KR100244007B1 - 상온 경화가 가능한 이황화몰리브덴계 피막접착형 고체윤활제조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이황화몰리브덴을 주성분으로 하는 상온경화 형태의 피막접착형 고체윤활제에 관한 것으로, 1) 알키드계 수지, 아크릴계 수지 및 셀룰로오스계 수지로 이루어지는 군에서 선택된 단일 또는 혼합형태의 열가소성 수지 10 - 50 중량%, 2) 이황화몰리브덴 20 - 85 중량%, 3) 흑연, 산화안티몬 및 산화납으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 물질 5 - 50 중량%, 4) 인산금속염 0.1 - 10 중량%, 5) 왁스 0.1 - 10 중량%, 6) 실란계 또는 플루오로실란계 커플링제 0.05 - 10 중량%, 7) 프로필겔레이트 0.05 - 5 중량%, 8) 나프텐산납, 나프텐산코발트 및 나프텐산망간으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 물질 0.1 - 10 중량%, 9) 키일레이트 화합물 0.05 - 10 중량%을 포함하는 구성으로 되어, 상온경화가 가능하면서도 윤활성능이 우수하고 윤활피막의 내구성이 양호한 윤활작용을 하는 것이다.

Description

상온 경화가 가능한 이황화몰리브덴계 피막접착형 고체윤활제 조성물

본 발명은 이황화몰리브덴을 주성분으로 하는 피막접착형 고체윤활제에 관한 것으로, 특히 마찰열의 발생이 최소화되고, 결합제인 열가소성 수지의 물성이 향상되며, 적절한 첨가제가 첨가됨으로써, 윤활성능이 우수하고 윤활피막의 내구성이 양호한 상온경화 형태의 피막접착형 고체윤활제 조성물에 관한 것이다.

일반적으로, 피막접착형 고체윤활제는 윤활성을 지닌 고체 입자와 유기물 또는 무기물 형태의 결합제를 포함하여 이루어지는 것으로, 이 조성물을 용제에 분산시킨 형태로 재료 표면에 도포하여, 용제는 증발시키고 고체 입자와 결합제 성분이 고체 피막을 형성하게 함으로써, 재료 표면의 마찰계수를 줄이고 내마모성을 증가시키는 윤활작용을 하게 되는 것이다. 통상 사용되는 고체 입자로는, 이황화몰리브덴, 이황화텅스턴, 황화납, 산화안티몬, 산화납, 질화붕소, 테트라플루오로에틸렌 등과 같이 마찰계수가 낮은 물질들이 있고, 결합제로는 재래부터 사용되던 전분 시럽으로부터 아크릴 및 셀룰로오스 등의 열가소성 수지, 페놀 및 에폭시 등의 열경화형 수지, 인산염 및 규산염 등의 무기물에 이르기까지 다양하게 있다.

이와 같은 피막접착형 고체윤활제는 일종의 특수 윤활제로서, 오일이나 그리이스 등으로는 윤활이 부적합한 극저온이나 고온, 고진공 등의 윤활개소, 또는 기계장치의 구조특성상 일반 윤활제의 공급이 불가능하여 반영구적인 윤활방법을 채택하여야 하는 경우에 주로 사용되는데, 과거에는 우주항공분야나 운전분위기가 비교적 가혹한 특수 군장비 등에만 사용되어 왔지만, 최근에는 기계산업이 급속히 발달하면서 윤활방법에 대한 기술적 요구사항이 다양하고 까다로워짐에 됨에 따라, 컴퓨터 주변장치 및 사무자동화 기기 등의 전자산업분야에는 거의 필수적으로 이용되고 있으며, 자동차, 식품기계, 정밀기기, 방직기계, 인쇄기계, 진공기계, 화학설비 등 여러 분야에까지 이용범위가 점차 확대되어 가고 있다.

