KR100391164B1 - 알루미늄 및 알루미늄합금판의 저온성형용 윤활제 - Google Patents

알루미늄 및 알루미늄합금판의 저온성형용 윤활제 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온에서 알루미늄 및 알루미늄 합금판의 성형용 윤활제에 관한 것이다. 이 윤활제는 성분(a): (a) 광물유, 합성나프텐, 폴리부텐 및 폴리(모노)α-올레핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 탄화수소를 45∼90중량%, 및 성분 (b) 탄소수 10∼24의 직쇄 또는 분지쇄의 지방족 알코올로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 10∼45중량%를 함유하고, 이들의 에스테르가가 70이하이고, 동점도가 40℃에서 20cSt 미만인 것으로 함유한다. 이 윤활제를 사용하여 알루미늄 및 알루미늄 합금판을 성형하면, 성형성이 대폭 향상될 수 있고, 종래 성형될 수 없었던 형상의 성형이 가능하게 된다.

Description

알루미늄 및 알루미늄 합금판의 저온성형용 윤활제
본 발명은 알루미늄 및 알루미늄 합금판의 성형에 관한 것으로, 더 상세히는 주로 자동차부품, 전기기기부품 및 항공기 부품 등의 복잡한 형상의 알루미늄 제품의 저온성형에 있어서, 우수한 프레스 성형성을 실현하는 윤활제에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그의 윤활제를 사용하여 저온성형하여 제조한 알루미늄 및 일루미늄 합금판 및 이 윤활제를 사용하여 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 성형방법에 관한 것이다.
알루미늄 및 알루미늄 합금은 그의 경량성, 내식성 및 성형성이 우수하기 때문에 강철재료에 나아가서는 범용금속 재료로서 자동차를 비롯하여 각종 산업분야에 널리 사용되고 있다.
최근, 자동차의 경량화를 도모하기 위하여 알루미늄 및 알루미늄 합금판의 사용이 점차 증가하고 있으나, 알루미늄 및 알루미늄 합금판은 강판에 비교하여 성형성이 떨어지기 때문에 성형시 크랙의 발생이나 설계시에 형상이 제한되는 등의 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 일본국 특개소 63-89649(1988년)호 공보에기재된 Al-Mg-Zn 합금을 포함한 각종재료가 개발되어 왔다. 그러나 이 합금의 성형성은 강판에 비교하여 열악한 것이었다.
또한 일본국 특공평 4-300032(1992년)호 공보에는 개량된 가공방법이 개시되어 있다. 이 방법에 따르면 저온영역에서 알루미늄 및 알루미늄 합금의 신장율이 향상을 이용하여 성형성을 향상시킨다. 그러나, 이 방법에서 사용되고 있는 윤활제의 요구성은 명백하지 않으며, 강판에 비교하면 이 방법에 의한 성형성도 여전히 떨어진다. 또한 일본국 특개평 3-134094(1991), 일본국 특개평 4-233998(1992) 및 일본국 특개평 5-98274(1993)의 공보에 각종 윤활제가 보고되어 있으나, 이들 윤활제를 도포하여도 강판과 같은 성형성이 실현될 수 없다는 문제점이 있었다.
이러한 실정을 감안하여, 본 발명자들은 예의 연구한 결과, 윤활제의 조성 및 특성을 특정화함으로서 상기 문제점을 해결할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
즉, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금판의 저온성형용 윤활제를 제공하는 것이다.
본 발명의 태양은 알루미늄 또는 알루미늄 합금판을 -30℃ 미만의 온도에서 프레스 성형할 때에 사용하는 윤활제에 있어서 다음성분 (a) 및 (b) :
(a) 광물유, 합성나프텐, 폴리부텐 및 폴리(모노)α-올레핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 탄화수소를 45∼90중랑%,
(b) 탄소수 10∼24의 직쇄 또는 분지쇄의 지방족 알코올로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 10∼45중량%
를 함유하고, 이들의 에스테르가가 70 이하이고, 동점도가 40℃에서 20cSt 미만인 것을 특징으로 하는 알루미늄 및 알루미늄 합금판의 저온 성형용 윤활제를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 이 윤활제로 도포된 저온성형용 알루미늄 또는 알루미늄 합금판을 제공하는 것이다.
더욱이, 본 발명은 이 윤활제를 알루미늄 또는 알루미늄 합금판에 시행하고, 얻어진 판을 -30℃ 이하의 온도에서 프레스 성형함을 특징으로 하는 알루미늄 또는 알루미늄 합금판을 저온에서 성형하는 방법을 제공하는 것이다.
