KR100209444B1 - 금속 가공 방법 - Google Patents

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테일러 웨인 에프
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Abstract

예를 들어 펀칭 방법과 같은 금속 가공 방법이 제공되며, 이는 성형 도구(예를 들어 펀치)와 금속 소재(예를 들어 블랭크)와 접촉시키고, 금속 소재에 칩을 형성하지 않는 성형력을 적용하고 성형도구와 급속 소재사이의 경계면에 pH가 알칼리성이며 물, 토올유 지방산, 황화 라드유, 황화 올레핀, 분자량이 약 1000-8000인 옥시에틸렌/옥시프로필렌 랜덤 혹은 블록 공중합체 및 예를 들면 폴리(1, 2-에탄디일)α-이소데실-ω-히드록시 포스페이트와 같은 유기 포스페이트 에스테르를 포함하는 소성 유체 조성물이 적용된다. 본 발명에 의하면 힘이 적게 들고 마찰이 감소되며 도구 수명이 개선되는 것이다.

Description

금속 가공 방법
강력 금속 가공 방법은 금속 부품을 형성하기 위하여 보통 큰 힘이 들고 마찰이 크며 많은 열이 발생하게 되며 이를테면 고체적에서 고속 제조 작동시 발생되는 다른 가혹한 조건을 전형적으로 이용하게 된다. 상기 강력 금속 가공 방법은 일반적으로 칩을 형성하지 않는 작동 혹은 밀링, 터어닝, 드릴링, 소우잉 및 연삭과 같은 금속 절단 방법에 의해 금속 칩의 형태가 생성되지 않는 작동에 의한 금속 부품 성형에 일반적으로 사용된다. 상기 강력 금속 가공 작업은 예를 들면 펀칭(punching), 압인(coining), 신선(伸線, wire drawing), 스피닝(spinning), 스탬핑(stamping), 압연(rolling), 아이러닝(ironing) 및 단조(鍛造, forging)를 포함한다. 강력 금속 가공 방법은 이들의 가혹한 조건 때문에 상기 방법에 사용되는 금속 가공유상에서는 적용하기 어렵다. 전형적으로 오일 기초 금속 가공유는 강력 금속 가공 공정에 사용된다. 이와 반대로 수성 기초 유체는 가혹한 공정 조건 및 이와 같은 공정에 대한 연장된 도구의 수명에 합치하는 안정성 및 마찰 감소성을 제공하지 못함으로 강력 금속 가공 공정에 사용하기에는 적절하지 않은 것이다.
오일(즉, 비수성) 기초 유체를 금속 가공 공정(즉, 금속을 기계적으로 성형하고 가공하는 방법)에 사용하는 것이 오래전부터 이 기술 분야에서 알려져 있었다. 상기 유체는 금속 가공 방법에서 마찰을 감소시키고 열을 방산시키는 우수한 윤활 작용과 제한된 냉각작용을 나타낸다. 이와 같이 마찰이 줄고 열이 방산되면 도구의 수명이 연장되고, 생산성이 증대되며 고품질의 마감처리된 금속 생성물을 얻게 된다. 여러 가지 오일 기초 금속 가공유는 금속 가공 공정에서 마찰이 효과적으로 감소되도록 황화 및/또는 염소화된 오일을 함유한다. 상기 황화 오일은 흔히 황 함량이 높고 따라서 금속 가공도중, 특히 금속 가공 공정시 상당한 열이 발생하는 경우, 악취 문제가 야기된다. 많은 오일 기초 금속 가공유의 효율성에도 불구하고, 상기 유체는 악취 문제뿐만 아니라 처리 문제, 증기에 의한 건강 문제, 안전성 문제 및 비용으로 인하여 수성 기초한 금속 가공유의 사용에 대한 수요가 증대되고 있다. 수성기초 금속 가공유는 오일 기초 금속 가공유에 비하여 처리, 건강, 안전성 및 이용에 관한 문제가 보다 감소됨을 발견하였다. 수성 기초 금속 가공유는 냉각 작용이 우수하고 발화 위험이 낮으며 흔히 처리하기가 쉽고 오일 기초 금속 가공유에 비하여 가격이 저렴하다. 이러한 잇점에도 불구하고, 수성 기초 금속 가공유는 오일 기초 금속 가공유에 비하여 낮은 성능(예를 들면 마찰 감소성 저하)을 타나낸다. 성능이 보다 낮으므로 종종 생산성 및 도구의 수명이 감소된다. 이와 같은 감소로 인해 부품의 단가가 상승된다.
금속 가공 공정은 절단 및 비-절단 공정에 의해 금속 소재(workpiece)를 기계적으로 성형 및 가공한다. 상기 절단 방법은 예를 들면 드릴링, 연삭, 밀링, 태핑(tapping), 터닝 및 브로우칭(broaching)을 포함한다. 비-절단 공정으로는 예를 들어 압연, 압출(estrusion), 드로잉(drawing)과 아이러닝, 펀칭, 스탬핑 및 스티닝 공정을 포함한다.
강력 금속 가공 공정의 성능 및 상기 공정이 수행되는 조건을 개선할 필요가 계속 있어 왔다. 수성 기초 금속 가공유의 안전, 환경 및 경제적인 잇점면에서, 이와 같은 유체는 강력 금속 가공 공정을 개선하고 오일(즉 비-수성) 기초 유체의 단점을 극복할 수 있는 가공유로 사용될 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 금속 가공 방법, 특히 강력 금속 가공 방법을 개선하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 종래 강력 금속 가공 공정에 의한 단점이 없는 강력 금속 가공 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 금속 가공 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 강력(heavy duty) 금속 가공 방법 및 나아가서는 밀링(milling), 터어닝(turning), 드릴링(drilling), 소우잉(sawing) 및 연삭(grinding)와 같은 금속 절단 방법에서 생성되는 칩(chip)형태의 생성물이 생성되지 않고 금속 물체를 형성하는 강력(heavy duty)금속 가공 방법에 관한 것이다. 나아가 본 발명은 황화 수성 금속 가공유를 사용한 강력 금속 가공 방법에 관한 것이다.
