JP5113040B2 - 超臨界二酸化炭素をベースとする金属加工潤滑剤組成物 - Google Patents
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Description
(相互参照文献)
本出願は、2005年4月29日出願の米国特許仮出願第60/676531号の利益を主張する。
(連邦政府委託研究又は開発に関する声明)
本発明は、国立科学財団(NSF)の許可、許可番号第DMII0093514号、及び国立科学財団(NFS)/環境保護局(EPA)の許可、許可番号第RD83134701号により支援された研究の過程でなされたものである。合衆国政府は本発明において一定の権利を有する。
本発明者らは、超臨界二酸化炭素(scCO2)が、金属加工処理/操作、例えば切断及び成形等において有効な潤滑剤及び潤滑剤担体(キャリアー)として使用できることを予想外に且つ偶然に見出した。更に、scCO2は、金属加工において水よりも良好な基本的潤滑性を与え、scCO2単独では、少なくとも、1つの機械加工用途において、基本的な半合成金属加工流体(MWF)の潤滑性に実質的に類似の潤滑性を有することが分かった。ストレートオイル、即ち、水が添加されていないオイル等の潤滑剤は、殆どの処理にとって最高の知られた潤滑剤の1つである。しかし、本発明者らは、また、scCO2と潤滑剤との組合せが好都合に相乗的である、即ち、その組合せたものの潤滑性が、それぞれの単独の潤滑性よりも実質的に良好な潤滑性を与えることを見出した。これは、また、少量のオイルがscCO2によって供給されるシステムに適用される場合でも事実であることが分かった。例えば、改善された性能は、同じオイルにおいてscCO2供給システムを伴う場合と伴わない場合とを比較してみて(scCO2供給システムを伴う場合に)分かったが、好都合なことに、それらの改善された結果は、scCO2供給システムと一緒に使用される場合に少量の同じオイルと一緒に見出された。なお更に、本発明者らは、本明細書の実施形態による方法が、切断処理中にチップを好都合に片付け(チップ排出)、工具の摩耗を低減し、耐腐食性を与え、特定のシステムでの表面仕上げを改善する可能性のあることを考慮する。
scCO2をベースとするMWFの可能性をテストするために、scCO2への大豆油の分散体を開発し、大豆油MWFマイクロエマルジョンと比較しつつタッピングトルク方法を使用してテストを行った。図1は、本発明の実施形態を組み込んだ実験設備10の実施形態を示す。これは非限定的実施形態であり、以下に列挙される要素の幾つかは必要でないことがあり、及び/又は、必要に応じて更なる要素が付加されることがあることが理解される。図1において、文字Aは、食品等級の二酸化炭素(Cryogenic Gases、ミシガン州)のタンクを表し、文字Bは逆止め弁を表し、文字Cは圧力ブースタ(High Pressure Equipment、ペンシルバニア州)を表し、文字Dは圧力ゲージを表し、文字Eは六方弁(Valco Instruments、テキサス州)を表し、文字Fはオイル入口を表し、文字Gは固定容積コイルを表し、文字Hは高圧容器を表し、文字Iは加熱要素を表し、文字Jは熱電対(Omega、コネチカット州、Stamford)を表し、文字Kは圧力変換器(Zook Enterprises、オハイオ州)を表し、文字Lはコンピュータを表し、文字Mは電磁弁(Clark Cooper、ニュージャージー州)を表し、文字Nはノズルを表し、文字Oはタッピングトルク装置を表し、文字Pはスチール製仕掛品を表し、文字V1〜V3はピンバルブを表す。
図2Aは、ノズル18を介して供給される水をベースとするMWF12を使用するタッピングトルクテストを示し、図2Bは、ノズル18’を介して供給されるscCO2をベースとするMWF14を利用する同じテストを示す。図2A及び2Bのタッピングトルクテストは、ロックナット24及び試料ナット26を有するタッピングトルクテスト工具22で行われる。過剰の、水をベースとするMWF28は図2Aで明らかであり、そのためにscCO2をベースとするMWF14を使用する図2Bで示されるテストは、一般にその様な過剰な流体を持たない。図2Bで示されるテストは、十分な潤滑を与え、金属加工領域へ少ない容量の流体14を供給しながら適用比率を減少させる可能性を与え得ることが理解される。
