特許 5925932 黒錆微粒子の製造方法、製造装置及び黒錆微粒子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5925932

(24)【登録日】2016年4月28日

(45)【発行日】2016年5月25日

(54)【発明の名称】黒錆微粒子の製造方法、製造装置及び黒錆微粒子

(51)【国際特許分類】

   C01G 49/08 20060101AFI20160516BHJP

   B23Q 11/00 20060101ALI20160516BHJP

【ＦＩ】

   C01G49/08 Z

   B23Q11/00 U

【請求項の数】6

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-72795(P2015-72795)

(22)【出願日】2015年3月31日

【審査請求日】2015年4月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】598046572

【氏名又は名称】株式会社明菱

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100162259

【弁理士】

【氏名又は名称】末富 孝典

(74)【代理人】

【識別番号】100133592

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 浩一

(74)【代理人】

【識別番号】100168114

【弁理士】

【氏名又は名称】山中 生太

(72)【発明者】

【氏名】安藤 義人

(72)【発明者】

【氏名】エクシラ クブラ

(72)【発明者】

【氏名】西口 秀和

(72)【発明者】

【氏名】水井 雅彦

【審査官】 田澤 俊樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−２５７９３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１２９２０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０８７１０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−２１１４４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５０−１２００７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１９１５２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０１Ｇ ４９／００−４９／１６

Ｂ２３Ｑ １１／００−１１／１４

Ｂ２３Ｐ １７／００−１７／０６

Ｂ２２Ｆ ９／００−９／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鋳鉄を、切削油をかけながら、切削工具により切削する切削工程と、
前記切削油から切削屑を回収する回収工程と、
回収された前記切削屑から黒錆微粒子を分離する分離工程と、
を含む黒錆微粒子の製造方法。

【請求項2】

前記切削工程は、
前記鋳鉄の部品加工により行われる工程である、
請求項１に記載の黒錆微粒子の製造方法。

【請求項3】

前記鋳鉄は、球状黒鉛鋳鉄である、
請求項１又は２に記載の黒錆微粒子の製造方法。

【請求項4】

前記鋳鉄は、ネズミ鋳鉄である、
請求項１又は２に記載の黒錆微粒子の製造方法。

【請求項5】

前記切削工程における前記ネズミ鋳鉄の切削速度は、
３００ｍ／ｍｉｎ以上である、
請求項４に記載の黒錆微粒子の製造方法。

【請求項6】

鋳鉄を、切削油をかけながら、切削工具により切削する切削部と、
前記切削油を回収する回収部と、
回収された前記切削油から黒錆微粒子を分離する分離部と、
を備える黒錆微粒子の製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、黒錆微粒子の製造方法、製造装置及び黒錆微粒子に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄のさびには、いわゆる赤さび（Fｅ₂Ｏ₃）といわゆる黒錆（Fｅ₃Ｏ₄）とがある。赤さびに比べ黒錆は、工業用材料として重宝されている。例えば、ダッチオーブンや中華鍋などでは意図的に空焚きして鍋の表面に黒錆を発生させ、内部の腐食を防いでいる。黒錆はマグネタイトとも呼ばれる。

【0003】

黒錆は、工業用の材料として極めて有用である。特に、黒錆微粒子は、化学的に安定で比較的大きく磁化される微粒子であるため、これまで磁気記録媒体、磁性流体または磁性トナーなどの様々な用途に広く利用されている。

【0004】

黒錆微粒子の製造方法には様々なものがある（例えば、特許文献１参照）。例えば、水−有機溶媒の混合溶媒に、Ｆｅ（ＩＩＩ）塩及びＦｅ（ＩＩ）塩を溶解させ、且つアルカリ物質を加えた溶液中で反応を行い、生成した黒錆微粒子を分離することにより、黒錆微粒子が生成される（例えば、特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平７−２５７９３０号公報

【特許文献2】特開２０１１−２３６０８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１、２等に開示されている製造方法のように、黒錆微粒子を得るには、化学反応などの特別な処理が必要になる。このため、黒錆微粒子をより効率良く得られる製造方法の登場が望まれている。

【0007】

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、効率良く製造することができる黒錆微粒子の製造方法、製造装置及び黒錆微粒子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】

【0008】

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る黒錆微粒子の製造方法は、
鋳鉄を、切削油をかけながら、切削工具により切削する切削工程と、
前記切削油から切削屑を回収する回収工程と、
回収された前記切削屑から黒錆微粒子を分離する分離工程と、
を含む。