상기한 목적 및 기타 다른 목적은 본 발명에 의한 금속 가공 방법에 대한 상세한 설명으로부터 이 기술 분야에서 숙련된 자에게 명백해질 것이다. 본 발명에 의하면 소재를 기계적으로 성형하기 위하여, pH가 알칼리성이며, 물, 황과 황결합을 갖는 황화된 오일, 최소 하나의 말단 히드록시기를 갖으며 분자량이 약 1000-8000인 옥시에틸렌/옥시프로필렌 블록(block) 혹은 랜덤(radom) 공중합체 및 5-22 개의 탄소 원자를 갖는 지방산을 포함한 수성 유체 조성물의 존재하에 금속 소재와 기기를 접촉시키는 단계를 포함하는 금속 가공 방법이 제공된다. 상세한 설명과 첨부된 청구범위 및 본 발명과 관련하여 본 명세서에서 사용된 구 금속 가공 방법은 펀칭, 천공(穿孔, piercing), 압인, 스웨이징(swaging), 스피닝, 스탬핑, 압연, 신선, 압출, 연신, 아이러닝 및 단조(鍛造, forging)방법으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 방법일 수 있다. 상기 방법은 모두 본질적으로 칩을 형성하지 않는 금속 가공 방법임을 특징으로 한다. 상기 금속 소재로는 예를 들면 알루미늄, 철, 강철, 스테인리스 스틸, 압연강, 구리, 놋쇠, 티타늄 및 이들 금속의 여러 가지 함금을 포함한다.
본 발명에 의하여 직쇄오일(즉, 비-수성) 기초 금속 가공유 조성물을 사용하는 종래의 금속 가공 방법에 비하여 많은 단점, 특히 안전(예를 들어 불, 연기 및 미끄러운 상황) 및 환경(예를 들어 냄새, 매연 및 처리)에 관한 단점을 극복하는 금속 가공방법이 제공된다. 더욱이 본 발명에 의하여 수성 기초 금속 가공유를 사용하여 종래 기술에 비하여 성능이 좋은(예를 들어, 도구 수명의 연장) 금속 가공 방법이 제공된다. 본 발명에 의한 금속 가공 방법의 성능은 성형력의 감소, 마찰 감소, 열의 감소, 기구 수명의 연장 및 생산성 증대를 특징으로 한다. 성형력, 마모성 및 마찰이 감소됨으로써 연마물간에 기기의 수명이 증대되며(즉, 수용가능한 질의 부품을 계속하여 생성하는데 요구되는 정도로 기기를 뾰족하게 연마하기 전에 기기로 보다 많은 부품을 생성하게 된다), 이는 연마 공정 사이의 도구의 이용성이 증대되고, 주어진 시간에 걸친 연마 공정이 감소되며, 도구를 교환하기 위해 소요되는 비작동 시간(down time)이 보다 감소되고, 무딘 도구를 대체할 필요성이 감소되며 생산성이 개선됨을 의미한다. 성형력 및 마찰이 감소됨으로써, 또한 고철(scrap)의 부품의 생성이 감소되고 부품의 질이 개선된다. 본 발명에 의한 가공 방법에 있어서, 기기 예를 들어, 펀칭 펀치, 성형 다이, 롤 , 스탬핑 다이, 스웨이징 도구, 연신 다이, 압출 다이 및 천공 도구는 금속 소재(예를 들어 강철, 알루미늄, 구리, 놋쇠 등)에 기계적인 성형력이 접촉 및 적용되도록 하여 소재 혹은 이들의 일부를 성형하고 때때로 천공하거나 전단하게 된다(예를 들어 소재에 동공을 펀칭한다). 본 발명에 의한 방법에 있어서, 공정 도중의 도구는 형태 및 구조면에서 다양하나 모두 금속소재를 성형하는 작용을 한다. 본 발명에 의한 금속 가공 방법에서는 칩-형성 금속 가공(즉, 금속 절단) 방법 혹은 예를 들어, 밀링, 터닝, 드릴링, 태핑, 브로우칭, 소잉 및 연삭 방법과 같은 칩 형성 금속 가공(즉, 금속 절단) 혹은 작업에서 일반적으로 생성되는 칩이 형성되지 않으며 따라서 본 명세서에서 예시한 바와 같은 칩 형성 금속 절단 공정을 포함하지 않는다. 그러므로 본 발명에 의한 금속 가공 방법은 본질적으로 칩을 생성하지 않는 금속 성형 방법이며 따라서 이 기술 분야에 공지되어 있는 칩 생성 금속 절단 공정 및 본 명세서에 예시한 바와 같은 방법은 포함하지 않는다. 전형적으로 칩을 형성하지 않는 금속 가공 방법(예를 들어 펀칭, 연신, 압연등)은 금속 가공유를 사용하지 않는 칩 형성 금속 가공 방법에 비하여 보다 큰 성형력이 사용되며, 보다 많은 열이 발생하는 것으로 이 기술 분야에 알려져 있다. 또한 칩을 형성하지 않는 금속 성형 방법에서는 칩을 형성하는 금속 성형 방법에 비하여 도구와 금속 소재간에 접촉 표면적이 넓다. 따라서 본 발명에 의한 금속 가공 방법은 금속을 절단하여 칩을 형성하는 금속 성형 방법에 비하여 가혹한 조건하에서 적용됨으로 강력 금속 가공 방법으로 알려져 있다. 본 명세서에서 사용된 용어 금속가공 및 금속 성형이란 동일한 의미로 본 발명에 의한 강력 금속 가공 방법에 대하여 상호교환적으로 사용된다.
