JP6854481B2 - 水溶性金属加工油組成物、及び金属加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属加工に用いられる水溶性加工油組成物、及びそれを用いた金属加工方法に関し、さらに詳しくは、金属加工に用いられ、環境負荷を低減しつつ優れた加工性を発揮する水溶性加工油組成物、及びそれを用いた金属加工方法に関するものである。

一般に切削加工や研削加工などの金属加工分野では、加工効率の向上、被加工材と工具との摩擦抑制、工具の寿命延長、切屑の除去などを目的として金属加工油が使用される。

特にブローチ加工のような高精度な難加工においては、精度を維持するために工具の摩耗を抑制する必要があり、加工油の役割が大きい。従来、このような加工においては、例えば、特許文献１に開示されるような加工油が好適に用いられてきた。

難加工に用いられる加工油の多くは、いわゆる不水溶性加工油剤であり、潤滑性能に優れる反面、引火性を有する点や環境への負荷が懸念される。

一般に金属加工油剤は、潤滑成分と界面活性剤等を水に希釈して使用する水溶性加工油剤と、鉱物油を主成分として原液のままで使用する不水溶性加工油剤との２種類に大別され、水溶性加工油剤は冷却性能に優れ、不水溶性加工油剤は潤滑性能に優れている。

近年では資源の有効活用や火災防止、環境への配慮などの理由から水溶性加工油が広く用いられるようになってきている。しかしながら、水溶性加工油は、不水溶性加工油と比較して、潤滑性が劣る傾向があるため、ブローチ加工のような高精度が必要な難加工には、不水溶性加工油を使用せざるを得ないというのが現状である。

特開２０００−２９０６７６号公報

本発明が解決しようとする課題は、金属加工に対して、環境負荷を低減しつつ優れた加工性を発揮し、被加工材と工具との摩擦が抑制され、工具の長寿命化が達成される水溶性金属加工油組成物、及びそれを用いた金属加工方法を提供することにある。

上記課題を解決するため本発明に係る水溶性金属加工油組成物は、下記の一般式（１）で表される化合物の１種または２種以上からなるモノエステル化合物と、界面活性剤とを含有することを特徴とし、金属加工に用いられることを要旨とするものである。
（化２）
Ｒ^１１−Ｃ（＝Ｏ）−Ｏ−Ｒ^１２ （１）
ただし、Ｒ^１１は炭素数７〜１３の飽和または不飽和の炭化水素基を示し、Ｒ^１２は炭素数１〜８の飽和または不飽和の炭化水素基を示す。Ｒ^１１とＲ^１２の炭素数の合計は、１５以下である。

前記モノエステル化合物のＲ^１２は、炭素数１〜４の飽和または不飽和の炭化水素基であることがより好ましい。

前記モノエステル化合物の４０℃動粘度は、４ｍｍ^２／ｓ以下であることが好ましい。

前記モノエステル化合物は、水を除いた含有物の総量に対して、４０質量％以上配合されることが好ましい。

前記モノエステル化合物が、カプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、２−エチルヘキサン酸からなる群から選ばれるカルボン酸と炭素数１〜８の炭化水素基を有するアルコールから得られるモノエステル化合物であることが好ましい。

本発明に係る水溶性金属加工油組成物は、金属の切削加工に用いられることが好ましい。ブローチ加工に用いられることがより好ましい。

また、本発明に係る金属加工方法は、前記のいずれかの水溶性金属加工油組成物を用いて行われることを要旨とする。

本発明に係る水溶性金属加工油組成物（以下、本組成物という。）によれば、金属加工に対して、環境負荷を低減しつつ優れた加工性を発揮し、被加工材と工具との摩擦が抑制され、工具の長寿命化が達成される。

本発明に係る水溶性金属加工油組成物について詳細に説明する。

本組成物は、下記の一般式（１）で表される化合物の１種または２種以上からなるモノエステル化合物と、界面活性剤とを含有する。
（化３）
Ｒ^１１−Ｃ（＝Ｏ）−Ｏ−Ｒ^１２ （１）
ただし、Ｒ^１１は炭素数７〜１３の飽和または不飽和の炭化水素基を示し、及びＲ^１２は炭素数１〜８の飽和または不飽和の炭化水素基を示す。Ｒ^１１とＲ^１２の炭素数の合計は、１５以下である。

