合量が当該冷却剤全量基準で０．０１質量％以上１質量％以下であることを特徴とする水系冷却剤。
（７）上述の（１）から（６）までのいずれか１つに記載の水系冷却剤において、前記無機酸塩が無機酸の金属塩であることを特徴とする水系冷却剤。
（８）上述の（７）に記載の水系冷却剤において、前記無機酸塩がナトリウム塩、カリウム塩、カルシウム塩、およびマグネシウム塩の少なくともいずれかであることを特徴とする水系冷却剤。
（９）上述の（１）から（８）までのいずれか１つに記載の水系冷却剤において、前記リン酸塩が、オルトリン酸塩、リン酸水素塩、リン酸二水素塩、ポリリン酸塩、およびメタリン酸塩の少なくともいずれかであることを特徴とする水系冷却剤。
（１０）上述の（１）から（９）までのいずれか１つに記載の水系冷却剤が焼入れ油または切削油であることを特徴とする水系冷却剤。

本発明によれば、極めて高い冷却性能を有しながら、冷却対象となる金属材料が腐食を生じにくい水系冷却剤を提供することができる。

本発明の水系冷却剤（以下、「本冷却剤」と略記する場合がある。）は、所定の無機酸塩と金属腐食防止剤とを配合してなる水溶液である。以下、詳細に説明する。
本冷却剤に用いられる無機酸塩としては、炭酸塩、炭酸水素塩、セスキ炭酸塩、リン酸塩、硫酸塩、ホウ酸塩、モリブデン酸塩、およびタングステン酸塩が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。
上述の無機酸塩の中では、冷却効果の観点より炭酸塩、炭酸水素塩、セスキ炭酸塩、およびリン酸塩が好ましい。また、炭酸塩と炭酸水素塩はｐＨ調製の観点より混合して使用することが好ましい。
リン酸塩としては、オルトリン酸塩、リン酸水素塩、リン酸二水素塩、ポリリン酸塩、およびメタリン酸塩のいずれでもよい。ポリリン酸塩としては、二リン酸塩（ピロリン酸塩）やトリポリリン酸塩などが挙げられる。これらの中では、冷却効果の観点より、ピロリン酸塩が好ましい。これらの各リン酸塩は単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。また、これらと前記無機塩を混合して用いてもよい。

このような無機酸塩としては、金属塩が好ましく具体的には、ナトリウム塩、カリウム塩、カルシウム塩、およびマグネシウム塩などが挙げられる。これらの中では、冷却性の観点よりナトリウム塩やカリウム塩が好ましい。
また、本冷却剤におけるｐＨとしては、腐敗防止の観点より、７以上であることが好ましい。
本冷却剤における無機酸塩の好ましい配合量は、本冷却剤全量基準で１質量％以上２０質量％以下であり、より好ましい配合量は、３質量％以上１５質量％である。無機酸塩の配合量が１質量％未満では冷却効果が十分ではなくなるおそれがある。一方、無機酸塩の配合量が２０質量％を超えても冷却効果の向上はそれほど期待できない。

本冷却剤には、金属腐食防止剤が配合される。金属腐食防止剤としては、ベンゾトリアゾール系化合物、ベンゾイミダゾール系化合物、ベンゾチアゾール系化合物、およびベンゾチアジアゾール系化合物などが好適である。これらは単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。
ここで、ベンゾトリアゾール系化合物とは、ベンゾトリアゾール自身やその誘導体を意味する。ベンゾイミダゾール系化合物、ベンゾチアゾール系化合物、およびベンゾチアジアゾール系化合物についても同様である。
例えば、ベンゾトリアゾール系化合物としては、ベンゼン環にアルキル基が置換したアルキルベンゾトリアゾールや、さらにアミノ基水素がアルキル基で置換された（アルキル）アミノアルキルベンゾトリアゾールなどが挙げられる。

このような金属腐食防止剤の配合量としては、本冷却剤全量基準で０．０１質量％以上１質量％以下が好ましく、０．１質量％以上０．７質量％以下がより好ましい。金属腐食防止剤の配合量が０．０１質量％未満では金属腐食防止効果が十分ではなくなるおそれがある。一方、金属腐食防止剤の配合量が１質量％を超えても金属腐食防止効果の向上はそれほど期待できない。

