KR100256279B1 - 열간가공용 윤활제 조성물 - Google Patents

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아끼라 요리후지
다까아끼 도유까
겐 시마모또
마사하루 기따
다로 가나야마
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에모또 간지
가와사끼 세이데쓰 가부시키가이샤
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Abstract

(목적) 이음매 없는 강관의 경사압연과 같은 열간가공시에, 가공구와 피가공재 사이의 마찰계수를 줄임으로써 가공구의 수명을 더욱 연장시키는 것을 목적으로 한다.
(구성) 열간가공용 윤활제 조성물로서, (A) 규산알칼리 : 10 ∼ 60 중량%, (B) 실란 커플링제 : 1 ∼ 20 중량%, (C) 수산화알칼리, 탄산알칼리, 수산화붕소알칼리 및 광산알칼리로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상의 알칼리 화합물 : 0.1 ∼ 5.0 중량% 및 (D) 물 : 30 ∼ 70 중량% 를 혼합하여 이루어지는 것이다. 또한 열간가공용 윤할제 조성물로서, (A) 규산알칼리 : 10 ∼ 60 중량%, (B) 실란 커플링제 : 1 ∼ 20 중량%, (C) 수산화알칼리, 탄산알칼리, 수산화붕소알칼리 및 광산알칼리로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상의 알칼리 화합물 : 0.1 ∼ 5.0 중량%, (D) 물 : 5 ∼ 50 중량%, (E) 산화철 : 10 ∼ 60 중량% 및 (F) 분산제 및 증점제로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상의 첨가제 : 0.1 ∼ 5.0 중량% 를 혼합하여 이루어지는 것이다.

Description

열간가공용 윤활제 조성물
본 발명은 열간가공용 윤활제 조성물 (熱間加工用潤滑劑組成物) 에 관한 것으로서, 특히 이음매 없는 강관 (seamless pipe) 을 경사압연에 의하여 제조하는 경우에 사용되는 플러그, 안내 블록 (guide block) 등의 가공구 표면으로 공급되는 열간가공용 윤활제 조성물에 관한 것이다.
이음매 없는 강관을 만네스만 방식 (Mannesman piercing) 에 의하여 제조하는 경우, 그 기본공정은 (1) 원형 빌릿 (billet) 의 천공공정, (2) 중공관의 연신(延伸)가공 및 (3) 마무리공정으로 분류된다. 이러한 천공, 연신, 압연의 각 가공공정에서는 플러그, 안내 블록 및 롤 등의 가공구가 사용된다.
그 중에서 플러그의 손모 (損耗) 는 조관 (造管) 조업상의 효율, 경제성, 제조 품질상 중요한 관리대상으로 되어 있다. 플러그 표면은 모재(母材)와 밀착된 두꺼운 산화 스케일 (이하, 스케일이라 함) 로 피복되어 있다. 이 스케일은 플러그 본체를 보호하는 단열층으로서 플러그의 수명에 직접적으로 영향을 미칠 뿐만 아니라, 압연부하의 경감, 용착 (seizure) 을 방지하는 역할을 한다. 그러나, 스케일의 존재만으로는 플러그를 충분히 보호할 수 없다. 따라서 빌릿에 직접 구멍을 뚫는 플러그에 윤활제를 사용하려는 시도가 오래 전부터 이루어져 왔다.
예를 들면, 일본 공개특허공보 소51-57729 호나 일본 공개특허공보 평1-180712 호에는, 플러그 선단을 통해 유지계 (油脂系) 윤활제를 분사하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 일본 공개특허공보 평5-138213 호에는 플러그 표면에 미리 흑연계 윤활제를 도포한 후, 구멍을 뚫는 방법이 개시되어 있다. 그러나 전자의 경우, 플러그 선단의 형상은 빌릿에 구멍을 뚫는 데 있어서 매우 중요한 부분이기 때문에, 형상을 해치지 않고 분사구멍을 형성하기가 어려운 점에서 공업적으로 아직 충분하다고는 할 수 없다. 한편 후자의 경우, 흑연으로 인하여 미끄럼이 발생하기 때문에 반드시 천공효율의 향상에 기여한다고는 할 수 없으므로, 피압연재의 맞물림 불량이나 마무리 불량이 발생한다는 문제가 남아 있다.
또한, 최근 이음매 없는 강관의 소재에 스테인레스강이나 합금강이 사용되는 경우가 많아짐에 따라서, 플러그에 대한 사용조건이 점점 까다로와지고 있다. 이것은 피압연재가 합금강인 경우에는, 보통강에 비하여 일반적으로 천공공정에서의 천공부하가 높아지기 때문이다. 즉, 플러그 표면의 스케일이 쉽게 벗겨져서 플러그와 피압연재 사이에 단열층 겸 윤활층이 존재하지 않게 됨으로써, 플러그가 직접 손모되기 때문이다.
한편, 만네스만형 천공기에 의하여 이음매 없는 강관을 천공압연하는 경우, 비스듬하게 대향하는 1쌍의 롤과 플러그에 의하여 피압연재를 압연할 때에 압연에 의하여 피압연재의 외경이 확대되는 것을 1 쌍의 안내 블록으로 규제하고 있다. 안내 블록에는 고정형 안내 블록이나 디스크 롤형 안내 블록이 사용된다. 이 경우, 피압연재의 원주방향에 있어서, 이들 안내 블록 표면은 피압연재와 미끄럼률이 100% 인 접촉상태로 되어 있다. 또한, 피압연재가 13% Cr강, 22% Cr강 및 오스테나이트계 스테인레스강으로 대표되는 고합금강을 압연하는 경우, 탄소강에 비하여 피압연재의 외경이 팽창되어 나오는 것을 방지하는 안내 블록의 저항력이 크기 때문에, 안내 블록 표면은 피압연재와 용착을 일으키기 쉬운 상태로 된다.
