KR100318399B1 - 소성 가공유 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 냉간 가공등의 소성 가공시 금속 소재의 변형, 마찰에 의해 발생하는 열을 이용하여 금속 표면에 윤활 피막을 형성하는 소성 가공유제에 관한 것이다.
본 발명은 광유계 및 합성계(다가 염기산 에스테르, 에스테르, 폴리올에스테르, 알킬벤젠, 폴리부텐 및 폴리알킬렌 글리콜) 윤활기유 5 내지 95중량%에 기타 성능 향상제를 첨가하여 제조하되, 이때 사용되는 윤활기유는 각각을 단독으로 적용하거나 2종 이상을 혼합하여 배합하는 것을 특징으로 하는 소성가공유제 조성물이다.
본 발명의 소성가공유제는 사용이 간편하면서도 더욱 뛰어난 윤활성의 윤활피막을 형성하는 효과를 나타낸다. 또한 본 발명은 소성가공 공정시 특별한 전처리 없이 뛰어난 작업성을 부여하고 소재의 가공시 발생되는 마찰열 및 변형열을 이용하여 유제내의 극압 첨가제가 소재 및 금형에 윤활 피막을 형성하는 효과를 갖는다.
Description
본 발명은 냉간 가공등의 소성 가공시 금속 소재의 변형, 마찰에 의해 발생하는 열을 이용하여 금속 표면에 윤활 피막을 형성하는 소성 가공유제에 관한 것이다.
금속의 가공은 금속 소재를 깎아내어 모양을 다듬는 절삭, 연삭 가공과, 소재의 처음 부피와 질량을 그대로 유지한 채 그 모양만을 변형시키는 소성 가공등으로 구분할 수 있다.절,연삭 가공의 경우 소성 가공에 비하여 보다 적은 극압성과 이형성으로 작업이 가능한 반면, 소요되는 시간이 많으며 소재의 낭비라는 단점을 가지고 있다.소성 가공은 절,연삭가공에 비하여 시간과 소재의 절감이라는 장점이 있으나 높은 윤활성과 이형성이 요구될 경우 소요되는 경비가 증가하기 때문에 현재까지 절,연삭 가공이 소성 가공에 비해 널리 이용되고 있다.그러나 매우 정밀한 소성 가공 기술 및 소성 가공 장비가 현재 계속적으로 개발되고 있으며, 시간의 효율적인 이용이라는 측면에서 소성 가공에 의한 소재의 가공이 점차 증가하고 있다.
본 발명은 이러한 추세를 접목하여 뛰어난 극압성, 윤활성 및 내마모성을 겸비하여, 기존의 금속 가공유, 특히 기존 소성 가공유제의 적용이 불가능한 냉간 가공과 같은 고 난이도의 공정에 적합한 소성 가공유제를 개발하는데 중점을 두었다.
금속의 소성 가공은 변형열 및 마찰열에 의한 온도 상승, 신생면의 증대 등이 큰 특징이며, 이러한 특이성으로 인해 고도의 윤활성이 요구된다.종래의 소성 가공유제는 광유 및 합성유 또는 이들 혼합유를 주성분으로 하는 수용성, 비수용성 액체 윤활유제에 윤활 향상제 및 유황계, 염소계, 산소계 등이 극압제나 흑연, 이황화몰리브덴 등이 첨가된 형태로 이루어져 있다.이러한 소성 가공유는 가공도가 낮은 공정에는 작용이 가능하나 가공도가 높은 공정이나 매우 복잡한 형상을 갖는 성형품에는 내하중성, 윤활성 및 내마모성이 불충분하여 소재와 금형이 융착되거나 금형이 파손되는 경우가 발생한다.소성 변형이 크거나 복잡한 형상을 가공할 경우 소재의 표면을 연질 금속으로 도금하거나 합성수지 피막을 코팅하는 방법 또는 인산염 피막처리, 수산염 피막처리를 하여 윤활성을 극대화하는 방법이 널리 사용되고 있다.그러나 이들 윤활피막 처리방법은 소재 표면의 충분한 전처리가 필요하며 피막 처리공정이 매우 복잡하고 또한 성형 후의 피막 제거가 매우 어려우며, 처리 폐액의 공해 발생 문제 등으로 인한 인적, 물적, 시간의 소요 및 경비의 부담이 매우 높은 단점이 있다.
