JP6235997B2 - 水系冷却剤 - Google Patents

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。
そこで、焼割れを防止するため、水溶性ポリマーを水系熱処理液に添加した組成物が知られている。このような水系熱処理液組成物は、水溶性ポリマーが金属部品の表面に付着して、熱伝達を阻害し、冷却性能を抑制する。水溶性ポリマーを添加した水系熱処理液組成物は、工業的には普及しており、水溶性ポリマーとしてポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）が主流である。ただし、このような水系熱処理液組成物は、蒸気膜段階が長く、それ故に冷却むらが起き易いという欠点がある。
そこで、高分子量のポリアルキレングリコールに低分子量のグリコールを添加することで、蒸気膜段階を短くし、耐冷却むら性能を向上させた水系熱処理液組成物が提案されている（特許文献１参照）。また、水溶性のポリオキシアルキレン誘導体にカルボン酸またはスルホン酸のアルカリ金属塩を含有させた水系熱処理液も提案されている（特許文献２参照）。
一方、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）。

特開平９−２２７９３２号公報 特開平６−３３６６０７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の水系熱処理液では冷却速度が十分ではない。これは、焼割れ危険領域はゆっくり冷やす、という油系焼入れ油の特長に近づける目的があるためと思われる。一方、非特許文献１の食塩水では、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。

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）リン酸塩、亜リン酸塩、硫酸塩、亜硫酸塩、ホウ酸塩、モリブデン酸塩、タングステン酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、およびセスキ炭酸塩のいずれか１種以上の無機酸塩を配合してなることを特徴とする水系冷却剤。
（２）上述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。
（３）上述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。
（４）上述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。
（５）上述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。
（６）上述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、リン酸塩、亜リン酸塩、硫酸塩、亜硫酸塩、ホウ酸塩、モリブデン酸塩、タングステン酸塩、炭酸塩（炭酸カルシウムを除く）、炭酸水素塩、およびセスキ炭酸塩などが挙げられる。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リン酸塩が好ましい。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、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、必要に応じてさらに水溶性防錆剤や金属腐食防止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。

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を好適に用いることができる。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、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１〜９、１１〜１３、参考例１０、比較例１〜８］
表１に示すように各種の添加剤（無機酸塩等）をイオン交換水に溶解して水系冷却剤を調製し、試料液とした。添加剤の濃度は、特に記載のないかぎりいずれも試料液基準で１０質量％とした。実施例１２、１３は、表１に記載した量だけ炭酸水素ナトリウムを追加した。
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。なお、併せて、各種水溶液のｐＨも表１に記載した。

１）添加剤濃度は５質量％とした。
２）添加剤なし。
３）炭素数９のカルボン酸のアミン塩（炭素数８のアルキル基を有するカルボン酸とトリエタノールアミンとの塩）を３０質量％添加した。

［評価結果］
表１の結果より、本発明の水系冷却剤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、ハロゲンのような腐食性因子を有さないので金属材料に対して腐食を生じるおそれがない。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。
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。
これに対して、本発明所定の無機酸塩を全く添加していない比較例１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。また、比較例７、８の添加剤は、ハロゲンを有するため、冷却性能は高いが腐食性に問題がある。

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、金属材料の焼入れ油や切削油として利用できる。

Claims (6)

1. 水系冷却剤であって、
   リン酸塩、亜リン酸塩、硫酸塩、亜硫酸塩、ホウ酸塩、モリブデン酸塩、タングステン酸塩、炭酸カリウム又は炭酸マグネシウムである炭酸塩、炭酸水素塩、並びに、セスキ炭酸塩のいずれか１種以上の無機酸塩を前記冷却剤全量基準で１０質量％以上配合してなり、
   前記リン酸塩が、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り、
   前記水系冷却剤が金属材料の焼入れまたは切削に用いられるものである
   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。
3. 請求項２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。
4. 請求項１から請求項３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１０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。
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、
   さらに水溶性防錆剤を、当該冷却剤全量基準で０．０１質量％以上５質量％以下配合してなる
   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、
   さらに金属腐食防止剤を、当該冷却剤全量基準で０．０１質量％以上１質量％以下配合してなる
   ことを特徴とする水系冷却剤。