이와 같은 용착을 방지하기 위한 대책으로서, 일본 공개특허공보 소60-56406 호에는 안내 블록 표면으로 흑연계 윤할제를 공급하면서 압연하는 방법, 일본 특허공보 평5-16925 호에는 안내 블록 표면으로 붕산계 윤활제를 공급하면서 압연하는 방법이 개시되어 있다. 이러한 방법은 모두 윤활제를 안내 블록 표면에 스프레이로 분사 공급하는 것이다.
그러나, 상기한 모든 윤활방법에는 다음과 같은 문제점이 있었다. 윤활제의 공급량이 너무 적으면 용착방지효과를 충분히 얻을 수 없기 때문에 제품강관의 표면에 흠집이 생긴다. 한편, 윤활제의 공급량이 너무 많으면, 특히 일본 공개특허공보 소60-56406 호에 나타낸 바와 같은 흑연계 윤활제를 사용하는 경우에는, 나머지 윤활제가 피압연재와 롤 사이로 들어가서, 이 부분의 마찰계수를 저하시켜 슬립을 일으킴으로써 압연이 불가능해지는 경우가 있다. 또한 일본 특허공보 평5-16925 호에 나타낸 바와 같은 붕산계 윤활제를 사용하는 경우에는, 롤 냉각수 등, 다량의 물에 의하여 윤활제가 쉽게 씻겨 내려가기 때문에 용착방지효과를 얻을 수 없는 경우가 있다.
또, 일본 공개특허공보 평6-142749 호에는 빌릿 표면에 규산나트륨계 윤활제를 공급하면서 압연하는 방법, 일본 공개특허공보 평7-116709 호에는 롤 표면에 팽윤운모계 윤할제를 공급하면서 압연하는 방법이 개시되어 있다.
그러나, 상기한 모든 윤활방법에도 다음과 같은 문제점이 있었다. 일본 공개특허공보 평6-142749 호에 나타낸 바와 같이, 빌릿 표면에 규산나트륨계 윤활제를 공급하면서 압연하는 경우에는, 빌릿 반송중 혹은 압연중에 피압연재 표면의 스케일이 벗겨짐과 동시에 윤활제가 피압연재 표면에서 떨어지기 쉽기 때문에, 용착방지효과를 얻을 수 없는 경우가 있다. 또한, 일본 공개특허공보 평7-116709 호에 나타낸 바와 같이, 롤 표면에 팽윤운모계 윤활제를 공급하면서 압연하는 경우에는, 롤 냉각수 등, 다량의 물에 의하여 윤활제가 씻겨지고, 압연시의 피압연재 표면의 스케일이 벗겨지면서 윤활제가 떨어지기 때문에, 용착방지효과를 얻을 수 없는 경우가 있다.
그리고, 일본 특허공개공보 평5-148493 호에는 피압연재용 윤활제로서, 흑연이나 운모를 함유하는 규산나트륨 수용액이 개시되어 있다. 이 물유리 (water glass) 계 윤활제는, 가열되면 수분이 증발되어 발포된 후에 경석 (硬石) 상태를 거쳐서 연화온도에 도달하여 유리상태로 되는 것이다. 따라서 압연전에 고온의 피압연재 외면에 미리 도포하면, 유리상태로 연화되고 나서 안내 블록이나 롤과 접촉하여 윤활효과가 발휘되는 것이다. 그리고 이 윤활제는 액상이기 때문에, 비교적 저온의 플러그나 안내 블록에도 도포할 수 있으므로, 언뜻 보기에는 플러그나 안내 블록의 윤활제로서 적용할 수 있는 것으로 생각된다. 그런데, 플러그나 안내 블록은 피압연재와 접촉해야 비로소 승온되기 때문에, 미리 도포된 윤활제는 유리상태로 되는 연화점에 도달하기 전에 전단부하 (剪斷負荷) 를 받아 플러그나 안내 블록의 표면에서 쉽게 벗겨져서 윤활효과가 발휘되지 않음이 판명되었다.
일본 공개특허공보 평5-171165 호에도 피압연재용 윤활제로서, 산화붕소나 붕산에 붕산알칼리를 혼합한 점결제 (粘結劑) 와 입자상의 산화물계 층상 화합물의 조성물이 개시되어 있다. 그러나 이 윤활제는 액상이 아니기 때문에, 홀로(hollow) 내면이 900 ℃ 이상이나 되는 피압연재에 비하여 훨씬 저온까지 냉각된 플러그나 안내 블록에 이 윤활제를 사용하고자 해도 이들 표면에는 부착되지 않으므로 용융에 의한 확산도 기대할 수 없다.
이상과 같이, 만네스만 방식에 의한 이음매 없는 강관의 제조시에는, 빌릿의 천공공정 혹은 그 후의 연신공정이나 압연공정에서 플러그, 안내 블록과 피압연재 사이의 마찰계수를 줄임으로써, 플러그, 안내 블록의 수명을 연장시키는 것이 요망되어지고 있다. 특히, 빌릿이 스테인레스강이나 합금강처럼 압연시에 가공구에 부하가 많이 가해지는 경우의 대책이 요망되어지고 있다.
본 발명은 이음매 없는 강관의 경사압연과 같은 열간가공시에, 가공구와 피가공재 사이의 마찰계수를 줄임으로써 가공구의 수명을 더욱 연장시키는 것을 목적으로 한다.
