(57)【要約】【課題】冷却性能および耐冷却むら性能に優れる水系熱処理液用冷却剤および当該冷却剤を用いた水系熱処理液、さらに当該水系熱処理液を用いた熱処理方法を提供する。【解決手段】本発明の水系熱処理液用冷却剤は、ポリアクリルアミドを成分とする。本発明の水系熱処理液は、当該冷却剤を用いたことを特徴とする。本発明の水系熱処理液は、冷却性能および耐冷却むら性能に優れるので、浸漬焼入れ、高周波焼入れ、インテンシブクエンチ、および溶体化処理時の冷却などに好適に用いられる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリアクリルアミドを特徴とする水系熱処理液用冷却剤
【請求項２】
請求項１に記載の水系熱処理液用冷却剤において、
前記ポリアクリルアミドが下記式（１）の構造単位を有するポリマーである
ことを特徴とする水系熱処理液用冷却剤。
【化１】
2015166481.tif 000005
（Ｒ１、Ｒ２は、同一でも、異なっていてもよく、水素原子、置換された置換シリル基、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシル基、アミド基、ホルミル基、アセチル基、置換もしくは無置換の炭素数１以上１０以下のアルキル基、置換もしくは無置換の環形成炭素数３以上１６以下のシクロアルキル基、置換もしくは無置換の環形成炭素数６以上１２以下のアリール基、置換もしくは無置換の炭素数１以上１０以下のアルコキシル基、置換もしくは無置換の環形成炭素数３以上１６以下のシクロアルコキシル基、置換もしくは無置換の環形成原子数５以上１５以下のヘテロアリール基、置換もしくは無置換のアルキルアミノ基、および置換もしくは無置換のアリールアミノ基のいずれかである。）
【請求項３】
請求項２に記載の水系熱処理液用冷却剤において、
前記式（１）におけるＲ１およびＲ２の少なくともいずれか一方が水素である
ことを特徴とする水系熱処理液用冷却剤。
【請求項４】
請求項３に記載の水系熱処理液用冷却剤において、
前記式（１）におけるＲ１およびＲ２がともに水素である
ことを特徴とする水系熱処理液用冷却剤。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の水系熱処理液用冷却剤において、
前記ポリアクリルアミドは、
水温２０℃の水に対して５質量％以上溶解するものである
ことを特徴とする水系熱処理液用冷却剤。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の水系熱処理液用冷却剤において、
前記ポリアクリルアミドは、
空気下の熱質量測定（ＴＧ）において２５℃から１０℃／ｍｉｎで昇温加熱し、５００℃に達したときの質量残存率が２５質量％以上である
ことを特徴とする水系熱処理液用冷却剤。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の水系熱処理液用冷却剤において、
前記ポリアクリルアミドの質量平均分子量（Ｍｗ）が１×１０３以上５×１０５以下である
ことを特徴とする水系熱処理液用冷却剤。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の水系熱処理液用冷却剤を用いた
ことを特徴とする水系熱処理液。
【請求項９】
請求項８に記載の水系熱処理液において、
浸漬焼入れ、高周波焼入れ、インテンシブクエンチ、および溶体化処理時の冷却のいずれかに用いられる
ことを特徴とする水系熱処理液。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の水系熱処理液を用いて熱処理を行う
ことを特徴とする熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水系熱処理液用冷却剤、水系熱処理液および熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部品の焼入れに使用される熱処理液は、油系および水系（水溶液系）に大別され、油系が広く用いられている。油系熱処理液は適度な冷却性能があり、焼入れ歪が小さく、焼割れ発生のおそれがないからである。