최근에는 인산 및 그 염, 붕산 및 그 염, 알칼리 금속의 탄산염, 질산염, 황산염 및 그 수화물, 그리고 충산 규산염 등을 함유한 윤활제가 개발되어 보고되고 있다(일본특개소 57-73098).이들 윤활제는 P2O5, B2O2, M2O(M은 알칼리 금속)를 함유하고 있는 수용성 유리 분말과 층상 규산염 혹은 위의 화합물들의 혼합물이 물에 분산 혹은 용해된 상태로 이루어져 있다.그러나 냉간 가공과 같은 저온(300℃이하)에서는 이들 윤활유제는 윤활 능력을 발휘할 수 없으므로 냉간 가공용의 윤활유제로는 적용에 어려움이 있다.그 외 광유, 올레인산 및 올레일 아민과 같은 유기계 윤활 향상제 30 - 94 중량%, 다가 금속 양이온염, 고분자성 인산 및 탄소수가 10 - 36개인 알코올(금속양이온 : P2O2: 알코올 = 1 : 3 - 60 : 14 - 150 중량%)과의 반응 생성물 5 - 60 중량% 및 수분 0.5 - 10 중량%로 이루어진 냉간 가공용 윤활유제가 개발되었으나(미합중국 특허번호 제3,932,287호) 이러한 윤활유제는 파이프 등의 인발 작업에는 우수한 작업성능을 나타내나, 반면 감소율이 높은 중실 강재의 가공 공정에는 적용이 어려운 것으로 알려져 있다.
상기의 기술한 것과 같이 고온, 고면압 등의 가공조건을 가지는 소성 가공 공정에 있어서, 종래 윤활유제의 윤활 피막 형성 방법은 인적, 물적자원 낭비 및 충분한 가공성을 부여하지 못하므로, 본원 발명의 궁극적인 목표는 사용이 간편하면서도 더욱 뛰어난 윤활성의 윤활 피막을 형성하는 소성 가공유제를 개발하는데 있다.이러한 관점에서 본원 발명에서는 소성 가공 공정시 특별한 전처리 없이 뛰어난 작업성을 부여하기 위해서, 소재의 가공시 발생되는 마찰열 및 변형열을 이용하여 유제내의 극압 첨가제가 소제 및 금형에 윤활 피막을 형성하도록 하였다.
일반적으로 극압 첨가제는 염소계, 황계 및 인계 유기 화합물들로 상온, 상압에서는 매우 안정한 물질로 화학적 변화가 없다.그러나 고온, 고압에서는 분해 등의 화학적인 변화를 일으키며 금속이 동시에 존재할 경우 금속 표면과 화학적인 반응을 일으켜 새로운 화학종을 생성한다.이렇게 생성된 화학종은 금속의 표면에 윤활 피막을 형성하여 성형 가공시 소재와 금형의 융착을 방지하고 금형의 수명을 유지하며 윤활성을 부여하게 된다.이러한 화학 반응으로 금속 표면에 생성되는 윤활 피막의 성질은 첨가된 극압 첨가제의 종류 및 함량에 좌우되며, 극압 첨가제 중 특히 인계 유기 화합물의 영향이 매우 크다.
그러나 각각의 소성 가공 공정에 따라 극압 첨가제들의 작업성은 판이하게 달라지므로 각각의 공정에 알맞는 극압 첨가제를 찾아내어 소성 가공유제에 적용하는 것이 바람직하다.일반적으로 염소계 유기 화합물들은 인발 작업에서도 다른 공정에 비해 매우 양호한 작업성을 나타내며, 황계 유기 화합물들은 프레스 작업에서 매우 양호한 작업성을 나타내고 있다.
본 발명에서는 각각의 극압 첨가제들의 장점을 파악하여 1종 이상의 화학종을 혼용하여 사용함으로써 한가지 이상의 소성 가공 공정에 작업성을 부여하는 것을 기술적인 과제로 한다.