도 1 은 본 발명에 관한 윤활제를 경사압연기의 플러그에 도포하는 경우의 실시예를 나타내는 모식도.
도 2 는 본 발명에 관한 윤활제를 경사압연기의 고정형 안내 블록에 도포하는 경우의 실시예를 나타내는 모식도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 경사압연기2, 2' : 상하 압연롤
3 : 플러그4 : 플러그 바
5 : 바 스테디어 롤6, 6' : 안내 블록
6A : 스프레이 헤더7 : 빌릿
10 : 도포 헤더20 : 수세 헤더
본 발명자들은 만네스만 이음매 없는 강관 제관법에 의하여, 특히 스테인레스강이나 합금강의 빌릿을 제조하는 경우, 플러그의 손모나 경사천공기의 안내 블록의 용착이 심해서, 지금까지도 여러 가지 고체 윤활제 등을 사용함으로써 해결하고자 하였다. 그러나, 플러그와 피압연재 사이 혹은 안내 블록과 피압연재 사이의 마찰은, 소위 통상의 마찰과는 달리 1000 ℃ 를 넘는 고온하에서의 마찰이라는 극한상황에 가까운 마찰이 발생하며, 이것을 줄일 수 있는 것은 유일하게 플러그 표면에 생성되어 있는 치밀하고 강고한 산화철 피막 (FeO, Fe3O4) 임에 주목하였다. 따라서 그 융점, 피막강도 등을 연구하여 산화철 피막과 동등한 내열보호막을 플러그 표면 혹은 안내 블록과 피압연재 사이에 형성시켜 해결함으로써, 본 발명에 이르렀다.
즉, 본 발명은 (A) 규산알칼리 : 10 ∼ 60 중량%, (B) 실란 커플링제 : 1 ∼ 20 중량%, (C) 수산화알칼리, 탄산알칼리, 붕산알칼리 및 광산알칼리로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상의 알칼리 화합물 : 0.1 ∼ 5.0 중량% 및 (D) 물 : 30 ∼ 70 중량% 를 혼합하여 이루어지는 열간가공용 윤활제 조성물을 제공한다.
이 조성물을 플러그 표면에 도포하거나 혹은 안내 블록 표면 및 안내 블록 표면과 피압연재 사이로 공급함으로써, 상기 목적이 달성되는 것이다.
또, 본 발명은 (A) 규산알칼리 : 10 ∼ 60 중량%, (B) 실란 커플링제 : 1 ∼ 20 중량%, (C) 수산화알칼리, 탄산알칼리, 붕산알칼리 및 광산알칼리로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상의 알칼리 화합물 : 0.1 ∼ 5.0 중량%, (D) 물 : 5 ∼ 50 중량%, (E) 산화철 : 10 ∼ 60 중량% 및 (F) 분산제 및 증점제 (增粘劑) 로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상의 첨가제 : 0.1 ∼ 5.0 중량% 를 혼합하여 이루어지는 열간가공용 윤활제 조성물을 제공한다. 이 조성물을 플러그 표면에 도포하거나 혹은 안내 블록 표면 및 안내 블록 표면과 피압연재 사이로 공급함으로써, 상기 목적이 달성되는 것이다. 그리고, 이 조성물은 안내 블록 표면과 피압연재 사이로 공급되면, 특히 바람직하게 그 윤활작용을 발휘한다.
또한, 본 발명에서는 만네스만 방식에 의한 이음매 없는 강관을 조관할 때, 플러그의 표면온도를 100 ∼ 300 ℃ 로 유지하면서 상술한 열간가공용 윤활제 조성물을 플러그 표면에 도포한 후, 압연하는 것을 특징으로 하는 이음매 없는 강관의 제조방법도 아울러 제공한다.
그리고, 그 외의 수단에 대해서는 본 발명의 명세서 및 특허청구의 범위에서 명확히 알 수 있을 것이다.
(발명의 실시형태)
제 1 실시형태예
도 1 은 본 발명에 관한 윤활제를 경사압연기의 플러그에 도포하는 경우의 실시예를 나타내는 모식도이다. 도 1 에 있어서, 경사압연기 (1) 는 패스 라인에 대하여 비스듬하게 배치된 상하 압연 롤 (2),(2') 과 패스 라인상에 배치되는 플러그 (3) 를 구비하고, 빌릿을 천공압연하거나 혹은 중공소관 (中空素管) 을 연신압연한다. (4) 는 플러그 바, (5) 는 바 스테디어 롤이다.
플러그 (3) 는 경사압연기 (1) 에서 반복 사용된다. 1 개의 피압연재의 압연에 사용된 플러그 (3) 는, 플러그 바 (4) 와 함께 압연후의 관부재에서 빠져나와 후퇴한 후, 수세(水洗) 헤더 (20) 를 통과하여 냉각된다. 이 경우, 수세 헤더 (20) 에 의하여 플러그의 표면온도를 100 ℃ ∼ 300 ℃ 로 냉각유지한 후, 수세 헤더 (20) 의 근방에 배치된 윤활제 도포 헤더 (10) 에 의하여 플러그 (3) 표면에 윤활제가 도포된다.
그 후, 플러그 (3) 는 다시 경사압연기 (1) 로 반입되어 바 스테디어 롤 (5) 에 의하여 플러그 바 (4) 가 지지된 상태로 다음 압연재의 압연에 이용된다.
