JP7133422B2 - ミスト加工用水溶性金属加工油剤組成物および金属加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、微量の加工液をミスト状にして加工点に供給するミスト加工用の水溶性金属加工油剤組成物および金属加工方法に関するものである。

近年、環境負荷低減を図るため、加工液の使用量を削減した金属加工方法の検討が行われている。この種の金属加工方法として、ミスト加工、すなわち微量の加工液をミスト状にして加工点に供給する手法が注目されている。ミスト加工に用いられる加工液として、特許文献１が開示するように、油性のものが実用化されている。

もっとも、加工液が油性であると、ミスト状になった加工液が飛散することにより、作業環境の悪化や火災の危険が伴う。そこで、これらの課題を解決するものとして、特許文献２が開示するように、ミスト加工用水溶性金属加工油剤組成物に対するニーズが高まっている。なお、以下では、ミスト加工用水溶性金属加工油剤組成物を、「水溶性金属加工油剤」ともいう。

特開２００１－１９２６８６号公報 特開２００２－２１２５８４号公報

しかしながら、従来の水溶性金属加工油剤には、潤滑性付与を目的として、鉱物油や合成油などの被乳化体を多用し、これらを安定に乳化するための界面活性剤が多量に配合されている。このため、水溶性金属加工油剤が含まれる加工液が加工装置内に飛散し、加工液から水分が蒸発すると、加工液が増粘する。増粘した加工液には、金属加工時に加工対象物から発生した微細な切りくずが付着しやすい。その結果、加工装置において、加工対象物の保持部やセンサーなどに、増粘した加工液を介して、加工対象物の切りくずが付着することとなり、加工精度やセンサーの検出精度の低下を招いてしまうという課題がある。

本発明は、切りくず付着量を低減させることができるミスト加工用水溶性金属加工油剤組成物および金属加工方法を提供することを課題としている。

本発明のミスト加工用水溶性金属加工油剤組成物は、式（１）で表される１種類以上の非イオン性界面活性剤を、２５質量％以上５０質量％以下と、ポリオキシエチレン多価アルコール脂肪酸エステルおよび脂肪酸アルカノールアミドから選ばれる１種類以上の非イオン性界面活性剤を、１０質量％以上３０質量％以下と、式（２）で表される１種類以上の脂肪酸エステル化合物を、１０質量％以上３０質量％以下と、を含むことを特徴とする。
Ｒ^１Ｏ－（Ｃ_２Ｈ_４Ｏ）_ｎ－Ｈ （１）
（式（１）において、Ｒ^１は炭素数８以上１８以下の直鎖または分岐鎖のアルキル基を示し、ｎはオキシエチレン基の平均付加モル数を示し、３以上９以下の数である。）
Ｒ^２－ＣＯＯ－Ｒ^３ （２）
（式（２）において、Ｒ^２は炭素数８以上２０以下の飽和または不飽和の脂肪族炭化水素基を示し、Ｒ^３は炭素数１以上１２以下の直鎖または分岐鎖のアルキル基を示す。）

この構成によれば、切りくず付着量を低減させることができる。

本発明の金属加工方法は、上記のミスト加工用水溶性金属加工油剤組成物が含まれる加工液を、ミスト状にして加工点に供給することを特徴とする。

この構成によれば、切りくず付着量の少ない水溶性金属加工油剤が含まれる加工液を用いることで、金属加工を良好に行うことができる。

（水溶性金属加工油剤）
本発明のミスト加工用水溶性金属加工油剤組成物（水溶性金属加工油剤）は、成分Ａと、成分Ｂと、成分Ｃとを含む。
・成分Ａ：式（１）で表される非イオン性界面活性剤
Ｒ^１Ｏ－（Ｃ_２Ｈ_４Ｏ）_ｎ－Ｈ （１）
・成分Ｂ：ポリオキシエチレン多価アルコール脂肪酸エステルおよび脂肪酸アルカノールアミドから選ばれる非イオン性界面活性剤
・成分Ｃ：式（２）で表される脂肪酸エステル化合物
Ｒ^２－ＣＯＯ－Ｒ^３ （２）