이하, 본 발명의 전술한 목적, 태양, 및 이점을 상세히 설명한다.
본 발명 윤활제의 성분(a)은 희석제로서 첨가되며, 주로 본 발명의 윤활제의 동점도 및 에스테르가를 조정하는데 유효하다. 특히, 성형온도 (-30℃ 미만, 바람직하기로는 -100℃ 미만)에서 윤활제의 형태를 왁스상으로 하는데 중요한 역할을 한다 저온 성형의 경우에는, 성형온도에서 윤활제가 결정화하거나, 고무상으로 되면 성형면으로의 윤활제의 퍼짐이 나빠서 충분한 윤활효과가 얻어질 수 없고, 성형성이 떨어진다. 에스테르는 저온에서 고무상으로 되기 때문에 희석제로서 바람직하지 못하다. 희석제 자체의 윤활성과 취급성(상온에서 액체)을 고려하면, 성분(a) 중에서도 탄소수 12∼20의 α-올레핀이 가장 바람직하다. 성분(a)은 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 그의 배합량은 윤활제의 성형온도에서의 형태를 조정하는 의미에서 45∼90중량%, 특히 50∼70중량%가 바람직하다.
성분(b)의 지방족 알코올은 알루미늄 또는 알루미늄 합금에 대하여 유성향상효과와 저온 성형성을 부여하기 위한 것이며, 이러한 지방족 알코올로서는 라우릴 알코올, 미리스틸알코을 등의 직쇄 포화 알코올; 올레일알코올 등의 불포화직쇄알코올; 이소스테아릴알코올, 옥소알코올, 궤르베 알코올 등의 분지쇄 알코올; 천연유지로부터 얻어지는 천연알코올 등을 들 수 있다.
탄소수 10 미만의 지방족 알코올에서는 충분한 유성향상 효과를 얻을 수 없고, 탄소수 24를 초과하는 것은 윤활제중에 석출하기 쉽고, 또한 취급성이 나쁘다.
상기 지방족 알코올 중에서 올레일알코올 등의 불포화 직쇄 지방족 알코올; 탄소수 13의 옥소알코올, 2-옥틸도테칸올 등의 분지쇄 알코올이 더욱 바람직하다.
본 발명의 윤활유에의 성분(b)의 배합량은 10∼45중량%, 특히 20∼40중량%가 바람직하고, 10중량% 미만에서는 유성향상 효과가 충분하지 않고, 45중량%보다 과랑이면 윤활제가 저온에서 결정화하여 충분한 성형성이 믿어지지 않는다.
본 발명의 윤활제에 상기 성분(a) 및 (b)에 추가로 다음 성분(c)의 1종 또는 2종 이상을 배합할 때, 이 윤활제의 윤활성 형성이 한층 향상된다. 성분(c)은 (1)유지류, (2) 다가알코올과 탄소수 12∼24의 지방산의 1종 또는 2종 이상의 에스테르 및 (3) 탄소수 16∼20의 지방족 불포화산의 다이머 또는 폴리머산의 1종 또는 2종 이상을 다가알코올과의 에스테르의 잔여 카르복시기 또는 히드록시기 탄소수 12∼24의 알코올 또는 지방산을 반응시켜 얻어진 중량 평균 분자량이 750∼7,500의 에스테르로부터 얻어진 1종 또는 2종 이상이다.
성분(c)의 (1)의 유지류로서는 우지, 돈지, 팜유, 대두유, 코코넛유, 캐스터유 등과 같은 지방트리글리세리드를 주로 함유하는 유지류이다.
성분(c)의 (2)의 에스테르의 구성으로 작용하는 다가알코올은 1분자내에 히드록시기를 2개 이상 갖는 것이다. 이러한 다가알코올의 예로서는 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 네오펜틸글리콜, 트리메틸올프로판, 글레세롤, 펜타에리쓰리톨, 소르비톨과 같은 탄소수 2∼8의 2가 알코올 내지 6가 알코올을 들 수 있다. 또 다른 구성성분인 탄소수 12∼24의 고급지방산으로서는 예를 들면 라우린산, 스테아린산, 이소스테아린산, 올레인산 및 에루크산(erucic acid)등을 들 수 있다. 어떤 에스테르(2)중, 다가알코올중 함유된 모든 히드록시기는 에스테르화되어 있으며, 어떤 에스테르는 히드록시기의 일부만 에스테르화 되어 있다. 본 발명의 이들 에스테르 양쪽 모두를 유리하게 사용할 수 있다.