플러그 (3) 의 표면에 도포되는 본 발명에 관한 열간가공용 윤활제의 조성물은, (A) 규산알칼리 : 10 ∼ 60 중량%, (B) 실란 커플링제 : 1 ∼ 20 중량%, (C) 수산화알칼리, 탄산알칼리, 붕산알칼리 및 광산알칼리로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상의 알칼리 화합물 : 0.1 ∼ 5.0 중량% 및 (D) 물 : 30 ∼ 70 중량% 를 혼합하여 이루어진다.
또한, 본 조성물이 플러그 표면에서 조관시에 유효한 효과를 얻기 위해서는, 그 연화점 (유리상태) 은 500 ℃ ∼ 700 ℃ 가 바람직하다. 바람직하게는 550 ℃ ∼ 650 ℃ 이다.
제 2 실시형태예
도 2 는 본 발명에 관한 윤활제를 경사압연기의 고정형 안내 블록에 도포하는 경우의 실시예를 나타내는 모식도이다. 도 2 에 있어서, 경사천공기 (1) 는 패스 라인에 대하여 비스듬하게 배치되는 1 쌍의 롤 (2),(2') 과 패스 라인상에 배치되는 플러그 (3) 를 구비하고, 빌릿 (7) 을 천공압연하거나 혹은 중공소관 (7) 을 연신압연하는 것으로서, 1 개의 피압연재의 압연에 사용된 고정형 안내 블록 (6)(6') 은, 다음 피압연재의 압연까지의 동안에 롤 냉각수나 전용 냉각수에 의하여 냉각되어 다음 피압연재의 압연에 이용된다.
따라서, 냉각후 및 압연중인 안내 블록 표면 및 피압연재와 안내 블록 사이로 윤활제 도포용 스프레이 헤더 (6A) 를 이용하여 윤활제를 공급한다.
플러그 (3) 및 안내 블록 (6),(6') 으로 공급되는 본 발명에 관한 열간가공용 윤활제의 조성물은, (A) 규산알칼리 : 10 ∼ 60 중량%, (B) 실란 커플링제 : 1 ∼ 20 중량%, (C) 수산화알칼리, 탄산알칼리, 붕산알칼리 및 광산알칼리로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상의 알칼리 화합물 : 0.1 ∼ 5.0 중량%, (D) 물 : 5 ∼ 50 중량%, (E) 산화철 : 10 ∼ 60 중량% 및 (F) 분산제 및 증점제로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상의 첨가제 : 0.1 ∼ 5.0 중량% 를 혼합하여 이루어진다.
또한, 조관시에 본 발명의 조성물이 안내 블록과 피압연재 사이에서 유효한 효과를 얻기 위해서는, 그 연화점 (유리상태) 이 700 ℃ ∼ 900 ℃ 인 것이 바람직하다. 바람직하게는 750 ℃ ∼ 850 ℃ 이다. 이것은 본 조성물이 고온에서 유체적인 윤활이 이루어지기 때문이지만, 산화철의 배합에 의하여 그 윤활막의 강도도 더욱 확보되기 때문이다.
이하, 본 발명에 관한 혼합성분의 한정이유에 대하여 상세하게 설명한다.
규산알칼리 : 10 ∼ 60 중량%
규산알칼리는, 가공시에 윤활의 주체를 이루는 것 중 하나로서, 무수물 환산으로 10 ∼ 60 중량% 가 사용된다. 규산알칼리는 그 외 혼합성분과의 비율에 따라 윤활막에 영향을 미치는데, 10 중량% 보다 적으면 융점이 너무 낮아져서 윤활효과가 떨어지고, 60 중량% 보다 많아지면 융점이 너무 높아져서 기대한 윤활성을 얻지 못하게 된다. 염을 이루는 알칼리금속은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 및 프란슘 중 어느 것이어도 된다. 이들 규산알칼리류는 상기 범위 내라면 단일 종류로 사용하여도 되며, 복수 종류를 병용하여도 된다. 조성물의 융점을 조정하기 위하여 복수 종류의 조합이 종종 바람직하게 사용된다. 그리고 이들 규산알칼리류 중, 가격이나 입수하기 쉽다는 점에서 나트륨이나 칼륨이 바람직하다.
규산나트륨과 규산칼륨을 예시하여 더욱 상세하게 설명하면, 규산나트륨은 Na2O 와 SiO2의 몰비가 1:1 ∼ 1:4 로 배합되는 것이 일반적이다. 규산칼륨은 K2O 와 SiO2의 몰비가 1:1 ∼ 1:5 로 배합되는 것이 일반적이다. 이들은 각각 Na2O 와 SiO2의 몰비 혹은 K2O 와 SiO2의 몰비에 따라서도 플러그와 피압연재 사이 혹은 안내 블록과 피압연재 사이에서의 윤활막의 성능에 영향을 미치는데, 이러한 일반적 몰비의 범위 내의 것도 특별히 문제없이 사용할 수 있다.
실란 커플링제 : 1 ∼ 20 중량%
실란 커플링제는, 규산알칼리와의 상호관계에 있어서 플러그 표면에 도포되거나 혹은 안내 블록 표면 및 안내 블록 표면과 피압연재 사이로 공급된 윤활막의 부착성, 강도, 고온윤활 접속성을 보유하기 위하여 필요한 요소이다. 그 배합비율은 1 ∼ 20 중량% 이다. 1 중량% 보다 너무 적으면 부착성, 강도가 문제로 되고, 20 중량% 보다 너무 많으면 도막 내의 유기물이 많아져서 윤활시의 고온 지속성이 저하된다.