【0009】

前記切削工程は、
前記鋳鉄の部品加工により行われる工程である、
こととしてもよい。

【0010】

前記鋳鉄は、球状黒鉛鋳鉄である、
こととしてもよい。

【0011】

前記鋳鉄は、ネズミ鋳鉄である、
こととしてもよい。

【0012】

この場合、前記切削工程における前記ネズミ鋳鉄の切削速度は、
３００ｍ／ｍｉｎ以上である、
こととしてもよい。

【0013】

本発明の第２の観点に係る黒錆微粒子の製造装置は、
鋳鉄を、切削油をかけながら、切削工具により切削する切削部と、
前記切削油を回収する回収部と、
回収された前記切削油から黒錆微粒子を分離する分離部と、
を備える。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、切削油を充てながら鋳鉄を切削することにより得られる切削屑から、黒錆微粒子を容易に得ることができる。これにより、化学反応などの特別な処理を行うことなく、例えば、鋳鉄の部品加工で行われる切削工程を行うことにより、黒錆微粒子を効率良く製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施の形態１に係る黒錆微粒子の製造装置の構成を示すブロック図である。

【図2】ワークを切削する様子を示す図である。

【図3】本発明の実施の形態１に係る黒錆微粒子の製造方法を示すフローチャートである。

【図4】鋳鉄として球状黒鉛鋳鉄を用いた場合のＸ線回折分析の結果を示すグラフである。

【図5】鋳鉄としてネズミ鋳鉄を用いた場合のＸ線回折分析の結果を示すグラフである。

【図6】複数の切削速度におけるピーク２θ＝３３°周辺のピーク１を拡大して示すグラフである。

【図7】複数の切削速度におけるピーク２θ＝６２．５周辺のピーク２を拡大して示すグラフである。

【図8】各切削速度とピーク１とピーク２との面積比との関係を示すグラフである。

【図9】切削速度に対するピーク１とピーク２との面積比の変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

【0018】

実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１について説明する。

【0019】

図１には、本実施の形態１に係る黒錆微粒子の製造装置１００の構成が示されている。図１に示すように、製造装置１００は、切削部１と、回収部２と、分離部３と、を備える。切削部１と、回収部２との間には、切削油の循環系１０が設けられている。循環系１０は、ポンプにより、切削油を切削部１と回収部２との間で循環させることができるようになっている。

【0020】

切削部１は、切削油をかけながら、鋳鉄を切削工具により切削する。鋳鉄は、炭素を２．１４〜６．６７％含み、ケイ素を約１〜３％の範囲で含む鉄の三元合金である。

【0021】

切削油は、摩擦抑制と冷却のために使用される。切削油としては、油性切削油を用いてもよいし、水溶性切削油を用いてもよい。油性切削油には、鉱物油に切削性能を向上させる目的で添加剤を加えたものが用いられる。水溶性切削油には、油を溶剤によって水に溶かして使用される。水溶性切削油は、冷却が優先される加工に使用される。水溶性切削油は、廃棄時の環境負荷が低いため、現在、金属加工で使用される切削油の主流となっている。

【0022】

切削部１としては、例えば、マシニングセンタ又は旋盤などを用いることができる。すなわち、鋳鉄を切削して部品加工又は金型加工を行う切削加工装置を、切削部１として用いることができる。このようにすれば、鋳鉄を切削加工して、加工された部品を得るとともに、通常は廃材となるその切削加工で得られた切削屑に含まれる金属微粒子の中から、黒錆微粒子を得ることができる。

【0023】

なお、切削部１としては、部品加工を行う切削装置でなく、黒錆微粒子を得るために切削を行う切削装置であってもよい。この場合にも、部品加工又は金型加工に用いられるマシニングセンタ又は旋盤などを用いることができる。

【0024】

切削部１の構成についてさらに詳細に説明する。例えば、図２に示すように、切削部１内には、加工対象となる部品を回転させる主軸モータが設けられている。主軸モータは、加工対象となる部品を取り付ける取り付け部（チャック）を回転させる。チャックには、円柱状のワーク（鋳鉄）Ｗが取り付けられる。

【0025】

チャックに取り付けられたワークＷは、主軸モータにより、指令された回転速度で矢印の方向に回転する。そして、循環系１０を介して送られた切削油がノズルＮからワークＷにかけられる。この状態で、切削工具Ｔの刃部がワークＷの外縁に接し、ワークＷを切削する。

