TW201602334A - 水溶性金屬加工油及金屬加工用冷卻劑 - Google Patents

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Tomohiko Kitamura
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Abstract

本發明之水溶性金屬加工油的特徵在於其係摻混有(A)含有硫化物結構之二羧酸及(B)單羧酸且不含聚烷二醇。本發明之金屬加工用冷卻劑係以水稀釋前述水溶性金屬加工油而成者。

Description

水溶性金屬加工油及金屬加工用冷卻劑 發明領域
本發明係有關於一種水溶性金屬加工油及以水將之稀釋而成的金屬加工用冷卻劑。
發明背景
可用於金屬加工的金屬加工油劑有油系(油性)及水系(水性)，大多使用冷卻性、浸潤性佳且沒有火災危險的水性劑型。
尤其在磨削用途上，油劑的冷卻性相當重要，因此大多使用不含礦油之溶液系油劑(例如參照文獻1：特公昭40-14480號公報)。溶液系油劑的冷卻性、耐腐敗性雖佳，但在潤滑性上則劣於非水系、乳液系、可溶系。潤滑性的不足亦成為使加工面粗度惡化及磨石壽命降低或磨削燒傷的原因。
爰此，為了對溶液系油劑賦予潤滑性，現有於油劑摻混聚烷二醇(PAG)(參照文獻2：特開平10-324888號公報、文獻3：特開2010-70736號公報)。
在文獻2、3記載之溶液系油劑中，因增加PAG之摻混量而使潤滑性變佳。但即使大量摻混PAG，可提升的 潤滑性仍為有限。所以，在嚴苛的加工條件下，磨石與被削材間之摩擦係數會變大而引發磨石壽命降低及磨削燒傷。
發明概要
本發明目的在於提供一種即便在嚴苛的加工條件下潤滑性及耐摩耗性依舊優異的水溶性金屬加工油、及以水將之稀釋而成的金屬加工用冷卻劑。
本發明人等發現在將具有硫化物結構之二羧酸與長鏈羧酸併用之系統中，去除PAG反而使潤滑性及耐摩耗性兩者俱佳。本發明即以此見解為依據而完成。
即，本發明提供如下述之水溶性金屬加工油及金屬加工用冷卻劑。
[1]一種水溶性金屬加工油，特徵在於其係摻混有(A)含有硫化物結構之二羧酸及(B)單羧酸，且不含聚烷二醇。
[2]在上述水溶性金屬加工油中，前述(A)成分為下述式(1)之化合物：HOOC-R1-Sn-R2-COOH…(1)
(R1及R2分別獨立為碳數1以上且5以下之烴基，n為1以上且8以下之整數)。
[3]在上述水溶性金屬加工油中，前述(A)成分之摻混量以該加工油總量基準計為0.1質量%以上且14質量%以下。
[4]在上述水溶性金屬加工油中，前述(B)成分為下述式(2)之化合物：R3-COOH…(2)
(R3為碳數11以上之烴基)。
[5]在上述水溶性金屬加工油中，前述(B)成分之摻混量以該加工油總量基準計為1質量%以上且20質量%以下。
[6]在上述水溶性金屬加工油中，其更摻混有(C)乙炔二醇系界面活性劑。
[7]在上述水溶性金屬加工油中，前述(C)成分之摻混量以該加工油總量基準計為1質量%以上且15質量%以下。
[8]上述水溶性金屬加工油為摻混有15質量%以上且75質量%以下之水的原液。
[9]一種金屬加工用冷卻劑，特徵在於其係將上述水溶性金屬加工油以水稀釋為2倍以上且200倍以下(容量)而成。
[10]上述金屬加工用冷卻劑為磨削用。