이와 같은 실란 커플링제는, 1 분자중에 유기질 및 무기질과 결합할 수 있는 이종 (異種) 의 반응기를 가지고 있기 때문에, 일반적으로 섬유강화 수지용으로서 사용되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 비닐실란계, 아미노실란계, 에폭시실란계, 메타크릴실란계, 클로로실란계, 메르캅토실란계 및 알킬실란계의 커플링제를 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용하여도 되고, 복수를 병용하여도 무방하다.
그리고 본 발명에서는, 이러한 실란 커플링제를 물과 혼합하기 때문에 실란커플링제의 사용량에 따라 다르지만, 수용성 실란 커플링제가 바람직하다. 그리고 본 발명의 윤활제 조성물은, 실란 커플링제의 일부가 가수분해를 일으켜 실란올기로 변환되는 것으로 생각된다.
또, 상기 알킬실란 커플링제 중에서도 본 발명에 바람직하게 사용되는 것에 대하여 더욱 설명한다. 바람직한 알킬실란 커플링제는 일반식 : R4-nSiXn으로 표시되며, n 은 1 ∼ 3 의 정수, R 은 탄소수 1 ∼ 9 정도의 알킬기이다. 그리고 X 는 피가수분해기로서, 예를 들면 알콕시기나 할로겐원자를 예시할 수 있는데, X 가 알콕시기인 경우가 취급상 바람직하다. 또한 X 가 알콕시기인 경우에는, 탄소수가 1 ∼ 7 정도가 바람직하고, 친수성을 고려하면 탄소수 1 ∼ 3 정도가 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명에서 사용되는 상기 실란 커플링제 대신에 티탄산염계 혹은 알루민산염계 커플링제도 계면제어의 점에서 적용할 수 있는 것으로 추측된다.
수산화알칼리, 탄산알칼리, 붕산알칼리 및 광산알칼리로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종 이상의 알칼리 화합물 : 0.1 ∼ 5.0 중량%
표기 알칼리 화합물은 규산알칼리, 실란 커플링제 혹은 산화철 등의 다른 혼합성분과의 상호관계 중에서 플러그 표면에 도포되거나 혹은 안내 블록 표면 및 안내 블록 표면과 피압연재 사이로 공급된 윤활막의 융점을 컨트롤하는 데 중요한 역할을 담당하고 있다. 그리고, 본원발명에서 사용되는 상기 알칼리 화합물을 구성하는 알칼리금속은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 및 프란슘 중 어느 것이어도 된다. 이들 알칼리 화합물은 단일 종류로 사용하여도 되며, 복수 종류를 병용하여도 된다.
또, 이 알칼리 화합물의 혼합비율은 0.1 ∼ 5.0 중량% 이다. 5.0 중량% 보다 너무 많으면 조성물의 구성이 어려워져서 조성물의 안정성이 저하되는 경우도 있다. 한편, 0.1 중량% 보다 너무 적으면 도포막을 윤활에 바람직한 융점으로 제어하기가 어려워진다. 그리고 융점을 용이하게 컨트롤하기 위해서는, 알칼리금속이 리튬인 것이 바람직하다. 특히, 규산알칼리로서 저렴한 규산나트륨이나 규산칼륨이 사용되는 경우에는, 상기 알칼리 화합물이 리튬인 것이 더욱 바람직하다.
또한 본 발명의 조성물은 알칼리성 수용액으로 되기 때문에, 알칼리수에 잘 녹는 것을 알칼리 화합물의 선택 기준으로 할 수 있다. 이 관점에서 보면, 알칼리 화합물로서 수산화물이 바람직하다. 이상에서 알 수 있는 바와 같이, 수산화리튬이 더욱 바람직한 알칼리 화합물로서 사용된다. 그러나, 그 외의 염을 첨가할 수도 있다. 예를 들면, 붕사 등도 사용할 수 있다. 이와 같이 하여 조정되는 바람직한 윤활도막의 연화점은 700 ∼ 900 ℃ 이고, 바람직하게는 750 ∼ 850 ℃ 이다.
물 : 30 ∼ 70 중량% 또는 5 ∼ 50 중량%
본 발명의 조성물은 물의 존재하에서 실란 커플링제가 분해되어 필요한 조성물로 되는 것이다. 물의 혼합비율은 다른 혼합성분에 따라서도 달라지지만, 적어지면 액이 점조 (粘稠) 해져서 플러그에 대한 도포나 안내 블록에 대한 공급작업이 어려워진다. 너무 많으면 플러그 및 안내 블록 표면에 대한 부착성, 안내 블록 표면과 피압연재 사이로의 침입성에 문제가 발생한다. 이와 같은 이유로 인하여 본 발명에서는 다른 혼합성분의 비율에 따라서 물의 비율이 다음과 같이 된다.
(A) 규산알칼리 : 10 ∼ 60 중량%, (B) 실란 커플링제 : 1 ∼ 20 중량% 및 (C) 수산화알칼리, 탄산알칼리, 붕산알칼리 및 광산알칼리로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상의 알칼리 화합물 : 0.1 ∼ 5.0 중량% 인 경우, 물은 30 ∼ 70 중량% 가 바람직하다. 70 중량% 를 넘으면 액이 너무 묽어져서 플러그에 대한 도포나 안내 블록에 대한 공급작업이 어려워진다. 또한, 30 중량% 보다 적은 경우에는 액이 너무 진해져서 플러그 및 안내 블록 표면에 대한 부착성, 안내 블록 표면과 피압연재 사이로의 침입이 어려워진다.