一方、特に大きな金属部品や、焼入れ性の悪い金属部品の場合、油系熱処理液では冷却速度が遅く冷却性能が不足するので水系熱処理液が用いられる。しかし、水系熱処理液は、油系熱処理液よりも冷却性能が高いので冷却むらが生じやすく焼割れ発生のおそれがある。
そこで、焼割れを防止するため、水溶性ポリマーを水系熱処理液に添加することが行われている。水溶性ポリマーは、金属部品の表面に付着して熱伝達を阻害し、冷却性能を抑制する。水溶性ポリマーを添加した水系熱処理液は工業的に普及しており、水溶性ポリマーとしてはポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）が主流である。ただし、このような水系熱処理液は、蒸気膜段階が長く、それ故に冷却むらが起き易いという欠点がある。そこで、高分子量のポリアルキレングリコールに低分子量のグリコールを添加することで、蒸気膜段階を短くし、耐冷却むら性能を向上させた水系熱処理液が提案されている（特許文献１参照）。その他、水系熱処理液用の水溶性ポリマーとしては、ポリビニルピロリドン、ポリ（２−エチル）オキサゾリンや、それらとの共重合体、ハイパーブランチポリマーも知られている（特許文献２〜５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４４６００７６号公報
【特許文献２】米国特許第４５２８０４４号明細書
【特許文献３】米国特許公開公報第２００９／００９５３８４号明細書
【特許文献４】米国特許公開公報第２０１２／０１１８４４６号明細書
【特許文献５】特開２０１１−１６８８６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の水系熱処理液でも冷却性能と耐冷却むら性能の両立に関して十分ではない。さらに、低分子量成分が含まれているため高温の熱処理物により分解・揮発が生じ、徐々に性能が低下する。また、特許文献２〜５の各種水系熱処理液によっても、冷却性能と耐冷却むら性能を両立させることは困難である。例えば、特許文献５のハイパーブランチポリマーは、従来の水溶性ポリマー材料の中でも蒸気膜段階が非常に短いという利点がある。しかしその一方、マルテンサイト変態領域（１５０℃から１００℃まで）における冷却速度が無機塩並みに速く、冷却むらが生じやすいため焼割れのおそれがある。
【０００５】
本発明は、冷却性能および耐冷却むら性能に優れる水系熱処理液用冷却剤および当該冷却剤を用いた水系熱処理液、さらに当該水系熱処理液を用いた熱処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決すべく、本発明は、以下に示すような水系熱処理液用冷却剤、水系熱処理液および熱処理方法を提供するものである。
（１）ポリアクリルアミドを特徴とする水系熱処理液用冷却剤。
（２）上述の（１）に記載の水系熱処理液用冷却剤において、前記ポリアクリルアミドが下記式（１）の構造単位を有するポリマーであることを特徴とする水系熱処理液用冷却剤。
【０００７】
【化１】
2015166481.tif 000002
（Ｒ１、Ｒ２は、同一でも、異なっていてもよく、水素原子、置換された置換シリル基、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシル基、アミド基、ホルミル基、アセチル基、置換もしくは無置換の炭素数１以上１０以下のアルキル基、置換もしくは無置換の環形成炭素数３以上１６以下のシクロアルキル基、置換もしくは無置換の環形成炭素数６以上１２以下のアリール基、置換もしくは無置換の炭素数１以上１０以下のアルコキシル基、置換もしくは無置換の環形成炭素数３以上１６以下のシクロアルコキシル基、置換もしくは無置換の環形成原子数５以上１５以下のヘテロアリール基、置換もしくは無置換のアルキルアミノ基、および置換もしくは無置換のアリールアミノ基のいずれかである。）
（３）上述の（２）に記載の水系熱処理液用冷却剤において、前記式（１）におけるＲ１およびＲ２の少なくともいずれか一方が水素であることを特徴とする水系熱処理液用冷却剤。
（４）上述の（３）に記載の水系熱処理液用冷却剤において、前記式（１）におけるＲ１およびＲ２がともに水素であることを特徴とする水系熱処理液用冷却剤。
（５）上述の（１）から（４）までのいずれか１つに記載の水系熱処理液用冷却剤において、前記ポリアクリルアミドは、水温２０℃以上の水に対して５質量％以上溶解するものであることを特徴とする水系熱処理液用冷却剤。