성분(c)의 (3)에서 다이머산 또는 폴리머산으로서는 탄소수 16∼20의 고급지방산 모노엔산 또는 디엔산의 다이머산 또는 폴리머산이며, 예를 들면, 소마린산 (somarine acid), 올레인산, 리놀산, 가드레인산(gadleic acid)등의 다이머산 및 폴리산을 들 수 있다. 이들 다이머산 또는 폴리머산과 에스테르를 형성하는 다가알코올의 예로서는 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 트리메틸올프로판, 펜타에리쓰리톨, 글리세롤 및 소르비톨과 같은 탄소수 2∼8의 2가 알코을 내지 6가 알코올을 들 수 있다. 탄소수 12∼24의 알코올의 예로서는 라우릴알코올, 미리스틸알코올, 스테아릴알코올, 올레일알코올 등을 들 수 있다. 탄소수 12∼24의 지방산으로는 라우린산, 팔미틴산, 스테아린산, 올레인산, 코코넛 지방산 등을 들 수 있다. 전술한 성분으로부터 얻어지는 에스테르 중에서도 그의 평균분자량이 750∼7,500인 것이 필요하며, 중량 평균분자량이 750 미만의 경우에는 윤활성이 나쁘고, 7,500 보다 큰 경우에는 배합계로의 용해성이 나쁘기 때문에 바람직하지 않다. 이와 같은 에스테르의 바람직한 것으로서는 예를 들면 올레인산의 폴리머산과 디에틸렌글리콜의 에스테르의 유리 카르복실기를 스테아릴 알코올로 에스테르화한 것; 올레인산의 다이머산과 트리메틸올프로판과의 에스테르의 잔여 히드록시기를 올레인산으로 에스테르화 한 것 ; 올레인산의 폴리머산과 펜타에리쓰리톨과의 에스테르 잔여 히드록시기를 코코넛 지방산으로 에스테르화한 것 등을 들 수 있다.
성분(c)은 일반적으로 점도가 높고, 우수한 윤활성을 갖기 때문에 본 발명에서 점도조정 성분으로서 이용할 수 있다. 그러나, 지나치게 다량으로 배합하면 윤활제의 점도가 지나치게 높게 되고, 또한 성형온도에서의 윤활제의 형태를 고무상으로서 저온성 형성을 저하시킴과 동시에 탈지성의 저하를 초래하여 성형후의 오염을 가져올 우려가 있으므로, 그의 배합량은 30중량% 이하, 특히 10∼30중량%가 바람직하다. 또한 성분(c)의 양은 성분(b)의 양보다 적은 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기와 같은 혼합 비율로 조제하여 얻어진 윤활제는 에스테르가가 70이하인 것이 필요하며, 에스테르가[측정법: 에스테르가=검화가(JIS K2503 - 산가(JIS K2501)]가 70을 넘으면 상기와 같이 저온 성형성이 저하한다. 또한, 동점도는 40℃에서 20cSt 미만이어야 하며, 동점도(측정법: JIS K 2283)가 40℃에서 20cSt 이상으로 되면 탈지성이 저하한다.
본 발명의 저온 성형용 윤활제에는 상기 성분 외에 필요에 따라 윤활제에 일반적으로 배합되는 첨가제, 예를 들면, 방청방식제, 산화방지제, 계면활성제 등을 첨가할 수 있다.
더 상세히는, 알케닐숙신산 및 그의 유도체, 올레인산 등의 지방산, 소르비탄 모노올레이트 등의 에스테르, 기타 아민류 등의 방청방식제 ; 2,4-디-tert-부틸 -p-크레졸 등의 페놀화합물류, 페닐-α-나프틸아민 등이 방향족 아민류 등의 항산화제 ; 폴리옥시에틸렌노닐페닐에테르, 폴리옥시에틸렌알킬아민류 등의 비이온 계면활성제 등의 계면활성제 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 저온성형용 윤활제를 알루미늄 또는 알루미늄 합금판에 사용하는 경우, 판상에 윤활제의 도포량은 바람직하기로는 0.5∼5.0g/m2, 보다 바람직하기로는 1.0∼2.0g/m2이다. 도포량이 0.5g/m2미만이면 윤활성이 부족하여 크랙이 발생하기 쉽고, 또한 5.0g/m2를 초과하여 도포하여도 유출하여 낭비하게 된다.