이러한 피막접착형 고체윤활제는 사용된 고체 윤활성분에 따라 분류할 수도 있지만, 사용된 결합제의 종류 및 사용형태에 따라 구분하는 것이 일반적인 바, 결합제의 종류에 따라 유기계와 무기계, 사용형태에 따라 가열경화형과 상온경화형으로 분류해 볼 수 있다. 일반적으로, 소형이면서 내구성 및 내화학성이 특별히 요구되는 경우에는 열경화성 결합제를 이용한 가열경화형을 사용하고, 열경화처리가 어려울 정도로 규모가 크거나 특성상 분해 작업이 어려운 기계 요소, 또는 현장에서 손쉽게 처리할 필요가 있는 경우에는 상온경화형을 사용하는 것이 바람직하지만, 현재 유기계의 페놀, 에폭시 또는 이들의 혼합형태의 열경화형 결합제로 이루어진 가열경화형 윤활제가 가장 폭넓게 사용되고 있는데, 이는 상온경화형보다 윤활성능이 대체로 우수하기 때문이다. 따라서, 피막접착형 고체윤활제의 용도를 확대하고, 그 사용을 간편하고 손쉽게 하기 위해서는, 윤활특성이 향상된 상온경화형 고체윤활제의 개발이 절실히 요구되고 있다.

종래에 알려진 상온경화형 고체윤활제로는 다음과 같은 것들이 있다.

즉, 미국특허 제4,806,257호에는, 유리제품의 제조공정에서 가열된 유리와 접촉을 이루는 금속 금형 및 유리 취급장치의 표면을 보호하기 위한 피막접착형 고체윤활제로서, 윤활성분으로 사용된 흑연, 결합제로 사용된 실리콘 수지(실옥산 중합체), 용제, 그리고 용액을 알칼리성으로 조절하기 위한 가성소오다 등을 포함하는 윤활제 조성물이 개시되어 있다.

미국 특허 제3,674,690호에는, 상호 미끄럼 운동을 하는 금속 표면의 파손을 방지하기 위한 상온경화 형태의 피막접착형 고체윤활제로서, 이황화몰리브덴과 산화안티몬 혼합물 50 - 85 부피%, 결합제인 실옥산 중합체(아미노알킬실란 등) 15 - 50 부피%, 및 용제 등으로 이루어진 윤활제 조성물이 기재되어 있다. 또한, 동 특허는, 이황화몰리브덴의 대체물질로서 몰리브덴디셀레나이드, 이황화텅스턴, 텅스턴디셀레나이드를, 산화안티몬의 대체물질로서 산화아연, 산화비스무스를 개시하고 있다.

미국 특허 제5,393,440호에는, 고체 윤활물질인 이황화물(이황화몰리브덴, 이황화텅스턴 등) 10 - 40 중량%, 산화안티몬 10 - 40 중량%, 결합제인 클로로플루오로에틸렌-비닐클로라이드 공중합체 5 - 20 중량%, 경화제인 실란 0.1 - 1.0 중량%로 이루어짐으로써, 코팅된 피막 윤활제가 경화 완료후에도 어느 정도의 유연성을 지니게 되어 윤활막의 마모수명을 증가시켜 주는 것을 특징으로 하는 윤활제 조성물이 기재되어 있다.

미국 특허 제4,473,481호에는, 상대적인 미끄럼 운동을 하는 두 금속 표면의 손상을 방지하기 위한 피막접착형 고체윤활제로서, 이황화몰리브덴 단일 또는 흑연과의 혼합물 60 - 80 중량%, 윤활보조 및 열과 산화방지용으로 첨가된 산화안티몬, 철, 아연, 금 입자 중의 어느 하나 10 - 30 중량%, 결합제인 유기 에폭시-에스테르 수지, 아크릴 수지, 우레아 수지 중의 어느 하나로 이루어진 윤활제 조성물이 기재되어 있다.

일본 특허 공개 소61-4794호에는, 동력을 전달하는 금속제의 치차 표면을 탈지 처리한 후, 이황화몰리브덴 입자를 에폭시 수지와 용매의 용액에 분산시킨 윤활제를 얇게 도포함으로써, 치차 표면의 손상을 방지해 주는 윤활방법이 기재되어 있다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래의 상온경화형 고체윤활제는, 피착물에 대한 피막의 접착력이 약해 쉽게 박리되거나, 사용된 결합제의 마찰 특성이 함유된 윤활제보다 우세하게 작용하여 저속과 같은 특정 운동조건하에서는 마찰계수가 높게 유지되는 등의 문제가 있었다. 즉, 종래의 고체윤활제는 윤활피막의 내구성이 부족하고, 윤활성능도 충분하지 못하였던 것이다.

이에 본 발명자들은 피막접착형 고체윤활제의 윤활특성을 결정짓는 조성상의 요소에 대한 기본적인 검토와 함께 종래 기술의 문제점에 대한 분석을 진행하였다.