本明細書に開示される開発されたMWFの機械加工性能は、240 M6の穴(Maras Tool、イリノイ州、Schaumburg)で前以てドリル加工及びリーマ仕上げされた1018スチール製仕掛品をMicro Tap Mega G8(ミシガン州、Rochester Hills)機械工具を使用して1000RPMの機械加工速度でタッピングするタッピングトルクテストにより測定した。タッピングは、60°ピッチ及び3つの直刃を有する、非被覆高速度鋼(HSS)タップ(1018スチール用)を使用して行った。MWFの評価は、タッピングトルクテスト装置を使用する、金属除去液体を比較するための基準である、ASTM D 5619により行った。ただし、単一の仕掛品について複数の評価を可能にするMWF評価テストベッドを使用できるように、幾つかの変更がなされている。MWFの性能は、本明細書では、参照のMWFにおいて測定された平均トルクに対して標準化された完全な工具の関与中に測定された平均トルクであるタッピングトルク効率の割合(%)で報告される。高い効率は、タッピングトルクテストにおける改善された性能を示し、以下で検討される現場性能に対する適切な測定基準であることを示した。
(超臨界二酸化炭素テストベッド)
実験的テストベッドを、scCO2をベースとするMWFを作るために本発明者らで設計し、それらをタッピングトルク装置の切断領域に適用した。再度図1を参照すると、先に言及された通り、実験的設備の系統図は全体的に10で表される。
(調合物)
水をベースとするMWF調合物を、大豆油及び鉱油を使用して開発した。水をベースとする調合物は、市販のMWF供給者により提供される調合物をベースとする。100%のタッピングトルク効率は、その様な市販のMWF供給者から購入した可溶性オイルMWFのタッピングトルク効率を表す。MWFは、最初濃縮形態で製造し、次いで、脱イオン水で作業濃度まで希釈した。この調合物の手順は、水性MWFが調製され、実際に利用される方法と一致する。水性調合物のそれぞれに対して使用された組成物及び本発明の実施形態による調合物は、表1で示される。
(実験結果及び検討)
図3を参照すると、タッピングトルクの研究結果は、scCO2中に大豆油が分散した分散体(3Eで示されている)が、タッピングトルク効率に関して大豆油MWFマイクロエマルジョン(3Cで示されている)よりも凡そ20%優れて機能することを示す。超臨界CO2単独(3Aで示されている)は、従来の、水MWF中の半合成鉱油(3Bで示されている)とほぼ同じで、水単独よりも優れて機能する。大豆油MWFマイクロエマルジョン(半合成MWFオイル濃度0.75%での)は、従来の可溶性オイル(3.4%オイル)(示されない)と同じ水準で、鉱油と同様に機能する。3Dで示されているストレート大豆油は、参照流体(この参照流体は、産業で使用される可溶性鉱油をベースとするオイルであり、更なる潤滑のために添加されたワックスを有する)を超えて約12%まで改善したタッピング性能を生み出した。参照流体は図には示されていないが、100%のタッピングトルク効率をもたらす。
2〜3の調合物が、例示を目的として本明細書で検討されたが、溶解、分散、及び/又は乳化した混合物において潤滑剤と組み合わせてscCO2を利用することから生じる証明された新規性及び/又は相乗効果は、オイル、エステル、ポリマー、ワックス、及び石鹸の多数のクラスにまで拡大することができ、次の例が挙げられるがこれらに限定されないことが理解される:ナフテン系油、パラフィン系油、及びこれらの混合物の少なくとも1つを含む鉱油;大豆油、菜種油、カノーラ油、トウモロコシ油、ヒマワリ油、及びこれらの混合物の少なくとも1つを含む植物油;トリメチルプロパンエステル、ポリアルキレングリコール、重合したエステル(例えば、一塩基/二塩基酸、脂肪族アミンをベースとしたもの、硫化したもの)、エチレンオキシド/プロピレンオキシドコポリマー、合成及び天然ポリマー(炭化水素、フッ素化、塩素化)、及びこれらの混合物の少なくとも1つを含む、エステル、ポリマー、及び/又はグリコール、ならびに上記の任意の組合せ。
