未来を形作る：金属加工液・潤滑剤・クーラントの革新

クーラント、潤滑剤、金属加工液（MWF）の未来はどうなるのか。業界のベテランに話を聞き、今日のクーラント情勢の進化と明日の革新を探ります。

金属加工液の「今」と「次」は、いくつかの本質的な条件によって決まります。何を切削するのか？ 使用時点での規制や地域ごとのニーズは？ 工具や製造全体の革新が冷却の本質を変える可能性は？

市場規模は、グローバル・マーケット・インサイツ（調査・コンサルティング会社）によると、世界の金属加工液市場は2025年までに150億ドルに成長すると予測されています。2016年にはマークェッツ・アンド・マークェッツ・リサーチが、年平均成長率3.2％で2020年までに97.4億ドルになると推計していました。

鋼や鉄など多くの金属切削において、水や油（または両方）による潤滑性は切りくず排出に重要であり、添加剤は金属変形防止と防錆に役立ちます。これらの液体は切削点の温度を下げ、工具寿命を維持します。しかし、MWFには常に健康・安全上の懸念がつきまとうため、メーカーは性能最大化と廃棄物最小化の両立に向け、処方と化学組成を継続的に調整しています。ユーザーはコスト削減のためクーラントをリサイクルしたいと考えており、使用済みクーラントをできるだけ長くタンク内で健康被害なく維持したいと望んでいます。

これは容易な課題ではありません。最大の健康問題は皮膚刺激で、すべてのメーカーが回避に努めていますが、ミストコレクターなどのシステムや、手袋・保護メガネ・フェイスマスクなどの保護具も併用する必要があります。

革新は、部品加工性能の要求と望ましい健康結果のバランスを取りながら進んでいます。実現は容易になりつつありますが、長い道のりでした。最小量潤滑（MQL）への移行が進んでいます。これは文字通り、潤滑剤・化学物質・乳化剤を最小限に抑えるアプローチです。その他の化学物質による健康被害への懸念から、多くの規制当局や地域で特定化学物質の使用が全面禁止されています。

将来的には、数年〜数十年のスパンで「液体が不要になる」可能性も囁かれています。まだ先の話ですが、取材した企業や市場アナリストもその可能性を認識しています。

MWFに関連する危険性は、一部の規制当局が考えるほど深刻なのでしょうか？ 取材した液体メーカーは健康・安全上の懸念に深く共感しつつも、それらに対処しすぎているとの見方で一致しています。

金属加工液・クーラント・機械潤滑剤：過去、現在、そして未来

技術が加工を高速化し、より速い部品製造へのプレッシャーが高まる中で、「水はストレートオイルより熱をよく奪う。ストレートオイルは燃えるが水は燃えない」という発見がありました。ミラクロン・シムクール・フルードテクノロジーのシニアプロダクトマネージャー、ブルース・ケーラー氏はこう語ります。

「オイルのみから、水とオイルの併用、あるいは水のみへと移行しました」とケーラー氏。「今日では、かつてよりMWFの使用量は減っています。安全と健康の観点から、金属加工液に使用できる化学物質のリストはどんどん短くなっています。」

多くのメーカーが、50台の機械に対応する10,000ガロンのセントラルタンクシステムから、5台の機械セルあたり50ガロンの個別タンクへと移行しています。また、原材料の入手状況や顧客の地域ニーズにより、処方と化学化合物は常に変化しています。

「規制や地域ニーズにより、その場で化学処方を調整できるよう、多くの処方改革が進んでいます」とケーラー氏。「処方の観点からは、場合によっては化学成分がプロセスの副産物となることもあります。」

30年前、合成液は強力な残留物を残す悪評がありました。残留物は極めて粘着性が高く、塗装や機械の他部品を傷めました。しかし今は違うと専門家は言います。

「過去13年間で、防腐性、エマルション安定性、タンク寿命と性能を向上させる多くの半合成液を開発してきました」と、カストロール・インダストリアルのアプリケーションエンジニア、ブライアン・ハルステッド氏。「私たちの目標は、使用量削減、廃棄物削減、健康と安全の向上です。」

クーラントと共に使用されるすべての周辺技術（中・高圧クーラントシステム、タンク、スキマー、ろ過システム）が、MWFの使用とメンテナンスに影響を与えてきました。

「私が始めた36年前、スピンドルから供給されるクーラントの圧力は最大300psiでした」とケーラー氏。「今では加工点で1,200psi、つまり4倍の圧力が当たり前になっています。」

クーラントメンテナンスと廃棄の指針が必要ですか？ 「4 Tips to Optimize Machine Fluid Maintenance and Coolant Disposal.」をご覧ください。

化学添加物の使用が減るにつれ、水質と組成がクーラントの性能と化学特性を左右するもう一つの重要な要素になっています。「インディアナ州は硬水、ケンタッキー州は軟水として知られています」とケーラー氏。したがって、メーカーの立地で利用可能な特定の水によって機械内で何が起こるか、どの元素が導入されるかが常に変わり、処方は水道水に合わせて変更する必要があります。

しかし、添加剤、乳化剤、潤滑性は依然として必要です。自動車、航空宇宙、医療部品加工の世界では、より強靭で軽量な材料への移行がトレンドです。耐熱合金やクロムがより高速で加工され、加工熱が増大しています。特に硬い材料では、潤滑性を助ける合成液で熱を除去するのが最善策です。

特に航空宇宙では、オイル含有製品が依然として使用されていますが、90〜95％水で希釈されています。業界は6000系アルミニウムからチタンへ移行しており、チタンは合成液との相性が良いとケーラー氏は語ります。

