(57)【要約】【課題】金属材の機械加工で発生する熱や切屑の除去等を充分に施すことができ、且つ機械加工で得られた加工品の洗浄が容易である機械加工用クーラントを提供する。【解決手段】金属材の機械加工で発生する熱や切屑を除去するために用いられる機械加工用クーラントにおいて、該クーラントが、実質的に水を電気分解して得られた、水素や酸素を発生することなく安定に存在し得る電位状態の還元水から成り、且つ前記金属材を水に浸漬した際に、前記金属材を形成する金属と水に溶出する金属イオンとの平衡電位と水のｐＨ値との関係を示す電位−ｐＨ図において、前記還元水のｐＨが、前記金属材の金属が実質的に溶出することなく安定して存在し得る安定領域又は前記金属材の表面に難溶性皮膜を形成する不動態領域に位置することを特徴とする。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材の機械加工で発生する熱や切屑を除去するために用いられる機械加工用クーラントにおいて、
該クーラントが、実質的に水を電気分解して得られた、水素や酸素を発生することなく安定に存在し得る電位状態の還元水から成り、
且つ前記金属材を水に浸漬した際に、前記金属材を形成する金属と水に溶出する金属イオンとの平衡状態における電位と水のｐＨ値との関係を示す電位−ｐＨ図において、前記還元水のｐＨが、前記金属材の金属が実質的に溶出することなく安定して存在し得る安定領域又は前記金属材の表面に難溶性皮膜を形成する不動態領域に位置することを特徴とする機械加工用クーラント。
【請求項２】
金属材が、鉄系金属材又は銅系金属材である請求項１記載の機械加工用クーラント。
【請求項３】
機械加工が、切削加工又は研削加工である請求項１又は請求項２記載の機械加工用クーラント。
【請求項４】
クーラントが、実質的に水を電気分解して得られた還元水から成り、且つ前記還元水中に、水に溶解しない油を主成分とする不水溶性油剤が乳化剤を用いることなく乳化されて含有されている請求項１〜３のいずれか一項記載の機械加工用クーラント。
【請求項５】
不水溶性油剤が、切削油又は研削油である請求項４記載の機械加工用クーラント。
【請求項６】
金属材の機械加工の際に、請求項１記載の機械加工用クーラントを用いることを特徴とする金属材の機械加工方法。
【請求項７】
金属材として、鉄系金属材又は銅系金属材を用いる請求項６記載の金属材の機械加工方法。
【請求項８】
機械加工として、切削加工又は研削加工を施す請求項６又は請求項７記載の金属材の機械加工方法。
【請求項９】
クーラントとして、実質的に水を電気分解して得られた還元水から成り、且つ前記還元水中に、水に溶解しない油を主成分とする不水溶性油剤が乳化剤を用いることなく乳化されて含有されているクーラントを用いる請求項６〜８のいずれか一項記載の金属材の機械加工方法。
【請求項１０】
不水溶性油剤として、切削油又は研削油を用いる請求項９記載の金属材の機械加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は機械加工用クーラント及び金属材の機械加工方法に関し、更に詳細には金属材の機械加工で発生する熱や切屑の除去のために用いられる機械加工用クーラント及びこのクーラントを用いた金属材の機械加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材の切削加工や研削加工等の機械加工では、一般的に、発生する熱や切屑の除去等のために、切削油や研削油等の加工油を用いている。かかる加工油は、熱や切屑の除去の他に、刃や砥石等の工具と被加工面との摩擦を低減することができる。
かかる加工油としては、水に溶解しない油を主成分とする不溶性加工油と、油分が水に溶解又はエマルジョン化するように界面活性剤が配合された水溶性加工油とが存在する。
この水溶性加工油は、水で希釈して機械加工の加工油として用いられるが、腐敗等の発生等を防止すべく、下記の特許文献１では、水溶性加工油を希釈する水として、水を電気分解して得た還元水を用いることが提案されている。
【特許文献１】特開２００２−１６７５９４号公報                （請求項１、〔０００２〕、〔００２８〕〜〔００３１〕）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この様に、水溶性加工油を、水を電気分解して得た還元水を用いて希釈して得た加工油は、機械加工に長時間用いることができる。