また、水溶性金属加工油剤は、成分Ａ、成分Ｂおよび成分Ｃに加えて、成分Ｄ、成分Ｅ、成分Ｆおよび成分Ｇから選ばれる１以上の成分を含むことが好ましい。
・成分Ｄ：炭素数３以上１８以下の脂肪酸塩から選ばれるアニオン性界面活性剤
・成分Ｅ：成分Ａおよび成分Ｂのいずれとも異なる非イオン性界面活性剤
・成分Ｆ：成分Ｄとは異なる金属防食剤
・成分Ｇ：水
なお、水溶性金属加工油剤は、成分Ａないし成分Ｇ以外の成分を含んでいてもよい。

（成分Ａ）
成分Ａは、上述したように、式（１）で表される非イオン性界面活性剤である。
Ｒ^１Ｏ－（Ｃ_２Ｈ_４Ｏ）_ｎ－Ｈ （１）
成分Ａは、水溶性金属加工油剤が含まれる加工液において、成分Ｃを乳化させる乳化剤として機能する。また、成分Ａを配合することで、切りくず付着量を少なくすることができる。

式（１）において、Ｒ^１は炭素数８以上１８以下のアルキル基を示す。Ｒ^１の炭素数は、好ましくは、８以上１２以下である。Ｒ^１の炭素数が８以上１８以下であることで、切りくず付着量を少なくすることができる。Ｒ^１は、分岐鎖状でもよいが、直鎖状であることが好ましい。Ｒ^１が直鎖状である場合には、Ｒ^１が分岐鎖状である場合に比べ、切りくず付着量をより少なくすることができる。炭素数８以上１８以下のアルキル基としては、例えば、ｎ－オクチル基、２－エチルヘキシル基、ｎ－デシル基、イソデシル基、ｎ－ドデシル基、ｎ－テトラデシル基、ｎ－ヘキサデシル基、ｎ－オクタデシル基などを挙げることができる。

式（１）において、ｎは、オキシエチレン基の平均付加モル数を示す。ｎは、３以上９以下の数である。ｎが３以上９以下であることで、切りくず付着量を少なくすることができる。

成分Ａは、例えば、炭素数８以上１８以下のアルコールに、アルカリ触媒下、オキシエチレン基を付加することによって、得ることができる。

水溶性金属加工油剤における成分Ａの含有量は、２５質量％以上５０質量％以下である。成分Ａの含有量が２５質量％以上であることで、切りくず付着量を少なくすることができる。ミスト加工性を向上させる成分Ｃの配合を考慮すると、成分Ａの含有量は、５０質量％以下が望ましい。

水溶性金属加工油剤は、成分Ａとして、式（１）で表される非イオン性界面活性剤を、１種類単独で含んでもよく、２種類以上を組み合わせて含んでもよい。

（成分Ｂ）
成分Ｂは、上述したように、ポリオキシエチレン多価アルコール脂肪酸エステルおよび脂肪酸アルカノールアミドから選ばれる非イオン性界面活性剤である。成分Ｂは、加工液において、成分Ａと共に成分Ｃを乳化させる乳化剤として機能する。

ポリオキシエチレン多価アルコール脂肪酸エステルとしては、例えば、ポリオキシエチレングリセリン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステルなどを挙げることができる。ポリオキシエチレングリセリン脂肪酸エステルにおけるエステルの個数は、特に限定されず、モノエステル体、ジエステル体およびトリエステル体のいずれでもよい。ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステルおよびポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステルについても同様である。

ポリオキシエチレン多価アルコール脂肪酸エステルを構成する脂肪酸は、炭素数８以上２０以下であることが好ましく、飽和脂肪酸および不飽和脂肪酸のいずれでもよく、直鎖状および分岐鎖状のいずれでもよい。このような脂肪酸としては、例えば、カプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、２－ブチルオクタン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、イソパルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸、アラキジン酸、などを挙げることができる。ポリオキシエチレン多価アルコール脂肪酸エステルは、例えば、多価アルコール脂肪酸エステル（例えば、グリセリン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、ソルビトール脂肪酸エステル）に、オキシエチレン基を付加することによって、得ることができる。