이하, 여러 가지 실시예 및 이들의 실시를 참조하여 본 발명에 대하여 설명한다.
본 명세서에 개시되고 청구된 발명에 의하면 소재를 도구로 기계적으로 성형하기 위하여 금속 소재와 도구를 접촉하는 단계; 상기 소재에 도구로 기계적인 힘을 적용하는 단계; 및 도구와 소재사이의 경계면에 pH가 알칼리성이며 물, 총 유체를 기준으로 지방산(바람직하게는 5-22개의 탄소원자를 갖는 지방산) 최소 1.0 중량%. 황과 황의 결합을 갖는 황화 오일, 총 유체의 중량을 기준으로 최소 하나의 히드록시기를 갖으며 분자량이 약 1000-8000인 옥시에틸렌/옥시프로필렌 랜덤 혹은 블록 공중합체 최소 0.5중량% 및 임의의 유기 포스페이트 에스테르를 포함하고, 총 유체의 중량을 기준으로 화학적으로 결합한 황을 최소 0.4 중량% 함유하는 수성 유체 조성물을 적용하는 단계;를 포함하는 금속 가공 방법이 제공된다. 상기 지방산, 황화 오일 및 임의의 포스페이트 에스테르는 바람직하게는 본질적으로 물 불용성 물질이다.
본 발명의 일 실시에 있어서, 상기 소재를 기계적으로 성형하기 위하여 금속 소재와 펀칭 도구를 접촉하는 단계; 상기 소재에 펀칭 도구로 기계적인 힘을 적용하는 단계; 및 상기 소재와 펀칭 도구사이의 경계면에 pH가 알칼리성이며 물, 총 유체를 기준으로 지방산(바람직하게는 5-22개의 탄소원자를 갖는 지방산) 최소 1.0 중량%. 황과 황의 결합을 갖는 황화 오일, 총 유체의 중량을 기준으로 최소 하나의 히드록시기를 갖으며 분자량이 약 1000-8000인 옥시에틸렌/옥시프로필렌 랜덤 혹은 블록 공중합체 최소 0.5중량% 및 임의의 유기 포스페이트 에스테르를 포함하고, 총 유체의 중량을 기준으로 화학적으로 결합한 황을 최소 0.4 중량%함유하는 수성 유체 조성물을 적용하는 단계;를 포함하는 펀칭방법이 제공된다. 바람직하게는 상기 지방산, 황화 오일 및 임의의 포스페이트 에스테르는 본질적으로 물 불용성 물질이다.
본 발명의 또 다른 실시에 있어서, 소재를 기계적으로 성형하기 위하여 금속 소재와 스탬핑 도구를 접촉하는 단계; 상기 소재와 스탬핑 도구로 기계적인 힘을 적용하는 단계; 및 상기 소재와 펀칭 도구사이의 경계면에 pH가 알칼리성이며 물, 총 유체를 기준으로 지방산(바람직하게는 5-22개의 탄소원자를 갖는 지방산) 최소 1.0 중량%. 황과 황의 결합을 갖는 황화 오일, 총 유체의 중량을 기준으로 최소 하나의 히드록시기를 갖으며 분자량이 약 1000-8000인 옥시에틸렌/옥시프로필렌 랜덤 혹은 블록 공중합체 최소 0.5중량% 및 임의의 유기 포스페이트 에스테르를 포함하고, 총 유체의 중량을 기준으로 화학적으로 결합한 황을 최소 0.4 중량%함유하는 수성 유체 조성물을 적용하는 단계;를 포함하는 스탬핑방법이 제공된다. 상기 지방산, 황화 오일 및 임의의 포스페이트 에스테르는 본질적으로 바람직하게는 물 불용성 물질이다.
나아가 본 발명에 의한 실시예로서 소재를 기계적으로 성형하기 위하여 금속 소재와 압인(coining)도구를 접촉하는 단계; 상기 소재에 압인 가공 도구로 기계적인 힘을 적용하는 단계; 및 도구와 소재사이의 경계면에 pH가 알칼리성이며 물, 총 유체를 기준으로 지방산(바람직하게는 5-22개의 탄소원자를 갖는 지방산) 최소 1.0 중량%. 황과 황의 결합을 갖는 황화 오일, 총 유체의 중량을 기준으로 최소 하나의 히드록시기를 갖으며 분자량이 약 1000-8000인 옥시에틸렌/옥시프로필렌 랜덤 혹은 블록 공중합체 최소 0.5중량% 및 임의의 유기 포스페이트 에스테르를 포함하고, 총 유체의 중량을 기준으로 화학적으로 결합한 황을 최소 0.4 중량%함유하는 수성 유체 조성물을 적용하는 단계;를 포함하는 압인방법이 제공된다. 상기 지방산, 황화 오일 및 임의의 포스페이트 에스테르는 본질적으로 바람직하게는 물 불용성 물질이다.
나아가 본 발명의 또다른 실시예로서 소재를 기계적으로 성형하기 위하여 금속 소재와 스웨이징 도구를 접촉하는 단계; 상기 소재에 스웨이징 도구로 기계적인 힘을 적용하는 단계; 및 스웨이징 도구와 소재사이의 경계면에 pH가 알칼리성이며 물, 총 유체를 기준으로 지방산(바람직하게는 5-22개의 탄소원자를 갖는 지방산) 최소 1.0 중량%. 황과 황의 결합을 갖는 황화 오일, 총 유체의 중량을 기준으로 최소 하나의 히드록시기를 갖으며 분자량이 약 1000-8000인 옥시에틸렌/옥시프로필렌 랜덤 혹은 블록 공중합체 최소 0.5중량% 및 임의의 유기 포스페이트 에스테르를 포함하고, 총 유체의 중량을 기준으로 화학적으로 결합한 황을 최소 0.4 중량%함유하는 수성 유체 조성물을 적용하는 단계;를 포함하는 스웨이징방법이 제공된다. 바람직하게는 상기 지방산, 황화 오일 및 임의의 포스페이트 에스테르는 본질적으로 물 불용성 물질이다.
