JP5036136B2 - 金属加工用水性防錆潤滑剤およびこれを用いた金属材の加工法 - Google Patents

Description

本発明は、防錆剤組成物とこれを用いた水性防錆潤滑剤、並びに該水性防錆潤滑剤を用いた金属の加工法に関し、より詳細には、水溶性潤滑剤に配合することで優れた防錆能と保存安定性を有する水性防錆潤滑剤を与える防錆剤組成物と、該防錆剤組成物が配合された水性防錆潤滑剤、更には該水性防錆潤滑剤の水希釈液を使用することにより、金属の切断、切削、穿孔、研磨などの加工を行なう際に、優れた潤滑性を享受しつつ被加工金属材の腐食を効果的に防止することのできる防錆潤滑法に関するものである。

例えば鋼材などの鉄基金属材やアルミニウム、チタンなどの非鉄金属材、中でもアルミニウムやその合金用の防錆剤としては、リン酸塩やリン酸エステルなどのリン系防錆剤、あるいは有機酸アミン塩や複素環化合物の如き有機系防錆剤が汎用されている。

ところが、これらの防錆剤を金属の切断、切削、穿孔、研磨などの加工用水性潤滑剤に配合して使用しても、満足のいく防錆効果が得られないことがある。その理由は次の様に考えられる。即ち上記の様な加工用水性潤滑剤は、通常、水で１０〜３０倍程度に希釈して使用されるため、濃度不足で防錆効果が十分に発揮され難く、また希釈液は一般にアルカリ性（ｐＨ８以上）であるため水性潤滑剤中の油性剤成分などが腐食成分として作用し、特にアルミニウムやその合金などの場合は、腐食され易い環境になるためと考えられている。またリン系の防錆剤は、上述した様な水性潤滑剤の細菌やカビによる腐敗劣化を促進するという大きな問題も秘めている。

一方、珪酸ソーダに代表される水溶性のアルカリ珪酸塩は、アルミニウム合金などの防錆剤として古くから知られており、非常に安価で入手も容易であり、水性潤滑剤中に適量配合することで優れた防錆効果を発揮する。しかも、リン成分が含まれていないので水性潤滑剤の腐敗劣化を促進させることもない。ところが、アルカリ珪酸塩は水性潤滑剤中ですぐにゲル化を起こすという実用面で重大な欠点があり、経時的安定性の面から改善が求められている。

他方、特許文献１には、特定のシラン系化合物を金属防食剤として水性潤滑剤中に配合すると、アルミニウム合金などの金属材の腐食を防止できることが記載されている。また特許文献２には、窒素原子を含む有機基を分子中に有する加水分解性のシラン系化合物またはその部分加水分解物と加水分解性のシラン系化合物またはその部分加水分解物とを加水分解することによって得られる有機珪素化合物を、金属腐食防止剤として水性潤滑剤に配合すれば、アルミニウム合金などの腐食防止に有効であることが記載されている。

ところが、上記特許文献１，２に記載された技術で満足のいく腐食防止効果を得るには、シラン系化合物や有機珪素化合物を高濃度で水性潤滑剤中に配合しなければならず、特に特許文献１ではシラン系化合物がモノマー成分であることもあって、切断や切削などの加工時に被加工面に防錆膜を形成し難いため、防錆効果の持続性に問題がある。そこで防錆効果を高めるべく潤滑剤中に多量のシラン系化合物を配合すると、系がアルカリ性であるため直ぐにゲル化を起こし、水性防錆潤滑剤としての安定性に問題が生じてくる。
特許第３２６７８５３号公報 特開２００３−２６８３９６号公報

本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、金属の切断、切削、穿孔、研磨などの加工時に使用される水性潤滑剤に配合することで優れた防錆効果を発揮すると共に保存安定性にも優れた防錆剤組成物を開発し、更には、該防錆剤組成物を水性潤滑剤に適量配合することで優れた防錆潤滑性能と安定性に優れた水性防錆潤滑剤を提供し、更には該水性防錆潤滑剤の水希釈液を用いた防錆潤滑法、並びに金属加工法を提供することにある。