しかし、かかる加工油は、通常、主として水溶性加工油から成るため、この加工油を用いて機械加工を施した加工品は、その表面に付着した加工油を洗浄する必要がある。
しかしながら、加工品を洗浄する際に、環境問題の観点からフロンを用いたフロン洗浄は実施できなくなり、洗浄工程が煩雑化してきた。更に、かかる加工油の廃棄処分にも、特別の注意を払うことが必要である。
そこで、本発明の課題は、金属材の切削加工や研削加工等の機械加工で発生する熱や切屑の除去等を充分に施すことができ、且つ機械加工で得られた加工品の洗浄が容易である機械加工用クーラント及び金属材の機械加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者等は、前記課題を解決すべく検討を重ねた結果、水を電気分解して得た還元水に鉄材や銅材を浸漬しても、鉄材や銅材に腐食が発生しないこと、かかる還元水のみを機械加工用クーラントに用いても、機械加工の際に、発生する熱や切屑を充分に除去できること、及び得られた加工品の洗浄を極めて簡単な洗浄で充分であることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、金属材の機械加工で発生する熱や切屑を除去するために用いられる機械加工用クーラントにおいて、該クーラントが、実質的に水を電気分解して得られた、水素や酸素を発生することなく安定に存在し得る電位状態の還元水から成り、且つ前記金属材を水に浸漬した際に、前記金属材を形成する金属と水に溶出する金属イオンとの平衡状態における電位と水のｐＨ値との関係を示す電位−ｐＨ図において、前記還元水のｐＨが、前記金属材の金属が実質的に溶出することなく安定して存在し得る安定領域又は前記金属材の表面に難溶性皮膜を形成する不動態領域に位置することを特徴とする機械加工用クーラントにある。
また、本発明は、金属材の機械加工の際に、前述した機械加工用クーラントを用いることを特徴とする金属材の機械加工方法でもある。
【０００５】
かかる本発明において、機械加工に用いる金属材として、鉄系金属材又は銅系金属材を好適に用いることができ、機械加工としては、切削加工又は研削加工を好適に採用できる。
また、クーラントとして、実質的に水を電気分解して得られた還元水から成り、且つ前記還元水中に、水に溶解しない油を主成分とする不水溶性油剤が乳化剤を用いることなく乳化されて含有されているクーラントを用いることによって、機械加工用クーラントの潤滑性を向上できる。
この不水溶性油剤としては、切削油又は研削油として用いられているものを好適に用いることができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る機械加工用クーラントは、実質的に水を電気分解して得られた、水素や酸素を発生することなく安定に存在し得る電位状態の還元水から成る。
更に、この還元水は、機械加工を施す金属材を水に浸漬した際に、この金属材を形成する金属と水に溶出する金属イオンとの平衡状態における電位と水のｐＨ値との関係を示す電位−ｐＨ図において、還元水のｐＨが、金属材の金属が実質的に溶出することなく安定して存在し得る安定領域又は金属材の表面に難溶性皮膜を形成する不動態領域に位置する。
このため、本発明に係る機械加工用クーラントを用いて金属材に切削加工等の機械加工を施しても、得られた加工品に腐食が発生し難いものである。
この様に、実質的に還元水から成る機械加工用クーラントの廃棄処理は、従来の主として水溶性加工油又は不溶性加工油から成る機械加工用クーラントの廃棄処理に比較して格段に容易であって、機械加工の際に、従来の機械加工用クーラントよりも大量に用いることができ、切屑等を充分に排除できる。
更に、本発明に係る機械加工用クーラントは、熱容量の大きな水から成り且つ大量に用いることができるため、機械加工の際に、発生する熱を充分に除去でき、工具等の寿命を延長できる。
しかも、本発明に係るクーラントを用いて機械加工を施して得られた加工品の洗浄は、省略或いは極めて簡単なものとすることができ、洗浄工程の省略乃至簡略化を図ることができる。