本發明之水溶性金屬加工油劑(原液)係摻混有(A)含有硫化物結構之二羧酸及(B)單羧酸，且不含聚烷二醇，因此以水稀釋製成金屬加工用冷卻劑時，可顯示良好的潤滑性及耐摩耗性。所以，將本發明之金屬加工用冷卻劑用於磨削時，即便在嚴苛的加工條件下，仍不易引起加工面粗度的惡化，且可充分抑制磨削燒傷及磨石壽命的降 低。
發明實施形態
以下說明本發明之實施形態。
本發明之水溶性金屬加工油(以下亦稱「本加工油」)係摻混有(A)含有硫化物結構之二羧酸及(B)單羧酸的原液，且不含聚烷二醇。以下針對本加工油及以水將之稀釋而成的金屬加工用冷卻劑詳細說明。
[(A)成分]
本加工油中之(A)成分為具有硫化物結構之二羧酸，可賦予潤滑性。作為(A)成分，從潤滑性觀點來看，尤以下述式(1)所示結構之二羧酸為佳。
HOOC-R1-Sn-R2-COOH…(1)
在此，R1及R2為碳數1以上且5以下之烴基，n為1以上且8以下之整數。R1或R2之碳數若在6以上，有水溶性降低之虞。
上述式(1)之二羧酸中的總碳數為4以上且12以下，從水溶性及潤滑性的觀點來看以6以上且10以下為佳。就R1及R2而言，以伸烷基為佳，可列舉亞甲基、伸乙基、甲基伸乙基、伸丙基及伸丁基等。從水溶性及潤滑性的觀點來看，尤以伸乙基為佳。
又，n若在9以上，有結構變得不穩定而分解之 虞。因此，n以6以下為佳，較理想為2以下，更理想為1。
就此種二羧酸來說，例如可列舉硫二丙酸、二硫二丙酸、硫二乙酸、硫二琥珀酸、二硫二乙酸及二硫二丁酸等。
(A)成分之摻混量宜以原液總量基準計為0.1質量%以上且14質量%以下，又以1質量%以上且10質量%以下較佳，2質量%以上且5質量%以下更佳。(A)成分之摻混量一旦過多，以水稀釋原液時恐致防鏽性降低。
[(B)成分]
本加工油中之(B)成分為單羧酸，有助於潤滑性及耐摩耗性之提升。就此種單羧酸來說，以所謂的長鏈羧酸為佳，且以下述式(2)所示化合物為佳。
R3-COOH…(2)
在此，R3為碳數11以上之烴基。就烴基來說，可為直鏈亦可具有分枝，可為飽和亦可為不飽和。從潤滑性及耐摩耗性之觀點來看，以松油脂肪酸為佳。
就長鏈羧酸來說，具體上可列舉月桂酸、硬脂酸、油酸、亞麻油酸、次亞麻油酸、芥子酸、棕櫚酸、蓖麻油酸、羥脂肪酸(例如蓖麻油酸、12-羥硬脂酸等)、花生酸、二十二酸、蜜蠟酸、異硬脂酸、由油脂萃取之大豆油脂肪酸、椰子油脂肪酸、菜籽油脂肪酸及松油脂肪酸(C18)等。
(B)成分之摻混量從一般稀釋率下的潤滑性及耐摩耗性之觀點來看，宜以加工油總量基準計為1質量%以上 且20質量%以下。
本加工油係將上述(A)成分及(B)成分摻混於水中而製成原液者，且不含聚烷二醇(PAG)。惟，不純物方面，在本發明之實施上允許不損及本發明效果之程度的些微混入。
本加工油(原液)以加工油總量基準計，(A)成分與(B)成分合計之摻混量宜為4質量%以上且40質量%以下，較理想的摻混量為5質量%以上且15質量%以下。
(A)成分與(B)成分合計之摻混量一旦低於4質量%，在現場使用本加工油時水之稀釋率過高，此情況下恐有招致潤滑性降低(摩擦係數上升)之虞。另一方面，(A)成分與(B)成分合計之摻混量一旦超過40質量%，便有原液穩定性降低之虞。在此，原液穩定性係指因相分離、固體之不溶解、析出等以致原液喪失均勻性。