또한, 본 발명은 제조상의 용이성 및 원료 수급의 편이를 위해 현재 공지된 윤활기유 및 첨가제를 사용하며, 이러한 제조 방법을 통하여 제조 경비를 낮추는 것을 기술적인 과제로 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.본 발명은 광유계 윤활기유 및 합성계 윤활기유 중에서 선택된 단독 또는 2종 이상의 5 - 95 중량%에 성능 향상제를 혼합하여 배합하는 것을 특징으로 하는 소성 가공유 조성물이다.본 발명에 있어서 윤활기유는 종래 사용되어 왔던 광유, 합성유 예를 들면 다가 염기산 에스테르, 에스테르, 폴리올에스테르, 알킬벤젠, 폴리부텐 및 폴리알킬렌글리콜, 실리콘유 및 불소유 및 이들의 혼합유가 사용되었다.이들 윤활기유의 선택 및 혼합 정도는 가공품의 가공도 및 윤활유제의 윤활면으로의 공급 방법등에 의하여 요구되어지는 점도를 만족시키므로 결정하는 것이 좋다.
윤활기유의 첨가량은 5 - 95 중량%이며 윤활기유로 광유계로 모두 적용하여도 무방하나 윤활 성능을 향상시키기 위해 합성유를 적당량 혼합하는 것이 바람직하다.
본원 발명에서 극압제로는 염소계 극압제, 황계 극압제 및 인계 극압제 등을 1종 또는 2종 이상 혼용하여 적용하였으며 1가지 이상의 소성 가공에 적용하려면 2종 이상의 극압제를 혼용하여 적용하는 것이 바람직하다.
염소계 극압제에는 염화파라핀, 염화지방산 에스테르 및 염화 유지 등의 염소계 유기 화합물이 포함되며 염소 함량은 5 - 95 중량% 정도이다.일반적으로 염소 함량이 증가할수록 극압제의 점도는 증가한다. 이들 염소계 극압제들은 파라핀계 광유에 대한 용해도가 높지 않으므로 극압제의 함량을 30 중량% 이상 적용시 나프텐계 광유 또는 합성유의 함량을 높여 저온에서의 층분리 현상을 방지하는 것이 바람직하다.
일반적으로 염소계 극압제들 중에서 단순한 윤활성만을 고려할 경우 염화파라핀의 윤활성이 염화지방산 에스테르 및 염화유지에 비해 낮은 경향이 있다.만일 고윤활성이 필요한 소성 공정에 염화파라핀을 극압제로 적용할 경우 낮은 윤활성을 보강하기 위해서는 지방유를 첨가하거나 윤활유 중의 합성유 함량을 증가시키는 것이 바람직하다.
본 발명에서의 염소계 극압제 함량은 5 - 95 중량%이며, 위에서 언급한 염소계 유기 화합물 중 1종 또는 2종 이상 혼합물 중 어떤 것을 사용하여도 무방하다.
인계 극압제에는 하기 화학식 1에서 나타낸 다가 금속염, 고분자성 인산, 알코올 등을 반응시킨 M-DTP(M :다가 금속 양이온, DTP : Dithiophosphate)와, 하기 화학식 2에서 나타낸 인산과 알코올로 합성한 인산에스테르 등이 있다.일반적으로 인계 극압제들은 산가가 높은 것이 특징이며, 이러한 산가를 중화시키기 위해 유기계 아민을 첨가하는 경우도 있다.
상기식에서, M은 다가 금속 양이온이고, R은 수소 또는 탄소수 2 - 20개인 지방족 또는 방향족 치환기이다.
상기식에서, R은 수소 또는 탄소수 2 - 20개인 지방족 또는 방향족 치환기이고, X는 수소 또는 탄소수 2 - 20인 지방족 또는 방향족 치환기, 또는 NHn-4R1 n인 아민기(n은 1 - 4인 정수이고, R1은 수소 또는 탄소수 2 - 20인 지방족 또는 방향족 치환기)이다.
