KR100422649B1 - 냉간단조 공정에서의 표면 윤활처리 방법 - Google Patents

Abstract

냉간단조 공정에서 성형 전에 소재의 표면에 윤활피막을 형성하는 방법에 관한 것으로, 그 목적은 공정이 간단하고 산업폐기물이 발생되지 않는 냉간단조에서의 표면 윤활처리 방법을 제공하는 데 있다. 이를 위해, 본 발명에서는 새로이 개발된 수용성의 신윤활제를 이용하여, 소재를 예열하고, 윤활제를 도포한 후 건조하는 3개의 공정을 수행한 후 성형함으로써, 간단한 공정으로 냉간단조의 표면에 윤활피막을 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

냉간단조 공정에서의 표면 윤활처리 방법 {Surface lubrication method in cold forming process}

본 발명은 냉간단조 공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉간단조 공정에서의 표면 윤활처리 방법에 관한 것이다.

단조는 금속덩어리나 두꺼운 판을 가압하여 변형시키는 금속가공방법의 하나로서, 단조에는 고온에서 가공하는 열간단조와, 열간보다 저온의 온간 및 상온에서 가공하는 냉간단조가 있다. 냉간단조는 높은 정밀도를 얻을 수 있는 반면, 표면의 윤활처리가 필요하다.

냉간단조에서의 표면 윤활처리는, 가공시 제품의 윤활성를 높여주고 금형과의 소착을 방지하기 위해 소재 표면에 금속 윤활피막인 인산아연과 금속비누의 혼합피막을 미리 생성시키기 위해 수행하는 것이다.

종래에 수행되고 있는 표면 윤활처리는 표면에 형성된 스케일을 탈지 및 산세 공정 등으로 제거한 후 인산염을 화학처리하여 피막을 입히고 중화 후 나트륨 비누를 도포하여 냉간단조시 소재 표면과 금형면에 직접적인 접촉을 막아줌으로써 성형시에 소착을 방지하여 금형수명을 길게 유지한다. 이와 같은 종래의 표면 윤활처리는 탈지, 2단수세, 황산세정, 수세, 탕세, 인산아연피막, 수세, 중화, 금속윤활, 건조 공정으로 이루어지는 10개의 공정이 순차적으로 수행되고 있으며, 각 공정별로 탱크 내에 해당 화학약품을 채워놓고 소재를 화학약품으로 채워진 탱크에 장입한 뒤 해당시간만큼 처리하고 완료되면 다음 공정으로 이동시키며, 10개의 공정이 완료되면 제품을 취출한다.

종래의 표면 윤활처리 작업의 첫 번째 공정인 탈지(degreasing) 공정으로서 냉간단조 분야에서 가장 널리 이용되는 방법은 알카리 탈지이다. 알칼리 탈지제는 가격이 저렴하고, 한번 작업으로 모든 오염물질을 제거할 수 있어서 효과적이며, 콘트롤하기가 쉬운 장점이 있다. 그러나 알칼리 탈지제는 반드시 검화 및 유화능력을 가져야하고, 콜로이드상으로 만드는 첨가제를 함유해야하며, 또한 수세에서 모두 제거될 수 있어야 한다.

알칼리 탈지제로 사용가능한 물질로서 기본적인 것은 알칼리 표면활성제 (alkali surface active agent)이다. 계면 활성제(surfactant)는 낮은 온도에서도 강력한 습윤성으로 인해 표면 장력을 감소시키며, 또한 뛰어난 유화능력과 분산능력을 지닌다. 알카리 탈지제는 첫째, 열처리나 산세정 과정에서 생성된 카본의 타고남은 검댕(burnt-on carbon smut)을 제거시킬 수 있어야 하고, 둘째, 그리스(grease)와 오일을 제거시킬 수 있어야 하며, 셋째, 냉간 작업 후에 생성된 인산염과 비누의 잔유물을 제거할 수 있어야 하므로, 알칼리 탈지제는 상기한 조건들을 만족시키는 것으로 선택해야 한다.