本冷却剤には、必要に応じてさらに殺菌剤を配合してもよい。殺菌剤としては、ベンゾイソチアゾリン系化合物、イソチアゾリン系化合物、トリアジン系化合物、およびピリチオン系化合物などが挙げられる。ベンゾイソチアゾリン系化合物とは、ベンゾイソチアゾリン自身やその誘導体を意味する。他の化合物も同様である。
具体的には、ベンゾイソチアゾリン系化合物として、ベンゾイソチアゾリン、１，２−ベンゾイソチアゾリン−３−オンや２−メチルイソチアゾリン−３−オン、および５−クロロ−２−メチル−４−イソチアゾリン−３−オンなどが挙げられる。トリアジン系化合物としては、ヘキサヒドロ−１，３，５−トリス−（２−ヒドロキシエチル）トリアジンなどが挙げられる。ピリチオン系化合物としてはピリチオンナトリウムなどが挙げられる。

このような殺菌剤の配合量としては、本冷却剤全量基準で０．００１質量％以上０．５質量％以下が好ましく、０．０１質量％以上０．４質量％以下がより好ましい。殺菌剤の配合量が０．００１質量％未満では殺菌効果が十分ではなくなるおそれがある。一方、殺菌剤の配合量が０．５質量％を超えても殺菌効果の向上はそれほど期待できない。

本冷却剤には、必要に応じてさらに水溶性防錆剤を配合してもよい。水溶性防錆剤の配合量は、防錆性能の向上および経済性のバランスなどの面から、本冷却剤全量基準で好ましくは０．０１質量％以上、５質量％以下、より好ましくは０．０３質量％以上、１質量％以下である。このような水溶性防錆剤としては、オクタン酸塩等の脂肪族モノカルボン酸塩や、オクタン二酸（スベリン酸）塩、デカン二酸（セバシン酸）塩等の脂肪族ジカルボン酸塩が挙げられ、例えばセバシン酸カリウム等が好適に用いられる。なお、水溶性防錆剤としては、芳香族カルボン酸塩でもよい。また、水溶性防錆剤としては、モノヒドロキシモノエチルピペラジン等のピペラジン誘導体等も好適に用いることができる。
本冷却剤には、さらに、汎用される添加剤、例えば酸化防止剤、および清浄分散剤などが配合されていてもよい。

本発明の水系冷却剤は、蒸気膜段階がほとんどないので高い冷却性能を備えている。さらに、冷却対象となる金属材料が腐食を生じにくいので、金属材料の焼入れ油や切削油として好適である。

次に実施例、比較例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの例によって何ら制限されるものではない。

［実施例１〜１６、比較例１〜５］
（試料液の調製）
イオン交換水に以下の添加剤を配合して試料液とした。なお、併せて、各試料液のｐＨも表１に記載した。参考例は、添加剤を全く配合せずイオン交換水だけを用いたものである。
無機酸塩等（表1参照）：試料液基準で１０質量％
金属腐食防止剤（ベンゾトリアゾール）：試料液基準で０．５質量％
殺菌剤：
実施例１〜３、９〜１６、比較例１〜５：ベンゾイソチアゾリン（有効成分量７質量％）を試料液基準で０．０５質量％（試料液中濃度：０．００３５質量％）
実施例４：ベンゾイソチアゾリンを試料液基準で０．１５質量％（試料液中濃度０．０１０８質量％）
実施例５：ヘキサヒドロ−１，３，５−トリス−（２−ヒドロキシエチル）トリアジンを試料液基準で０．１質量％（試料液中濃度０．０８０質量％）
実施例６：５−クロロ−２−メチル−４−イソチアゾリン−３−オンを試料液基準で０．３質量％（試料液中濃度０．００６０質量％）
実施例７：５−クロロ−２−メチル−４−イソチアゾリン−３−オンを試料液基準で０．０５質量％（試料液中濃度０．００１０質量％）
実施例８：ピリチオンナトリウム試料液基準で０．０５質量％（試料液中濃度０．０２０質量％）
なお、実施例１５および１６は、実施例１３に対してそれぞれ炭酸水素ナトリウムを１．０質量％、３．０質量％さらに加えたものであり、参考例は、添加剤を全く配合せずイオン交換水だけを用いたものである。