脂肪酸アルカノールアミドを構成する脂肪酸は、ポリオキシエチレン多価アルコール脂肪酸エステルを構成する脂肪酸と同様に、炭素数８以上２０以下であることが好ましく、飽和脂肪酸および不飽和脂肪酸のいずれでもよく、直鎖状および分岐鎖状のいずれでもよい。脂肪酸アルカノールアミドを構成するアルカノールアミンとしては、例えば、（モノ、ジ）エタノールアミン、（モノ、ジ）－ｎ－プロパノールアミン、（モノ、ジ）イソプロパノールアミンなどを挙げることができる。脂肪酸アルカノールアミドは、例えば、脂肪酸とアルカノールアミンとを加熱して脱水縮合させることによって、得ることができる。

水溶性金属加工油剤における成分Ｂの含有量は、１０質量％以上３０質量％以下である。成分Ｂの含有量が１０質量％以上であることで、加工液の乳化安定性を向上させることができる。成分Ｂの含有量が３０質量％以下であることで、切りくず付着量を少なくすることができる。

水溶性金属加工油剤は、成分Ｂとして、ポリオキシエチレン多価アルコール脂肪酸エステルおよび脂肪酸アルカノールアミドから選ばれる非イオン性界面活性剤を、１種類単独で含んでもよく、２種類以上を組み合わせて含んでもよい。すなわち、成分Ｂは、ポリオキシエチレン多価アルコール脂肪酸エステルから選ばれる１種類以上の非イオン性界面活性剤で構成されてもよい。また、成分Ｂは、脂肪酸アルカノールアミドから選ばれる１種類以上の非イオン性界面活性剤で構成されてもよい。さらに、成分Ｂは、ポリオキシエチレン多価アルコール脂肪酸エステルから選ばれる１種類以上の非イオン性界面活性剤と、脂肪酸アルカノールアミドから選ばれる１種類以上の非イオン性界面活性剤と、で構成されてもよい。

（成分Ｃ）
成分Ｃは、上述したように、式（２）で表される脂肪酸エステル化合物である。
Ｒ^２－ＣＯＯ－Ｒ^３ （２）
成分Ｃは、加工液において、成分Ａおよび成分Ｂにより乳化される被乳化体として機能する。成分Ｃを配合することで、水溶性金属加工油剤に適度な潤滑性を付与することができる。

式（２）において、Ｒ^２は、炭素数８以上２０以下の脂肪族炭化水素基を示す。Ｒ^２の炭素数が８以上であることで、水溶性金属加工油剤の潤滑性を向上させることができる。Ｒ^２の炭素数が２０以下であることで、切りくず付着量を少なくすることができる。Ｒ^２は、不飽和の脂肪族炭化水素基でもよいが、飽和の脂肪族炭化水素基、すなわちアルキル基であることが好ましい。Ｒ^２が飽和の脂肪族炭化水素基であることで、水溶性金属加工油剤のミスト加工性を向上させることができる。また、Ｒ^２は、直鎖状でもよく、分岐鎖状でもよい。炭素数８以上２０以下の脂肪族炭化水素基としては、例えば、ｎ－オクチル基、２－エチルヘキシル基、ｎ－ノニル基、ｎ－デシル基、イソデシル基、ｎ－ウンデシル基、ｎ－トリデシル基、ｎ－ペンタデシル基、ｎ－ヘプタデシル基、ｎ－ノナデシル基、ｎ－ペンタデセニル基、ｎ－ヘプタデセニル基などを挙げることができる。

式（２）において、Ｒ^３は、炭素数１以上１２以下のアルキル基を示す。Ｒ^３の炭素数が１２以下であることで、切りくず付着量を少なくすることができる。Ｒ^３は、直鎖状でもよく、分岐鎖状でもよい。炭素数１以上１２以下のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、ｎ－プロピル基、イソプロピル基、ｎ－ブチル基、ｎ－ヘキシル基、ｎ－オクチル基、２－エチルヘキシル基、ｎ－デシル基、ｎ－ドデシル基などを挙げることができる。