즉, 피막접착형 고체윤활제의 윤활특성을 결정짓는 조성상의 요소는 크게 두가지 측면으로 구분해 볼 수 있는데, 첫째는, 주성분인 고체 윤활성분과 보조 윤활 첨가제의 종류 및 그 구성비, 기타 안정화 첨가제의 사용여부 등에 관한 것이고, 둘째는, 사용된 결합제의 기계적 특성과 연관된 것으로, 특히 강한 접착성, 낮은 마찰계수, 열 안정성, 마찰과정에서 고체 윤활물질과 혼합되면서 내구성이 강하고 매끄러운 윤활막을 형성시키는 물리적 특성 등에 관한 것을 들 수 있다. 이러한 제 요소들은 실제로 사용되는 기계적 요소 부위의 마찰·마모 기구의 차이에 따라 가중치가 달라지게 되는데, 이는 사용 조건에 따라 피막접착형 고체윤활제의 최적 조성이 달라져야 하는 이유이기도 하다. 한편, 본 발명자들은 상기의 여러 요소 중 특히 고체 윤활물질의 조성을 중심으로 윤활성능과 내마모성이 향상된 열경화형태의 피막접착형 고체윤활제를 개발하여 이미 특허출원한 바 있는데(출원 제96-4768호, 공개 제97-6213호), 동 발명은 상기한 윤활특성의 제 요소를 고려한 것이며, 본 발명의 기초로 응용될 수 있음은 물론이다.

또한, 종래 기술의 문제점에 대한 검토 결과, 이황화몰리브덴을 주성분으로 하는 고체윤활제의 피막이 파손되는 원인은, 첫째, 상대운동을 하는 두 면이 접촉할 때 필연적으로 발생하는 마찰열에 의해 표면의 온도가 증가하여 이황화몰리브덴의 입자들이 산화되면서 윤활성이 상대적으로 떨어지는 산화몰리브덴으로 변화하는 점과, 둘째, 역시 마찰열로 인해 윤활제 성분을 피착제 표면에 부착시켜 주는 결합제의 산화 및 열화로 인해 결합력이 약화되는 점에 있었고, 따라서 고체 윤활피막의 내마모성을 향상시키기 위해서는 우선적으로 마찰열의 발생을 최소화할 수 있도록 윤활제의 조성이 이루어져야 함을 알아내었다. 즉, 윤활제가 일단 피착재 표면에 코팅되면 일종의 복합재로서의 성격을 띄게 되는데, 같은 접촉 조건이라도 윤활제들간에 마찰열 발생의 차이가 나타나는 것은, 먼저, 사용된 고체 윤활물질들의 종류와 구성비, 기타 첨가제의 사용 등에 의해 영향을 받은 것이고, 다음으로, 이들 고체 윤활성분을 둘러싸서 재료 표면에 부착시켜 주는 결합제 물질 자체가 우수한 마찰·마모 특성을 가짐은 물론, 마찰과정에서 고체 윤활물질과 혼합되면서 이차적으로 표면층에 매끄럽고 강한 윤활막을 쉽게 형성시켜 주는 적절한 유연성을 지니고 있어야 하는 점도 중요한 요인이 되는 것이다.

그리고, 일반적으로 열가소성 수지로 이루어진 상온경화형 결합제는 열경화성 수지로 이루어진 것에 비해 상대적으로 낮은 가교밀도로 인해 기본적으로 경도, 인성, 내열성 등이 낮은 성질을 지니고 있기 때문에, 열가소성 수지를 결합제로서 사용하는 경우 결합제의 물성이 윤활제 성능에 큰 영향을 미치게 되고, 따라서 윤활피막의 내구수명을 증대시키기 위해서 결합제의 특성 향상이 중요한 요인임을 알 수 있었다.

따라서, 본 발명은, 마찰열의 발생을 최소화하고, 결합제인 열가소성 수지의 물성을 향상시키며, 적절한 첨가제를 첨가하는 점 등에 기초하여 안출된 것인 바, 이황화몰리브덴을 주성분으로 하는 피막접착형 고체윤활제로서, 윤활성능이 우수하고 윤활피막의 내구성이 양호한 상온경화 형태의 피막접착형 고체윤활제 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 상온경화형태의 피막접착형 고체윤활제 조성물은,

