JP6586621B2 - 水性潤滑剤組成物及びそれを用いた金属加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属加工分野などで用いられる水性潤滑剤組成物及びそれを用いた金属加工方法に関する。

従来から、例えば、金属加工分野では、金属等の被加工材と工具又は金型間の摩擦の低減並びに工具等の冷却及び保護等の目的で、潤滑剤組成物が使用されている。従来、潤滑剤組成物には、潤滑性を付与する目的で、合成油、脂肪油、脂肪酸、脂肪酸エステル、硫黄系極圧添加剤などが添加されている。

一方、潤滑性を向上させる目的で様々潤滑剤組成物が提案されている。例えば、特許文献１には、水溶性潤滑剤組成物にフラーレンを添加することによって、潤滑性を向上させることが記載されている。

特開２００９−１７３８１４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された水溶性潤滑剤組成物は、分散性・安定性が優れておらず、フラーレンの凝集や沈降が生じるおそれがあるという問題がある。

そこで、本発明は、潤滑性だけでなく、分散性・安定性に優れた水性潤滑剤組成物及びそれを用いた金属加工方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、以上の目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、オニオンライクカーボンを含有させ、体積基準粒度分布のオニオンライクカーボン２次粒子のメディアン径を１００〜２５０ｎｍに調整することによって、潤滑性だけでなく、分散性・安定性に優れた水性潤滑剤組成物及びそれを用いた金属加工方法を提供できることを見出した。

すなわち、本発明は、（Ａ）オニオンライクカーボンと、（Ｂ）ナフタレンスルホン酸塩及びポリカルボン酸塩のうちいずれか１以上の分散剤とを含有し、（Ｂ）／（Ａ）が０．１以上であり、体積基準粒度分布のオニオンライクカーボン２次粒子のメディアン径が１００〜２５０ｎｍであることを特徴とする水性潤滑剤組成物である。

また、本発明は、前記潤滑剤組成物を用いて、金属の切削加工又は研削加工を行うことを特徴とする金属加工方法である。

以上のように、本発明によれば、潤滑性だけでなく、分散性・安定性に優れた水性潤滑剤組成物及びそれを用いた金属加工方法を提供することができる。

本発明に係る水性潤滑剤組成物において、（Ａ）成分であるオニオンライクカーボンは、ｓｐ^２カーボンがタマネギ状に構成されたナノ粒子であり、その表面に、水素や他の元素が結合されているものもある。また、オニオンライクカーボンの大きさは、炭素−炭素結合の網目構造の層が何重かによって決定されるものであり、一次粒子は、数ｎｍ〜数十ｎｍである。大量合成されたオニオンライクカーボンは、一次粒子が複数凝集し、平均粒子径が数十〜数百μｍ以下の凝集体を形成しているものが多く含まれているので、水性潤滑剤組成物においては、凝集体を微粒子化させることが好ましい。オニオンライクカーボンの微粒子化、すなわちメディアン径の調整は、オニオンライクカーボンに分散処理を施し、分散液を作製することにより行うことができる。

オニオンライクカーボンのメディアン径は、オニオンライクカーボンと分散剤を水に添加し、攪拌機、超音波分散機、ビーズミルなどの装置を用いて、分散処理を行うことによって調整することができる。

本発明に係る水性潤滑剤組成物において、体積基準粒度分布のオニオンライクカーボン２次粒子のメディアン径が１００〜２５０ｎｍであるが、１００〜２００ｎｍが好ましい。２５０ｎｍを超えるとオニオンライクカーボンの分散安定性が悪くなるばかりでなく、潤滑性を保持するためには多量に配合しなければならない傾向がある。また、１００ｎｍ未満の場合、分散安定性は良好となるが、分散処理時間が大幅に延長されて製造コストが高くなり、市場性を得られない。体積基準粒度分布のオニオンライクカーボン２次粒子のメディアン径は、表１に示す装置および測定条件において得られる。

また、本発明に係る水性潤滑剤組成物の体積基準粒度分布のオニオンライクカーボン２次粒子のメディアン径が１００〜２５０ｎｍであるが、メディアン径よりも体積基準粒度分布の頻度累積％が大きいときの粒子径を制御することで分散安定性をより良好にすることができる。例えば、体積基準粒度分布の頻度累積９０％における粒子径を１，０００ｎｍ以下に制御することで、水性潤滑剤組成物中の粗大粒子の割合を少なくすることができ、分散安定性をさらに良好にすることができる。