上記課題を解決することのできた本発明に係る防錆剤組成物とは、防錆成分として下記一般式（１）で示される水溶性アルカリ珪酸塩を含み、且つ、該アルカリ珪酸塩のゲル化抑制成分として下記一般式（２）で示されるシラン系化合物を含有するところに特徴を有している。
Ｍ₂Ｏ・ｎＳｉＯ₂……（１）
（式中、Ｍはアルカリ金属、ｎは０超１０以下の正数を表わす）
Ｘ_nＲ'_mＳｉ（ＯＲ）_4-n-m……（２）
（式中、ｎおよびｍは同一もしくは異なって０〜３の整数で、且つ０≦（ｎ＋ｍ）≦３、 Ｘはエポキシ基を有する官能基および／またはアミノ基を有する官能基および／また
はポリエーテル基であり、ＲおよびＲ'は炭素数の１〜４の炭化水素基を表わす）。

上記式（２）で示されるシラン系化合物の中でも特に好ましいのは、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランまたは下記一般式（３）で示されるシラン系化合物である。
Ｒ^bＯ（Ｃ₂Ｈ₄Ｏ）_nＣ₃Ｈ₆Ｓｉ（ＯＲ^a）₃……（３）
（式中、Ｒ^aは炭素数１〜４の炭化水素基、Ｒ^bは炭素数１〜５０の炭化水素基、ｎは１〜 ５０の整数を表わす）。

そして、上記防錆剤組成物を水性潤滑剤中に配合し、好ましく、該水性防錆潤滑剤全体を１００質量部としたとき、前記アルカリ珪酸塩の含有量がＳｉＯ₂として０．０１〜１０質量部、前記シラン系化合物の含有量が０．０１〜１０質量部となる様に配合すると、優れた潤滑性と防食性を兼ね備えた水性防錆潤滑剤となり、これも本発明の技術的範囲に含まれる。

そして、上記水性防錆潤滑剤の水希釈液を、防錆を兼ねた潤滑剤として使用する金属の防錆潤滑法、あるいは更に、該水希釈液を加工面に存在させた状態で金属材の切断、切削、穿孔または研磨加工を行う金属の防錆潤滑加工法も、本発明の好ましい実施態様となる。加工の対象となる金属材の種類は特に制限されず、鉄鋼材などの鉄基金属材やアルミニウム、銅、チタンなどの非鉄金属や合金などが含まれるが、中でも本発明の特徴が最も有効に発揮されるのはアルミニウムまたはアルミニウム合金である。

本発明の防錆剤組成物は、防錆成分として安価で防錆能に優れたアルカリ珪酸塩を含み、且つその欠点であるゲル化による経時劣化を特定のシラン系化合物を含有させることで防止しており、また腐敗要因となる成分も含まれていないことから、これを水性潤滑剤に配合することで優れた防錆能と保存安定性を兼ね備えた水性防錆潤滑剤を提供できる。そして、この水性防錆潤滑剤の水希釈液を、金属の切断、切削、穿孔または研磨などの加工に防錆潤滑剤として使用することで、優れた潤滑性を享受できると共に加工後の金属材の腐食を効果的に防止できる。

本発明の防錆剤組成物は、水溶性アルカリ珪酸塩を防錆成分として含み、特定のシラン系化合物を上記アルカリ珪酸塩のゲル化抑制成分として含有する。

以下、本発明を構成する水溶性アルカリ珪酸塩およびシラン系化合物についてその作用と構成を説明していく。

水溶性アルカリ珪酸塩は、防錆剤組成物として本来の防食作用を発揮する成分であって、前記一般式（１）で表わされ、具体的には、オルソ珪酸ソーダ、セスキ珪酸ソーダ、メタ珪酸ソーダ、１号珪酸ソーダ、２号珪酸ソーダ、３号珪酸ソーダ、４号珪酸ソーダ、珪酸カリウム、珪酸リチウム、等が挙げられる。これらの中でも特に好ましいのはオルソ珪酸ソーダおよび珪酸カリウムである。