1) 알키드계 수지, 아크릴계 수지 및 셀룰로오스계 수지로 이루어지는 군에서 선택된 단일 또는 혼합형태의 열가소성 수지 10 - 50 중량%,

2) 이황화몰리브덴 20 - 85 중량%,

3) 흑연, 산화안티몬 및 산화납으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 물질 5 - 50 중량%,

4) 인산금속염 0.1 - 10 중량%,

5)플루오로탄화수소계 왁스, 폴리에틸렌계 왁스 및 지방산계 왁스로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 왁스 0.1 - 10 중량%,

6) 실란계 또는 플루오로실란계 커플링제 0.05 - 10 중량%,

7) 프로필겔레이트 0.05 - 5 중량%,

8) 나프텐산납, 나프텐산코발트 및 나프텐산망간으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 물질 0.1 - 10 중량%,

9) 티타늄아세틸아세토네이트, 알킬 코발트-지르코네이트 및 알킬아연화합물로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 키일레이트 화합물 0.05 - 10 중량%을 포함하는 구성으로 되어 있다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명의 고체윤활제 조성물은, 기본적으로 고체 윤활물질의 조성에 의해 마찰계수가 감소되어 마찰열의 발생이 억제될 수 있음은 물론, 결합제로 사용된 열가소성 수지가 피막 윤활제용으로서 적절한 경도, 인성, 내열성, 낮은 마찰계수 등의 물성을 갖도록 이종의 수지들로 복합되어 변성되거나, 또는 적절한 첨가제에 의해 적절한 수준의 가교밀도가 이루어지도록 조정되며, 또한 첨가제에 의해 고체 윤활물질이 균일하게 분산됨과 동시에 수지와 금속표면과의 접착력 또는 유기물과 무기물 상호간의 친화력이 향상됨으로써, 상온 경화가 가능하면서 윤활성능이 우수하고 윤활피막의 내구성이 양호한 윤활작용을 하게 된다.

상기한 본 발명의 구성성분 중 결합제로 사용된 열가소성 수지는, 프탈산계의 알키드 수지, 메틸메타크릴 에스테르계 수지 또는 셀룰로오스계 수지 등을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하기로는 알키드 수지 또는 메틸메타크릴 에스테르계 수지에 셀룰로오스계 수지가 혼합된 것이고, 특히 알키드 수지가 페놀 또는 우레탄으로 변성된 것이면 더욱 바람직하다. 이 열가소성 수지의 함량은 10 - 50 중량%가 적절한데, 만약 10 중량%보다 적은 경우에는 피착재 표면과의 접착력이 약하여 쉽게 박리되게 되고, 50 중량%보다 많은 경우에는 접착력은 향상되지만 수지의 마찰특성이 우세하게 작용하여 마찰계수가 높아지게 되고, 이에 따라 마찰열의 발생량이 많아지게 되어 결국 내마모성이 급격히 저하되기 때문이다.

상기 이황화몰리브덴의 함량은 20 - 85 중량%가 적절한데, 20 중량% 이하의 경우에는 윤활피막의 내하중성 및 내구성이 급격히 감소되고, 85 중량% 이상의 경우에는 재료 표면에 대한 윤활제의 접착력이 약화되어 윤활성능이 저하되기 때문이다.

상기 흑연, 산화안티몬 등의 물질은 습도에 대한 영향을 최소화하고, 고온 영역에서 이황화몰리브덴의 윤활성을 보조하고 산화안정성을 증대시키기 위해 사용된 것으로, 그 함량은 5 - 50 중량%로 한다. 만약, 5 중량% 이하의 경우에는 그 첨가효능이 거의 없어지고, 50 중량% 이상의 경우에는 전체 윤활제 조성물 중 이황화몰리브덴의 상대적 함량을 감소시켜 결과적으로 윤활피막의 내마모성이 감소되게 된다.

상기 인산금속염은 사용된 수지의 안정성 및 방청효과를 증대시켜 주는 것으로, 인산칼슘, 인산납, 인산마그네슘, 인산아연 등을 사용할 수 있는데, 그 바람직한 함량은 0.1 - 10 중량%이다. 만약 0.1 중량% 이하의 경우에는 첨가효과가 없게 되고, 10 중량% 이상의 경우에는 경제성이 없을 뿐더러 이황화몰리브덴의 상대적 함량이 감소되어 윤활피막의 내마모성이 감소되게 된다.