나아가 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 소재를 기계적으로 성형하기 위하여 금속 소재와 압연도구를 접촉하는 단계; 상기 소재에 압연 도구로 기계적인 힘을 적용하는 단계; 및 상기 소재와 압연 도구사이의 경계면에 pH가 알칼리성이며 물, 총 유체를 기준으로 지방산(바람직하게는 5-22개의 탄소원자를 갖는 지방산) 최소 1.0 중량%. 황과 황의 결합을 갖는 황화 오일, 총 유체의 중량을 기준으로 최소 하나의 히드록시기를 갖으며 분자량이 약 1000-8000인 옥시에틸렌/옥시프로필렌 랜덤 혹은 블록 공중합체 최소 0.5중량% 및 임의의 유기 포스페이트 에스테르를 포함하고, 총 유체의 중량을 기준으로 화학적으로 결합한 황을 최소 0.4 중량%함유하는 수성 유체 조성물을 적용하는 단계;를 포함하는 압연방법이 제공된다. 바람직하게는 상기 지방산, 황화 오일 및 임의의 포스페이트 에스테르는 본질적으로 물 불용성 물질이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면 소재를 기계적으로 성형하기 위하여 금속 소재와 압출 도구를 접촉하는 단계; 상기 소재에 압출 도구로 기계적인 힘을 적용하는 단계; 및 상기 소재와 압출 도구사이의 경계면에 pH가 알칼리성이며 물, 총 유체를 기준으로 지방산(바람직하게는 5-22개의 탄소원자를 갖는 지방산) 최소 1.0 중량%. 황과 황의 결합을 갖는 황화 오일, 총 유체의 중량을 기준으로 최소 하나의 히드록시기를 갖으며 분자량이 약 1000-8000인 옥시에틸렌/옥시프로필렌 랜덤 혹은 블록 공중합체 최소 0.5중량% 및 임의의 유기 포스페이트 에스테르를 포함하고, 총 유체의 중량을 기준으로 화학적으로 결합한 황을 최소 0.4 중량%함유하는 수성 유체 조성물을 적용하는 단계;를 포함하는 펀칭방법이 제공된다. 바람직하게는 상기 지방산, 황화 오일 및 임의의 포스페이트 에스테르는 본질적으로 물 불용성 물질이다.
나아가 본 발명의 또 다른 실시예로서 소재를 기계적으로 성형하기 위하여 금속 소재와 연신도구를 접촉하는 단계; 상기 소재에 연신도구로 기계적인 힘을 적용하는 단계; 및 상기 소재와 연신 도구 사이의 경계면에 pH가 알칼리성이며 물, 총 유체를 기준으로 지방산(바람직하게는 5-22개의 탄소원자를 갖는 지방산) 최소 1.0 중량%. 황과 황의 결합을 갖는 황화 오일, 총 유체의 중량을 기준으로 최소 하나의 히드록시기를 갖으며 분자량이 약 1000-8000인 옥시에틸렌/옥시프로필렌 랜덤 혹은 블록 공중합체 최소 0.5중량% 및 임의의 유기 포스페이트 에스테르를 포함하고, 총 유체의 중량을 기준으로 화학적으로 결합한 황을 최소 0.4 중량%함유하는 수성 유체 조성물을 적용하는 단계;를 포함하는 연신방법이 제공된다. 바람직하게는 상기 지방산, 황화 오일 및 임의의 포스페이트 에스테르는 본질적으로 물 불용성 물질이다.
본 발명에 의한 방법에 있어서, pH가 알칼리성인 수성 유체 조성물은 물, 총 유체의 중량을 기준으로 지방산 최소 1.0 중량%. 황과 황의 결합을 갖는 황화 오일, 총 유체의 중량을 기준으로 최소 하나의 히드록시기를 갖으며 분자량이 약 1000-8000인 옥시에틸렌/옥시프로필렌 랜덤 혹은 블록 공중합체 최소 0.5중량% 및 임의의 유기 포스페이트 에스테르를 포함하고, 총 유체의 중량을 기준으로 화학적으로 결합한 황을 최소 0.4 중량%함유한다. 본 발명의 방법에서 수성 유체 조성물에 유용한 지방산은 이로서 한정하는 것은 아니나 소르브산, 올레산, 리놀레산, 리놀렌산, 엘레오스테아르산, 라칸산, 리시놀레산, 팔미톨레산, 페트로셀렌산, 바센산, 에루크산, 스테아롤산, 라우르산, 스테아르산, 미리스트산 및 팔미트산을 포함한다. 포화 지방산과 물포화 지방산이 사용될 수 있다. 예를 들어 라아드, 토올유(tall oil), 코코넛유, 유채유(rapessed oil), 참깨유(sesame seed oil), 야자핵유(palm kernel oil), 올리브유, 옥수수유, 면실유, 공업용 우지(tallow), 콩기름, 땅콩 기름, 피마자유, 바다표범(seal) 기름, 고래 기름 및 기타 어류 기름과 같은 동물성 및 식물성 원료로부터 유도된 지방산이 사용될 수 있다. 바람직하게는 상기 지방산은 5-22개의 탄소원자를 갖는다. 또한 바람직하게는 상기 지방산은 물 불용성이다.