これらの水溶性アルカリ珪酸塩は、水性媒体中で金属の表面に化学吸着し、防錆被膜を形成することにより金属の腐食防止効果を発揮するもので、このアルカリ珪酸塩は、ｐＨ１１を超える強アルカリ性の水性媒体中では安定な溶液として存在する。ところがｐＨが１１以下になると、徐々にゲル化し不溶物となって分離し防錆効果も低下してくる。更に、ｐＨが８〜１１程度である水性潤滑剤中では、脂肪酸の様な油性剤成分などの影響によってアルカリ珪酸塩のゲル化が一層促進される。そのため、固形のアルカリ珪酸塩を使用直前に水性液に溶かして溶液を調製し、できるだけフレッシュな状態で使用するケースもある。

しかし取扱い作業性や工程管理など考慮すると、水性液としての調製後もゲル化を起こすことなく、外観はもとより防錆能においても長期的に安定なものとすることが望ましい。そこで本発明者らは、該アルカリ珪酸塩を長期的に安定に保つべく様々の添加剤について検討を重ねた。その結果、前記一般式（２）で示されるシラン系化合物を適量配合すれば、アルカリ珪酸塩の水性液、更にはアルカリ珪酸塩を含む水性潤滑剤としての安定性が著しく向上し、ゲル化による外観劣化が防止されるのみならず、防錆能においても極めて安定した性能を発揮し得るものになることを突き止め、上記本発明に想到したものである。

こうした安定化効果を有するシラン系化合物は、前記一般式（２）で示される化合物で、該シラン系化合物中、Xで示される置換基はエポキシ基、アミノ基、ポリエーテル基を有する官能基であり、一般的には同一分子中に１種の官能基のみが存在することが多いが、同一分子中にそれらの官能基が２種以上含まれているものであっても勿論構わない。

Xで示される官能基としてエポキシ基を有するものの具体例としては、γ−グリシドキシメチルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシメチルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシメチルメチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシメチルメチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシメチルエチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシメチルエチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシメチルプロピルジメトキシシラン、γ−グリシドキシメチルプロピルジエトキシシラン、γ−グリシドキシメチルブチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシメチルブチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシエチルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシエチルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシエチルメチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシエチルメチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシエチルエチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシエチルエチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシエチルプロピルジメトキシシラン、γ−グリシドキシエチルプロピルジエトキシシラン、γ−グリシドキシエチルブチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシエチルブチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルエチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルエチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルプロピルジメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルプロピルジエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルブチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルブチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシブチルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシブチルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシブチルメチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシブチルメチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシブチルエチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシブチルエチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシブチルプロピルジメトキシシラン、γ−グリシドキシブチルプロピルジエトキシシラン、γ−グリシドキシブチルブチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシブチルブチルジエトキシシラン、２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリエトキシシランなどが挙げられる。

また官能基Ｘとしてアミノ基を有するものとしては、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルトリエトキシシラン、３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。

更に官能基Ｘとしてポリエーテル基を有するものとしては、前掲の一般式（３）で示されるポリエーテル置換トリアルコキシシラン等が挙げられる。

上記シラン系化合物の中でも本発明において特に好ましいのは、γ−グリシドキシプロピルトリメトシキシランおよび前記一般式（３）で示されるポリエーテル置換トリアルコキシシランである。

本発明の防錆剤組成物は、上記珪酸塩を防錆成分とし、上記シラン系化合物をアルカリ珪酸塩のゲル化抑制成分として含有するもので、溶媒としては水が使用されるが、必要によりアルコール類、アセトンやメチルエチルケトン等のケトン類、ジメチルエーテル等のエーテル類、酢酸エステル等のエステル類などの水溶性有機溶剤を用いた混合溶媒とすることもできる。

本発明に係る防錆剤組成物における上記成分の含有量は、防錆能や安定性などを考慮した上で液状として製剤可能である限り特に制限されないが、好ましいのは、防錆剤組成物全体としての量を１００質量部としたとき、前記珪酸塩の含有量がＳｉＯ₂成分として１質量部以上、２０質量部以下、より好ましくは２質量部以上、１０質量部以下で、前記シラン系化合物が１質量部以上、５０質量部以下、より好ましくは５質量部以上、２０質量部以下である。