式（２）で表される脂肪酸エステル化合物は、例えば、構成脂肪酸としてＲ^２－ＣＯＯ－基が含まれる油脂中のグリセライド類と、アルコール（Ｒ^３－ＯＨ）とのエステル交換反応、或いは、油脂を加水分解して得られた脂肪酸（Ｒ^２－ＣＯＯＨ）とアルコール（Ｒ^３－ＯＨ）とのエステル化反応により得ることができる。

成分Ｃの動粘度（４０℃）は、２０ｍｍ^２／ｓ以下であることが好ましい。成分Ｃの動粘度（４０℃）が２０ｍｍ^２／ｓ以下であることで、切りくず付着量を少なくすることができる。

水溶性金属加工油剤における成分Ｃの含有量は、１０質量％以上３０質量％以下である。成分Ｃの含有量が１０質量％以上であることで、水溶性金属加工油剤の潤滑性を向上させ、水溶性金属加工油剤のミスト加工性を向上させることができる。成分Ｃの含有量が３０質量％以下であることで、切りくず付着量を少なくすることができる。

水溶性金属加工油剤は、成分Ｃとして、式（２）で表される脂肪酸エステル化合物を、１種類単独で含んでもよく、２種類以上を組み合わせて含んでもよい。

（成分Ｄ）
成分Ｄは、上述したように、炭素数３以上１８以下の脂肪酸塩から選ばれるアニオン性界面活性剤である。成分Ｄは、水溶性金属加工油剤において、金属防食剤として機能する。また、成分Ｄは、他のアニオン性界面活性剤に比べ、動粘度が低いため、成分Ｄを配合することで、切りくず付着量を少なくすることができる。

脂肪酸塩を構成する脂肪酸は、飽和の脂肪酸でもよく、不飽和の脂肪酸でもよい。また、脂肪酸塩を構成する脂肪酸は、直鎖状でもよく、分岐鎖状でもよい。なお、炭素数３以上１８以下の脂肪酸塩とは、脂肪酸塩を構成する脂肪酸の炭素数が、３以上１８以下であることを意味する。炭素数３以上１８以下の脂肪酸としては、例えば、プロピオン酸、酪酸、カプロン酸、カプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、２－ブチルオクタン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、イソパルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸などを挙げることができる。脂肪酸塩を構成する塩としては、例えば、アルカリ金属塩、アミン塩などを挙げることができる。アルカリ金属塩としては、例えば、ナトリウム塩、カリウム塩などを挙げることができる。アミン塩としては、モノエタノールアミン塩、ジエタノールアミン塩、トリエタノールアミン塩、ジエチレングリコールアミン塩などを挙げることができる。

水溶性金属加工油剤における成分Ｄの含有量は、１質量％以上１０質量％以下であることが好ましい。成分Ｄの含有量が１質量％以上であることで、水溶性金属加工油剤の金属防食性を向上させることができる。成分Ｄの含有量が１０質量％以下であることで、切りくず付着量を少なくすることができる。

水溶性金属加工油剤は、成分Ｄとして、炭素数３以上１８以下の脂肪酸塩から選ばれるアニオン性界面活性剤を、１種類単独で含んでもよく、２種類以上を組み合わせて含んでもよい。なお、成分Ｄは、必ずしも脂肪酸塩として水溶性金属加工油剤に配合される必要はなく、脂肪酸と塩とがそれぞれ別個に添加され、加工液中で脂肪酸塩が形成されてもよい。

（成分Ｅ）
成分Ｅは、上述したように、成分Ａおよび成分Ｂのいずれとも異なる非イオン性界面活性剤である。非イオン性界面活性剤としては、例えば、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル（式（１）で表されるものを除く）、ポリオキシアルキレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシアルキレン脂肪酸エステルなどを挙げることができる。水溶性金属加工油剤における成分Ｅの含有量は、１質量％以上２０質量％以下であることが好ましい。水溶性金属加工油剤は、成分Ｅとして、成分Ａおよび成分Ｂのいずれとも異なる非イオン性界面活性剤を、１種類単独で含んでもよく、２種類以上を組み合わせて含んでもよい。