본 발명의 방법에 의한 수성 유체 조성물의 실시에 유용한 황화 오일은 황화 지방 및 황화 지방산 오일을 포함하나 이로서 한정하는 것은 아니며, 이 기술 분야에서 잘 알려진 방법으로 제조되는 동물성 혹은 식물성 원료일 수 있다. 황화 지방 및 지방산 오일의 예로는 황화 공업용 우지, 황화 고래 기름, 황화 야자유, 황화 코코넛유, 황화 라아드유, 황화 피마자유 및 황화 유채유를 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. 황화 지방 및 황화 지방산 오일은 예를 들어 적절한 황화제(예를 들어 황, 황화수소, 할로겐화 황, 황화 나트륨 혹은 이산화황)과 상기 지방 혹은 지방상 오일을 높은 온도(예를 들어 50℃-350℃)에서 비활성 용매 존재하에 반응시킴으로써 제조될 수 있다. 상기 황화 지방 및 황화 지방산 오일은 예를 들어 황 2-45 중량%를 함유할 수 있다. 황화 올레핀 및 황화 미네랄 오일은 본 발명의 실시에 있어서 황화 오일로서 사용될 수 있다. 황화 올레핀은 황화 폴리올레핀류, 특히 예를 들어 황화 에틸렌 및 황화 저분자량 폴리에틸렌과 같은 황화 저분자량 폴리올레핀류를 포함할 수 있다. 상기 황화 올레핀 및 황화 저분자량 폴리올레핀은 예를 들어 황화 혹은 황화제(예를 들어 황화수소 및 이산화황)와 올레핀을 100-350℃의 온도에서 용매 매질 존재하에 혹은 부재하에 그리고 비활성 분위기하에 반응시키는 것과 같은 이 기술 분야에 공지되어 있는 방법으로 제조할 수 있다. 황 함량이 5-45중량%, 바람직하게는 30-45 중량%인 황화 올레핀류 및 황화 폴리올레핀류가 본 발명의 실시에 사용될 것이다. 황화 지방 혼합물, 황화 지방산 오일 혼합물 및 황화 올레핀 혼합물뿐만 아니라 황화 지방과 황화 지방산 오일의 혼합물, 황화 지방과 황화 올레핀의 혼합물 및 황화 지방산 오일과 황화 올레핀의 혼합물이 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 본 발명에 의하면 금속 가공 방법에 사용되는 수성 유체 조성물의 황화 오일 성분은 황과 황의 결합을 갖는 것이 주지되어 있다.
최소 하나의 말단 히드록시기를 갖고 평균 분자량이 약 1000-8000인 옥시에틸렌/옥시프로필렌 블록 혹은 랜덤 공중합체는 상기 중합체의 최소 일측에 결합된 말단 히드록시기를 갖는다. 상기 옥시에틸렌/옥시프로필렌 공중합체는 랜덤 혹은 블록 공중합체일 수 있다. 예를 들어 상기 공중합체는 양쪽 말단이 폴리옥시에틸렌 부분으로 종결된 중심 폴리옥시프로필렌 부분을 갖거나 혹은 양측에 폴리옥시에틸렌 부분으로 종결된 옥시에틸렌/옥시프로필렌의 랜덤 혹은 블록 공중합체의 중심부를 갖는다. 상기 공중합체는 말단 옥시프로필렌 혹은 옥시에틸렌 부분 혹은 일측 말단 옥시프로필렌과 일측 말단 옥시에틸렌 부분을 갖을 수 있다. 본 발명의 금속 가공 방법에 사용되는 수성 유체 조성물에 평균 분자량이 1000-8000, 바람직하게는 2500-6500인 히드록시 말단 종결된 옥시에틸렌/옥시프로필렌 공중합체가 사용될 수 있다. 상기 기술에서 잘 알려진 방법은 본 발명의 실시에 유용한 히드록시 말단종결된 옥시에틸렌/옥시프로필렌 공중합체 제조에 사용될 수 있다. 본 발명의 실시에 유용한 히드록시 말단종결된 옥시에틸렌/옥시프로필렌 공중합체의 예로는 이로서 한정하는 것은 아니나, Pluronic L 101(평균 분자량 3800, 25℃에서 점도 800 센티포이즈(cps)), Pluronic L 64(평균 분자량 2900, 25℃에서 점도 550cps), Pluronic L 10(평균 분자량 3100, 25℃에서 점도 660cps), Pluronic P 75(평균 분자량 4250, 25℃에서 점도 420cps), 및 Pluronic 10 R8(평균 분자량 4500, 25℃에서 점도 420cps), 이들은 모두 BASF Corporation로부터 이용가능함;로서 알려진 통상 이용가능한 히드록시 말단 종결된 옥시에틸렌/옥시프로필렌 공중합체를 포함한다. Pluronic은 BASF Corporation의 등록 상표이다. 본 명세서에서 개시되고 청구된 금속 가공 방법의 수성 유체 조성물에서 히드록시 말단 종결된 옥시에틸렌/옥시프로필렌 공중합체로서 평균 분자량이 약 4,000인 에틸렌 옥사이드 말단 종결된 에틸렌 옥사이드/프로필렌 옥사이드 공중합체 디올을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법에 의한 수성 유체에 임의로 유기 포스페이트 에스테르가 사용되며 그 예로서 이로서 한정하는 것은 아니나 폴리(옥시-1,2-에탄디일) α-이소데실-ω히드록시 포스페이트, (p-노닐페닐)
Figure kpo00001
히드록시 폴리(옥시에틸렌)포스페이트, α(p-노닐페닐)
Figure kpo00002
히드록시폴리(옥시에틸렌)모노 및 디하이드로겐 포스페이트 에스테르의 혼합물, 폴리(옥시-1,2-에탄디일)
Figure kpo00003
(p-노닐페닐)
Figure kpo00004
히드록시 포스페이트를 포함한다. 상기 유기 포스페이트 에스테르는 화학 분야에서 잘 알려진 방법, 예를 들어 알코올과 알킬렌 옥사이드를 반응시켜 얻어진 축합 산물을 인산으로 에스테르화하여 제조할 수 있다. 본 발명의 실시에 있어서 수성 유체 조성물에 유기 포스페이트 에스테르를 사용하는 것이 바람직하며 상기 유기 포스페이트 에스테르로는 폴리(옥시-1,2-에탄디일)α-이소데실-ω히드록시 포스페이트가 바람직하다. 필요로 하는 것은 아니지만, 유기 포스페이트 에스테르는 고압 윤활 특성을 나타냄으로 이로운 것으로 여겨진다.