본 발명에서의 인계 극압제의 함량은 0.1 - 20 중량%이며, 전술한 인계 화합물 1종 또는 2종 이상의 혼합물 중 어떤 것을 사용하여도 무방하다.
황계 극압제에는 황화 유지, 황화 올레핀 및 기타 황을 포함하는 유기계 화합물들이 있으며, 황계 극압제들 중 황화 유지의 윤활성이 황화 올레핀에 비해 우수한 것으로 나타나 있다. 이러한 이유로 황화 유지가 현재까지 널리 사용되고 있다.본 발명에서의 황계 극압제의 함량은 0.1 - 20 중량%이며 위에서 언급한 황계 화합물 1종 또는 2종 이상의 혼합물 중 어떤 것을 사용하여도 무방하다.
일반적으로 극압 첨가제의 함량이 적을 경우 윤활 피막의 두께 및 강도가 불충분하여 소재 및 금형의 융착 또는 금형의 마모 및 파손의 경우가 발생하며, 극압 첨가제의 함량이 적당량 이상일 경우에도 가공 성능은 적정량일 경우와 별차이가 없으므로 경제적인 측면에서 바람직하지 않다. 상기와 같은 이유로 극압 첨가제들의 함량 및 조합은 각각의 공정에 알맞게 조절되어야 한다.
본 발명에서는 소성 가공유제의 성능 향상을 위해 방청 첨가제, 소포제 및 부식 방지제 등을 각각 0.1 - 20중량%로 적용할 수도 있다.
본 발명에서는 방향 첨가제로 일반적으로 사용되는 금속 설포네이트염, 금속 지방산염, 금속 피네이트 및 티아졸계 중 2종 이상을 병행 사용할 수 있다.
여기서 주의할 점은 방청 첨가제의 함량이 높을 경우 극압제 및 내마모성 첨가제의 금속 표면에 대한 흡착을 방해하는 경향이 있으므로 첨가량은 각각의 소성 가공 공정에 알맞게 조절되어야 한다.
본 발명의 소성 가공유제는 스프레이, 브래싱, 솔로 칠하기, 로울코오리 등 공지의 방법에 의해 소성 가공하고자 하는 금속 소재 표면 또는 금속 가공면에 도포하여 사용할 수 있다.또한 본 발명의 소성 가공유제 또는 가공할 소재 중 한가지를 가열하여 소재를 기름 속에 침적 후 꺼내어 금속재료 표면에 윤활피막처리를 한 다음 가공할 수도 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
실시예
1) 윤활기유의 선택
본 발명에서 사용한 윤활기유는 현재 널리 사용되고 있는 광유계, 합성계(에스테르, 폴리에스테르, 디에스테르, PAG, PAO) 및 이들의 2종 이상 혼합물 모두가 사용 가능하다.이들 윤활기유의 선택은 요구되는 소성 가공유의 점도, 첨가제의 용해성, 작업성, 환경 친화성 및 가격 등을 고려하여 이루어지는 것이 바람직하다.일반적으로 파라핀계 광유 및 함성유 중 PAO, PAG 등은 첨가제에 대한 용해성이 낮으므로, 이러한 윤활유를 적용할 시는 나프텐계 광유 또는 에스테르계 합성유를 적당량 혼합하여야만 저온에서의 분리 현상을 방지할 수 있다.하기 표 1에서는 몇가지 윤활기유에 대한 첨가제의 용해성을 나타낸 것으로, 파라핀계 광유의 낮은 용해성을 나프텐계 광유 및 합성계 에스테르를 혼합하여 보강할 수 있음을 보여주고 있다.
본 발명에 사용된 윤활기유는 발명품의 안정된 성상 및 성능을 위하여 아래와 같은 물성치를 갖는 것을 사용하였다.
외관 : 무색 투명 또는 암갈색 투명
동점도(40℃, cSt) : 4 - 600
전산가(mg KOH/g) :2 이하
2) 극압 첨가제, 내마모성 첨가제 및 기타 성능 향상 첨가제
본 발명에서 사용된 첨가제들은 제품의 안정된 성상 및 성능을 위하여 아래와 같은 물성치를 갖는 것으로 사용한다.