그리고, (A) 규산알칼리 : 10 ∼ 60 중량%, (B) 실란 커플링제 : 1 ∼ 20 중량%, (C) 수산화알칼리, 탄산알칼리, 붕산알칼리 및 광산알칼리로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상의 알칼리 화합물 : 0.1 ∼ 5.0 중량%, (E) 산화철 : 10 ∼ 60 중량% 및 (F) 분산제 및 증점제로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상의 첨가제 : 0.1 ∼ 5.0 중량% 인 경우, 물은 5 ∼ 50 중량% 가 바람직하다. 이 경우에는 상기한 바와 달리, 산화철 및 첨가제가 함유되어 있는 분량 만큼 물의 함유량은 적어진다. 단, 50 중량% 를 넘으면 액이 너무 묽어져서 플러그에 대한 도포나 안내 블록에 대한 공급작업이 어려워진다. 또한, 5 중량% 보다 적은 경우에는 액이 너무 진해져서 플러그 및 안내 블록 표면에 부착성, 안내 블록 표면과 피압연재 사이로의 침입이 어려워진다.
산화철 : 10 ∼ 60 중량%
본 발명자들은 만네스만 방식에 의한 이음매 없는 강관의 조관공정 등의 열간압연에서는, 극한상황에 가까운 마찰을 줄일 수 있는 것은 유일하게 플러그 표면에 생성되는 치밀하고 강고한 산화철 피막 (FeO, Fe3O4) 임에 주목하였다. 그리고 고온하에서의 윤활효과의 관점에서 산화철 성분을 혼합하는 것이 바람직함을 발견하였다. 그 양은 10 ∼ 60 중량% 가 바람직하다. 플러그 표면에 본 발명의 윤활조성물을 도포하는 경우, 플러그 표면에는 일반적으로 처음부터 산화철 피막이 형성되어 있기 때문에 약간 적게 혼합하는 것이 바람직하다. 한편, 안내 블록과 피압연재 사이로 본 발명의 윤활조성물을 공급할 때에는 약간 많은 듯이 혼합하여야 한다. 그러나, 60 중량% 를 넘으면 피압연재에 흡집 등의 결합을 일으키게 된다. 또한, 10 중량% 보다 적으면 플러그 혹은 안내 블록의 마모를 재촉하여 이들의 수명을 단축시킨다.
그리고, 산화철에는 산화제1철(FeO), 산화제2철(Fe2O2), 사삼산화철(Fe3O4) 이 있으며, 어느 산화철을 사용하여도 무방하다. 그러나 균일하게 분산시킬 필요가 있기 때문에, 그 평균입경은 0.1 ㎛ ∼ 500 ㎛ 가 바람직하다. 평균입경이 500 ㎛ 보다 큰 경우에는, 본 발명의 조성물 내에서 산화철이 침강하여 균일한 분산이 어려워진다. 또한, 0.1 ㎛ 보다 작으면 윤활유체의 강도가 저하되어 기대한 윤활성을 얻을 수 없게 되는 경우도 있다.
분산제 및 증점제로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상의 첨가제 : 0.1 ∼ 5.0 중량%
산화철을 균일하게 분산시키기 위해서는, 증점제 및 분산제를 사용하여야 한다. 따라서 분산제 및/또는 증점제의 첨가량은 0.1 ∼ 5.0 중량% 가 바람직하다. 그러나, 5.0 중량% 를 넘으면 본 조성물 중에서의 산화철의 분산성은 양호해지지만, 플러그나 안내 블록 표면에 대한 부착성이 악화되므로 바람직하지 못하다. 또한, 0.1 중량% 보다 적으면 산화철의 분산성이 악화된다. 따라서, 증점제, 분산제의 첨가량은 0.1 ∼ 5.0 중량% 가 바람직하다.
증점제 혹은 분산제로서는 알긴산나트륨, 알긴산프로필렌글리콜에스테르, 카세인나트륨, 카르복시메틸셀룰로오스나트륨, 카르복시메틸셀룰로오스암모늄, 전분글리콜산나트륨, 전분산나트륨, 폴리아크릴산나트륨, 메틸셀룰로오스, 히드록시메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 카르복시프로필렌셀룰로오스 등의 셀룰로오스나 아라비아 고무, 알긴산, 카세인, 구아검, 글루텐, 전분, 로카스트빈검, 잔산검 등의 천연검 다당류를 사용할 수 있다. 그리고 알킬아민, 지방산 및 알킬황산에스테르의 금속염, 소르비탄의 모노 및 트리지방산에스테르, 라놀린유도체, 레시틴, 금속비누, 폴리옥시에틸알킬에테르, 폴리옥시에틸렌글리콜지방산에스테르, 디알킬술포석시네이트 등의 계면활성제 및 그 외의 계면활성제를 사용함으로써, 산화철분의 표면을 보다 친수성화하여, 본 조성물중으로의 균일한 분산을 가능하게 할 수 있다.
본 발명은 도 1 또는 도 2 에 나타낸 경사압연기 (1) 에 의하여 이음매 없는 강관을 제조하는 경우, 상기 윤활제를 플러그 표면에 도포하고 또한 안내 블록으로 공급한다. 플러그 표면에 도포하는 경우에는, 플러그의 표면온도를 100 ℃ ∼ 300 ℃ 로 냉각하여 유지하는 것이 바람직하다. 이 온도범위를 벗어나면 윤활제가 플러그 표면에 잘 부착되지 않게 된다.
윤활제를 플러그 표면에 도포하는 방법으로서는 스프레이 또는 롤러, 몹(mop) 등으로 자동 또는 수동으로 실시할 수 있다. 또한, 윤활제를 안내 블록으로 공급하기 위해서는 스프레이가 바람직하다.