【0026】

ワークＷを切削すると、切削屑が生じる。この切削屑は、一部は、長細くらせん状に延びる長屑となるが、残りの切削屑は、細かい微粒子となる。この微粒子には、ミリメートルサイズのものからナノメートルサイズのものまで様々である。長屑又は微粒子の切削屑は、切削油Ｏとともに、切削部１の下部から排出される。なお、ここで、微粒子を除く比較的大きな切削屑については、フィルタにより、切削油Ｏから分離される。

【0027】

切削屑が含まれる切削油Ｏは、再び循環系１０を通って、回収部２に至る。回収部２は、切削油Ｏから切削屑を回収する。回収部２において切削屑を回収する方法としては、例えば、永久磁石を用いて、切削屑を回収する方法を採用することができる。例えば、回収部２の中に、切削油Ｏが流れる細く長い流路を形成し、その流路の周囲に磁石を配置して、その磁石により、切削屑を吸着して切削油Ｏと分離するようにしてもよい。また、フィルタ等を用いて切削油Ｏを濾過する方法を採用することも可能である。

【0028】

回収部２で回収された切削屑は分離部３へ送られる。分離部３としては、例えば、遠心分離機を用いることができる。分離部３は、回収された切削屑から黒錆微粒子を分離する。

【0029】

本実施の形態では、ワークＷとして用いられる鋳鉄は、球状黒鉛鋳鉄である。球状黒鉛鋳鉄とは、ダクタイル鋳鉄又はノジュラー鋳鉄とも呼ばれ、一般に焼き入れ前（鋳放し状態）で黒鉛が球状に晶出している鋳鉄をいう。球状黒鉛鋳鉄では、黒鉛が球状に析出させるようにしているので、球状黒鉛鋳鉄では、靭性が向上している。

【0030】

切削部１では、切削油ＯをワークＷにかけながらワークＷの切削が行われる。この切削油Ｏは、通常、切削時の鋳鉄又は切削工具Ｔを冷却し、加工を滑らかに行うために用いられるが、本実施の形態では、切削された鋳鉄が熱により酸化する際に必要以上に酸素が供給されることのないように、酸素を遮断する機能を有している。すなわち、切削油Ｏは、切削される鋳鉄が接触する酸素量を調節する役割を果たしており、黒錆微粒子を効率良く製造するために必要不可欠なものとなっている。この点において、切削油としては、冷却が優先される水溶性切削油よりも油性切削油を用いるのが望ましい。

【0031】

次に、本実施の形態１に係る黒錆微粒子の製造装置１００を用いた黒錆微粒子の製造方法について説明する。図３には、黒錆微粒子の製造方法のフローチャートが示されている。

【0032】

まず、図３に示すように、切削部１が、鋳鉄のワークＷを、切削油Ｏをかけながら、切削工具Ｔにより切削する（ステップＳ１）。これにより、切削時による熱で、黒錆微粒子が生成され、切削屑として、切削油Ｏに含まれるようになる。切削屑は、切削油Ｏとともに、循環系１０を介して、回収部２へ送られる。

【0033】

続いて、回収部２が、切削油Ｏから切削屑を回収する（ステップＳ２）。回収部２は、金属の網目のフィルタを有し、その網目で大きい切削屑を回収した後、磁石等を用いて切削屑を吸着させることにより、切削屑を回収する。これにより、黒錆微粒子を含む切削屑は、切削油Ｏから回収され、分離部３へ送られる。切削油は、再び循環系１０を介して、切削部１へ戻り、鋳鉄の切削に利用される。

【0034】

続いて、分離部３は、遠心分離により、切削屑から、黒錆微粒子を分離する（ステップＳ３）。これにより、金属微粒子の中から、さらに黒錆微粒子が抽出される。

【0035】

抽出された黒錆微粒子は、例えば、様々な粒径の黒錆微粒子に分級され、工業系材料として利用される。

【0036】

この実施の形態に係る製造方法において、球状黒鉛鋳鉄をワークＷとして用いた場合の黒錆微粒子の生成効率について検討を行った。

【0037】

切削部１において、今回は、切削速度１５０ｍ／ｍｉｎ、１７５ｍ／ｍｉｎ、２００ｍ／ｍｉｎ、２２５ｍ／ｍｉｎ、２５０ｍ／ｍｉｎ、２７５ｍ／ｍｉｎ、３００ｍ／ｍｉｎでワークＷの切削を行い、それぞれの切削速度で切削された切削屑から、黒錆微粒子がどの程度回収できるかという評価実験を行った。なお、ワークＷの主とする鉄成分については、α−鉄であるものとした。