상기 왁스는 윤활피막의 마찰계수를 감소시켜 주는 것으로, 플루오로탄화수소계, 폴리에틸렌계, 지방산계 왁스를 사용할 수 있고, 그 바람직한 함량은 0.1 - 10중량%인데, 그 함량이 10 중량%를 넘는 경우에는 재료와의 접착력과 내열성이 급격히 저하되어 결국 윤활피막의 윤활성이 감소되는 결과가 초래된다.

상기의 실란, 플루오로 실란계 등의 커플링제는 재료 표면에 대한 접착력을 향상시켜 줌과 동시에 유기물과 무기물 성분간의 친화성을 높여 주는 성분으로, 0.05 - 10중량%의 함량이 바람직하다. 만약, 10 중량% 이상의 과량으로 사용된 경우에는 윤활피막의 마찰계수를 상승시켜 마찰열의 발생이 증가하게 된다.

상기 프로필겔레이트는 결합제인 열가소성수지의 산화안정성을 향상시키는 기능을 하는 것으로, 0.05 - 5 중량%의 범위로 사용되는데, 5 중량% 이상의 경우에는 첨가 효과가 더 증대되지도 않을 뿐더러 접착력 및 내마모성이 감소되는 결과를 초래할 수 있다.

상기 나프텐산납, 나프텐산 코발트 등의 물질은 피막의 건조성을 향상시키는 기본적인 기능과 더불어 수지성분의 윤활성을 높여 주는 부수적인 기능도 하게 되는 것으로, 그 바람직한 함량은 0.1 - 10 중량%이다. 이 역시 과도한 양이 첨가된 경우에는 비경제적일 뿐 만 아니라 접착성이 떨어지게 된다.

상기 키일레이트 화합물은 결합제인 수지의 가교 밀도를 높여 주는 기능을 하는 것으로, 이에 의해 윤활피막의 마찰 특성이 안정화되고, 마모 수명이 증대될 수 있는데, 바람직한 물질로는 티타늄아세틸아세토네이트 또는 알킬 코발트-지르코네이트 등이 있으며, 그 바람직한 함량은 0.05 - 10 중량%이다. 특히 이 물질은 과량으로 사용된 경우 피막이 경질로 변화면서 취성을 나타낼 수 있으므로 그 사용량에 주의를 기울여야 한다.

상기한 각 구성성분의 고체 입자 크기는 10㎛ 이내인 것이 바람직하며, 특히 이황화몰리브덴의 입자 크기는 3 - 6㎛인 것이 바람직하다. 또한, 이황화몰리브덴 입자의 순도는 98%가 바람직하다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 윤활제 조성물은, 크실렌, 메틸에틸케톤, 부탄올, 셀루솔브아세테이트 등의 진용매, 보조용매, 희석용매로 이루어지는 혼합 용제에 밀링장치를 이용하여 균일하게 분산시켜 윤활제 용액을 제조하고, 이 윤활제 용액을 침지법, 분무법 등을 이용하여 재료 표면에 도포하여, 상온에서 건조 혹은 경화시키면 고체 윤활피막이 형성되게 된다. 여기에서, 고형분의 윤활제 조성물과 용제의 비율은 약 40 : 60으로 하는 것이 좋은데, 형성되는 피막의 두께가 윤활제 용액 중의 고형분의 농도에 좌우되므로 도포시 목적하는 두께에 따라 윤활제 용액을 재차 희석하여 사용할 수도 있으며, 경화시간은 상온에서 대략 24시간 정도가 소요된다.

이하에서는 본 발명에 따른 윤활제 조성물의 구체적인 실시예에 대해 수행한 성능 테스트와 그 결과를 설명한다.

〈실시예〉

열가소성 수지인 프탈산계 알키드와 셀룰로오스의 복합 수지 20.0 중량%, 이황화몰리브덴 60 중량%, 흑연 15.0 중량%, 인산칼슘 3.0 중량%, 플루오로화 탄화수소계 왁스 0.5 중량%, 실란 커플링제 0.1 중량%, 프로필겔레이트 0.4 중량% , 나프텐산납 0.5 및 티타늄아세틸아세토네이트 0.5 중량%로 본 발명의 윤활제 조성물을 조성하고, 이 윤활제 조성물을 크실렌, 메틸에틸케톤 및 부탄올로 구성되는 혼합용제에 40 : 60 비율로 혼합하여 분산 밀링과정을 통하여 윤활제 용액을 제조하였다.