（６）上述の（１）から（５）までのいずれか１つに記載の水系熱処理液用冷却剤において、前記ポリアクリルアミドは、空気下の熱質量測定（ＴＧ）において２５℃から１０℃／ｍｉｎで昇温加熱し、５００℃に達したときの質量残存率が２５質量％以上であることを特徴とする水系熱処理液用冷却剤。
（７）上述の（１）から（６）までのいずれか１つに記載の水系熱処理液用冷却剤において、前記ポリアクリルアミドの質量平均分子量（Ｍｗ）が１×１０３以上５×１０５以下であることを特徴とする水系熱処理液用冷却剤。
（８）上述の（１）から（７）までのいずれか１つに記載の水系熱処理液用冷却剤を用いたことを特徴とする水系熱処理液。
（９）上述の（８）に記載の水系熱処理液において、浸漬焼入れ、高周波焼入れ、インテンシブクエンチ、および溶体化処理時の冷却のいずれかに用いられることを特徴とする水系熱処理液。
（１０）上述の（８）または（９）に記載の水系熱処理液を用いて熱処理を行うことを特徴とする熱処理方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、冷却性能および耐冷却むら性能に優れる水系熱処理液用冷却剤および当該冷却剤を用いた水系熱処理液を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の水系熱処理液用冷却剤（以下、「本冷却剤」と略記する場合がある。）は、ポリアクリルアミドを主成分とすることを特徴とする。また、本発明の水系熱処理液は、本冷却剤を用いたことを特徴とする。以下、詳細に説明する。
【００１０】
本冷却剤はポリアクリルアミドであるが、このポリアクリルアミドとしては、例えば、下記式（１）の構造単位を含んでなるポリマーであることが冷却性能および耐冷却むら性能を向上させる観点より好ましい。
【００１１】
【化２】
2015166481.tif 000003
【００１２】
ここで、上記式（１）におけるＲ１、Ｒ２は、同一でも、異なっていてもよく、水素原子、置換された置換シリル基、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシル基、アミド基、ホルミル基、アセチル基、置換もしくは無置換の炭素数１以上１０以下のアルキル基、置換もしくは無置換の環形成炭素数３以上１６以下のシクロアルキル基、置換もしくは無置換の環形成炭素数６以上１２以下のアリール基、置換もしくは無置換の炭素数１以上１０以下のアルコキシル基、置換もしくは無置換の環形成炭素数３以上１６以下のシクロアルコキシル基、置換もしくは無置換の環形成原子数５以上１５以下のヘテロアリール基、置換もしくは無置換のアルキルアミノ基、および置換もしくは無置換のアリールアミノ基のいずれでもよい。
Ｒ１、Ｒ２としては、冷却性能および耐冷却むら性能を向上させる観点より、水素原子、メチル基、アミノ基、アミド基、ホルミル基、およびアセチル基のいずれかであることが好ましく、特に水素原子あるいはアミド基が好ましい。
【００１３】
本発明におけるポリアクリルアミドは、上記式（１）の構成単位のみからなるホモポリマーでもよく、上記式（１）の構成単位以外の構成単位を含んだコポリマーであってもよい。冷却速度向上の観点からは、式（１）の構成単位の割合は、全構成単位のうち１０モル％以上であることが好ましく、３０モル％以上であることがより好ましく、５０モル％以上であることがさらに好ましい。
【００１４】
また、上記式（１）におけるＲ１およびＲ２の少なくともいずれか一方は水素であることが冷却性能および耐冷却むら性能を向上させる観点より好ましく、Ｒ１およびＲ２がともに水素であることがより好ましい。
本冷却剤に用いられるポリアクリルアミドは、水系熱処理液用の冷却剤として使用するものであり、水温２０℃の水に対して５質量％以上溶解するものであることが好ましい。
また、本冷却剤に用いられるポリアクリルアミドは、耐熱性の観点より、空気下の熱質量測定（ＴＧ）において２５℃から１０℃／ｍｉｎで昇温加熱し、５００℃に達したときの質量残存率が２５質量％以上であることが好ましく、４０質量％以上であることがより好ましい。
【００１５】