탈지 공정 후에는 2단수세를 거친 후 산세정(pickling) 공정을 수행한다. 열처리나 열간가공(hot forming)에 의해 제조된 철이나 스틸 제품의 표면에는 스케일(scale)이 형성되는데, 이러한 스케일을 제거하기 위해서는, 공정에 투입하기 전에는 샷 블라스팅(shot blasting)을 수행하고, 공정에 투입되었다면 산세성을 수행한다. 냉간단조 공정에서는 일반적으로 샷 블라스팅을 수행하고 있으므로, 산세정은, 소지의 표면적을 증대하여 인산아연피막의 형성 및 피막중량을 높여 냉간단조의 성형성을 높여주기 위해 필요한 것이다.

산세정한 후에는 수세 및 탕세를 거치고 나서 인산아연 피막 공정을 수행한다. 인산아연 피막은 냉간단조시 성형성을 증대시키고, 후공정인 윤활공정에서 비누의 부착을 도와주는 역할을 한다.

인산아연 피막 공정에서 사용되는 용액은 스틸 표면에서의 유리산의 공격 및 인산염 결정의 석출에 의해 피막을 형성한다. 그러므로 용액 내부로 약간의 철이 용해되면 곧 철과 아연이 혼합된 인산염(iron and zinc phosphate)이 스틸 표면에 부착하여 피막을 형성한다. 여기에 관련된 화학적 현상은 상당히 복잡하나 다음과 같이 간단하게 나타낼 수 있다.

먼저, 금속 표면과 유리인산과의 상호 반응으로 인해 최초의 산세정 반응이 다음의 수학식 1과 같이 일어난다.

2Fe + 4H342422

수학식 1에서 2Fe(H₂PO₄)₂는 가용성인 제1철 인산염(ferrous phosphate)이다.

다음, 금속과 용액의 경계 면에서 국부적인 pH 증가로 인해 다음의 수학식 2와 같은 피막형성 반응이 일어난다.

3Zn(H24234234

수학식 2에서 Zn₃(PO₄)₂는 불용성인 아연 인산염(Zinc Phosphate)이며, 용액 내에서 Zn(H₂PO₄)₂는 불용성의 Zn₃(PO₄)₂및 H₃PO₄와 평형관계에 놓여있다. 그러므로 반응을 역전시키거나 작업용액에 유리인산을 가할 경우에는 용해성의 아연 인산염(zinc phosphate)는 철과 접촉함으로써 유리인산이 감소할 경우에만 생성된다. 따라서, 인산염 피막의 침전부착을 위한 전반적인 반응 메커니즘은 다음의 수학식 3과 같다.

3Zn(H2423422422

상기한 바와 같은 반응 메커니즘으로 인산아연 피막처리를 한 다음에는 수세하고, 중화(neutralising rinse) 공정을 수행한다. 중화 공정은 후공정인 윤활공정에서 비누의 효과를 증대하기 위해 처리하는 공정으로서, 중화수세시 사용되는 용액은 규칙적인 첨가에 의해 반드시 표시된 농도가 일정하게 유지되도록 해야 한다. 그러나, 규칙적으로 약품을 첨가할지라도 중화수세는 점차적으로 오염되어 그 효력을 상실하며, 따라서, 규칙적으로 용액을 폐기해야 한다. 일반적으로 1주일에 1번씩 재 건욕하는 것이 좋으며, 이와 같이 중화수세 용액을 잘 관리하는 것이 매우중요하다. 비누 배스(bath)가 가장 비싸며 그 관리도 중요하다.

중화공정 이후에는 금속윤활 공정을 수행한다. 콜드 헤딩(cold heading)의 경우, 반응성을 가진 비누로 싱글 홀 사이징(single hole sizing) 혹은 캘리브레이션 패스(calibration pass)의 드로(Draw)에 필요한 윤활을 생성할 뿐 아니라, 계속해서 뒤따르는 다단계 헤딩을 위해 적당한 잔류 윤활제를 제공한다.