한편, 윤활제 용액을 도포할 시험 시편은, 표면의 오염 물질을 완전히 제거한 후, 윤활제와의 결합력을 증대시키기 위해 #120 메쉬 크기의 알루미나 입자를 이용하여 블라스팅 처리를 하고(이때 시험시편의 표면 조도는 약 0.8 - 1.2 ㎛정도였음), 다시 표면에 존재하는 알루미나 입자를 제거한 다음 세정처리를 하여 준비하였다. 이 시험시편에 기타의 화성피막 처리는 행하지 않았다.

상기와 같이 준비한 윤활제 용액을 상기 시험 시편에 침지법을 이용하여 도포한 다음, 시험상 균일한 조건에서의 평가를 위해 30℃로 조절된 강제 대류형 건조 오븐에서 24시간 동안 건조 경화처리를 하였다. 경화가 완성된 후 윤활피막의 두께는 약 15㎛ 정도이었다.

〈비교예 1〉

윤활제 조성물을 결합제로서 순수 프탈산계 알키드 수지 20 중량%와 이황화몰리브덴 80 중량%로 조성한 것을 제외하고는 기타의 시험방법은 상기 실시예와 동일하게 하였다.

〈비교예 2〉

순수 프탈산계 알키드 수지 20.0 중량%, 이황화몰리브덴 60 중량%, 흑연 16.0 중량%, 인산칼슘 3.0 중량%, 플루오로화 탄화수소계 왁스 0.5 중량%, 실란 커플링제 0.1 중량%, 및 프로필겔레이트 0.4 중량%로 윤활제 조성물을 조성한 것을 제외하고는 기타의 시험방법은 상기 실시예와 동일하게 하였다.

〈비교예 3〉

셀룰로오스계 수지 20.0 중량%, 이황화몰리브덴 60 중량%, 흑연 16.0 중량%, 인산칼슘 3.0 중량%, 플루오로화 탄화수소계 왁스 0.5 중량%, 실란 커플링제 0.1 중량%, 및 프로필겔레이트 0.4 중량%로 윤활제 조성물을 조성한 것(이는 비교예 2와 비교하여 수지의 종류만을 변경한 것임)을 제외하고는 기타의 시험방법은 상기 실시예와 동일하게 하였다.

〈비교예 4〉

프탈산계 알키드 수지와 셀룰로오스계 수지를 복합시킨 수지 20.0 중량%, 이황화몰리브덴 60 중량%, 흑연 16.0 중량%, 인산칼슘 3.0 중량%, 플루오로화 탄화수소계 왁스 0.5 중량%, 실란 커플링제 0.1 중량%, 및 프로필겔레이트 0.4 중량%로 윤활제 조성물을 조성한 것(이 역시 비교예 2와 비교하여 수지의 종류만을 변경한 것임)을 제외하고는 기타의 시험방법은 상기 실시예와 동일하게 하였다.

상기 실시예 및 비교예에 따라 윤활피막이 형성된 시험 시편에 대해 팔렉스 시험방법(ASTM D-2625) 및 LFW-1 시험방법(ASTM D-2714)에 의하여 내구수명 및 내하중지지성을 측정하여 피막형 고체 윤활제의 성능 평가를 하였다.

팔렉스 시험기는 V형 홈을 갖는 2개의 블록이 실린더 형태의 핀을 가운데 두고 마주 보는 상태에서 하중을 가하게 되는 구조를 이루고 있는데, 표준 시험기는 290 rpm(0.096 m/s)의 회전속도로 구동되고, 시험 편에 걸리는 하중은 4500 파운드 하중 게이지에서 측정되는 결과로서 표준 측정하도록 되어 있다. 96°각도를 이루는 V홈을 가진 블록은 AISI 4130(SCM 2) 강재로 열처리하여 표면 경도가 HRc 20-24이고, 시험 핀은 실린더 형태로서 두께 6.35㎜, 길이 31.75㎜인 AISI 4130(SCM 2) 강재로서 표면 경도는 HRb 87-91이다. 이 팔렉스 시험기에 의한 내구수명(마모수명) 평가방법은 1000 파운드 하중에서 윤활피막의 마찰계수가 0.1로 증가할 때까지의 시간을 측정하는 것이고, 내하중지지성 평가방법은 하중을 단계적으로 증가시켰을 때 윤활피막이 파괴되어 더 이상의 윤활이 불가능하게 되는 하중점을 측정하는 것이다.