原液調製用水之比率以加工油總量基準計宜為20質量%以上且75質量%以下。水之比率一旦低於20質量%,(A)成分與(B)成分便難以溶解，使原液之調製變得更煩雜。又，原液調製用水之比率一旦超過75質量%，作為原液的保管量及輸送量即過大而使處置性降低。
而，本加工油(原液)可以其原本的濃度使用，但宜以水稀釋成2倍以上且200倍以下、較理想為5倍以上且100倍以下之比率(容量比)作成金屬加工用冷卻劑使用。
[其他成分]
宜於本加工油中進一步摻混非離子系界面活性 劑作為(C)成分。藉由摻混此種界面活性劑，可提升本加工油之濕潤性，讓本加工油更容易滲透到磨石與被削材之間。
作為(C)成分，從其效果觀點來看，以乙炔二醇系界面活性劑尤佳。此種乙炔二醇系界面活性劑，例如可適當使用日本專利特開2011-12249號公報中所記載之乙炔二醇或其環氧烷加成物。例如宜為乙炔二醇EO加成物。市售品方面，可列舉Air Products and Chemicals,Inc.製Dynol 604、Surfynol 420、Surfynol 465等。
(C)成分之摻混量宜以原液總量基準計為0.1質量%以上且20質量%以下，又以1質量%以上且10質量%以下較佳。(C)成分之摻混量一旦過多，稀釋時之消泡性便會惡化。
宜於本加工油進一步摻混烷醇胺作為(D)成分。該烷醇胺會與上述(A)成分或(B)成分反應而形成烷醇胺羧酸鹽，可進一步提高潤滑性。又，烷醇胺亦可作為防鏽劑起作用。
烷醇胺並無特別限制，可將一級、二級及三級胺組合使用。惟，若僅使用一級胺，因為胺的揮發性高，所以就臭氣性此點而言恐有致使作業環境惡化之虞。因此，使用一級胺時，宜與二級胺或三級胺組合使用。又，從臭氣性的觀點來看，以三級胺為佳。
就一級胺之具體例來說，例如可列舉1-胺基-2-丙醇、2-胺基-2-甲基-1-丙醇、1-胺基-2-丁醇、2-胺基-1-丙醇、3-胺基-2-丁醇等。該等中，在對鐵之防鏽性此點上， 以1-胺基-2-丙醇及2-胺基-2-甲基-1-丙醇尤佳。在本加工油中，上述成分可使用1種亦可使用2種以上。
就二級胺之具體例來說，例如可列舉二乙醇胺、二(正丙醇)胺、二異丙醇胺、N-甲基單乙醇胺、N-乙基單乙醇胺、N-環單乙醇胺、N-正丙基單乙醇胺、N-異丙基單乙醇胺、N-正丁基單乙醇胺、N-異丁基單乙醇胺及N-三級丁基單乙醇胺等。在本加工油中，上述成分可使用1種亦可使用2種以上。
就三級胺之具體例來說，可列舉N-甲基二乙醇胺、N-乙基二乙醇胺、三乙醇胺、N-環己基二乙醇胺、N-正丙基二乙醇胺、N-異丙基二乙醇胺、N-正丁基二乙醇胺、N-異丁基二乙醇胺及N-三級丁基二乙醇胺等。上述成分可使用1種亦可使用2種以上。
上述(D)成分之摻混量宜以加工油(原液)總量基準計為20質量%以上且55質量%以下。(D)成分之摻混量若低於20質量%，在現場使用本加工油時水之稀釋率過高，此情況下恐有招致防鏽性降低之虞。另一方面，(D)成分之摻混量一旦超過55質量%，原液穩定性便會降低。
在此，為了提高防鏽性，宜將不含硫之羧酸與(D)成分併用以作為防鏽劑。此種羧酸，從消泡性觀點及硬水穩定性觀點來看，以下列為佳：碳原子數8至10之如羊油酸、壬酸、異壬酸、三甲基己酸、新癸酸及癸酸等單羧酸；或碳原子數9至12之如壬二酸、十一烷二酸、癸二酸及十二烷二酸等二羧酸。
尤其是上述的三甲基己酸在以水稀釋加工油(原液)時，減低液面形成固體成分的效果(硬水穩定性)極佳。