また、水を電気分解して得た還元水は、界面活性剤を用いることなく不溶性加工油を乳化できる。このため、実質的に還元水から成る機械加工用クーラント中に不溶性加工油を乳化状態として含有することができる。この様に、不溶性加工油を含有する実質的に還元水から成る機械加工用クーラントを用いた機械加工によれば、刃や砥石等の工具と金属材の被加工面との摩擦を低減でき、金属材の被加工面の残留応力を低下できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明においては、機械加工用クーラントとして、実質的に水を電気分解して得られた還元水から成る機械加工用クーラントを用いる。
この水の電気分解では、電解質が添加された水を電気分解する。この際に、電解質としては、従来から水の電気分解に使用されてきた電解質を用いることができ、塩化物塩、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、アンモニウム塩、亜硫酸塩を用いることができる。特に、NaCl、KCl、K2CO3、NaNO3、NH4Cl、Na2SO3を好適に用いることができる。
また、電気分解に用いる水としては、水道水をイオン交換膜等を通過して、水道水中に含まれている塩素イオンや金属イオン等を除去した水であってもよいが、純水を好適に用いることができる。
かかる水の電気分解を施す電解装置としては、図１に示す電解装置を用いることができる。図１に示す電解装置では、電解槽１０が隔膜１２によって、一端部が直流電源１８に接続された白金等で形成された陽極１４ａの他端部が挿入された陽極室１４と、一端部が直流電源１８に接続された白金等で形成された陰極１６ａの他端部が挿入された陰極室１６とに区画されている。
この隔膜１２は、電気分解の際に、陽極室１４及び陰極室１６で生成したイオンが透過できるものの、水が透過できない隔膜或いはイオン交換膜を用いることができる。
【０００８】
図１に示す電解装置の電解槽１０に電解質を添加した水を注水し、直流電源１８から陽極１４ａ及び陰極１６ａに直流電流を流して電解槽１０内の水に電気分解を施す。
この電気分解の際に、電解質としてNaClを用いた場合には、陽極１４ａでは、H2O→1/2Ｏ2+２Ｈ+、２Cl-→Cl2+２ｅ、Cl2(aq)+H2O⇔HCl+HClOの反応が進行し、陽極室１４内の水は酸性を呈する酸性水となる。一方、陰極１６ａでは、２Ｈ2Ｏ+４ｅ→Ｈ2+２ＯＨ-の反応が進行し、陰極室１６内の水はアルカリ性を呈する還元水となる。
かかる電気分解によって得られた電解水のうち、陰極室１６からアルカリ性の還元水を採取する。
採取した還元水のうち、機械加工用クーラントとして用いることのできる還元水は、水素や酸素を発生することなく安定に存在し得る電位状態の還元水である。このため、機械加工の際に、還元水に熱が加えられても安定状態を保持できる。
更に、かかる還元水のｐＨ値は、機械加工を施す金属材を水に浸漬した際に、この金属材を形成する金属と水に溶出する金属イオンとの平衡電位と水のｐＨ値との関係を示す電位−ｐＨ図、いわゆる腐食図において、還元水のｐＨが、金属材の金属が実質的に溶出することなく安定して存在し得る安定領域又は金属材の表面に難溶性皮膜を形成する不動態領域に位置する。
【０００９】
かかる電位−ｐＨ図について、図２（ａ）に鉄材の電位−ｐＨ図を示す。図２（ａ）に示す電位−ｐＨ図では、縦軸に電位Ｅ（Ｖ）と横軸に水のｐＨとを示す。
図２（ａ）において、直線Ａと直線Ｂとの間は、水素や酸素を放出することなく水が安定に存在し得る電位状態にある領域である。この直線Ａよりも電位Ｅの高い領域では、水から酸素が発生する領域であり、直線Ｂよりも電位Ｅが低い領域では、水から水素が発生する領域である。
また、図２（ａ）の直線Ｃは、鉄と鉄イオンとの平衡状態における電位と水のｐＨ値との関係を示す直線であり、直線Ｄは、鉄と難溶性生成物であるFe3O4との平衡状態における電位と水のｐＨ値との関係を示す直線である。
更に、直線Ｅは、鉄イオンとFe3O4との平衡状態における電位と水のｐＨとの関係を示す直線である。
かかる図２（ａ）において、斜線領域は、鉄材の表面に難溶性皮膜としてのFe3O4を形成する不動態領域Ｘであり、白色領域は、鉄材が安定して存在し得る安定領域Ｙである。これに対し、図２（ａ）のドット領域は、鉄材が金属イオンとして流出して腐食が発生する腐食領域Ｚである。
従って、鉄材の機械加工において、機械加工用クーラントとして用いることのできる還元水は、斜線で示す不動態領域Ｘの部分であって、直線Ａと直線Ｂとの間に挟まれる部分に属する還元水である。