비누는, 수명을 연장시키는 성분이 가해진 높은 등급의 나트륨 스테아린산염 (sodium stearates), 부식방지제, 인산염피막과의 반응을 촉진시키기 위한 반응 첨가제, 그리고 물의 경화를 극복하기 위한 염의 성분들로 구성된다. 인산-아연염 처리된 튜브는 Gardolube용액에 침적됨으로써 pH 8∼10에서 다음의 수학식 4와 같은 반응이 일어난다.

Zn34217351735234

아연 스테아린염(zinc stearate) 층은 효과적이고 높은 압력에도 견디는 금속표면과 화학적으로 결합된 혼성막을 제공한다. 이 반응의 중요성이 매우 강조되며 반응의 정도는 루베 배스(lube bath)의 상태 및 구성에 의해 영향을 받으나 또 한편으로는 하부에 코팅된 인산염층의 결정구조에 의해 좌우된다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래의 표면 윤활처리 방법은 10개의 공정을 순차적으로 수행하는 것으로 이루어지므로, 그 공정이 복잡하고, 공정 수가 많아서 처리시간이 60분 정도로 오래 걸리는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 표면 윤활처리 방법에서는 전력소모량이 216 kwh 정도이고 스팀 소요량이 2.78 ton/hr 가 되는 등 에너지 비용이 과다한 문제점이 있었다.

그리고, 종래의 표면 윤활처리 방법에서는 폐수가 7.5 ton/hr 정도 발생하고 유해 가스가 645 ㎥/min 정도 배출되며, 슬러지(sludge)가 발생하는 등, 산업폐기물이 다량으로 발생하므로, 이를 처리해야만 하는 어려움이 있었다.

또한, 종래의 표면 윤활처리 방법 중에는 산세공정에서 황산을 취급하므로 작업자가 화상을 입을 우려가 있는 등 안전사고가 발생할 위험이 높은 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 공정이 간단하고 산업폐기물이 발생되지 않는 냉간단조에서의 표면 윤활처리 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 수용성의 신윤활제를 이용하여, 소재를 예열하고, 윤활제를 도포한 후 건조하는 3개의 공정을 수행한 후 성형함으로써, 간단한 공정으로 냉간단조의 표면에 윤활피막을 형성하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 윤활제는 5∼25 중량%의 고형분이 분산되어있는 수성 윤활제이고, 예열은 20∼40℃로 수행하며, 윤활제를 도포할 때에는, 20∼40% 농도의 윤활제를 20∼45℃의 대기온도에서 10 내지 60초 동안 침적시키거나 또는 분무시켜 0.05∼10g/m²정도의 중량이 되도록 소재의 표면에 도포하는 것이 바람직하다.

또한, 건조시에는, 윤활제가 도포된 소재에 80∼120℃의 열풍을 1∼3분 정도의 시간 동안 소재의 온도가 90℃ 이내가 되도록 하면서 불어주는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 냉간단조 공정에서의 표면 윤활처리 방법에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 소재를 20∼40℃로 예열한 다음, 예열된 소재의 표면에 윤활제를 도포한다.

소재 표면에 윤활제를 도포할 때에, 윤활제의 농도는 일반적으로 약 20∼40%로 건욕하고, 대기온도인 20∼45℃에서 10 내지 60초 동안 침적시키거나 또는 분무시킨다. 침적 또는 분무에 의해 소재 표면에 코팅된 윤활제는 중량이 약 0.05∼10g/m²정도가 되도록 하며, 코팅 중량은 소재의 표면조도와 윤활제 농도에 따라 결정한다.

다음, 윤활제 도포가 완료되면 소재를 건조시킨다. 일반적으로 건조시에는 80∼120℃로 조절된 열풍을 사용하여 건조하도록 하며, 소재의 온도는 90℃를 초과하지 않도록 한다. 이러한 열풍 건조는 보통 약 2분 동안 수행하며, 그 시간은 열풍의 온도 및 풍량에 따라 결정되며 약간의 변동이 가능하다.

이와 같이 소재의 표면에 윤활피막 형성을 완료한 후에는, 성형공정을 수행한다.