本発明に係る水性潤滑剤組成物において、原料として使用されるオニオンライクカーボンは、特に製法が限定されるものではないが、例えば、神港精機（株）製装置により作製されたもの（特許５１５９９６号公報）を好適に用いることができる。具体的には、アセチレンガスのような炭化水素系ガスを用いて３００℃以下でプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）粉末を作製し、そのＤＬＣ粉末を真空中又は不活性ガス雰囲気中で１６００〜２０００℃で加熱することによって得られるオニオンライクカーボンが好ましい。

本発明に係る水性潤滑剤組成物において、上記（Ａ）オニオンライクカーボンの含有量は、０．０００１〜５質量％であることが好ましく、０．０００１〜１質量％であることが特に好ましい。オニオンライクカーボンが０．０００１質量％未満では潤滑効果に乏しく、５質量％を超えると分散液の粘度が高くなりゲル状になりやすいのであまり好ましくない。

また、本発明に係る水性潤滑剤組成物は、上記（Ａ）成分の他に、（Ｂ）ナフタレンスルホン酸塩及びポリカルボン酸塩のうちいずれか１以上の分散剤を含有している。（Ｂ）分散剤の含有量は、０．０００１〜１０質量％であることが好ましく、０．０００１〜３質量％であることがさらに好ましく、０．００１〜１％であることが特に好ましい。分散剤が多いと、粘度が増加することや、泡立ちが生じやすくなり、加工性能が低下しやすくなることの恐れがある。

分散剤であるナフタレンスルホン酸塩としては、ナフタレンスルホン酸のアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アンモニウム塩、アミン塩があり、特にナフタレンスルホン酸ナトリウムが好ましく、さらには、ナフタレンスルホン酸ナトリウムのホルマリン縮合物が好ましい。

また、分散剤であるポリカルボン酸塩としては、ポリカルボン酸のアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アンモニウム塩、アミン塩などがあり、ポリカルボン酸ナトリウムが特にが好ましい。

本発明に係る水性潤滑組成物において、（Ａ）オニオンライクカーボンと（Ｂ）分散剤との割合、すなわち（Ｂ）／（Ａ）は、０．１以上であるが、０．２以上であることが好ましく、０．５以上であることがさらに好ましい。（Ｂ）分散剤の含有量の上限は特に定めないが、水性潤滑剤組成物の３質量％以下であることが好ましい。３質量％を超えると、泡立ちが生じやすくなり、加工性能が低下しやすくなる恐れがある。

また、本発明に係る水性潤滑剤組成物は、（Ｃ）有機アミン化合物及び無機アルカリのうちいずれか１以上をさらに含有することが好ましい。有機アミン化合物としては、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、モノイソプロパノールアミン、ジイソプロパノールアミン、トリイソプロパノールアミン、モノ−ｎ―ブチルエタノールアミン、ジシクロヘキシルアミン、ポリオキシエチレンアルキルアミン、など、第１〜第３級アミンが使用できる。無機アルカリとしては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが使用できる。

本発明に係る水性潤滑剤組成物は、上記成分（Ｃ）を含有する場合、（Ｄ）有機酸を含有しても良い。有機酸としては、炭素骨格がＣ２〜Ｃ２２の一塩基酸、二塩基酸及び三塩基酸のいずれか一以上であることが好ましい。一塩基酸としては、オクタン酸、ノナン酸、イソノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、ひまし油縮合脂肪酸などが使用できる。二塩基酸としては、エタン二酸、プロパン二酸、ブタン二酸、２−ヒドロキシブタン二酸、ペンタン二酸、ヘキサン二酸、ヘプタン二酸、オクタン二酸、ノナン二酸、デカン二酸、ドデカン二酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、フマル酸、マレイン酸などが使用できる。さらに三塩基酸としては、トリメリット酸、クエン酸などが使用できる。また、（Ｄ）成分として有機酸をの代わりに無機酸を用いても良く、さらに有機酸及び無機酸を併用しても良い。

本発明に係る水性潤滑組成物において、（Ａ）オニオンライクカーボンと（Ｃ）成分及び（Ｄ）成分の比、すなわち（Ａ）：（Ｃ）＋（Ｄ）は、１：０．１〜１０，０００であるが、１：１〜７，０００であることが好ましく、１：１０〜５，０００であることがさらに好ましい。

（Ｃ）成分と（Ｄ）成分とは、水性潤滑剤組成物が、中性またはアルカリ性になる比率で含有させることが好ましく、酸性になる比率で含有させると金属の腐食を発生させる恐れがある。また、（Ｄ）成分を省略して、（Ｃ）成分のみで含有させることができる。