본 발명의 방법에 의한 수성 유체 조성물에서 물, 지방산, 황화 오일, 최소 하나의 말단 히드록시기를 갖으며 평균 분자량이 약 1000-8000인 옥시에틸렌/옥시프로필렌 블록 혹은 랜덤 공중합치 및 임의의 유기 포스페이트 에스테르의 농도는 넓은 범위에 걸쳐 다양하게 변화시킬 수 있다. 수성 유체 조성물의 총중량을 기준으로 물 약 0.5-98.0중량
Figure kpo00005
, 지방산 약 0.5-80중량
Figure kpo00006
, 황화 오일 약 0.5-75중량
Figure kpo00007
, 최소 하나의 말단 히드록시기를 갖고 평균 분자량이 약 1000-8000인 옥시에틸렌/옥시프로필렌 블록 혹은 랜덤 공중합체 약 0.5-20중량% 및 유기 포스페이트 에스테르 약 0.5-20중량%가 사용될 수 있다. 이들 5가지 성분 각각의 특정량 혹은 양의 범위는 이 기술 분야에서 공지되어 실시되고 있는 바와 같이, 화학적 조성, 물리적 특성, 제조된 혼합물 및 수성 유체 조성물이 사용되는 금속 가공 방법의 조건에 따라 변화될 수 있다.
본 발명의 수성 유체 조성물에 예를 들어 이 기술 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 예를 들어 부식 저해제, 살생물제, 살균제, 살충제, 계면활성제, 산화방지제, 소포제 및 이 기술 분야에 공지되어 있는 금속 입자 침전제와 같은 여러 가지 첨가제가 통상의 양으로 첨가될 수 있다.
본 발명의 금속 가공 방법에 따라 수성 유체 조성물은 금속 가공유를 제조함에 있어서 그리고 제조하기 위하여 잘 알려진 장치를 사용하여 이 기술 분야에서 공지된 방법으로 제조될 수 있다. 본질적으로 상기 수성 유체 조성물에 유체의 성분을 별도로 첨가하거나 혹은 혼합함으로써 제조될 수 있으며, 전형적으로는 각 유기 성분을 물에 별도로 첨가하여 제조할 수 있다. 그러나 또한 둘 이상의 유기 성분을 물리적으로 혼합한 다음 상기 혼합물을 물 혹은 제조하려는 조성물에 첨가하는 것이 또한 알려져 있다. 상기 방법은 또한 본 발명의 방법에 의한 금속 가공 방법에 사용되는 수성 유체 조성물 제조에 사용될 수 있다.
이 기술 분야에서 수성 유체 조성물(예를 들어 수성 금속가공유 조성물)을 농축된 형태로 제조하고 수송하는 것이 통상 예이다. 그런 다음 최종 사용자(즉 유체 사용자)가 상기 농축된 형태를 물로 사용 농도로 희석하여 희석된 유체를 금속 가공 작업에 사용할 수 있다. 상기 유체의 농축물 형태는 소량의 물, 전형적으로는 10% 이하의 물을 보통 포함한다. 그러나 제조되고 수송되는 유체 조성물에 다량의 물이 함유되어 있을 수 있으며, 이런 경우 물로 더욱 희석하여 유체를 최종 사용 농도가 되도록 할 수 있다. 상기 수성 유체를 농축물 형태로 제조 및 수송하는 잇점은 사용자가 유체에 물을 경제적으로 첨가하여 필요로 하는 농도를 얻게 되므로 유체 생산자로부터 유체 소비자에게 다량의 물이 운반되지 않는 것이다. 따라서 상기 수성 유체 조성물을 농축된 형태로 제조하고 수송함으로써 유체를 최종 사용 농도로 제조 및 수송하는데 비하여 경제적으로 이로운 것이다. 상기 상세한 설명 및 첨부된 청구범위로부터 본 발명의 방법에 의한 수성 유체 조성물이 본 발명의 방법에 사용되는 바와 같이 유체의 마지막 사용 형태(즉, 유체내의 성분 농도)일 수 있다.
본 발명에 의한 금속 가공 방법은 필수적으로 개시 및 청구하고 있는 소재를 기계적으로 성형하기 위하여 금속 소재에 도구를 접촉시키는 단계, 상기 소재에 도구로 기계적인 힘을 적용하는 단계, 및 상기 소재와 도구사이의 경계면에서 본 명세서에서 개시 및 청구하고 있는 수성 유체 조성물을 공급하는 단계에 부가적인 단계(즉 상기 방법이외에 추가적으로 개시 및 청구하고 있는 단계)를 포함하거나 사용될 수 있다. 열거하지는 않았으나 이 기술 분야에서 숙련된 자에게 잘 알려진 상기 부가 단계는 본 명세서에서 개시 및 청구하고 있는 금속 가공 방법의 범위에 포함된다. 본 발명의 금속 가공 방법에 의한 수성 유체 조성물은 본 명세서에 개시 및 청구하고 있는 금속가공 방법에서 필요로 하는 단계를 행하기 전에 예를 들어 소재에 분무하고 스트림(stream), 세척(flooding), 침지 및 예비코팅하는 것과 같이 이 기술 분야에 잘 알려진 여러 가지 방법 중 어떠한 방법으로 도구와 소재사이의 경계면에 적용될 수 있다.