그리고 본 발명의 열간가공용 윤활제 조성물은, 만네스만 방식에 의한 이음매 없는 강관의 조관공정에 한정되는 것이 아니라, 일반적인 열간가공공정에도 적용할 수 있음은 물론이다.
(실시예)
실시예 1
도 1 에 나타낸 경사압연기 (1) 에서 본 발명을 실시한다. 조관이 종료된 플러그 (3) 는 샤워 수랭후에 그 표면온도를 170 ℃ ∼ 250 ℃ 로 유지한 상태에서, 윤활제 도포 헤더 (10) 에 의하여 플러그 표면에 윤활제를 도포한다. 윤활제는 표 1a ∼ 표 2b 에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 13 종류의 윤활제를 사용한다. 또한, 비교를 위하여 무윤활 (비교예 1) 및 규산나트륨 1호 (Na2O:SiO2=1:2) 40 중량% 수용액만을 사용한 윤활압연 (비교예 2) 도 실시한다.
윤활압연의 경우, 윤활제의 도포량은 1 개의 플러그에 대하여 150 ㏄, 분사압력 {에어 분무기(air atomize)} 은 윤활제 3 kgf/㎠, 에어 2 kgf/㎠ 으로 한다.
또한, 피어서(piercer)에서의 천공 및 에론게이터(elongator)에서의 연신압연용 플러그 (3) 에는 표면에 약 400 ㎛ 의 산화 스케일을 생성시킨 0.3% C-0.5% Cr-1.5% Ni 계 플러그를 사용한다. 각 윤활제를 직경 210 ㎜ (길이 2m) 의 13% Cr강 이상의 고합금강 빌릿 200 개의 천공 및 연신압연에 사용한다. 수랭후에 매회 플러그 표면의 손모상황을 조사하여 용착으로 인한 손모, 마모, 결손 등으로 인하여 수명이 다한 것으로 판단된 경우, 다른 플러그와 교환한다.
13% Cr강 이상의 고합금강 빌릿 200 개의 천공 및 연신압연에 사용된 각 플러그의 수명 개수를 비교하여 표 1a ∼ 표 2b 에 나타낸다. 본 발명에 의한 윤활제를 사용함으로써, 무윤활인 경우의 플러그 수명에 비하여 천공 및 연신압연 모두 2 배 이상으로 되어 있음을 알 수 있다. 그러나, 규산소다 1호 40 중량% 수용액만을 사용한 경우에는, 무윤활인 경우의 플러그 수명과 비교하여 수명은 전혀 향상되지 않았다.
실시예 2
도 2 에 나타낸 경사압연기에서 본 발명을 실시한다. 윤활제는 안내 블록 (6) 의 피압연재 회전방향 초입측에 설치된 스프레이 (6A) 를 통하여 안내 블록 표면과 피압연재의 접촉영역 전체로 공급된다. 윤활제로서는 표 3a ∼ 표 5b 에 나타낸 바와 같이 본 발명에 의한 16 종류의 윤활제를 사용한다.
또, 비교를 위하여 무윤활 (비교예 1) 및 규산나트륨 1호 (Na2O:SiO2=1:2) 40 중량% 수용액만을 사용한 윤활압연 (비교예 2) 도 실시한다.
윤활압연의 경우, 양측 안내 블록으로 20 ㏄/min 씩의 윤활제를 공급한다. 분사압력 (에어 분무기) 은 윤활제 3 kgf/㎠, 에어 2 kgf/㎠ 으로 한다.
또한, 피어서에서의 천공압연 및 에론게이터에서의 연신압연에는, 1.3%C-30% Cr-30% Ni 계 재질의 안내 블록를 사용한다. 각 윤활제를 직경 210 ㎜ (길이 2m) 의 13% Cr강 이상의 고합금강 빌릿 250 개의 천공 및 연신압연에 사용한다. 매회 압연후에 안내 블록 표면상황을 조사하여 용착, 마모, 히트 크랙(heat crack) 등으로 인하여 수명이 다한 것으로 판단된 경우, 다른 플러그와 교환한다.
13% Cr강 이상의 고합금강 빌릿 250 개의 천공 및 연신압연에 사용된 각 안내 블록의 수명 개수를 비교하여 표 3a ∼ 표 5b 에 나타낸다. 본 발명에 의한 윤활제를 사용함으로써, 무윤활인 경우의 안내 블록 수명과 비교하여 천공 및 연신압연 모두 3 배 이상의 수명을 얻을 수 있다. 그러나, 규산나트륨 1호 40 중량% 수용액만을 사용한 경우에는, 무윤활인 경우의 안내 블록 수명과 비교하여 수명은 전혀 향상되지 않았다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면 고합금강의 천공 혹은 연신압연과 같이 까다로운 조건에서 사용되는 이음매 없는 강관 압연용 플러그 등과 같은 열간가공용 공구의 수명을 간단하게 연장시킬 수 있다.