本発明の水性防錆潤滑剤は、油性剤、アルカノールアミン、水（更には必要により極圧添加剤、界面活性剤、防錆剤、防腐剤、消泡剤など）を含む水性潤滑剤に、上記防錆剤組成物を配合することによって防錆能を付与したものである。

該水性防錆潤滑剤における上記成分の好ましい含有量は、水性防錆潤滑剤全体としての量を１００質量部としたとき、前記珪酸塩の含有量がＳｉＯ₂成分として０．０１質量部以上、１０質量部以下、より好ましくは０．０２質量部以上、１質量部以下、前記シラン系化合物の含有量が０．０１質量部以上、１０質量部以下、より好ましくは０．０２質量部以上、１質量部以下、前記油性剤の含有量が１０質量部以上、９０質量部以下、より好ましくは２０質量部以上、７０質量部以下、アルカノールアミンの含有量が３質量部以上、３０質量部以下、より好ましくは５質量部以上、２０質量部以下である。

ちなみに、アルカリ珪酸塩の含有量が不足する場合は防錆能が不足気味となり、特に該水性防錆潤滑剤の水希釈液を用いて金属の加工を行ったときに、満足のいく防錆効果が発揮され難くなる。逆にアルカリ珪酸塩の含有量が多過ぎると、シラン系化合物の併用にも拘らず水性防錆潤滑剤として使用するときの安定性が悪くなる傾向が生じてくる。また、シラン系化合物の含有量が不足する場合は、アルカリ珪酸塩に対するゲル化抑制効果が不十分となり、逆にシラン系化合物の含有量が多過ぎると、アルカリ珪酸塩に対するゲル化抑制効果が飽和し、それ以上添加することはコストアップを招くだけであるので、経済的に無駄である。

本発明の水性防錆潤滑剤を実用化するに当たっては、１０〜３０倍の水希釈液として金属の加工（切断、切削、穿孔、研磨など）に使用される。この時点で水希釈液のｐＨは８〜１１程度になるが、本発明ではアルカリ珪酸塩と共に前掲のシラン系化合物が共存することで優れたゲル化抑制性が維持され、加工作業中にゲル状物が生成して防錆効果が低下したり、ゲル状物の付着によって加工製品の外観が損なわれたりする恐れはない。

上記の様に本発明の水性防錆潤滑剤を水で希釈することによって得られる水希釈液は、潤滑成分に加えて上記防錆成分としてアルカリ珪酸塩が含まれ、金属の加工面に防錆皮膜を形成して防錆効果を発揮すると共に、共存するシラン系化合物によって使用時におけるアルカリ珪酸塩のゲル化も阻止されるので、金属の種類や加工の種類の如何を問わず全ての金属の加工、具体的には鉄鋼材を始めとする鉄基金属材やアルミニウム、チタンなどの非鉄金属やその合金などを、切断、切削、穿孔、研磨加工する際の潤滑防錆剤として幅広く有効に利用できる。しかし、中でもアルカリ性雰囲気下で潤滑用の基油や油性剤による腐食を受け易いアルミニウムやその合金に本発明の水性潤滑防錆剤を使用すると、その特徴がより効果的に発揮され、卓越した潤滑防錆能を発揮するので好ましい。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

実施例
下記表１に示す配合比率で各成分を室温下で撹拌、溶解し、防錆剤組成物の試料液を調製する。そして夫々について、下記の方法で安定性試験および防錆試験を行ない、表２，３に示す結果を得た。

安定性試験；
油性剤１０質量部、アルカノールアミン２０質量部および水７０質量部を含み、ｐＨが９．２である水性潤滑剤９９ｇに、表１に示す配合で調製した防錆剤組成物の試料液を各１ｇ配合した水性防錆潤滑剤１００ｇを、容量２００ｃｃのガラス瓶に入れて密封し、４０℃の恒温槽に入れて同温度に維持しつつ時々加振し、ガラス瓶内壁へのゲル状物の付着状況を目視観察する。