그리고 LFW-1 시험기는 회전이 가능한 실린더 형태의 링 위에 직육면체의 블록이 고정된 상태로 수직하중을 전달하는 구조로 되어 있는데, 표준 시험기는 72 rpm(0.13 m/s)의 회전속도로 구동되고, 수직 하중은 최고 630 파운드까지 가할 수 있도록 되어 있다. 시험 시편인 링과 블록의 재질은 AISI 52100으로 표면 경도는 모두 HRc 58-63이고, 링의 외경은 34.98 ㎜이며, 링과 접촉을 이루는 블록의 폭은 6.35㎜이다. 이 LFW-1 시험기에 의한 마모수명 시험방법은, 630 파운드의 하중에서 윤활피막의 마찰계수가 0.1에 도달하기까지의 회전수를 측정하는 것이다.

이와 같은 시험방법으로 내구수명 및 내하중지지성을 측정한 결과는 표 1과 같다.

구 분	팔렉스 시험	LFW-1 시험
	내구수명(분)	내하중지지성(파운드)	내구수명(회전수)
실시예	200	2750	243,000
비교예 1	30	2000	22,000
비교예 2	25	2000	227,000
비교예 3	105	2750	147,000
비교예 4	50	2500	165,000
MIL-L-46147B	120	2500	-

상기 표 1에서 MIL -L-46147B 규격은 상온경화 처리를 하는 내부식성용 및 윤활용 피막 윤활제에 관한 미국 국방성 규격중에서 본 발명과 관계있는 내구수명 및 내하중지지성의 요구 성능이다.

상기 표 1에 따르면, 전술한 바와 같이 피막형 고체윤활제의 성능특성은 조성물과 그의 사용되는 접촉기구에 따라 서로 다른 양상을 보인다는 것을 실험적 결과로부터 확인할 수 있다. 즉, 비교예 2와 비교예 3을 비교해 보면, 결합제인 수지의 종류만이 상이한데도 팔렉스 시험과 LFW-1 시험의 결과가 서로 역전되어 나타나고 있음을 알 수 있는데, 이는 접촉 형상의 차이를 비롯한 접촉기구에 따른 마찰열의 발생 차이, 미끄럼 과정에서 윤활막을 재형성시키는 특성의 차이 등과 같은 순수 기계적인 작용의 차이에서 기인하는 것으로 보이며, 또한 윤활제 조성의 차이에 의해서도 시험 결과가 상이하게 나타나고 있어, 윤활제의 조성과 기계적 기구와의 관계가 매우 복잡하다는 것을 알 수 있다.

윤활제 조성물이 이황화몰리브덴과 프탈산계 알키드 수지만으로 구성된 비교예 1의 결과를 살펴보면, 접착성은 좋지만, 기본적으로 사용된 수지가 내열성이 낮은 수지이기 때문에 약 100℃ 이상으로 마찰열이 비교적 높게 발생하는 팔렉스 시험에서는 미국방성의 표준 규격치에 크게 미달되고, 상대적으로 마찰열의 발생이 적은 LFW-1 시험에서도 낮은 성능을 나타내고 있음을 알 수 있다.

비교예 1과 수지성분은 동일하지만 고체윤활 물질을 비롯한 각종 첨가제가 배합된 비교예 2의 결과를 살펴 보면, 마찰온도가 약 50℃로 비교적 낮게 유지되는 LFW-1 시험에서는 내구수명이 크게 향상되었음을 알 수 있는데, 이는 첨가된 보조 윤활제의 공동 효과뿐만 아니라, 마찰계수 저감제, 산화안정제 등의 첨가제가 효과적으로 작용한 결과로 보여진다. 그러나, 팔렉스 시험에 있어서는 첨가제의 효과가 없고, 오히려 내구수명이 약간 감소하는 경향을 보이고 있음을 알 수 있는데, 이는 주성분인 이황화몰리브덴의 양이 줄어든 것에도 그 원인이 있는 것으로 보이지만, 근본적인 원인은, 고체윤활 물질과 각종의 첨가제를 지지하고 있는 결합제 자체의 내열성이 부족하기 때문에 마찰열로 인해 피막이 쉽게 손상되고, 이에 따라 사용된 첨가제가 그 효과를 제대로 발휘하지 못하기 때문으로 보인다. 이러한 사실은 비교예 2와 다른 성분은 동일하고 알키드 수지 대신 내열성이 좋은 셀룰로오스 수지로 대체 사용한 비교예 3의 시험 결과로부터도 확인할 수 있다. 즉, 비교예 3에서는 팔렉스 시험 성능은 크게 향상되었지만, LFW-1 시험 성능은 큰 폭으로 저하되는 결과를 나타내고 있는데, LFW-1 시험 성능의 경우는 셀룰로오스 수지의 접착성이 상대적으로 낮기 때문이고, 팔렉스 시험성능의 경우는 결합제의 내열성이 향상되면서 동시에 각종 첨가물질들의 효과가 공동으로 작용한 것에 기이한 것으로 보인다.