【0038】

回収部２では、網目を通過した各切削油に対して磁石を当てることにより、切削屑を回収した。分離部３において分離抽出された金属微粒子は、付着したオイルを取り除くためにヘキサンが用いられた後洗浄され、濾過をへてオーブン内で乾燥が行われた。乾燥後、分級により６３μｍ以下の金属微粒子が回収され、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ；X‐ray diffraction）を用いて分析を行った。

【0039】

ＸＲＤ分析により得られた各スペクトルは、α−鉄の含有率が一定であるという仮定の下、α−鉄に由来する２θ＝４５℃のピーク強度を一定にして、黒錆微粒子（Ｆｅ₃Ｏ₄）の成分に由来するピークと、他の成分（例えばＦｅ₂Ｏ₃）に由来するピークとの比較が行われた。

【0040】

図４では、下から、Ｆｅ₂Ｏ_3、Ｆｅ₃Ｏ₄、１５０ｍ／ｍｉｎ、５０ｍ／ｍｉｎ、１７５ｍ／ｍｉｎ、２００ｍ／ｍｉｎ、２２５ｍ／ｍｉｎ、２５０ｍ／ｍｉｎ、２７５ｍ／ｍｉｎ、３００ｍ／ｍｉｎの順でＸ線回折スペクトルが示されている。図４に示すように、ＸＲＤ分析より全切削速度を通じて黒錆微粒子（Ｆｅ₃Ｏ₄）の存在が認められた。しかしながら、Ｆｅ₂Ｏ₃に特徴的なピークは、僅かに認められるだけであった。これにより、球状黒鉛鋳鉄の切削により主として生成されるのは、切削速度に関わらず、Ｆｅ₂Ｏ₃ではなく、黒錆微粒子（Ｆｅ₃Ｏ₄）であることが明らかになった。

【0041】

このように、球状黒鉛鋳鉄から得られたＦｅ₃Ｏ₄のピーク面積と切削速度からは関係性は認められなかった。このことは、切削速度に関わらず、球状黒鉛鋳鉄を切削すれば黒錆微粒子を効率良く製造することができることを示している。

【0042】

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、切削油Ｏを充てながらワーク（鋳鉄）Ｗを切削することにより得られる切削屑から、黒錆微粒子を容易に得ることができる。これにより、特別な条件で行われる化学反応などの特別な処理を行うことなく、例えば、鋳鉄の部品加工で行われる切削工程を行うことにより、黒錆微粒子を効率良く製造することができる。

【0043】

また、部品加工における部品の切削で廃材となる切削屑から、黒錆微粒子を抽出することができるので、廃材のリサイクルが可能となり、資源の効率的な活用が可能となる。

【0044】

実施の形態２．
まず、本発明の実施の形態２について説明する。

【0045】

本実施の形態に係る黒錆微粒子の製造装置の構成は、図１に示す上記実施の形態１に係る製造装置１００の構成と同一である。また、本実施の形態に係る黒錆の製造方法は、図３に示す上記実施の形態１に係る製造方法と同一である。本実施の形態では、ワークＷに用いた材料が、球状黒鉛鋳鉄ではなく、ネズミ鋳鉄である点が上記実施の形態１と異なる。

【0046】

上記実施の形態では、切削工程における切削工具ＴとワークＷ（ネズミ鋳鉄）との間の切削速度を、３００ｍ／ｍｉｎ以上とする。ネズミ鋳鉄では、３００ｍ／ｍｉｎを下回る切削速度では、黒錆微粒子の生成割合が低下するためである。

【0047】

一般に、ネズミ鋳鉄は、球状黒鉛鋳鉄よりも柔らかく、切削時の熱が球状黒鉛鋳鉄よりも低くなる。このため、ネズミ鋳鉄では、生成時に高温であることが要求される黒錆微粒子が、球状黒鉛鋳鉄よりも生成されにくい状況となる。このため、高速な切削速度で切削し、切削時の熱を高くすることが要求される。

【0048】

この実施の形態に係る製造方法において、球状黒鉛鋳鉄をワークＷとして用いた場合の黒錆微粒子の生成効率について検討を行った。

【0049】

切削部１では、上記実施の形態１と同様に、切削速度１５０ｍ／ｍｉｎ、２００ｍ／ｍｉｎ、２５０ｍ／ｍｉｎ、３００ｍ／ｍｉｎで切削を行い、それぞれの切削速度で得られた切削屑から、黒錆微粒子がどの程度回収できるか評価実験を行った。この評価実験でも、ワークＷの主とする鉄成分をα−鉄とした。