前記モノエステル化合物は、炭化水素基Ｒ^１１と１つのカルボキシ基とを有する１価カルボン酸と、炭化水素基Ｒ^１２を有する１価アルコールとを反応させて得ることができる。なお、モノエステル化合物の製造方法は、特に限定されるものではない。

前記１価カルボン酸の炭化水素基Ｒ^１１の炭素数は、７〜１３であることが好ましい。７よりも小さいと、悪臭や金属腐食の原因となる虞があり、１３よりも大きいと、加工性が低下する。

前記１価カルボン酸の炭化水素基Ｒ^１１は、脂肪族炭化水素、脂環式炭化水素、芳香族炭化水素のいずれでもよい。好ましくは脂肪族炭化水素である。

前記１価カルボン酸の炭化水素基Ｒ^１１は、飽和炭化水素、不飽和炭化水素のいずれでもよい。酸化のし難さの観点から好ましくは飽和炭化水素である。

炭素数７〜１３の炭化水素基Ｒ^１１とカルボキシ基とを有する１価カルボン酸は、直鎖状または分岐状のいずれでもよい。このような１価カルボン酸としては、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ウンデシル酸、ラウリン酸、トリデシル酸、ミリスチン酸、イソオクタン酸、イソノナン酸、イソデカン酸、ネオデカン酸、２−エチルヘキサン酸、イソオクタン酸、イソノナン酸、イソデカン酸、ネオデカン酸などが挙げられる。上記するカルボン酸の中では加工性や入手しやすいなどの観点から、カプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、２−エチルヘキサン酸が好ましい。

前記１価アルコールの炭化水素基Ｒ^１２の炭素数は、１〜８であることが好ましい。より好ましくは１〜４である。８よりも大きいと、加工性が低下する。

前記１価アルコールの炭化水素基Ｒ^１２は、脂肪族炭化水素、脂環式炭化水素、芳香族炭化水素のいずれでもよい。好ましくは脂肪族炭化水素である。

前記１価アルコールの炭化水素基Ｒ^１２は、飽和炭化水素、不飽和炭化水素のいずれでもよい。酸化のし難さの観点から好ましくは飽和炭化水素である。

炭素数１〜８の炭化水素基Ｒ^１２を有する１価アルコールは、直鎖状または分岐状のいずれでもよい。このような１価アルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、４−メチルペンタノール、２−メチルプロパノール、２−エチルヘキサノールなどが挙げられる。

炭化水素基Ｒ^１１とＲ^１２との炭素数の合計は、１５以下であることが好ましい。より好ましくは１２以下である。１５以下とすることにより良好な加工性が得られる。

炭化水素基Ｒ^１１とＲ^１２との炭素数の合計を小さくすると、モノエステル化合物の動粘度が、低くなる傾向がある。モノエステル化合物の動粘度としては、４０℃において、４ｍｍ^２／ｓ以下であることが好ましい。よりに好ましくは３ｍｍ^２／ｓ以下である。４ｍｍ^２／ｓ以下とすることにより良好な加工性が得られる。

前記モノエステルの含有量は、水を除いた含有物の総量に対して、４０質量％以上であることが好ましい。より好ましくは５０質量％以上、さらに好ましくは６０質量％以上である。４０質量％以上含有することで十分な切削性能が得られる。また、モノエステルの含有量の上限は、特に限定されるものではないが、９０質量％以下であることが好ましい。より好ましくは８０質量％以下である。９０質量％を超えてさらに加えても、さらなる効果が得られない傾向があり、不経済である。

従来の不水溶性金属加工油剤において、エステル化合物はジオールやトリオール等からなるポリオールエステル化合物や、炭素数の大きいカルボン酸からなるエステル化合物が、潤滑性が良好であり、好適に用いられてきた。しかし、本組成物におけるエステル化合物は、炭素数が小さいモノエステル化合物であり、エステル化合物単体での潤滑性は比較的低い。