（成分Ｆ）
成分Ｆは、上述したように、成分Ｄとは異なる金属防食剤である。金属防食剤としては、ベンゾトリアゾール、トリルトリアゾール、メルカプトベンゾチアゾールなどを用いることができる。水溶性金属加工油剤における成分Ｆの含有量は、０．０５質量％以上０．３質量％以下であることが好ましい。水溶性金属加工油剤は、成分Ｆとして、成分Ｄとは異なる金属防食剤を、１種類単独で含んでもよく、２種類以上を組み合わせて含んでもよい。

（成分Ｇ）
成分Ｇは、上述したように、水である。水溶性金属加工油剤は、成分Ｇとして予め水を含むことで、水溶性金属加工油剤を水で希釈した加工液における乳化安定性を向上させることができる。水としては、例えば、蒸留水、イオン交換水或いは水道水を用いることができる。水溶性金属加工油剤における成分Ｇの含有量は、１質量％以上３０質量％以下であることが好ましい。

（金属加工方法）
本発明の金属加工方法は、上記の水溶性金属加工油剤が含まれる加工液を、ミスト状にして加工点に供給するものである。加工液としては、水溶性金属加工油剤を希釈することなくそのまま用いてもよいが、水溶性金属加工油剤を水で希釈したものを用いることが好ましい。希釈濃度は、好ましくは２倍以上１００倍以下、より好ましくは５倍以上２０倍以下である。希釈水としては、上記の成分Ｇと同様に、例えば、蒸留水、イオン交換水或いは水道水を用いることができる。加工液をミスト状にして供給する方法としては特に限定されず、例えば、ＭＱＬ（Minimum Quantity Lubrication）などのセミドライ加工に使用されるミスト供給装置を用いることができる。

加工液の１時間当たりの供給量は、好ましくは１ｍｌ以上２０００ｍｌ以下、より好ましくは１０ｍｌ以上４００ｍｌ以下、さらに好ましくは５０ｍｌ以上２００ｍｌ以下である。加工液の１時間当たりの供給量が１ｍｌ以上であることで、加工点を適切に冷却することができ、加工対象物を良好に加工することができる。また、加工液の１時間当たりの供給量が２０００ｍｌ以下であることで、環境負荷を低減させることができる。

水溶性金属加工油剤が用いられる金属加工の種類は特に限定されないが、例えば、切削加工または研削加工に用いることができる。また、加工対象物の材質は特に限定されないが、例えば、鋼、アルミニウム或いはアルミニウム合金から成る加工対象物を用いることができる。

（水溶性金属加工油剤の調製）
水溶性金属加工油剤の各材料を、表１に示した配合量で容器に投入し、攪拌することにより、実施例１～９および比較例１～９の水溶性金属加工油剤を調製した。表１では、各成分の配合量を質量％で示す。なお、各成分の配合量は、小数点以下または小数点第二位を四捨五入したものである。また、比較例５の水溶性金属加工油剤は、上記の特許文献２（特開２００２－２１２５８４号公報）の実施例４に相当するものである。なお、比較例３は、水溶性ではなく油性であるが、説明の便宜上、他の実施例および比較例と同様に、「水溶性金属加工油剤」と称する。

（切りくず付着量）
実施例１～７および比較例１～６の水溶性金属加工油剤について、以下のようにして切りくず付着量を測定した。
各水溶性金属油剤を水で１０倍に希釈して試料液とし、ステンレス鋼板の表面に試料液を塗布した後、１０分間以上、室温で乾燥させ、ステンレス鋼板に残った試料液の不揮発分の質量を測定した。ステンレス鋼板の塗布面に切りくずを約１０ｇ付着させた後、ステンレス鋼板に一定の衝撃を加えて切りくずを落とし、塗布面に残った切りくずの質量を測定した。比較のため、不揮発分１ｇ当たりの切りくず付着量を算出して、測定結果とした。ステンレス鋼板としては、５０ｍｍ×１００ｍｍ×０．５ｍｍサイズのＳＵＳ４３０板を使用した。また、切りくずとしては、５０メッシュの篩を通したアルミニウム合金（ＡＤＣ１２）の微粉末を使用した。測定結果を表１，２に示す。

