冷間圧延油の管理技術と最近の動向 | ジュンツウネット21

Q1 冷間圧延油にはどのような性能が求められ,そのために一般的にどのような添加剤が用いられていますか。また,その効果や今後の動向についても教えて下さい。

A1

冷間圧延は塑性加工の1つであり,潤滑領域としては混合潤滑領域~境界潤滑領域が主体となっています。この領域において,潤滑性を向上させるため,すなわち板とロール間に発生する摩擦を低減するために用いられる効果的な添加剤は「油性剤」です。冷間圧延に用いられている代表的な油性剤にはエステル類,脂肪酸,アルコール類といったものがあり,冷間圧延油はこれらの添加剤を単独,もしくは数種類組み合わせて,圧延材料や圧延条件に応じて調整されます。

このように,圧延潤滑における主たる目的は「油性剤」の適用による潤滑性向上,すなわち板/ロール間の摩擦力低減,表面品質の向上等ですが,圧延潤滑におけるもう一つの大きな目的に冷却性の向上があります。(図1

圧延潤滑の目的
図1 圧延潤滑の目的

冷却性は油タイプの場合,低粘度品ほど有利ですが,圧延材料によっては水溶性が主として使用されます。水溶性を主として用いる材料としては普通鋼や銅の粗圧延,チタンといったものが挙げられますが,これらはいずれも高速圧延や圧延率の増加に伴う発熱量の増大や変形抵抗の大きな材料を圧延することによって,水溶性を用いた方が冷却性の面から有利であるためです。この水溶性圧延油の性能を大きく左右する重要な添加剤には上記の油性剤とともに「乳化剤」があります。乳化剤のタイプやその組み合わせによって水溶性の冷間圧延油の性能が決まると言っても過言ではありません。乳化剤には大きく分けてアニオン系,カチオン系,ノニオン系がありますが,最近では作業環境の改善(機械周りの汚れ低減)や圧延油原単位低減,平均粒径の安定等といった目的から油剤の乳化力を強くするタイプのものが多くの実績を有するようになってきており,また圧延油の寿命延長を目的に油中の摩耗粉を原単位も考慮しながら,スカムとして浮上させて除去する圧延油も,アニオン系,カチオン系,ノニオン系乳化剤を様々に組み合わせたものとして開発されています。

また,油性剤や乳化剤以外にも冷間圧延油には圧延材料に応じて防錆剤や金属不活性化剤,ミスト防止剤,酸化防止剤等が用いられています。(表1

表1 圧延材料別の冷間圧延油のタイプとその使用添加剤
圧延材料
普通鋼
ステンレス
アルミ
主たる圧延油のタイプ
水溶性
油(ニート)
一部水溶性
粗圧延:水溶性
仕上げ圧延:油(ニート)
油(ニート)
用いられる添加剤 油性剤(エステル類,脂肪酸,アルコール類),防錆剤,金属不活性化剤,ミスト防止剤,酸化防止剤,乳化剤(アニオン系,カチオン系,ノニオン系) 他

防錆剤や金属不活性化剤は圧延後の材料の防錆,防食を目的に添加されます。また冷間圧延油は補給のみで長期間継続使用されることから油剤の酸化劣化を防止するために様々な酸化防止剤が添加されています。圧延材料ごとに使用される冷間圧延油のタイプと添加剤についてまとめると表1のようになります。