① 염화 파라핀
외관 : 3.0(ASTM color) 이하
염소 함량 : 10 - 80 중량%
전산가 : 10.0(mg KOH/g) 이하
② 염화 지방산 에스테르
외관 : 무색에서 암갈색 투명 액상 또는 반 고체형
염소 함량 : 10 - 80 중량%
전산가 : 20. 0(mg KOH/g) 이하
③ 염화 유지
외관 : 무색에서 암갈색 투명 액상 또는 반 고체형
염소 함량 : 10 - 80 중량%
전산가 : 20. 0(mg KOH/g) 이하
3) 금속 - Dithiophosphate염
금속 : 아연, 몰리브덴, 납 및 다가 금속 양이온
금속 함량 : 3 - 40 중량%
인 함량 : 3 - 30 중량%
황 함량 : 3 - 30 중량%
4) 인산 에스테르계
인산 또는 고분자성 인산과 유기계 알코올을 축합 반응시킨 합성 화합물
5) 황계 극압제
황의 함량이 0.1 - 60%인 황화 유지, 황화 올레핀 및 황을 포함하는 유기 화합물
6) 기타 첨가제
부식 방지제 : 금속의 염, 아졸계, 치아졸계 또는 지방산 아마이드계 등
방청 첨가제 : 금속의 설포네이트염 및 금속의 지방산 염 등
소포제 : 유기 실리콘계, 고분자성 아민계 및 유기계 고분자성 물질 등
증점제 : 유기계 고분자 물질 등
실시예 1 내지 42
소성 가공유제의 제조
실시예 1의 윤활유기유 및 첨가제를 이용하여 다음 표 2a - 표 2i의 조성으로 제조하였으며, 각각의 성상 및 성능 시험 결과는 표 3a - 표 3i에 나타내었다.
주) 상기에서 각각 첨가제의 명칭
A : 광유계 윤활유
B : 합성계 윤활유
C : 염소계 유기 화합물
D : 인계 화합물
E : 황계 화합물 및 방청 첨가제
F : 소포제, 중점제 및 부식 방지제
주) 1) 시험기 : 진자식 마찰 계수 측정기
2) 시험기 : FALEX 내마모성 시험기
3) 시험기 : FZG-Gear Wear Test(8.3m/s, 90℃)시험방법 : DIN 51354 part 2
4) 시험기 : 소다식 4구 시험기(750 rpm. kg/㎠)시험방법 : KSM 2026
본 발명의 소성 가공유제는 사용이 간편하면서도 더욱 뛰어나 윤활성의 윤활 피막을 형성하는 효과를 나타낸다.또한, 본 발명은 소성 가공 공정시 특별한 전처리 없이 뛰어난 작업성을 부여하고, 소재의 가공시 발생되는 마찰열 및 변형열을 이용하여 유체내의 극압 첨가제가 소제 및 금형에 윤활 피막을 형성하는 효과를 갖는다.
Claims (6)
- 광유계 윤활기유 및 합성계 윤활기유 중에서 선택된 단독 또는 2종 이상의 5 ∼ 95 중량%에 성능향상제를 혼합하여 배합하되,상기 합성계 윤활기유는 다가염기산 에스테르, 폴리에스테르, 폴리올에스테르, 알킬벤젠, 폴리부텐 및 폴리알킬렌글리콜 중에서 선택된 하나 또는 그 이상이며,상기 성능향상제는 윤활유 5 ∼ 95 중량%에 염소화합물 5 ∼ 95 중량% 및 내마모성 극압 첨가제 0.1 ∼ 20 중량%가 첨가배합된 것을 특징으로 하는 소성가공유 조성물.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 내마모성 극압 첨가제는 황화지방유, 금속 디치오포스페이트 및 인산 에스테르 중에서 선택된 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 소성가공유 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 성능향상제는 부식방지제, 방청첨가제, 증점제 및 소포제를 포함하는 것을 특징으로 하는 소성가공유 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 염소화합물은 염화파라핀, 염화지방산에스테르 또는 염화유지인 것을 특징으로 하는 소성가공유 조성물.
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