본 발명에 있어서 알루미늄 및 알루미늄 합금의 재질 등은 특별히 한정되는 것은 아니며, 최종제품의 요구성능에 의해 적의 바람직한 성분 및 조성을 선택하면 좋으며, 예를 들면 강도가 높은 것이 필요한 경우에는 Al-고Mg(3∼6% Mg)계의 것을 사용하면 좋다.
본 발명의 성형방법에 따라, 알루미늄 또는 알루미늄 합금판을 본 발명의 윤활제로 도포한 후 프레스 성형하고, -30℃미만, 바람직하기로는 -100℃ 미만에서 냉각한다. 윤활제는 어떠한 방법으로 도포 하여도 좋다. 그러나, 알루미늄 또는 알루미늄 합금판을 본 발명 윤활제의 배쓰에 침지시킨 후, 꺼내고, 롤러를 사용하여 표면의 과량의 윤활제를 제거하여 적당량의 윤활제(예, 0.5∼5.0g/m2)가 잔류하도록하는 것이 바람직하다.
실시예
이하, 실시예로서 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 :
표 1에 나타난 각종 윤활제를 통상의 방법으로 조제하고, 이를 공시재(재료 : JIS 5182-O, 판두께 : 1.0mm)의 표면에 2g/m2로 도포한 후, 액체 질소에 첨지한 후 꺼낸다. 소정온도로 한 후, 성형성 및 탈지성을 평가했다. 그 결과를 표 1에 나타냈다.
성형성 평가로서는 80톤 메카니컬 프레스를 사용하고, 하기 조건에서 사각 실린더로드로잉 시험(deep drawing test)을 행하고, 크랙이 생기지 않는 최대 성 높이를 측정했다.
성형조건 :
펀치사이즈 : 90mm ×90mm(사각실린더)
블랭크 사이즈 : 200mm ×200mm
블랭크 홀딩힘 : 6.5톤
속도 : 300mm/초
윤활제 도포량 : 약 2g/m2
온도 : -100℃, -150℃
탈지성의 평가로서는 하기 조건에서 탈지한 것의 습윤 면적율(%)로 평가했다. 공시판의 수는 3개이며, 이들의 평균치를 사용했다. 또, 80% 이상의 값을 나타내면 탈지성은 양호하다.
탈지조건 :
탈지액 : 2% 수산화나트륨과 0.2% 폴리옥시에틸린 노닐페닐에테르(HLB=12.4)용액
탈지온도 : 40℃
탈지방법 : 스프레이세정(1kgf/cm2, 1ℓ/분 ×2분)
린스방법 : 40℃ 온수에서 스프레이 린스(1ℓ/분 ×1분)
표 1
상기 표중, 윤활제 성분은 다음의 것을 의미한다.
탄화수소 A : 파라핀계 광물유 (10cSt/40℃)
탄화수소 B : 폴리부텐(Mw=300, 10cSt/40℃)
탄화수소 C : C10α-올레핀
탄화수소 D : C14α-올레핀
탄화수소 E : 폴리α-올레핀(6cSt/40℃)
알코올 A : 라우릴알코올
알코올 B : C13옥소알코올
알코올 C : C20궤베르 알코올
알코올 D : 스테아릴 알코올(mp=59℃, 산가=0.1, 요드가=1.0)
에스테르 A : 팜유
에스테르 B : 펜타에리쓰리톨 테트라올레에이트
에스테르 C : 글리세롤 모노올레에이트
에스테르 D : 올레인산의 폴리머산(다이머산:트리머산 이상의 폴리머산=6:4)
1.00g과 디에틸렌글리콜 12g을 가열축합하여 얻어진 에스테르와 스테아릴 알코올 38g(Mw=1,800)38g을 가열축합하여 얻어진 에스테르
에스테르 E : 펜타에리쓰리톨 수소첨가 코코넛 유지방산 테트라에스테르 (mp=43℃, 산가=0.1, 히드록시가=5, 요드가=0.3)
에스테르 F : 글리세롤 트리미리스테이트(mp=48℃, 산가=0.1)
기타-A : 올레인산
기타 B : 스테아릴아민의 에틸렌옥사이드 2몰 부가염
기타 C : 합성술포네이트 Ca염과 석유 술포네이트 Ba염=2:1의 혼합물
기타 D : 부틸스테아레이트의 에틸렌옥사이드(20몰) 부가염
시판세정 프레스유 :
광물유 : 91중량%
산화왁스에스테르 : 6중량%
석유술포네이트 Na : 3중량%
표 1로부터 명백한 바와 같이, 알루미늄 및 알루미늄 합금판의 저온성형에 본 발명품을 사용하면, 비교품에 비해 대단히 우수한 성형성이 얻어지며, 탈지성도 양호하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 저온성형용 윤활유를 사용하여 알루미늄 및 알루미늄 합금판을 성형하면, 성형성이 대폭 향상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 윤활제로 종래 성형될 수 없었던 형상의 성형이 가능하게 된다. 또한, 성형성 향상에 의해, 종래법에 비교하여 공정수를 적게 할 수 있고, 생산성의 향상과 금형 코스트의 삭감이 가능하게 된다.