本発明においては、前記モノエステル化合物における炭化水素基Ｒ^１１およびＲ^１２の炭素数を所定の値とすることにより、被加工金属面及び、工具への馴染みが良好となり、優れた加工性を発揮するものと推察する。

前記界面活性剤としては、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤が挙げられる。好ましくは、アニオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤であり、より好ましくはアニオン系界面活性剤である。界面活性剤は１種単独で用いてもよく、２種以上を用いてもよい。

前記アニオン系界面活性剤としては、カルボン酸と塩基性化合物とからなる塩、石油スルホネートなどが挙げられるが、カルボン酸と塩基性化合物とからなる塩が好ましい。

前記カルボン酸と塩基性化合物とからなる塩は、予め調整されたものを用いてもよいし、カルボン酸と塩基性化合物とを、別々に本組成物に配合してもよい。

前記カルボン酸としては、特に限定されるものではなく、芳香族カルボン酸、脂肪族カルボン酸のいずれでもよく、また、モノカルボン酸またはジカルボン酸のいずれでもよい。好ましくは脂肪族カルボン酸であり、より好ましくは炭素数２２以下の脂肪族カルボン酸である。このようなカルボン酸としては、カプリル酸、ペラタゴン酸、カプリン酸、ウンデシル酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、オレイン酸、アラキジン酸、エルカ酸、リシノレイン酸、リシノレイン酸縮合物、セバシン酸、ウンデカン二酸、ドデカン二酸などが挙げられる。

前記塩基性化合物としては、アミン化合物、無機化合物金属塩などが挙げられる。

前記アミン化合物としては、特に限定されるものではなく、芳香族アミン、脂肪族アミン、脂環式アミンのいずれでもよく、また、他の官能基を有してもよい。さらに、第一級アミン、第二級アミン、第三級アミンのいずれでもよい。また、前記アミン化合物に含まれるアミノ基の数にも制限はなく、モノアミン化合物、ジアミン化合物、トリアミン化合物、テトラアミン化合物のいずれでもよい。なお、前記アミンは１種単独で用いてもよく、２種以上を用いてもよい。

前記無機化合物金属塩としては、ナトリウムやカリウムなどのアルカリ金属の水酸化物などが挙げられる。

前記ノニオン系界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどのエーテル化合物、ポリオキシエチレン脂肪酸エステルなどのエステル化合物、脂肪酸アルカノールアミドなどのアミド化合物が挙げられる。

前記カチオン系界面活性剤としては、第４級アンモニウム塩、アルキルアミン塩、ピリジニウム塩などが挙げられる。

本発明に係る水溶性金属加工油組成物には、本発明の目的を阻害しない範囲で、特定のモノエステル化合物、界面活性剤以外の他の成分を含有してもよい。他の成分としては、鉱物油、極圧添加剤、消泡剤、金属防食剤、酸化防止剤、防腐剤、防カビ剤などの通常の水性金属加工油剤に用いられる添加剤が挙げられる。

本組成物は、一般に水により希釈されて用いられる。本組成物あるいはその希釈液は、金属加工油剤として用いられる。希釈液における本組成物の含有量は、特に限定されるものではないが、好ましくは０．１質量％以上である。本組成物の希釈液は、エマルション型、ソリュブル型、ソリューション型のいずれの形態をとってもよい。

以下、実施例および比較例を用いて本発明を詳細に説明する。

＜金属加工油組成物の調整＞
（実施例１〜６、比較例１〜４）
表１に記載のカルボン酸とアルコールからなるモノエステル化合物７０質量部と、アミン化合物８質量部と、脂肪族カルボン酸１２質量部とを、１０質量部の水に加え、よく撹拌し、金属加工油組成物を得た。なお、表中のＲ^１１及びＲ^１２は一般式（１）の炭化水素基Ｒ^１１及びＲ^１２の炭素数を示す。
（化４）
Ｒ^１１−Ｃ（＝Ｏ）−Ｏ−Ｒ^１２ （１）

（実施例７）
２−エチルヘキサン酸と２−エチルヘキサノールからなるモノエステル化合物５０質量部と、アミン化合物１６質量部と、脂肪族カルボン酸２４質量部とを、１０質量部の水に加え、よく撹拌し、金属加工油組成物を得た。