必要に応じて、界面活性剤、ｐＨ調整剤、防錆剤、非鉄金属防食剤、防腐剤、消泡剤、増粘剤、硬水軟化剤、香料、着色剤などを追加することができる。また、潤滑性を補足する成分として鉱油、合成油、脂肪油、脂肪酸、脂肪酸エステル、極圧添加剤などを追加することができる。

本発明に係る水性潤滑組成物は、先ず、原料の（Ａ）オニオンライクカーボン及び（Ｂ）分散剤を水に添加し、分散処理を施すことによって、体積基準粒度分布のオニオンライクカーボン２次粒子のメディアン径を調整し、次いで、必要に応じて（Ｃ）及び（Ｄ）を添加し、さらに必要に応じて希釈液によって希釈することによって得ることができる。

本発明に係る水性潤滑剤組成物を用いた切削加工又は研削加工は、工具又は金属材料に前記潤滑剤組成物を液体状または霧状で供給し、前記工具と前記金属材料との間隙に潤滑剤膜を施すことが好ましい。

次に、本発明に係る水性潤滑組成物の実施例について説明する。まず、オニオンライクカーボン（神港精機（株）製、平均粒子径１ｍｍ以下の凝集体の原料）及びナフタレンスルホン酸ナトリウムのホルマリン縮合物（第一工業製薬（株）製、ラベリンＦＡＮ）又はポリカルボン酸ナトリウム（サンノプコ(株)製、ＳＮディスパーサント５０４５）を水に添加し、ビーズミル（ビューラー（株）製ＰＭＬ−２）によるφ０．２ｍｍのジルコニアビーズを用いて、湿式分散処理を施し、体積基準粒度分布のオニオンライクカーボン２次粒子のメディアン径が表２の値になるように分散液を作製し、次いで、オニオンライクカーボン及び分散剤が表２の含有量になるように、分散液を水で希釈することによって、実施例１乃至８に係る水性潤滑組成物を作製した。

次に、上記潤滑剤組成物の潤滑性を確認するため、下記に示すとおり、ナノカーボンの粒子安定性評価、ボールオンディスク摩擦試験、曽田式振子摩擦試験を実施した。

（実験例：オニオンライクカーボン粒子の分散安定性）
オニオンライクカーボン粒子の分散安定性は、容量５０ｍＬの蓋付きガラス容器に３０ｍＬの分散液を封入し、２週間静置させた後に、分散液の状態と、瓶の底面を１２０°上向きに傾けたときに底面に残る固体粒子の面積の割合をもって分散安定性を評価した。結果を表２に示す。
なお、オニオンライクカーボン粒子の分散安定性の評価基準は以下の通りである。
○： 分散液の上澄みがなく、沈殿物がない状態。
△： 分散液の上澄みがないが、沈殿物がある状態。ただし、瓶を上向きに傾けたときに底面の沈殿物がただちに液中に浮上する状態。
×： 分散液の上澄みが発生し、固体粒子と液体が分かれている状態、または、分散液の上澄みはないが、瓶を逆さに傾けたときに底面全体に固体粒子が残り、液中に浮上しない状態。

（実験例：ボールオンディスク摩擦試験）
下記試験条件にて、ボールをディスクに接触させ一定荷重５０Ｎをボールに加えながら、ディスクを１０ｍｍ／ｓまたは、１０００ｍｍ／ｓの摩擦速度になるように回転させて摩擦試験を実施した。水性潤滑油組成物をボールとディスクの間に常に供して、摩擦係数をもって性能を比較した。結果を表２に示す。
［試験条件］
ボール：１／４ｉｎｃｈ ＳＵＪ−２（高炭素クロム軸受鋼）
ディスク：ＳＵＪ−２（高炭素クロム軸受鋼）
荷重：５０Ｎ
速度：１０００ｍｍ／ｓ
摩擦時間：６０秒
摩擦係数の評価置：６０秒間の摩擦係数の平均値
なじみ処理：スタート前に１０Ｎ、１００ｍｍ／ｓにて１分間摩擦させた後に評価を開始した。
温度：室温（２５℃）

（実験例：曽田式振子摩擦試験）
下記試験条件にて、水性潤滑剤組成物を試料容器に供し、振り子摩擦試験を行った。１試料につき２０回以上摩擦試験を行い、摩擦係数の計測値が安定する２０回目の数値を評価した。結果を表２に示す。
[試験条件]
試験機：曽田式振子型油性摩擦試験機（神鋼造機(株)）
ボール：３／１６ｉｎｃｈ ＳＵＪ−２（高炭素クロム軸受鋼）
ピン：φ２×３０ｍｍ ＳＵＪ−２（高炭素クロム軸受鋼）
初期振幅：０．５ラジアン
重錘重量：４０ｇ（１個）および８０ｇ（２個）
重錘取付位置：４０ｇ重錘：摩擦位置から１００ｍｍ下方に設置、８０ｇ重錘：摩擦位置から３４０ｍｍの位置でなおかつ左右水平位置１個づつ設置
振子周期：４秒
温度：室温（２５℃）