앞에서 언급한 바와 같이, 본 발명에서 사용된 신윤활제에 대해 보다 자세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 사용하는 윤활제는 5∼25 중량%의 고형분이 분산되어 있는 수성 윤활제로서, 대표적인 것으로 독일 캠메탈(CHEMETALL) 사(社)에서 개발된, 상품명이 GARDOLUBE L 6444 인 약품이 있으나, 반드시 이 약품으로 한정될 필요는 없다.

독일에서 개발된 이 약품은 유황화합물을 계면활성제에 의해 물에 분산시킨 것으로서, 독일에서 개발할 때는 기존의 인산염피막 처리 후 금속윤활제 대용으로 개발되었으나 당사에서는 기존의 인산염피막 처리 없이 수용성 신윤활제만 사용하는 공법을 개발한 것이다. 신윤활제는 그 구성물질이 MoS₂, 폴리머 코팅제 및 첨가제가 결합된 제품이다. 이러한 신윤활제의 개발배경은 다음과 같다.

지금까지 금속의 냉간단조용 윤활제 농축액에 대해 많은 연구가 있었으며, 그 중의 하나가 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 스타이렌/아크릴산(styrene/acrylic acid)을 함유한 농축액 및 금속 제품의 냉간단조를 촉진하기 위한 방법에 대한 연구이다.

냉간단조 공정을 위한 제품의 준비에는 일반적으로 두 가지 공정이 사용되는데, 단조 변형율이 낮은 경우 공정에 따라 고압 첨가제 또는 점도 조절제를 함유하는 윤활제가 사용되며, 단조 변형율이 높은 경우, 유기상의 수지계 윤활제 필름을 도포하고 나서 윤활 오일을 도포한다.

최근 다양한 용도의 윤활제 사용이 계속 증가하고 있으나, 심한 변형율의 단조 조건하에서는 윤활제 공정이 만족할만한 성과를 줄 수 없는 문제점이 있다. 또한, 유기용제로 인해 환경이 오염되고 작업장의 위생에 유해한 영향을 끼치는 문제점이 있고, 윤활제의 난연성으로 인해 폐기처분에 심각한 악영향을 미치는 문제가 있다.

특히, 윤활제의 사용시 중요한 것은 냉간단조 완료 후 작업제품 상에 남아있는 윤활제 필름이 수용성 세정제 등과 같은 물질에 의해 쉽게 제거되는가 하는 것이다.

수지를 함유하는 윤활제 중 아크릴 수지계가 특히 중요하다. 대표적인 것으로 예를 들면 EP-A-0 175 547에 따라 튜브의 냉간단조에 사용되는 윤활제로는 부틸 아크릴레이트/메틸 메타크릴레이트-에스테르 혼성중합체 (butyl acrylate/methyl metacrylate-ester copolymer)가 있고, 금속 냉간단조에 사용되는 또 다른 윤활제는, 10∼35 중량%의 아크릴레이트계 열경화성 수지로 유리전이온도 -10∼+25℃와 3∼15 중량%의 왁스 및 0.5∼5 중량%의 계면활성제를 함유하며, 이 때 열경화성 수지와 왁스의 중량비는 2:12로 조절하고, 열경화성 수지는 1,000∼50,000의 중합도(polymerization degree)를 가진 여러 모노머의 혼성중합체이다.

또한 윤활제 코팅 적용을 위해 배합에 사용되는 농축액은 필름 형성 성분, 올레핀(olefin)과 흐름 조절제를 사용하는 것으로 알려진다. 필름 형성 성분과 폴리올레핀(polyolefin) 비율은 0.25:1∼2:1 범위이다. 필름 형성 성분으로는 아크릴레이트계 폴리머와 혼성중합체가 있으며 흐름 조절제로는 디하이드릭(dehydric),트리하이드릭(trihydric) 알코올, 글리콜 에테르(glycol ether), 부틸 cellosolve, 계면활성제, 또는 인산염 에테르(phosphate ether)와 에스테르(ester)가 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명에서 사용된 새로운 윤활제는, 금속의 냉간단조를 위한 윤활제 배합용 윤활제 농축액으로 변형율이 높은 냉간단조를 만족시키며 기본적으로 수성이어서 환경보호, 작업장 위생, 그리고 단조 작업 후 쉽게 제거되는 제품을 제공하는 것을 목적으로 하여 개발되었다.