又，就構成羧酸主鏈之烷基來說，在耐腐敗性此點上，以具有分枝結構者為佳。若羧酸使用了二元酸，在以鹽作使用時具有優異的防鏽性，而從原液之穩定性(難以不溶化)的觀點來看，則宜將二元酸與一元酸混合使用。
又，可在不阻礙本發明目的之範圍內於本加工油中適當摻混各種公知的添加劑。例如，極壓劑、油性劑、殺菌劑(防腐劑)、金屬惰性化劑及消泡劑等。
就極壓劑來說，可列舉硫系極壓劑、磷系極壓劑、含硫及金屬之極壓劑、以及含磷及金屬之極壓劑。該等極壓劑可單獨使用一種或將二種以上組合使用。作為極壓劑，只要是分子中含有硫原子或磷原子且可發揮耐荷重性或耐摩耗性者即可。就分子中含硫之極壓劑來說，例如可列舉硫化油脂、硫化脂肪酸、硫化酯、硫化烯烴、二烴基多硫化物、噻二唑化合物、烷基硫胺甲醯基化合物、三化合物、硫萜化合物、硫二丙酸二烷基酯化合物等。於原液中摻混該等極壓劑時，從摻混效果的觀點來看，宜使該等極壓劑之摻混量以最終稀釋液(冷卻劑)基準計為0.05質量%以上且0.5質量%以下之程度。
就油性劑來說，可列舉脂肪族醇或脂肪酸金屬鹽等脂肪族化合物、多元醇酯、山梨糖醇酯及甘油酯等酯化合物。於原液中摻混該等油性劑時，從摻混效果的觀點來看，宜使該等油性劑之摻混量以冷卻劑基準計為0.2質量% 以上且2質量%以下之程度。
就殺菌劑來說，例如可列舉2-巰基吡啶-1-氧化物鹽。具體上可列舉2-巰基吡啶-1-氧化物鈉、雙(2-二巰基吡啶-1-氧化物)鋅及雙(1-羥基-1H-吡啶-2-硫代硫酸-O,S合)銅等。於原液中摻混該等殺菌劑時，從摻混效果的觀點來看，宜使該等殺菌劑之摻混量以冷卻劑基準計為0.01質量%以上且5質量%以下之程度。
就金屬惰性化劑來說，例如可列舉苯并***、苯并***衍生物、咪唑啉、嘧啶衍生物及噻二唑等。該等可單獨使用1種亦可將2種以上組合使用。於原液中摻混金屬惰性化劑時，從摻混效果的觀點來看，宜使金屬惰性化劑之摻混量以冷卻劑基準計為0.01質量%以上且3質量%以下之程度。
就消泡劑來說，可列舉甲基聚矽氧油、氟聚矽氧油、聚丙烯酸酯等。於原液中摻混該等消泡劑時，從摻混效果的觀點來看，宜使該等消泡劑之摻混量以冷卻劑基準計為0.004質量%以上且0.08質量%以下之程度。
本發明之水溶性金屬加工油如前述可因應其使用目的於水中適度稀釋使其成為適當濃度，以便適合使用於磨削加工或切削加工以及研磨、旋壓成形、拉製、軋延等各種金屬加工領域。而，就磨削加工來說，可列舉圓筒磨削加工、內面磨削加工、平面磨削加工、無心磨削加工、工具磨削加工、搪磨加工、超精加工及特殊曲面磨削加工(例如螺紋輪磨、齒輪磨削、凸輪磨削、輥輪磨削)等。
在本發明中，例如規定為「摻混有(A)成分及(B)成分之組成物」的組成物不僅是「含有(A)成分及(B)成分之組成物」，亦包含「將(A)成分及(B)成分中至少一成分改為含有該成分改質而成之改質物的組成物」及「含有(A)成分與(B)成分發生反應後之反應生成物的組成物」。
實施例
接下來，藉由實施例進一步詳細說明本發明，惟本發明不受該等例任何限定。
[實施例1、2、比較例1~6]
依照表1所示之摻混配方調製出水溶性金屬加工油(原液)後，以自來水將各原液稀釋成20倍(容量)而獲得各供試油。針對各供試油，進行塊對環(block-on-ring)試驗，評估潤滑性及耐摩耗性。試驗條件及評估項目(評估方法)如下。結果顯示於表1。