防錆試験；
油性剤１０質量部、アルカノールアミン２０質量部および水７０質量部を含み、ｐＨが約９．２である水性潤滑剤９９ｇに、表１に示す配合で調製した防錆剤組成物の試料液を各１ｇ配合し、水性防錆潤滑剤１００ｇを調製する。そして、該水性防錆潤滑剤の調製直後のものと、４０℃の恒温槽内で１ヶ月間保存したものについて、夫々を水で２０倍に希釈して水希釈液とする。得られる水希釈液のｐＨは何れも約９．２であった。この水希釈液を使用し、ＪＩＳ Ｋ ２２４１ ７．９（切削油剤：金属腐食試験法）に準拠してアルミニウム合金板（ＪＩＳ Ｈ４０００、Ａ１０５０Ｐ）の半浸漬試験（２５℃、４８時間）を行ない、下記の基準で防錆能を評価した。
◎；変色なし、○；少し変色あり、△；茶色に変色、×；黒色に変色。

表１〜３より、次の様に解析できる。

実施例Ｎｏ．1〜１０は、本発明に規定要件を満たす実施例で、アルカリ珪酸塩と共に所定のシラン化合物が適量含まれているため、製造直後はもとより４０℃で１〜６ヶ月保存した後においても、ゲル化を起こすことなく安定であり且つ優れた防錆能を有している。

しかし、アルカリ珪酸塩を単独で使用した比較例１〜３では、製造直後の防錆能は良好であるものの、４０℃で保存すると僅か１日でゲル状物が生成し、それに伴って防錆能も大幅に劣化している。また、シラン化合物を単独で使用した比較例４，５では、安定性は極めて良好であるが、浸漬部分、とりわけ界面部分の防錆効果が劣悪で実用に耐えない。

Claims (7)

1. 防錆成分として下記一般式（１）で示される水溶性アルカリ珪酸塩を含み、且つ、該珪酸塩のゲル化抑制成分として下記一般式（２）で示されるシラン系化合物を含有する金属加工用水性防錆潤滑剤であって、
   前記水性防錆潤滑剤全体を１００質量部としたとき、前記珪酸塩の含有量がＳｉＯ₂として０．０１〜１質量部、前記シラン系化合物の含有量が０．０１〜１質量部であることを特徴とする金属加工用水性防錆潤滑剤。
   Ｍ₂Ｏ・ｎＳｉＯ₂ ……（１）
   （式中、Ｍはアルカリ金属、ｎは０超１０以下の正数を表わす）
   Ｘ_nＲ'_mＳｉ（ＯＲ）_4-n-m ……（２）
   （式中、ｎは１〜３の整数で、ｍは０〜２の整数で、且つ１≦（ｎ＋ｍ）≦３、Ｘはエポキシ基を有する官能基および／またはアミノ基を有する官能基および／またはポリエーテル基であり、ＲおよびＲ'は炭素数１〜４の炭化水素基を表わす）。
2. 前記シラン系化合物が、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランまたは下記一般式（３）で示されるシラン系化合物である請求項１に記載の水性防錆潤滑剤。
   Ｒ^bＯ（Ｃ₂Ｈ₄Ｏ）_nＣ₃Ｈ₆Ｓｉ（ＯＲ^a）₃ ……（３）
   （式中、Ｒ^aは炭素数１〜４の炭化水素基、Ｒ^bは炭素数１〜５０の炭化水素基、ｎは１〜５０の整数を表わす）。
3. さらに、アルカノールアミンを、水性防錆潤滑剤全体を１００質量部としたとき、３〜３０質量部含有する請求項１または２に記載の水性防錆潤滑剤。
4. さらに、油性剤を、水性防錆潤滑剤全体を１００質量部としたとき、１０〜９０質量部含有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の水性防錆潤滑剤。
5. 金属材を加工するに当たり、前記請求項１〜４のいずれか一項に記載された水性防錆潤滑剤の水希釈液を加工面に存在させた状態で加工することを特徴とする金属材の加工法。
6. 金属材の加工が、切断、切削、穿孔または研磨加工である請求項５に記載の加工法。
7. 金属材としてアルミニウムまたはアルミニウム合金材を使用する請求項５または６に記載の加工法。