상기한 바와 같은 목적으로 개발된 신윤활제는 고형분 또는 액상 농축액이다. 고형분은, 첫째, 연화점이 120℃ 이상이고 입자크기가 0.1∼50㎛범위인 폴리에틸렌을 20∼50 중량부 포함하고, 둘째, 분자량이 4,500∼10,000 범위인 폴리아크릴레이트를 2∼8 중량부 포함하며, 셋째, 분자량이 150,000∼250,000이고 사용 중 유리전이온도가 45∼55℃인 스타이렌/아크릴산 혼성중합체를 2∼8 중량부 포함한다. 이 때, 개별 폴리머들의 연화점은 대기온도에서 200℃까지 한계수치에 의해 규정된 온도 범위에 따라 달라진다.

윤활제 농축액은 수성 농축액으로 납품될 수 있으며, 수성 농축액으로 윤활제 농축액을 공급할 때, 아크릴산 성분이 무기 양이온 염으로서 압도적으로 존재한다. 윤활제 농축액이 고상인 경우, 아크릴산 성분은 일반적으로 유리 산(free acid)으로 존재하며 농축액은 무기 양이온, 예를 들어 하이드록사이드(hydroxide) 형태로 포함된다.

윤활제 농축액은 호모(homo-) 혹은 혼성중합체 혹은 아크릴산 또는 에스테르및 계면활성제를 함유하며, 냉간단조를 촉진한다. 윤활제 필름은 5∼25 중량%의 고형분을 분산하여 작업제품에 적용한다.

윤활제 농축액 및 이를 제조물에 적용한 윤활제의 각각의 성분들이 성형 중 발생하는 전 온도 범위에 걸쳐 연화점을 갖는 것이 중요하다. 그 온도 범위는 제조품의 표면에서 측정 시 상온∼200℃ 정도이며, 이 온도 범위 내에서 개별 폴리머들의 연화점이 분포 되어있음으로 인해 필름이 표면적이 증가하는 것에 따라 단절되지 않고 단계적으로 윤활제 필름이 가소화될 수 있는 것이다.

신윤활제의 구체화를 위해 윤활제 농축액에 분자량 3,000∼4,500의 폴리아크릴레이트를 2∼8 중량부 추가로 첨가하였다. 이러한 과정에도 불구하고 사용조건 하에서 아크릴산 혼합물(compound)은 무기 양이온의 형태로 압도적으로 존재해야 하며, 성분의 연화점은 상기한 온도 범위 내에 있어야 한다.

특히, 윤활제 농축액의 아크릴산 혼합물은 양이온 암모늄, 나트륨, 칼륨, 리튬, 칼슘, 아연, 비스무트, 또는 바륨 염으로 존재하는 것이 장점이다.

신윤활제의 또 다른 장점은 윤활제 농축액 에탄올, 프로판올의 아크릴산 혼성중합체, 그리고 분자량 300,000 이상인 메타크릴산을 2∼8 중량부 함유한다는 것이며, 이 경우 사용 조건하에서 메타크릴산 혼합물이 무기 양이온 염 상태로 압도적으로 존재해야 한다. 염을 형성하는 양이온은 암모늄, 나트륨, 칼륨, 리튬, 칼슘, 아연, 비스무스 그리고 바륨을 포함하는 그룹으로부터 발생된다. 아크릴산 에스테르와 메타크릴산의 모노머 비율은 3:1∼1:1 범위이다.

신윤활제를 더욱 구체화하기 위해 농축액에 비이온성 계면활성제(6개 이상의에틸렌 산화물 그룹을 갖는 에톡실레이티드 지방질 아코올이 바람직함)를 5∼8 중량부 첨가하고, 또는 분자량 6,000∼10,000의 에틸렌 아크릴산 혼성중합체를 15∼25 중량부 첨가하며, 이 때, 에틸렌과 아크릴산의 모노머 비율은 9:1∼2:1 범위이다.