また、図２（ｂ）には、銅材の電位−ｐＨ図を示す。図２（ｂ）から明らかなように、銅材の機械加工において、機械加工用クーラントとして用いることのできる還元水は、斜線で示す不動態領域Ｘの部分と白色で示す銅材が安定して存在し得る安定領域Ｙとの部分であって、直線Ａと直線Ｂとの間に挟まれる部分に属する還元水である。
かかる機械加工用クーラントとして用いることのできる還元水は、還元水のみでクーラントとして用いることができる。
【００１０】
この様に、還元水のみから成る機械加工用クーラントを用いて金属材に切削加工等を施しても、得られた加工品に腐食が発生し難い。
かかるクーラントの廃棄処理は、従来の主として水溶性加工油又は不溶性加工油から成るクーラントの廃棄処理に比較して格段に容易であるため、機械加工の際に、従来の機械加工用クーラントよりも大量に用いることができ、切屑等を充分に排除できると共に、熱容量の大きな水から成り且つ大量に用いることができるため、機械加工の際に、発生する熱を充分に除去でき、工具等の寿命を延長できる。
しかも、本発明に係るクーラントを用いて機械加工を施して得られた加工品の洗浄は、省略でき、洗浄工程の省略を図ることができる。
【００１１】
但し、還元水のみから成る機械加工用クーラントを用いた機械加工では、金属材と刃等の工具との摩擦が増加し、金属材の被加工面に残留する残留応力や粗さが増加する傾向がある。
このため、機械加工用クーラントを実質的に形成する還元水に、少量の水に溶解しない油を主成分とする不水溶性油剤を含有させることによって、金属材と刃等の工具との摩擦を減少でき、金属材の被加工面に残留する残留応力や粗さ程度を低下できる。
かかる不水溶性油剤は、還元水によって乳化剤を用いることなく乳化でき、実質的に機械加工用クーラントを形成する還元水中に乳化状態で含有されている。この不水溶性油剤の添加量は、２重量％以下とすることが好ましい。
この様に、機械加工用クーラントを実質的に形成する還元水に、少量の不水溶性油剤を含有させたクーラントでも、不水溶性油剤が少量であるため、機械加工を施して得られた加工品の洗浄は、従来よりも著しく簡略可能であって、洗浄工程の簡略化を図ることができる。
【実施例１】
【００１２】
（１）研削装置
実験に用いた研削装置の概要を図３に示す。図３に示す研削装置では、中心軸に沿って貫通孔２２ａが形成された鋼材から成る丸棒２０を、その端面の一方が露出するように把持する把持部２２と、把持部２２によって把持された試料としての丸棒２０の端面の一方を研削するように、モータ（図示せず）によって回転される砥石２４と、把持部２２によって把持された丸棒２０の他方の端面側に設けられ、丸棒２０の貫通孔２２ａにクーラントをガイドするガイド部材２６と、ガイド部材２６に貯留槽２８に貯留されているクーラント３０を供給するポンプ３２とから構成される。かかる研磨装置において、砥石２４は、その回転軸が、丸棒２０の中心軸と所定距離ずれるように設けられている。
かかる図３に示す研削装置では、ポンプ３２から送られた貯留槽２８のクーラント３０は、丸棒２２に形成された貫通孔２２ａを通過して丸棒２０の研削面に供給される。
（２）クーラントの調整
（ｉ）還元水の作製
純水に０．０５wt％のNaClを添加して得た原水を図１に示す電解装置によって電気分解し、陰極室１６からアルカリ性を呈する還元水１を採取した。この際の電解条件は、電圧１００Ｖ、電流０．６Ａ、電解時間１０分であった。
得られた還元水１の特性を下記表１に示す。
また、電解時間を１５分とした他は、還元水１を得た電解条件と同一条件で還元水２を採取した。得られた還元水２の特性を下記表１に併せて示す。
【表１】
2005255770.tif 000002
得られた還元水１及び還元水２は、水素や酸素を放出することなく安定しおり、且つ各々のｐＨ値は、図２（ａ）に示す鉄系の電位―ｐＨ図において、鉄材の表面に難溶性皮膜としてのFe3O4を形成する不動態領域Ｘに位置している。
（ii）クーラントの調整
クーラント１：還元水１のみをクーラントとした。
クーラント２：還元水２を攪拌しつつ、不溶性切削油［切削油剤ユシロカットＵＢ７５（ユシロ化学工業(株)製）］を添加してクーラントとした。この不溶性切削油の添加量は、
還元水２に対して２wt％である。添加した不溶性切削油は乳化され、クーラント全体が乳白色を呈している。