「合成液のタンク寿命が大好きです。バクテリアが繁殖しにくく、生物学的観点から長持ちします。泡立ちません。透明なので、オペレーターは機械のドアを閉めたまま中を覗き、視覚的な妨げなく切削を監視できます。」

金属加工液はどこへ向かうのか？

クーラントとクーラントシステムの方向性と未来における重要な要素は、材料とその用途にあります。将来使用される材料の多くは、液体メーカーよりも工作機械メーカーの方がよく知っています。しかし、それがメーカーの廃棄物ゼロ製品ラインへの革新を止めることはありません。

「水系液体において『コングルエント・ケミストリー（調和化学）』と呼ぶ領域があり、これは二重の目的を果たします。つまり、部品洗浄剤としても機能し、クーラント内のすべての成分を相互適合させることでタンクメンテナンスを助けます」とハルステッド氏。

最大の利点は、オイルをスキミングする必要が全くないこと。廃棄物はシステム交換時のみです。カストロール・インダストリアルは、従来の液体技術から一部の製品ラインで約40％の使用量削減を実現していると主張します。

ケーラー氏によると、ミラクロン・シムクールが注目している分野の一つがナノテクノロジーです。微視的な固体ナノ粒子を、今日の水系液体の代わりに潤滑剤として使用する可能性です。ここには期待があるものの、オペレーターの肺への影響について十分な研究がなく、まだ様子見の段階だとケーラー氏は認めます。

「水系クーラントの濡れ性を改善し、機械内の部品からシート状に流れ落ち、残留物を減らし、タンク寿命を延ばす取り組みも進めています」とハルステッド氏。「濃度安定性も改善しており、少量使用でも濃度が維持・安定し、枯渇せず、補充のために追加する必要がありません。」

しかし、主要液体メーカーが最終的に目指すのは一つ：世界中で使用可能なグローバルな製品安定性を実現し、それを顧客の地域ニーズに合わせてローカライズすることです。課題は、テストと最適化で蓄積した知見を、地域の法規制や水質条件と照らし合わせてカスタマイズすることです。

避けられない材料シフトに対応するため、主要液体メーカーは顧客パートナーとその工場で協働し、自社ラボで今日のマシニングセンタを用いて、できるだけ実環境に近い条件でテストを行っています。一部は顧客や見込み客と直接、特許出願中の材料で協働し、新しいクーラント処方のテストや、新金属材料での実験を行っています。

例えばカストロール・インダストリアルは、サウスカロライナ州グリーンビルのゼネラル・エレクトリックと協働し、開発中の特許出願中航空宇宙材料に触れています。またフォード・モーターをはじめ、GM、トヨタなどの自動車メーカーとも多くの液体用途で協働しています。

塩素とDCHAの除去

塩素、DCHA（ジシクロヘキシルアミン）、ホウ素がクーラントから除去されつつあります。塩素は殺菌に用いられますが、肺と皮膚に危険です。DCHAは「第二級アミン」としてpH安定剤として使用されてきましたが、最近の研究で皮膚からの危険な曝露が判明し、多くの第二級アミンがクーラント処方から排除されています。第一級アミンのみを使用することで化学物質が減り、皮膚刺激やその他の健康問題のリスクが低減します。

ホウ素フリークーラントへの移行

なぜでしょうか？ ハルステッド氏によると、ホウ素は一定濃度で残留物を蓄積し、部品、スピンドル、コンベア、切削工具に付着して工具寿命性能を低下させるためです。カストロール・インダストリアルは、CNCマシンと金属切削工具・コーティングを用いたラボテストでこれを発見しました。防食剤としてホウ素は有用ですが、高濃度では危険であり、これが最優先課題です。

ホウ素特性には良い面も悪い面もありますとハルステッド氏。「ホウ素にはpH緩衝と安定化効果、防錆（RP）があり、これらはしばしば肯定的に見られます。しかし、クーラント廃液がタンク内で長期滞留すると、低濃度でも時間とともに濃縮されるため、完全除去を望む企業もあります。」

ドライ加工とアディティブ・マニュファクチャリングの役割

クーラントを必要としないドライ加工技術とアディティブ・マニュファクチャリング（積層造形）プロセスの台頭により、MFWビジネスは長期的な潜在的競争に直面しています。これには工具メーカーからの競合も含まれます。さらに、環境と健康への懸念から、多くの規制当局がメーカーに最小量潤滑（MQL）への移行を強制しています。

「潤滑剤の環境影響への懸念の高まりと、1,800°F（約980℃）までのドライ加工成功が、このトレンドを推進しています」と、アーロン・ストーン氏は『Fuels & Lubes International』で記しています。「先進セラミック、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（CBN）工具の出現により、過度な摩耗を生じさせることなく、限定的またはゼロ潤滑での高温加工が可能になりました。」

業界が究極的にどの方向に向かうにせよ、液体メーカーは一点で合意しています：液体の濃度は5〜10％で使用されることを意図している、と。

「私が定年を迎えるときも、始めたときと同じでしょう」とケーラー氏。「みんな『多い方が良い』と思ったり、節約のために少なく使おうとしたりしますが……3％で運用すればバクテリア懸念、カビ発生、腐食が起き、濃すぎれば皮膚刺激や泡立ちの原因になります。このビジネスで唯一変わらないことです。」

アドバイスはシンプルです：清潔に保ち、濃度を適正に維持すれば、金属加工液運用は成功します。

どの金属加工液を使っていますか？ これらの製品の未来をどう見ていますか？ ご意見をお聞かせください。