마지막으로 윤활제 농축액에 장점을 부여하기 위해 추가적으로 2∼8 중량부의 황화호박산 디에스테르(sulfosuccinic acid diester)를 첨가한다.

상기한 바와 같은 장점을 갖춘 본 발명에서 사용되는 신윤활제는 5∼25 중량%의 고형분이 분산되어있는 수성 윤활제를 제조품 표면에 적용하여 금속 제조품의 냉간단조를 촉진하며, 편의상 건조 후 코팅중량이 0.05∼10g/m²이 되도록 적용하는 것이 효과적이다. 이와 같이 제조물 표면에 적용된 신윤활제는 냉간단조가 몇 단계로 이루어지는 경우에도 요구사항을 충분히 만족시킬 수 있으며, 특히 변형율이 심한 단조에서, 그리고 윤활제 적용 전 제조물 상에 화성피막, 특히 인산염피막이 형성된 경우에 그 효과가 더욱 뛰어나다.

신윤활제의 윤활제 농축액은 흑연, 몰리브데늄 디설파이드(molybdenum disulfide), 티타늄 인산염 및 붕산염과 같은 안료를 포함할 수도 있다. 추가적으로 적용에 따라 철로 이루어진 개별 제조품용으로 억제제를 첨가할 수도 있다.

신윤활제 농축액으로 만든 윤활제는 철, 스틸(steel), 알루미늄, 아연, 구리 및 이들 합금으로 이루어진 제조물의 냉간단조를 촉진하기 위해 사용될 수도 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉간단조 공정에서의 표면 윤활처리 방법에서는, 냉간단조할 금속을 예열한 후 윤활제를 도포 및 건조하는 3개의 공정으로 표면 윤활처리가 이루어져, 공정시간이 약 4분 정도 소요되며, 따라서 종래 방법에서 60분 정도 소요되었던 것에 비해 공정시간이 대폭 단축되고 비용이 절감되는 효과가 있다.

또한, 공정 수의 단축으로 인해 작은 설비로도 표면 윤활처리가 가능하며, 따라서 설비 공간을 대폭 축소하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 표면 윤활처리 방법에서는 약품의 소모량을 계속적으로 공급하는 시스템이므로 폐액이나 슬러지 등을 배출하지 않으며, 특히 수질 부영양화의 원인물질인 인산염을 함유하는 폐액이나 무기성 슬러지를 발생하기 않으므로, 환경오염이 방지되는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에 따른 표면 윤활처리 방법에서는 20∼40℃의 상온에서 신윤활제를 도포하므로, 기존의 일반적인 냉간단조 공정에서의 약품처리가 약 80℃ 이상의 고온에서 이루어지던 것에 비해 에너지 비용이 절감되고, 종래에 탈지, 탕세, 피막, 중화, 윤활조 등에서 사용되었던 에너지 비용 역시 절감되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 냉간단조 공정에서의 표면 윤활처리 방법에서는, 신윤활제를 20∼40%의 저농도로 사용하므로, 약품 소비가 절약되는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에 따른 냉간단조 공정에서의 표면 윤활처리 방법을 사용하면 성형성이 우수한 효과가 있으며, 예를 들면 자동차 공업에 사용되는 일반적인단조 부품은 약 70% 이상의 처리가 가능하다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 냉간단조 공정에서 성형 전에 소재의 표면에 윤활피막을 형성하는 표면 윤활처리방법에 있어서,

   성형할 소재를 20∼40℃로 예열하는 단계;

   상기 예열된 소재의 표면에 중량이 0.05∼10g/m²범위의 독일 캠메탈(CHEMETALL) 사(社)에서 개발된 상품명이 GARDOLUBE L6444인 수성 윤활제를 20∼45℃의 대기온도에서 10 내지 60초 동안 침적시키거나 또는 분무시켜 도포하는 단계; 및

   상기 윤활제가 도포된 소재에 80∼120℃의 열풍을 1∼3분 범위의 소정의 시간 동안 불어주되, 상기 소재의 온도는 90℃ 이내가 되도록 상기 윤활제가 도포된 소재를 건조시키는 단계를 포함하는 냉간단조 공정에서의 표면 윤활처리 방법.