<塊對環試驗>
試驗機：塊對環試驗機(B.E.Marubishi Co.,Ltd.製)
荷重：100N
旋轉數：500rpm(53m/min)
時間：10min
環試件：SAE 4620STEEL
塊試件：S45C
<評估項目(評估方法)>
‧潤滑性
從摩擦力(N)並按照下述基準加以評估。
A：13.5N以下
B：超過13.5N
‧耐摩耗性
從摩耗痕寬度(μm)並按照下述基準加以評估。
A：1100μm以下
B：超過1100μm
[表1]
1)松油脂肪酸(C18)
2)HO(EO)8.5-(PO)30.2-(EO)8.5H：三洋化成製
3)HO(EO)13.2-(PO)30-(EO)13.2H：三洋化成製
4)CH3O(PO)a((EO)b/(PO)c)(PO)dH：三洋化成製Blember LUB82
5)新戊四醇聚氧乙烯醚：日本乳化劑製PNT-60U
6)乙炔二醇系界面活性劑：將Air Products and Chemicals,Inc.製Dynol 604、Surfynol 420及Surfynol 465混合使用
7)其他成分：(聚乙亞胺(分子量1000)之30質量%水溶液：0.3質量%、苯并***：1.0質量%、苯并異噻唑啉之35質量%水溶液：0.2質量%、吡啶硫酮鈉：0.2質量%、聚矽氧系消泡劑：0.4質量%)
[評估結果]
將實施例1及實施例2之原液稀釋而成的冷卻劑係摻混有本發明(A)成分與(B)成分且不含PAG，因此皆具有優異的潤滑性及耐摩耗性。
相對於此，將比較例1~6之原液稀釋而成的冷卻劑因欠缺上述(A)成分及(B)成分中之任一者或含有PAG，所以無法兼顧潤滑性及耐摩耗性。

Claims (10)

  1. 一種水溶性金屬加工油，特徵在於其係摻混有(A)含有硫化物結構之二羧酸及(B)單羧酸，且不含聚烷二醇。
  2. 如請求項1之水溶性金屬加工油，其中前述(A)成分為下述式(1)之化合物：HOOC-R1-Sn-R2-COOH…(1)(R1及R2分別獨立為碳數1以上且5以下之烴基，n為1以上且8以下之整數)。
  3. 如請求項1之水溶性金屬加工油，其中前述(A)成分之摻混量以該加工油總量基準計為0.1質量%以上且14質量%以下。
  4. 如請求項1之水溶性金屬加工油，其中前述(B)成分為下述式(2)之化合物：R3-COOH…(2)(R3為碳數11以上之烴基)。
  5. 如請求項1之水溶性金屬加工油，其中前述(B)成分之摻混量以該加工油總量基準計為1質量%以上且20質量%以下。
  6. 如請求項1之水溶性金屬加工油，其更摻混有(C)乙炔二醇系界面活性劑。
  7. 如請求項6之水溶性金屬加工油，其中前述(C)成分之摻混量以該加工油總量基準計為1質量%以上且15質量%以下。
  8. 如請求項1之水溶性金屬加工油，該水溶性金屬加工油係摻混有15質量%以上且75質量%以下之水的原液。
  9. 一種金屬加工用冷卻劑，特徵在於其係將如請求項1至請求項8中任一項之水溶性金屬加工油以水稀釋為2倍以上且200倍以下(容量)而成。
  10. 如請求項9之金屬加工用冷卻劑，該金屬加工用冷卻劑為磨削用。
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