表１，２に示したように、成分Ａを２５質量％以上５０質量％以下と、成分Ｂを１０質量％以上３０質量％以下と、成分Ｃを１０質量％以上３０質量％以下と、を含む実施例１～８の水溶性金属加工油剤では、切りくず付着量が少なかった。一方、成分Ａの含有量が２５質量％よりも少ない比較例１，２，４，６の水溶性金属加工油剤では、切りくず付着量が多かった。なお、比較例６は、希釈液が不安定であった。また、油性の金属加工油剤である比較例３では、切りくず付着量がやや多かった。さらに、比較例３は、油性であるため、作業性や火災の危険の点でも課題がある。成分Ａ、成分Ｂおよび成分Ｃのいずれも含まない比較例５の水溶性金属加工油剤は、切りくず付着量が多かった。なお、成分Ａを含まず、その分、成分Ｂの含有量を多くした比較例７では、希釈液が分離し、試験を行うことができなかった。同様に、成分Ｂを含まず、その分、成分Ａの含有量を多くした比較例８では、希釈液がかなり不安定であり、試験を行うことができなかった。

（ミスト加工性）
実施例１，８，９および比較例９の水溶性金属加工油剤について、以下のようにしてミスト加工性を評価した。
各水溶性金属加工油剤を水で１０倍に希釈した加工液を、ミスト状にして７５ｍｌ／時の供給量で加工点に供給しながら、アルミニウム合金（ＡＤＣ１２）に対してネジ穴加工を６穴連続加工×３セット実施し、１６穴目のネジ穴面の良否を目視にて観察し、良好な方から順に、４，３，２，１の４段階でミスト加工性を評価した。また、実施例１，８，９の水溶性金属加工油剤について、各水溶性金属加工油剤を水で１０倍に希釈した加工液の供給量を、５０ｍｌ、７５ｍｌ、１００ｍｌおよび２００ｍｌと変えたときの、タップの折損の有無を確認した。評価結果を表１，２に示す。

表１，２に示したように、成分Ｃの含有量が１０質量％以上である実施例１，８，９は、成分Ｃを含まない比較例９に比べて優れたミスト加工性を示した。また、実施例１，８では、加工液の供給量が５０ｍｌ／時の場合でも、タップの折損が認められず、実施例９についても、加工液の供給量が７５ｍｌ／時の場合には、タップの折損が認められなかった。

Claims (3)

1. 式（１）で表される１種類以上の非イオン性界面活性剤を、２５質量％以上５０質量％以下と、
   ポリオキシエチレン多価アルコール脂肪酸エステルおよび脂肪酸アルカノールアミドから選ばれる１種類以上の非イオン性界面活性剤を、１０質量％以上３０質量％以下と、
   式（２）で表される１種類以上の脂肪酸エステル化合物を、１０質量％以上３０質量％以下と、
   を含むことを特徴とするミスト加工用水溶性金属加工油剤組成物。
   Ｒ^１Ｏ－（Ｃ_２Ｈ_４Ｏ）_ｎ－Ｈ （１）
   （式（１）において、Ｒ^１は炭素数８以上１８以下の直鎖または分岐鎖のアルキル基を示し、ｎはオキシエチレン基の平均付加モル数を示し、３以上９以下の数である。）
   Ｒ^２－ＣＯＯ－Ｒ^３ （２）
   （式（２）において、Ｒ^２は炭素数８以上２０以下の飽和または不飽和の脂肪族炭化水素基を示し、Ｒ^３は炭素数１以上１２以下の直鎖または分岐鎖のアルキル基を示す。）
2. 炭素数３以上１８以下の脂肪酸塩から選ばれる１種類以上のアニオン性界面活性剤を、１質量％以上１０質量％以下、さらに含むことを特徴とする請求項１に記載のミスト加工用水溶性金属加工油剤組成物。
3. 請求項１または２に記載のミスト加工用水溶性金属加工油剤組成物が含まれる加工液を、ミスト状にして加工点に供給することを特徴とする金属加工方法。