비교예 4는 비교예 2 및 3과 기타의 성분은 동일하고 결합제 성분만을 알키드 수지와 셀룰로오스 수지를 복합 변성시킨 것으로 대체한 것인데, 시험 성능 결과는 비교예 2와 3의 중간적 결과를 보여 주고 있다. 이는 상온 경화형 피막 윤활제의 경우 사용된 결합제가 열경화성 수지에 비해 취약한 단점을 지니고 있기 때문에 이러한 결합제의 물성이 전체 윤활제의 성능을 크게 좌우하는 모습을 나타내 주는 것이다.

따라서, 상기 실시예와 같이, 결합제의 특성을 향상시키기 위해 수지의 복합 비율을 조정하는 한편, 가교밀도 향상 첨가제를 이용하여, 근본적으로 화학적 구조를 안정화시키고 기계적 특성을 향상시킴으로써, 표 1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 양 시험 모두에서 미국방성 규격의 표준치를 휠씬 능가하는 우수한 상온경화 형태의 피막형 고체윤활제가 제공되게 되는 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 피막접착형 고체윤활제 조성물은, 이황화몰리브덴을 주성분으로 하는 상온경화 형태의 피막접착형 고체윤활제로서, 고체 윤활물질의 적절한 조성에 의해 마찰계수가 감소되어 마찰열의 발생이 억제되고, 결합제로 사용된 열가소성 수지가 피막 윤활제용으로서 적절한 물성을 갖도록 이종의 수지들로 복합되어 변성되거나, 또는 적절한 첨가제에 의해 적절한 수준의 가교밀도가 이루어지도록 조정되어 있으며, 또한 첨가제에 의해 고체 윤활물질이 균일하게 분산됨과 동시에 수지와 금속표면과의 접착력 또는 유기물과 무기물 상호간의 친화력이 향상됨으로써, 전체적으로 상온경화 형태이면서도 윤활성능이 우수하고 윤활피막의 내구성이 양호한 것이다.

Claims (5)

1) 알키드계 수지, 아크릴계 수지 및 셀룰로오스계 수지로 이루어지는 군에서 선택된 단일 또는 혼합형태의 열가소성 수지 10 - 50 중량%,

2) 이황화몰리브덴 20 - 85 중량%,

3) 흑연, 산화안티몬 및 산화납으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 물질 5 - 50 중량%,

4) 인산금속염 0.1 - 10 중량%,

5)플루오로탄화수소계 왁스, 폴리에틸렌계 왁스 및 지방산계 왁스로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 왁스 0.1 - 10 중량%,

6) 실란계 또는 플루오로실란계 커플링제 0.05 - 10 중량%,

7) 프로필겔레이트 0.05 - 5 중량%,

8) 나프텐산납, 나프텐산코발트 및 나프텐산망간으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 물질 0.1 - 10 중량%,

9) 티타늄아세틸아세토네이트, 알킬 코발트-지르코네이트 및 알킬아연화합물로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 키일레이트 화합물 0.05 - 10 중량%으로 이루어지는 상온경화형태의 피막접착형 고체윤활제 조성물.

제1항에 있어서, 상기 열가소성 수지가, 알키드 수지 또는 메틸메타크릴 에스테르계 수지에 셀룰로오스계 수지가 혼합된 것인 피막접착형 고체윤활제 조성물.

제1항에 있어서, 상기 열가소성 알키드 수지가 페놀 또는 우레탄으로 변성된 것인 피막접착형 고체윤활제 조성물.

제1항에 있어서, 상기 인산금속염이 인산칼슘, 인산납, 인산마그네슘, 및 인산아연으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상으로 된 것인 피막접착형 고체윤활제 조성물.

제1항에 있어서, 상기 각 구성성분의 고체 입자 크기가 10㎛ 이내로 된 것인 피막접착형 고체윤활제 조성물.