クーラント３：不溶性切削油［切削油剤ユシロカットＵＢ７５（ユシロ化学工業(株)製）］のみをクーラントとした。
（３）研削
図３に示す研削装置を用い、貯留槽２８に貯留したクーラント１〜３の各々を鋼材である丸棒２０の端面に供給しつつ研削を施し、研削量を５，１０，１５，２０，２５μｍとした。
所定の研削量に到達して研削を終了した丸棒２０については、その研削面をアセトンで洗浄し、更に純水でリンスをし、その後自然乾燥した。
【００１３】
（４）測定及び結果
（ｉ）研削面の外観
いずれの水準においても、丸棒２０の研削面の外観は、遜色ないの外観であった。
（ii）研削面の表面分析
研削量が２５μｍの丸棒２０については、研削面のオージェスペクトル分析及びオージェデプスプロファイル分析を行なった。オージェスペクトル分析の結果については図４に示し、オージェデプスプロファイル分析の結果を及び図５に示す。
図４及び図５において、図４（ａ）及び図５（ａ）はクーラント３を用いて研削を施した水準、図４（ｂ）及び図５（ｂ）はクーラント１を用いて研削を施した水準、及び図４（ｃ）及び図５（ｃ）はクーラント２を用いて研削を施した水準についてのものである。
図４において、図４（ｂ）（ｃ）に示す酸素強度は、図４（ａ）に示す酸素強度よりも大きい。
また、横軸にスパッタ時間を示し、縦軸に元素強度を示す図５において、図５（ｂ）（ｃ）に示す深さ方向の酸素は、図５（ａ）に示す深さ方向の酸素よりも深いところまで分布している。
このことは、研削中に、クーラント中の溶存酸素と鉄とが反応して酸化物膜を形成していることが判る。
しかも、クーラント１〜３のいずれの水準でも、研削面が変色がなく且つ緻密であることから、クーラント１及びクーラント２では、研削面の端面にFe3O4膜が形成されたたものと推察される。
【００１４】
（iii）研削面の表面粗さ
乾燥した丸棒２０の研削面について、表面粗さ（Ｒｙ）を表面粗さ測定器サーフテスト［ミツトモヨ(株)ＳＶ４１４］を用いて測定した。測定された表面粗さ（Ｒｙ）について、
図６に示す。
いずれの水準においても、還元水１のみから成るクーラント１を用いて研削を施した丸棒２０の研削面は、他のクーラントよりも粗い。
しかし、還元水２に不溶性切削油を添加したクーラント２では、研削面の表面粗さ（Ｒｙ）がクーラント１を用いた場合よりも改善され、クーラント３を用いた場合とほぼ等しくすることができる。
（iv)表面残留応力
乾燥した丸棒２０の研削面について、Ｘ線応力測定装置［(株)リガク  ＰＳＰＣ−ＭＳＦ−２Ｍ］を用いて表面残留応力を測定し、その結果を図７に示す。
還元水１のみから成るクーラント１を用いて研削を施した丸棒２０の研削面の表面残留応力は、他のクーラントを用いた水準の研削面の表面残留応力よりも大きい。
しかし、還元水２に不溶性切削油を添加したクーラント２では、研削面の表面残留応力はクーラント１を用いた場合よりも改善され、クーラント３を用いた場合とほぼ等しくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】還元水を得るための電解装置の概略を説明する説明図である。
【図２】電位−ｐＨ図の一例を示すグラフである
【図３】研削装置の一例を説明する説明図である。
【図４】研削面のオージェスペクトル分析の結果を示すグラフである。
【図５】研削面のオージェデプスプロファイル分析の結果を示すグラフである。
【図６】研削面の表面粗さ（Ｒｙ）を測定した結果を示すグラフである。
【図７】研削面の表面残留応力を測定した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１６】
１０  電解槽
１２  隔膜
１４ａ  陽極
１４  陽極室
１６ａ  陰極
１６  陰極室
１８  直流電源
２０  丸棒
２２ａ  貫通孔
２２  丸棒
２４  砥石
２６  ガイド部材
２８  貯留槽
３０  クーラント
３２  ポンプ
Ｘ    不動態領域
Ｙ    安定領域
Ｚ    腐食領域
【図１】
2005255770.tif 000003
【図２】
2005255770.tif 000004
【図３】
2005255770.tif 000005
【図４】
2005255770.tif 000006
【図５】
2005255770.tif 000007
【図６】
2005255770.tif 000008
【図７】
2005255770.tif 000009