본 명세서에서 개시 및 청구하고 있는 금속 가공 방법에서 기계적 성형이란 소재의 형태를 성형하거나 변화시키기 위해 단단한 물체 혹은 도구를 수단으로 하여 소재에 물리적 힘을 적용함으로써 금속 소재를 성형함을 의미하며, 단어 도구란 소재에 성형력을 접촉 및 적용하는 고형 성형체를 의미하며 기계적인 힘이란 상기 도구에 의해 금속 소재에 적용되는 물리적인 힘을 의미한다.
본 발명에서 개시 및 청구하고 있는 범위에 속하는 금속 가공 형태를 모사하여 실험실에서 모의실험한 금속 가공 방법은 Tinius Olsen Testing Machine Company에서 이용가능한 Tinuis Olsen Ductomatic Sheet Metal Tester Model A 12 및 Instruction Manual 에 기재된 AEG Flat Bottom Cup 도구와 두께가 0.82 밀리미터(mm)인 ACT 냉연 1008 카본 강철과 함께 사용하여 Tinius Olsen Testing Machine Company에서 1970년 6월에 발행된 Instruction Manual IB #70-6, Sections V에 기재된 the Deep Draw Cup Test 시험을 행하였다. 블랭크(blank) 직경은 73 mm, 펀치 직경은 33mm 이고 연신비는 2.2 였다. Tinius Olsen Ductomatic Sheet Metal Tester Model A 12로 실험실에서 모의실험한 금속가공 방법은 컵 형태의 금속 물품을 제조하는 일종의 딥 드로우(deep draw)공정이다. 상기 실험실에서 모의실한 딥 드로우 방법에서 금속 블랭크를 컵 모양의 다이상에 놓고(즉 고정하고) 컵 성형 펀치를 상기 블랭크에 접촉하고 블랭크 금속이 다이로 힘을 받도록 블랭크에 대하여 펀치를 눌러서 압축되어 컵 형태의 금속 물체를 형성하였다. 상기 성형 방법은 실패(즉 컵 모양을 성형하는 동안 금속의 파열)될 때까지 각각 새로운 블랭크에 적용되는 클램프 힘(clamping force)를 증가시키면서 계속적으로 새로운 블랭크상에서 반복하였다. 실패되었을 때 블랭크에 대한 클램프 힘을 관찰 및 기록하였다. 컵 성형 공정을 진행하기 전에 브러쉬하여 각 블랭크의 양쪽 표면에 윤활유를 적용하였다. 컵 성형 작업 도중 실패(즉, 파열)하기 전에 블랭크에 적용될 수 있는 클램프의 힘이클수록 윤활유의 윤활성(즉, 마찰 및 힘이 감소되는 성능)이 커진다. 따라서 윤활유의 윤활성이 클수록 우수한 유체이며 이와 같은 유체를 사용하는 공정에 대한 성능이 증대되어 도구의 마모가 감소되고 도구 수명은 연장된다.
하기 유체 조성물을 상기 실험실 모의실험 금속가공 방법에 사용하였다.
[유체 조성물 1]
Tuf-Draw 43250E-30% 염소를 함유하는 직쇄 오일(비-수성) 조성물 (Franklin Oil Corporation으로부터 이용 가능), Tuf-Draw는 Franklin Oil Corporation의 등록 상표이다.
[유체 조성물 2]
Figure kpo00008
[유체 조성물 3]
Figure kpo00009
[유체 조성물 4]
Figure kpo00010
Figure kpo00011
(1)평균 분자량이 3,800이고 클라우드 포인트(cloud point)(1
Figure kpo00012
수용액)가 15
Figure kpo00013
이며 25
Figure kpo00014
에서 점도가 800센티포이즈
Figure kpo00015
인 에틸렌 옥사이드 말단종결된 에틸렌 옥사이드/프로필렌 옥사이드 공중합체 디올.
(2)100
Figure kpo00016
F에서의 점도가 1200-1400 SUS, 산값이 74이며 비중이 0.95인 분자량 400인 폴리에틸렌 크리콜의 집아산 에스테르.
(3)염소가 60
Figure kpo00017
인 염소화 올레핀.
(4)황화 라아드유.
(5)폴리(옥시-1,2-에탄디일)
Figure kpo00018
-이소테실-
Figure kpo00019
히드록시-포스페이트.
유체 조성물 2,3 및 4는 상기한 실험실에서의 모의실험 금속 가공 방법에 사용하기 전에 유체 조성물 30%, 물 70%가 되도록 물로 희석하였다. 유체 조성물 1은 그대로 사용하였다(즉 희석하지 않음), 하기 결과를 얻었다.
Figure kpo00020
상기 결과로부터 유체 조성물 3 및 4(본 명세서에 개시 및 청구하고 있는 발명의 금속 가공 방법에 의한 조성물)을 사용하여 실험실에서 모의실험한 금속 가공 방법은 유체 조성물 1, 직쇄 오일(2400 lbs.)을 사용한 실험실에서의 모의 실험 금속 가공 방법 및 유체 조성물 2, 본 명세서에 개시 및 청구하고 있는 금속 가공 방법의 수성 유체 조성물에 의한 것이 아닌 수성 유체 조성물을 사용하여 실험실에서 모의 실험한 금속 가공 방법에 비하여 이와 동일하거나 보다 우수한 결과(각각 2400 lbs. 및 3000lbs)를 나타냄을 쉽게 알 수 있다.