【0050】

図５では、下から、Ｆｅ₂Ｏ_3、Ｆｅ₃Ｏ₄、１５０ｍ／ｍｉｎ、２００ｍ／ｍｉｎ、２２５ｍ／ｍｉｎ、２５０ｍ／ｍｉｎ、３００ｍ／ｍｉｎの順でＸ線回折スペクトルが示されている。図５に示すように、ＸＲＤ分析より、各切削速度において、Ｆｅ₂Ｏ₃およびＦｅ₃Ｏ₄の存在が認められた。

【0051】

Ｆｅ₂Ｏ₃とＦｅ₃Ｏ₄とでは、共に特徴的なピークが重なる。このため、Ｆｅ₂Ｏ₃にのみ特徴的なピーク２θ＝３３°周辺のピーク１（図６参照）とＦｅ₃Ｏ₄に特徴的なピーク２θ＝６２．５周辺のピーク２（図７参照）の面積と面積比を計算することによって、各切削速度における成分変化の有意差を示した。

【0052】

図８には、各切削速度とピーク１とピーク２との面積比との関係が示されている。また、図９には、切削速度に対するピーク１とピーク２との面積比の変化が示されている。図８、図９に示すように、切削速度が１５０ｍ／ｍｉｎ、２００ｍ／ｍｉｎ、２５０ｍ／ｍｉｎ、３００ｍ／ｍｉｎと上昇することによって、ピーク１（Ｆｅ₂Ｏ₃）に対するピーク２（Ｆｅ₃Ｏ₄）との面積比（Ｆｅ₃Ｏ₄／Ｆｅ₂Ｏ₃）の変化が指数関数的に増加している。これにより、好ましくは３００ｍ／ｍｉｎ以上である場合に、Ｆｅ₂Ｏ₃の形成が抑制され、黒錆微粒子（Ｆｅ₃Ｏ₄）が優位に形成されることが明らかになった。

【0053】

なお、上記各実施の形態に係る製造方法によれば、様々な大きさの黒錆微粒子を得ることができる。黒錆微粒子の用途はその大きさによって異なるので、これらの黒錆微粒子をその大きさによってふるい分け又は分級することは極めて有用である。

【0054】

ナノオーダやマイクロオーダの粒径を有する黒錆（マグネタイト）微粒子は、磁気記録媒体、磁性トナー、化粧品又は細胞の磁気標識用の粒子などの用途に適用することができ、今後特に利用範囲が広がっていくものと予想される。

【0055】

なお、上記実施の形態では、球状黒鉛鋳鉄又はネズミ鋳鉄を切削する場合について説明したが、本発明はこれには限られない。例えば、白鋳鉄、まだら鋳鉄、強靱鋳鉄、可鍛鋳鉄（黒心可鍛鋳鉄（FCMB）、白心可鍛鋳鉄（FCMW）、パーライト可鍛鋳鉄（FCMP））、合金鋳鉄（高クロム鋳鉄、高ケイ素鋳鉄、ニレジスト（Ni-Cr-Cu鋳鉄））を用いるようにしてもよい。

【0056】

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

【産業上の利用可能性】

【0057】

本発明によれば、黒錆微粒子及び黒錆微粒子を含む製品の製造に適用することができる。

【符号の説明】

【0058】

１ 切削部、２ 回収部、３ 分離部、１０ 循環系、１００ 製造装置、Ｏ 切削油、Ｎ ノズル、Ｔ 切削工具、Ｗ ワーク。

【要約】

【課題】黒錆微粒子を効率良く製造することができる黒錆微粒子の製造方法、製造装置及び黒錆微粒子を提供する。
【解決手段】鋳鉄を、切削油をかけながら、切削工具により切削する（ステップＳ１）。続いて、切削油を回収する（ステップＳ２）。回収された切削油から黒錆微粒子を分離する（ステップＳ３）。鋳鉄としては、球状黒鉛鋳鉄又はネズミ鋳鉄が用いられる。ネズミ鋳鉄を用いる場合には、切削中の切削工具とネズミ鋳鉄との間の切削速度は、３００ｍ／ｍｉｎ以上であるのが望ましい。
【選択図】図３

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】