さらに、本冷却剤に用いられるポリアクリルアミドの質量平均分子量（Ｍｗ）は、１×１０３以上５×１０５以下であることが好ましく、１×１０４以上５×１０４以下であることがより好ましい。ポリアクリルアミドの質量平均分子量が１×１０３以上であると、冷却性能および耐冷却むら性能がより向上する。また、ポリアクリルアミドの質量平均分子量が５×１０５以下であると、本冷却剤の性能の経時変化が少なくなる。
【００１６】
本発明の水系熱処理液には、本冷却剤と併せて、水溶性防錆剤を配合することが好ましい。水溶性防錆剤の配合量は、防錆性能の向上および経済性のバランスなどの面から、組成物全量基準で好ましくは０．０１質量％以上、５質量％以下、より好ましくは０．０３質量％以上、１質量％以下である。
水溶性防錆剤としては、例えば、オクタン酸塩等の脂肪族モノカルボン酸塩や、オクタン二酸（スベリン酸）塩、デカン二酸（セバシン酸）塩等の脂肪族ジカルボン酸塩が挙げられ、例えばセバシン酸カリウム等が好適に用いられる。また、水溶性防錆剤としては、芳香族カルボン酸塩でもよく、モノヒドロキシモノエチルピペラジン等のピペラジン誘導体等も好適に用いることができる。
本発明の水系熱処理液には、熱処理液に汎用される添加剤、例えば酸化防止剤、および清浄分散剤などがさらに配合されていてもよい。
【００１７】
本発明の水系熱処理液は、本冷却剤を用いたものであり、特に、浸漬焼入れ、高周波焼入れ、インテンシブクエンチ、およびアルミ等の溶体化処理時などの冷却において優れた効果を発揮する。これらの熱処理を行うには特殊な方法は不要であり、常法をそのまま適用すればよい。
また、本発明の水系熱処理液は、本冷却剤を水に直接溶解して調製してもよいが、保存や運搬等の便宜の観点よりいわゆる原液を前もって調製してもよい。この場合、熱処理を行う場合には、原液を水で希釈して調製した熱処理用希釈液が用いられる。希釈割合は原液の濃度によって異なるが、原液を５質量％以上４０質量％以下、および水６０質量％以上９５質量％以下とすることが好ましい。
なお、本発明の水系熱処理液を用いて、鋼材等の金属部品を熱処理するには、熱処理液の温度を、通常の熱処理の温度（４０℃〜５０℃程度）に設定すればよい。
【実施例】
【００１８】
次に実施例、比較例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの例によって何ら制限されるものではない。
【００１９】
［実施例１〜４および比較例１〜３］
各種の化合物（市販品）を水に所定量配合して水系熱処理液を調製し、試料液とした。配合組成を表１に示す。なお、各化合物について空気下で熱質量測定（ＴＧ）を行い、２５℃から１０℃／ｍｉｎで昇温加熱し、５００℃に達したときの質量残存率（％）を求めた。併せて表１に示す。
【００２０】
【表１】
2015166481.tif 000004
【００２１】
１）ポリアクリルアミド          ：Ａｌｄｒｉｃｈ社製Polyacrylamide solution（Ｍｗ：１０,０００、５０質量％水溶液、添加量は固形分基準）
２）ポリエチレングリコール      ：和光純薬工業社製Polyethylene Glycol 20,000（Ｍｗ：２０,０００）
３）ポリビニルピロリドン        ：Ａｌｄｒｉｃｈ社製Polyvinylpyrrolidone（Ｍｗ：１０,０００）
４）ポリ（２−エチル−２−オキサゾリン）：Ａｌｄｒｉｃｈ社製Poly(2-ethyl-2-oxazoline)（Ｍｗ：５０,０００）
【００２２】
［評価方法］
各試料液に対し、以下の方法で冷却性能、および耐冷却むら性能を評価した。結果を表１に示す。
＜性能試験＞
ＪＩＳ  Ｋ  ２２４２の冷却性能測定方法に準拠して評価した。具体的には、液温４０℃または５０℃の試料液に対し、８００℃に加熱した被熱処理物（鋳物）を浸漬し、攪拌しない状態で８００℃から１５０℃まで冷却される時間（秒）を測定し、その冷却時間により冷却性能および耐冷却むら性能を評価した。
【００２３】
［評価結果］
表１に示すように、ポリアクリルアミドを添加した実施例１〜４の試料液では、特性秒数がいずれも１秒以下であり、比較例１〜３の試料液を用いた場合よりも冷却性能が極めて高いことがわかる。また、実施例１〜４の試料液では、３５０℃から１５０℃までの領域（マルテンサイト変態領域）における冷却速度はいずれも４５０℃／s以下であり、ゆっくりとした冷却となっている。それ故、本発明の水系熱処理液では、冷却性能および耐冷却むら性能を同時に満足できることが理解される。