次に,油タイプの冷間圧延油において圧延材料ごとに主たる使用添加剤とその添加目的について説明します。

(1)ステンレス

ステンレスは圧延後の板表面品質,特に表面光沢の仕上がり状態が非常に重要な材料です。それに大きく影響する現象はロールコーティングの生成状態です。圧延後の板表面光沢を均一でかつ高光沢にするためには圧延条件によらず,ロールコーティングを積極的に生成させる必要があり,圧延潤滑の面からは板とロール間の油膜を薄くすること,すなわち潤滑条件を厳しくすることがポイントとなります。しかし,油膜が薄くなるとステンレス圧延の場合,板とロール間における油膜が部分的に破断することによって微小な焼付きが生じやすくなり,ヒートスクラッチと呼ばれる油膜切れに伴う板表面損傷が発生することがあります。したがって,潤滑状態が厳しい条件になっても強固な油膜を保持できる添加剤の選択が重要になってきます。これに用いられる添加剤がエステル類です。冷間圧延に用いられるエステル類には,モノエステル,ジエステル,トリエステルといったものがあり,ステンレス冷間圧延油はこれらが単独もしくは数種類組み合わせて添加されています。日本国内で市販されているステンレス圧延油はこれらエステル類が大量に添加されているものが多く,圧延機の高速化や高圧下に対応されており,圧延操業の安定化や表面品質の向上に大きく貢献しています。

(2)アルミ

アルミの冷間圧延は従来より,ベースオイルを石油メーカーが供給し,添加剤は各圧延メーカーが独自に選択し,圧延機ごとに添加しているのが現状です。添加剤としては油性剤が主であり,アルコール類を中心とした添加剤が添加されます。アルコールとしてはラウリルアルコールが多く使用されています。これは現場での添加が比較的容易であることから選択されており,これ以上の炭素数を持つアルコールは常温で固体であることから,現場では扱いにくく,あまり使用されないのが実状です。添加量は各圧延メーカーによって異なりますが,一般的には板(条)圧延メーカーで5~10%程度,箔圧延メーカーで1~5%程度です。この添加目的は潤滑不良に伴うへリングボーンと呼ばれるアルミによく見られる表面損傷の防止です。この現象もステンレスのヒートスクラッチと同様に,板とロール間での油膜不足に伴う凝着現象です。アルコールの添加は板とロール間での凝着を防止し,安定した圧延を可能とします。ただし,アルミ箔の仕上げ圧延に限ってはこれとは全く逆に油膜が厚い状態,すなわち潤滑過多でもヘリングボーンが発生することがよく見受けられます。このため,アルミ箔仕上げ圧延では潤滑過多となりやすい冬季において,夏季に比べてアルコール添加量を減らす等といった方法が実施されることもあります。したがって,へリングボーンが発生した時には板表面を十二分に観察し,どういう原因でヘリングボーンが発生したのかについて板表面状態から確認のうえ,圧延油添加剤仕様を考慮する必要があります。

また,アルコールのみでなく,アルミ冷間圧延ではエステル類を添加することもありますが,このエステル類はフィン材のような低温焼鈍を行う場合,その種類や添加量によっては焼鈍性を低下させることもあり,焼鈍条件を考慮したエステル類の選択が重要となります。エステルを添加すると従来ではヘリングボーンの発生した領域でも問題なく圧延が可能となることを最近,実機で数多くの圧延メーカーが確認済みであり,焼鈍性に問題ない範囲でアルコールにエステルを添加する方法が実機における添加剤仕様として望ましいといえます。また,アルミ箔圧延では脂肪酸を添加することもありますが,これは圧延油による静電気火災を防止することが目的です。

(3)銅

銅の冷間圧延において現場でよく見られる問題点は,圧延方向と直角方向に発生するリダクションマークと呼ばれる段付模様の表面損傷の発生と圧延後の板表面の変色問題です。特にリダクションマークは銅でもリン青銅のような比較的変形抵抗の大きい銅合金に主として発生しやすい傾向があります。圧延条件では特に,低速,強圧下の状態で発生することから,この防止には潤滑状態が厳しい条件でも油膜の保持が可能なエステル類の添加が効果的です。また,圧延油の粘度は高い方が有利となります。

一方,圧延後の板表面の変色防止に対しては様々な金属不活性化剤が用いられ,特に高速,高圧下の圧延機や夏期のような板温が高くなりやすい条件下で酸化銅となって変色することに対応しています。また,金属不活性化剤はロールコーティングの生成も抑制することから,銅の種類によっては板表面品質の向上も期待できます。表2に圧延材料ごとの問題点と圧延油からの対応をまとめます。