（実施例８）
２−エチルヘキサン酸と２−エチルヘキサノールからなるモノエステル化合物４０質量部と、アミン化合物２０質量部と、脂肪族カルボン酸３０質量部とを、１０質量部の水に加え、よく撹拌し、金属加工油組成物を得た。

（動粘度）
ウベローデ粘度計（柴田科学社製）を用いて、ＪＩＳ Ｎ ８８０３に準拠しモノエステル化合物単体の４０℃動粘度を測定した。

上記各金属加工油組成物について、２倍の水で希釈し、金属材への濡れ広がりの目安として接触角、加工性の目安として摩耗量の測定を行った。測定結果を表２に示す。

（接触角）
表面粗さＲａが０．３〜０．４μｍのＳ４５Ｃ板材に、１μＬの試料を滴下し、１０秒後の接触角を、接触角計（協和界面化学社製、ＰＣＡ−１）を用いて測定した。

（摩耗量）
下記試験条件でサーフェスブローチ加工を行い、試験後の工具の摩耗形状を、光学顕微鏡を用いて観測し、試験前の工具からの摩耗量を測定した。

（摩耗量試験条件）
使用機器：縦フライス盤
工具 ：サーフェスブローチ（ハイス製、すくい角１５°）
被加工材：Ｓ４５Ｃ
切削速度：３ｍ／ｍｉｎ
切り込み：５μｍ
加工距離：１７ｍ（１７ｍｍ×１０００パス）
給油方法：外部給油

表１、２より、比較例１は、Ｒ^１２の炭素数が８よりも大きいため、接触角が大きく、加工性に劣る。比較例２は、Ｒ^１１の炭素数が１３よりも大きく、Ｒ^１１とＲ^１２の炭素数の合計が１５よりも大きいため加工性に劣る。なお、Ｒ^１１の炭素数が７よりも小さいモノエステルは悪臭が酷いため、使用に適していなかった。比較例３は、Ｒ^１１とＲ^１２の炭素数の合計が１５よりも大きいため加工性に劣る。比較例４は、トリオールからなるエステル化合物であり、動粘度が特に大きく、加工性に劣る。
これに対して実施例によれば、良好な加工性が発揮される。また、実施例６〜８より、モノエステル化合物の含有量が増加するほど加工性は良好になる。特に、モノエステル化合物が、水を除いた含有物全量に対して５０％以上であるとき、加工性の効果に優れる。

以上、本発明の実施形態・実施例について説明したが、本発明は上記実施形態・実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

Claims (7)

1. 下記の一般式（１）で表される化合物からなるモノエステル化合物と、界面活性剤とを含有し、
   前記モノエステル化合物が、２−エチルヘキサン酸と、２−エチルヘキサノールから得られるモノエステル化合物であることを特徴とする水溶性金属加工油組成物。
   （化１）
   Ｒ^１１−Ｃ（＝Ｏ）−Ｏ−Ｒ^１２ （１）
   ただし、Ｒ^１１は炭素数７の飽和炭化水素基を示し、Ｒ^１２は炭素数８の飽和炭化水素基を示す。
2. 前記モノエステル化合物が、水を除いた含有物の総量に対して、４０質量％以上配合されることを特徴とする請求項１に記載の水溶性金属加工油組成物。
3. 水を除いて、前記モノエステル化合物と、前記界面活性剤のみより構成されるか、さらに鉱物油、極圧添加剤、消泡剤、金属防食剤、酸化防止剤、防腐剤、防カビ剤より選択される添加剤のみを含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の水溶性金属加工油組成物。
4. 水を除いて、前記モノエステル化合物と、前記界面活性剤のみより構成されるか、さらに極圧添加剤、消泡剤、金属防食剤、酸化防止剤、防腐剤、防カビ剤より選択される添加剤のみを含んでいることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の水溶性金属加工油組成物。
5. 前記水溶性金属加工油組成物が、金属の切削加工に用いられることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水溶性金属加工油組成物。
6. 前記切削加工が、ブローチ加工であることを特徴とする請求項５に記載の水溶性金属加工油組成物。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の水溶性金属加工油組成物を用いて行われることを特徴とする金属加工方法。