[표 1a]
(단위:wt%)
Figure kpo00001
*(3) 비닐트리에톡시실란
*(4) γ-아미노프로필트리메톡시실란
*(5) γ-메타크릴록시프로필트리메톡시실란
*(6) γ-메르캅토프로필트리메톡시실란
*(7) γ-클로로프로필트리메톡시실란
[표 1b]
(단위:wt%)
Figure kpo00002
[표 2a]
(단위:wt%)
Figure kpo00003
*(3) 비닐트리에톡시실란
*(4) γ-아미노프로필트리메톡시실란
*(5) γ-메타크릴록시프로필트리메톡시실란
*(6) γ-메르캅토프로필트리메톡시실란
*(7) γ-클로로프로필트리메톡시실란
[표 2b]
(단위:wt%)
Figure kpo00004
[표 3a]
(단위:wt%)
Figure kpo00005
*(3) 비닐트리에톡시실란
*(4) γ-아미노프로필트리메톡시실란
*(5) γ-메타크릴록시프로필트리메톡시실란
*(6) γ-메르캅토프로필트리메톡시실란
*(7) γ-클로로프로필트리메톡시실란
[표 3b]
(단위:wt%)
Figure kpo00006
[표 4a]
(단위:wt%)
Figure kpo00007
*(3) 비닐트리에톡시실란
*(4) γ-아미노프로필트리메톡시실란
*(5) γ-메타크릴록시프로필트리메톡시실란
*(6) γ-메르캅토프로필트리메톡시실란
*(7) γ-클로로프로필트리메톡시실란
[표 4b]
(단위:wt%)
Figure kpo00008
[표 5a]
(단위:wt%)
Figure kpo00009
*(3) 비닐트리에톡시실란
*(4) γ-아미노프로필트리메톡시실란
*(5) γ-메타크릴록시프로필트리메톡시실란
*(6) γ-메르캅토프로필트리메톡시실란
*(7) γ-클로로프로필트리메톡시실란
[표 5b]
(단위:wt%)
Figure kpo00010

Claims (14)

  1. (A) 규산알칼리 : 10 ~ 60 wt%,
    (B) 실란 커플링제 : 1 ~ 20 wt%,
    (C) 수산화알칼리, 탄산알칼리, 붕산알킬리 및 광산알칼리로 이루어지는 군에서 선택된 1 종 이상의 알칼리 화합물 : 0.1 ~ 5.0 wt% 및
    (D) 물 : 30 ~ 70 wt% 를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열간가공용 윤활제 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 성분 (A) 가 규산나트륨이고, 성분 (C) 의 알칼리 화합물이 나트륨 화합물인 것을 특징으로 하는 열간가공용 윤활제 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 성분 (A) 가 규산나트륨이고, 성분 (C) 의 알칼리 화합물이 칼륨 화합물인 것을 특징으로 하는 열간가공용 윤활제 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 성분 (A) 가 규산나트륨이고, 성분 (C) 의 알칼리 화합물이 리튬 화합물인 것을 특징으로 하는 열간가공용 윤활제 조성물.
  5. 제4항에 있어서, 성분 (C) 의 리튬 화합물이 수산화리튬인 것을 특징으로 하는 열간가공용 윤활제 조성물.
  6. (A) 규산알칼리 : 10 ~ 60 wt%,
    (B) 실란 커플링제 : 1 ~ 20 wt%,
    (C) 수산화알칼리, 탄산알칼리, 붕산알칼리 및 광산알칼리로 이루어지는 군에서 선택된 1 종 이상의 알칼리 화합물 : 0.1 ~ 5.0 wt%,
    (D) 물 : 5 ~ 50 wt%,
    (E) 산화철 : 10 ~ 60 wt%, 및
    (F) 분산제 및 증점제로 이루어지는 군에서 선택된 1 종 이상의 첨가제 : 0.1 ~ 5.0 wt% 를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열간가공용 윤활제 조성물.
  7. 제6항에 있어서, 성분 (A) 가 규산나트륨 및 규산칼륨에서 선택된 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 열간가공용 윤활제 조성물.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 성분 (C) 의 알칼리 화합물이 나트륨 화합물인 것을 특징으로 하는 열간가공용 윤활제 조성물.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 성분 (C) 의 알칼리 화합물이 칼륨 화합물인 것을 특징으로 하는 열간가공용 윤활제 조성물.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서, 성분 (C) 의 알칼리 화합물이 리튬 화합물인 것을 특징으로 하는 열간가공용 윤활제 조성물.
  11. 제10항에 있어서, 리튬 화합물이 수산화 리튬인 것을 특징으로 하는 열간가공용 윤활제 조성물.
  12. 이음매 없는 강관을 만네스만 방식에 의하여 플러그를 사용하여 조관함에 있어서, 플러그의 표면온도를 100 ~ 300 ℃ 로 유지하면서 상기 제1항 또는 제6항에 기재된 조성물로 이루어지는 윤활제를 플러그 표면에 도포한 후, 압연하는 것을 특징으로 하는 이음매 없는 강관의 제조방법.
  13. (A) 규산알칼리 : 10 ~ 60 wt%,
    (B) 실란 커플링제 : 1 ~ 20 wt%,
    (C) 수산화알칼리, 탄산알칼리, 붕산알칼리 및 광산알칼리로 이루어지는 군에서 선택된 1 종 이상의 알칼리 화합물 : 0.1 ~ 5.0 wt% 및,
    (D) 물 : 30 ~ 70 wt% 를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 윤활제용으로서 적합화시킨 조성물.
  14. (A) 규산알칼리 : 10 ~ 60 wt%,
    (B) 실란 커플링제 : 1 ~ 20 wt%,
    (C) 수산화알칼리, 탄산알칼리, 붕산알칼리 및 광산알칼리로 이루어지는 군에서 선택된 1 종 이상의 알칼리 화합물 : 0.1 ~ 5.0 wt%,
    (D) 물 : 5 ~ 50 wt%,
    (E) 산화철 : 10 ~ 60 wt%, 및,
    (F) 분산제 및 증점제로 이루어지는 군에서 선택된 1 종 이상의 첨가제 : 0.1 ~ 5.0 wt% 를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 윤활제용으로 적합화시킨 조성물.
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