幾つかの実施形態が詳細に記載されたが、開示された実施形態は変更されてもよいことは当業者に明らかである。したがって、先の説明は、限定ではなく例示であると考えられるべきである。
Claims (18)
- 金属加工処理中の金属製仕掛品を潤滑する方法であって、前記金属加工処理中の前記金属製仕掛品に潤滑剤として超臨界二酸化炭素を供給する工程を含むことを特徴とする潤滑方法。
- 前記金属製仕掛品へ供給する前に、前記超臨界二酸化炭素に追加の潤滑剤を混合することを特徴とする請求項1に記載の潤滑方法。
- 前記追加の潤滑剤が、鉱油、植物油、エステル、ポリマー、グリコール、脂肪酸、及びこれらの組合せから選択されたものであることを特徴とする請求項2に記載の潤滑方法。
- 前記金属加工処理が切断処理であり、前記切断処理中に形成される金属チップが前記超臨界二酸化炭素の供給中に排出されることを特徴とする請求項1に記載の潤滑方法。
- 前記金属製仕掛品が、前記超臨界二酸化炭素の供給中に冷却されることを特徴とする請求項1に記載の潤滑方法。
- 前記超臨界二酸化炭素の供給により、前記金属製仕掛品のミクロ潤滑及びナノ潤滑の少なくとも一方が実質的に遂行されることを特徴とする請求項1に記載の潤滑方法。
- 前記金属加工処理中の前記金属製仕掛品に更なる冷却を与えるために、圧力解放冷却噴霧として圧縮空気及び不活性ガスの少なくとも一方を前記金属製仕掛品に供給する工程を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の潤滑方法。
- 金属加工処理中の金属製仕掛品を潤滑する組成物において、潤滑剤及びキャリアーである超臨界二酸化炭素と追加の潤滑剤との混合物を含むことを特徴とする潤滑組成物。
- 前記追加の潤滑剤が、鉱油、植物油、エステル、ポリマー、グリコール、脂肪酸、及びこれらの組合せから選択されたものであることを特徴とする請求項8に記載の潤滑組成物。
- 極圧添加剤、腐食抑制剤、境界潤滑剤、耐摩耗添加剤、及びこれらの組合せのうち少なくとも1つを更に含むことを特徴とする請求項8に記載の潤滑組成物。
- 前記極圧添加剤が、塩素化パラフィン、塩素化ワックス、塩素化エステル、塩素化脂肪酸、硫化脂肪;硫化オレフィン;ポリスルフィド;硫黄−塩素化化合物;硫化スルホネート(sulfurized sulfonates );リン酸エステル;ホスフェート脂肪酸(phosphate fatty acids );リン酸アミン、及びこれらの組合せから選択されたものであることを特徴とする請求項10に記載の潤滑組成物。
- 前記追加の潤滑剤が、前記超臨界二酸化炭素に溶解した状態、前記超臨界二酸化炭素に分散した状態、前記超臨界二酸化炭素と乳化した状態、及びこれらの組合せの状態のうち少なくとも1つの状態となっていることを特徴とする請求項8に記載の潤滑組成物。
- 金属加工処理中に潤滑剤及びキャリアーとして超臨界二酸化炭素を適用するためのシステムであって、
二酸化炭素源と、
前記二酸化炭素源と流体連通した圧力ブースタと、
前記圧力ブースタと流体連通した高圧容器と、
前記高圧容器と流体連通した追加の潤滑剤源と、
前記高圧容器と流体連通したノズルと
を含むことを特徴とするシステム。 - 前記金属加工処理中の潤滑、冷却、腐食抑制、及びチップ排出のうち少なくとも1つを行うために組み込まれることを特徴とする請求項13に記載のシステム。
- 前記高圧容器及び前記ノズルと流体連通し且つ前記高圧容器と前記ノズルとの間に配置された自動電磁弁を更に含むことを特徴とする請求項13に記載のシステム。
- 加熱要素及び圧力変換器と接続されたコンピュータを更に含み、前記加熱要素及び前記圧力変換器が前記高圧容器と連通し、前記コンピュータが、前記高圧容器の内部の1つ又は複数の環境条件を制御するために組み込まれたことを特徴とする請求項13に記載のシステム。
- 前記コンピュータと接続され且つ前記高圧容器の温度を監視する熱電対を更に含むことを特徴とする請求項16に記載のシステム。
- 前記高圧容器及び前記ノズルと流体連通し且つ前記高圧容器と前記ノズルとの間に配置された電磁弁を更に含むことを特徴とする請求項13に記載のシステム。
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