表2 圧延材料ごとの問題点と圧延油からの対応
圧延材料
ステンレス
アルミ
問題点 ヒートスクラッチの発生
光沢不均一(光沢ムラ)
へリングボーンの発生 リダクションマーク発生
圧延後の板変色
圧延油からの対応 エステル類の大量添加 (凝着型の場合)
アルコール類の添加,増量 
エステル類の添加
エステル類の添加
粘度アップ
金属不活性化剤の添加 

Q2 冷間圧延油の使用方法や管理技術について教えて下さい。

A2

ここでも前項と同様,油タイプの冷間圧延油に限定して説明します。

(1)ステンレス

ステンレスは前述のように板表面の光沢(高光沢と均一性)がその製品価値を決定するために圧延油もその表面品質を維持するための管理法が重要となってきます。ステンレス圧延油に限らず,圧延油は使用に伴って軽質留分の蒸発や操作油圧作動油,軸受油等のコンタミによって粘度が上昇していく傾向にあり,特にステンレス圧延油はこのまま使用していくと,表面光沢に悪影響を与えやすくなります。すなわち粘度の上昇に伴い,オイルピットが多くなる,またはロールコーティングが生成しづらくなるといった問題点が発生し,表面光沢が低下したり,光沢ムラが発生しやすくなります。したがって,この対策としては新油における添加剤組成を変更せず,新油の軽質留分のみを選択的に取り出した特別の基油を用いた圧延油を補給で継続使用していく方法が実施されています。この方法によって新油と同等レベルの圧延油性状で長期間光沢の維持が可能となります。また,使用に伴う添加剤の消耗の場合はコンセントとして別途必要量を添加することもあります。

(2)アルミ

アルミの冷間圧延の場合は圧延油清浄度の維持や板表面品質の向上の目的でシュナイダフィルタというフィルタが用いられている関係上,そこで使用される白土やけい素土によって添加剤が常時除去されてしまうという現状があります。特に吸着効果が高く,一般的に広く使用されているアルコール類が最も除去されやすい傾向にあります。アルコールについては,各圧延機ごとに現場経験に基づいて圧延メーカーが適宜補給を行い,必要濃度の維持管理を実施しています。

最近は,従来のアロマ含有タイプの基油からノンアロマタイプへの油種変更が検討されていますが,基油変更に伴い,一部材料において発生した圧延性の低下問題をエステル類やエーテル類,αオレフィンといった添加剤を従来のアルコール主体の添加剤仕様に加えることがすべての圧延メーカーで検討されています。この中でもαオレフィンは10%以上の添加によって従来のアロマ基油でも不可能だった圧延条件でもヘリングボーンが発生せず,パスカットを可能とします。また1%程度の添加でも潤滑不足が原因であるチャタリングや圧延機の振動等も防止可能です。

(3)銅

銅の冷間圧延油は最近の薄物化に対応して低粘度化の傾向にあります。そのため,ステンレス圧延油同様,粘度の維持が重要です。したがって,新油と同等の添加剤組成で粘度のさらに低い圧延油を補給で使用することが重要な管理法の1つとなります。また,金属不活性化剤は新油添加のみならず,板表面状態を確認しながら適宜添加するケースもあります。

Q3 最近の冷間圧延油の動向について教えて下さい。

A3

最近の冷間圧延油も他の金属加工油剤と同様,環境に配慮した基油や添加剤が使用されるようになってきました。特に基油についてはPCA対応品やノンアロマタイプがすでに市場に供給されはじめています。また,圧延メーカーからの表面品質の向上や材料の薄物化に対応して既存添加剤の増量,新油性剤の組み合わせ,低粘度化といった内容組成を持った圧延油が検討されています。冷間圧延油はコイル製品の最終品質を決定するものであり,今後も圧延メーカーの様々なニーズに対応した圧延油の開発を適宜行っていきます。

ブルカージャパン ナノ表面計測事業部

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