본 발명에 의한 금속가공 방법의 범위내에서 강력한 통상의 펀치/천공(pierce) 작업 금속 가공 방법 실험을 상기한 유체 조성물 1, 2 및 4를 사용하여 행하였다. 유체 조성물 1은 그대로 사용하였다. 유체 조성물 2 및 4는 물을 사용하여 유체 조성물 30중량% 대 물 60중량%가 되도록 하였다. 펀치/천공 작업에서 수압 프레스(hydraulic press)내에서 8개의 펀치를 사용하여 두께 11밀리미터(mm.)인 1060 고 탄소 강철 플랜지 부품에서 8개의 구멍을 동시에 펀치하였다. 상기 구멍 크기는 5개가 12.5mm, 2개가 16.5mm 그리고 1개가 21.0mm였다. 상기 유체 조성물은 펀치/천공 작업 도중에 펀치상에 분무하였다. 다음과 같은 결과를 얻었다.
Figure kpo00021
유체 조성물 4를 사용한 펀치/천공 작업에서는 유체 조성물 1을 사용한 펀치/천공 작업시 야기되는 연기 및 냄새 문제가 발생되지 않았다. 펀치 도구를 연마하기 전에 유체 조성물 4로 펀치 천공 작업에서 얻어지는 타격 수는 유체 조성물 1 및 2로 펀치/천공 작업을 하는 경우에 비하여 많은 것으로 관찰되었다. 이 결과는 유체 조성물 1 및 2를 사용하여 펀치/천공 작업에서 얻어지는 것보다 본 명세서에서 개시 및 청구하고 있는 본 발명에 의하여 펀치/천공 금속 가공 방법에서 도구 수명이 보다 연장되는 결과를 나타냈다.
본 명세서에서 개시 및 청구하고 있는 본 발명의 바람직한 실시에 있어서 금속 가공 방법은 펀칭 방법이고, 지방산은 토올유 지방산이며, 황화 오일은 황화 라아드 유 및 황 38.7%를 함유하는 황화 올레핀이며, 최소 하나의 말단 히드록시기를 갖으며 평균 분자량이 약 1000-8000인 옥시에틸렌/옥시프로필렌 블록 혹은 랜덤 공중합체는 평균 분자량이 3800인 에틸렌 옥사이드 말단종결된 에틸렌 옥사이드/프로필렌 옥사이드 공중합체 디올이며 유기 포스페이트 에스테르는 폴리(옥시-1,2-에탄디이)α-이소데실-ω-히드록실-포스페이트형 포스페이트 에스테르이다.
본 발명의 여러 실시예가 본 명세서에 기재되었다. 그러나 그밖의 실시예도 이 기술 분야에 숙련된 자에 의해 상세한 설명으로부터 인지될 수 있다. 본 명세서에 청구된 발명은 이와 같은 기타 실시예까지 포함할 것이다.
상기한 바와 같은 황화 수성 금속 가공유를 사용한 강력 금속 가공 방법에 따르면, 공정이 수행되는 조건을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 또한 상기 금속 가공 qdkqj에 따르면 힘이 적게 들고 마찰이 감소되며 도구 수명이 개선된다.

Claims (18)

  1. 소재(workpiece)를 기계적으로 성형하기 위하여 금속 소재와 도구를 접촉하는 단계; 상기 소재에 도구로 기계적인 힘을 적용하는 단계; 및 상기 소재와 도구 사이의 경계면 pH가 알칼리성이며, 물, 총 유체를 기준으로 지방산(바람직하게는 5-22개의 탄소 원자를 갖는 지방산) 최소 1.0중량%, 호아과 황의 결합을 갖는 황과 오일, 총 유체의 중량을 기준으로 최소 하나의 히드록시기를 갖으며 분자량이 약 1000-8000인 옥시에틸렌/옥시프로필렌 랜덤 혹은 블록 공중합체 최소 0.5 중량% 및 폴리(옥시-1,2-에탄디일)
    Figure kpo00022
    -이소데실-
    Figure kpo00023
    히드록시 포스페이트를 포함하고, 총 유체의 중량을 기준으로 화학적으로 결합한 황을 최소 0.4중량% 함유하는 수성 유체 조성물을 적용하는 단계;를 포함하는 금속 가공 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방법은 펀칭 방법임을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 방법은 연신 방법임을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 방법은 아이러닝(ironing) 방법임을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 방법은 스탬핑 방법임을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 방법은 압연(rolling) 방법임을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 방법은 압인(coining) 방법임을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 방법은 천공(piercing) 방법임을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 지방산은 C5-C22지방산임을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 황화 오일은 황화 올레핀임을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 황화 오일은 황화 지방임을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 공중합체의 평균 분자량은 2500-6500임을 특징으로 하는 방법.
  13. 제3항에 있어서, 상기 지방산은 C5-C22지방산이고, 상기 황화 오일은 황화 지방 및 황화 올레핀이며, 상기 공중합체는 디올이며 평균 분자량은 3800이며, 상기 유기 포스페이트 에스테르는 폴리(옥시-1,2-에탄디이)
    Figure kpo00024
    -이소데실-
    Figure kpo00025
    히드록시 포스페이트임을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 방법은 결합된 펀칭 및 천공 방법임을 특징으로 하는 방법.
  15. 제3항에 있어서, 상기 공중합체는 디올이고 평균 분자량은 1000-8000임을 특징으로 하는 방법.
  16. 제3항에 있어서, 상기 공중합체의 평균 분자량은 2500-6500임을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 도구상에 상기 수성 유체 조성물을 분무하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 방법은 펀치/천공 방법임을 특징으로 하는 방법.
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