（冷却試験）
各試料液を５０℃に保ち、ＪＩＳ Ｋ２２４２Ｂ法に準拠して冷却試験を行い、特性秒数を測定した。具体的には、冷却曲線において蒸気膜段階が終了する温度（特性温度）に到達するまでの時間（秒数）を測定した。結果を表１に示す。

（金属腐食試験）
金属材料（Ｓ４５Ｃ）を用い、３０℃で３日間半浸漬試験を行い、腐食の程度を以下の基準で評価した。結果を表１に示す。
○：錆および変色なし
×：錆および変色のいずれかあり

（腐敗試験）
試料液１００ｍＬに対し細菌５．５ｍＬ（大腸菌および枯草菌等の細菌数：１０^８）を投入し、３０℃で一週間静置培養を行い、細菌数をカウントした。結果を表１に示す。

［評価結果］
表１の結果より、本発明の水系冷却液は所定の無機酸塩の水溶液であるため、いずれも特性秒数が非常に短く、極めて冷却性能が高いことがわかる。しかも、金属腐食防止剤が配合されているので金属材料に対して腐食を生じにくい。それ故、金属材料の焼入れや切削に極めて有効であることが理解できる。
また、本発明の水系冷却剤では、いずれも殺菌剤による殺菌効果に優れるが、比較例の水系冷却剤では同じ殺菌剤を使用してもその効果が発揮されない場合がある
一般に、水は液温が３０℃以上になると、急激に冷却性が低下し、焼きが入らなくなる。本発明の水系冷却剤は、５０℃の液温でも優れた冷却性能を発揮しており、特筆すべきである。
なお、本発明所定の無機酸塩を全く添加していない参考例のイオン交換水では、冷却性能が十分に出ない。また、無機酸の塩でも本発明の無機酸塩とは異なる塩や、有機酸の塩を添加しても冷却性能を上げることはできない。

本発明の冷却剤は、高い冷却性能を備え、冷却対象となる金属材料が腐食を生じにくいので、金属材料の熱処理油（焼入れ油）や切削油として利用できる。

Claims (10)

1. 炭酸塩、炭酸水素塩、セスキ炭酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、モリブデン酸塩、およびタングステン酸塩から選ばれる１種以上の無機酸塩と、金属腐食防止剤とを配合してなる
   ことを特徴とする水系冷却剤。
2. 請求項１に記載の水系冷却剤において、
   前記金属腐食防止剤が、ベンゾトリアゾール系化合物、ベンゾイミダゾール系化合物、ベンゾチアゾール系化合物、およびベンゾチアジアゾール系化合物から選ばれる１種以上の化合物である
   ことを特徴とする水系冷却剤。
3. 請求項１または請求項２に記載の水系冷却剤において、
   さらに殺菌剤を配合してなる
   ことを特徴とする水系冷却剤。
4. 請求項３に記載の水系冷却剤において
   前記殺菌剤の配合量が当該冷却剤全量基準で０．００１質量％以上０．５質量％以下である
   ことを特徴とする水系冷却剤。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の水系冷却剤において、
   前記無機酸塩の配合量が当該冷却剤全量基準で１質量％以上２０質量％以下である
   ことを特徴とする水系冷却剤。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の水系冷却剤において、
   前記金属腐食防止剤の配合量が当該冷却剤全量基準で０．０１質量％以上１質量％以下である
   ことを特徴とする水系冷却剤。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の水系冷却剤において、
   前記無機酸塩が無機酸の金属塩である
   ことを特徴とする水系冷却剤。
8. 請求項７に記載の水系冷却剤において、
   前記無機酸塩がナトリウム塩、カリウム塩、カルシウム塩、およびマグネシウム塩の少なくともいずれかである
   ことを特徴とする水系冷却剤。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の水系冷却剤において、
   前記リン酸塩が、オルトリン酸塩、リン酸水素塩、リン酸二水素塩、ポリリン酸塩、およびメタリン酸塩の少なくともいずれかである
   ことを特徴とする水系冷却剤。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の水系冷却剤が焼入れ油または切削油である
    ことを特徴とする水系冷却剤。