また、表３に示すように、オニオンライクカーボンや分散剤の含量などを変化させて比較例１及び２を作成した。比較例１及び２についても同様に摩擦試験及び分散安定の評価を行った。

上記表２及び３に示すように、実施例１乃至８及び比較例１及び２に係る潤滑剤組成物を比較すると、実施例１乃至８に係る潤滑剤組成物が、比較例１に係る潤滑剤組成物よりも、摩擦係数が低いことを示しており、比較例２に係る潤滑剤組成物は分散安定性を得ることができないことを示している。これにより、水溶性潤滑組成物にメディアン径が１００〜２５０ｎｍのオニオンライクカーボンを添加すると、優れた潤滑効果が得られることがわかる。また、実施例１乃至８に係る水性潤滑組成物は、いずれもオニオンライクカーボンの分散安定性に優れていることが分かる。

また、表４に示すように、実施例１乃至８と同様にオニオンライクカーボンと分散剤を水に添加し、オニオンライクカーボンを分散させ、希釈し、さらにトリエタノールアミン（ジャパンケムテック(株)製、ＴＥＡ−９９）、並びにデカン酸およびウンデカン酸の脂肪酸混合物（有機酸（インビスタ(株)製、Ｃ５〜Ｃ１２の二塩基酸混合物ＣＯＲＦＲＥＥ Ｍ−１）を添加することによって、実施例９乃至１４に係る水性潤滑組成物を作成した。実施例９乃至１４についても同様に摩擦試験及び分散安定の評価を行った。

また、表５に示すように、オニオンライクカーボンや分散剤の含量を変化させる、またオニオンカーボン以外のナノカーボンとして、カーボンナノチューブ （昭和電工(株)製、ＶＧＣＦ(繊維径：１５０ｎｍ、アスペクト比１０〜５００)）、フラーレン（フロンティアカーボン(株)製、カーボンクラスターＣ６０（１次粒子径０．７ｎｍ)）を使用し、さらに、ナフタレンスルホン酸ナトリウム以外の分散剤として、ポリオキシアルキレンエーテル（ (株)ＡＤＥＫＡ製、アデカノールＣ−１０１）を使用して、比較例３乃至９を作成した。比較例３乃至９についても同様に摩擦試験及び分散安定の評価を行った。

上記表４及び５に示すように、実施例９乃至１４及び比較例３乃至９に係る潤滑剤組成物を比較すると、実施例９乃至１４に係る潤滑剤組成物が、比較例３乃至９に係る潤滑剤組成物よりも分散安定性に優れ、摩擦係数が低いことを示している。これにより、水溶性潤滑組成物にメディアン径が１００〜２５０ｎｍのオニオンライクカーボンを添加すると、優れた潤滑効果が得られることがわかる。

Claims (7)

1. （Ａ）オニオンライクカーボンと、
   （Ｂ）ナフタレンスルホン酸塩及びポリカルボン酸塩のうちいずれか１以上の分散剤と
   を含有し、
   （Ｂ）／（Ａ）が０．１以上であり、
   体積基準粒度分布のオニオンライクカーボン２次粒子のメディアン径が１００〜２５０ｎｍであることを特徴とする水性潤滑剤組成物。
2. （Ｃ）有機アミン化合物及び無機アルカリのうちいずれか１以上をさらに含有することを特徴とする請求項１記載の水性潤滑剤組成物。
3. （Ｄ）有機酸を含有することを特徴とする請求項２記載の水性潤滑剤組成物。
4. （Ａ）：（Ｃ）＋（Ｄ）が１：０．１〜１０，０００であることを特徴とする請求項２又は３記載の水性潤滑剤組成物。
5. オニオンライクカーボンの含有量が０．０００１％〜３質量％であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の水性潤滑剤組成物。
6. 請求項１乃至５のいずれか記載の水性潤滑剤組成物を用いて、金属の切削加工又は研削加工を行うことを特徴とする金属加工方法。
7. 前記切削加工又は研削加工は、工具又は金属材料に前記潤滑剤組成物を液体状または霧状で供給し、前記工具と前記金属材料との間隙に潤滑剤膜を施すことを特徴とする請求項６記載の金属加工方法。