Claims (11)

  1. 알루미늄 또는 알루미늄 합금판을 -30℃ 미만의 온도에서 프레스 가공할 때에 사용하는 윤할제에 있어서, 다음 성분(a) 및 (b):
    (a) 광물유, 합성나프텐, 폴리부텐 및 폴리(모노)α-올레핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 탄화수소를 45∼90중량%,
    (b) 탄소수 10∼24의 직쇄 또는 분지쇄의 지방족 알코올로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종이상을 10∼45중량%
    를 함유하고, 이들의 에스테르가가 70이하이고, 동점도가 40℃에서 20cSt 미만인 것을 특징으로 하는 알루미늄 또는 알루미늄 합금판의 프레스 성형용 윤활제.
  2. 제 1항에 있어서, 다음 성분(c):
    (1)유지류,
    (2) 다가알코올과 탄소수 12∼24의 지방산의 1종 또는 2종이상의 에스테르 및
    (3) 탄소수 16∼20의 지방족 불포화산의 다이머 또는 폴리머산의 1종 또는 2종 이상을 다가 알코올과의 에스테르의 잔여 카르복시기 또는 히드록시기에 탄소수 12∼24의 알코올 또는 지방산을 반응시켜 얻어진 중량 평균 분자량이 750∼7,500의 에스테르
    로부터 선택된 1종 또는 2종이상의 성분을 함유하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 또는 알루미늄 합금판의 프레스 성형용 윤활제.
  3. 제 1항에 있어서, 탄화수소(a)가 탄소수 12∼20의 α-올레핀인 알루미늄 또는 알루미늄 합금판의 프레스 성형용 윤활제.
  4. 제 1항에 있어서, 지방족 알코올(b)이 탄소수 12∼24의 분지쇄 지방족 알코올인 알루미늄 또는 알루미늄 합금판의 프레스 성형용 윤활제.
  5. 제 2항에 있어서, (c) 성분이 30 중량%이하로 배합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금판의 프레스 성형용 윤활제.
  6. 제 2항에 있어서, (a)성분 50∼70 중량%, (b)성분 20∼40 중량%, 및 (c) 성분이 10∼30 중량%로 배합된 알루미늄 또는 알루미늄 함금판의 프레스 성형용 윤활제.
  7. 알루미늄 또는 알루미늄 합금판을 다음 성분(a) 및 (b):
    (a) 광물유, 합성나프텐, 폴리부텐 및 폴리(모노)α-올레핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 탄화수소를 45∼90중량%,
    (b) 탄소수 10∼24의 직쇄 또는 분지쇄의 알코올로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 10∼45중량%를 함유하고, 이들의 에스테르가가 70이하이고,동점도가 40℃에서 20cSt 미만인 윤활제로 도포한 알루미늄 또는 알루미늄 합금판으로 이루어진 -30℃ 미만의 온도에서 프레스 성형에 사용하는 알루미늄 또는 알루미늄 합금판.
  8. 제 7항에 있어서, 판이 0.5∼5.0 g/m2의 윤활제로 도포된 알루미늄 또는 알루미늄 합금판.
  9. 알루미늄 또는 알루미늄 합금판을 다음 성분(a) 및 (b):
    (a) 광물유, 합성나프텐, 폴리부텐 및 폴리(모노)α-올레핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 탄화수소를 45∼90중량%,
    (b) 탄소수 10∼24의 직쇄 또는 분지쇄의 지방족 알코올로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 10∼45중량%를 함유하고, 이들의 에스테르가가 70 이하이고, 동점도가 40℃에서 20cSt 미만인 윤활제로 도포하고,
    -30℃미만에서 프레스 성형함을 특징으로 하는 저온에서 알루미늄 또는 알루미늄 합금판을 성형하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 프레스 성형온도가 -100℃미만인 것이 특징인 방법.
  11. 제 9중에 있어서, 판이 0.5∼5.0 g/m2의 윤활제로 도포함을 특징으로 하는방법.
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