KR100680371B1

KR100680371B1 - 자동변속기유 조성물

Info

Publication number: KR100680371B1
Application number: KR1020050118375A
Authority: KR
Inventors: 차상엽
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-02-08

Abstract

본 발명은 자동변속기유 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3단계 수소처리공정을 거친 고도 정제 기유에 점도지수 향상제로 폴리메타크릴레이트, 마찰조정제, 및 산화방지제와 소포제 등의 기타 첨가제가 적절히 배합되어 마찰특성, 열안정성, 산화안정성, 변속성이 향상되고 광범위한 온도 범위에서 사용할 수 있는 자동변속기유(automatic transmission fluid 이하 ATF) 조성물에 관한 것이다.

자동변속기유 조성물, 고도 정제 기유, 점도지수 향상제, 마찰조정제

Description

자동변속기유 조성물{AUTOMATIC TRANSMISSION FLUID}

일반적으로, 변속기는 클러치와 추진축 또는 클러치와 종감속기어장치 사이에 설치되어 엔진의 동력을 자동차의 주행상태에 알맞도록 회전력과 속도를 바꾸어 구동바퀴에 전달하는 장치를 말하는데, 흔히 수동변속기와 자동변속기로 구분된다. 그 중에서 자동변속기는 수동변속기에서와 같이 동력을 단속하기 위하여 필요한 클러치 조작과 주행조건에 따라 기어변속을 수동으로 선택할 필요 없이 엔진으로 회전속도 및 회전력을 변화시켜 구동륜에 전달하는 변속기의 작용이 자동으로 이루어지는 변속기를 말한다.

자동변속기에 사용되는 유체(Automatic Transmission Fluid, ATF)는 1) 토크 컴버터(torque converter) 내에서의 동력을 전달하는 작동유, 2) 기어 또는 베어링 등 회전요소의 윤활유, 3) 밸브, 클러치 및 브레이트 등과 같은 유압기구의 작동유 및 4) 냉각유로서 작용한다. 이러한 자동변속기유에는 다음과 같은 성능이 요구된다.

극압(소착방지성) 및 내마모성 자동변속기유는 기어유로서의 극압(소착방지성) 및 내마모성을 지녀야 한다. 기어가 작동될 때 기어 사이에서 높은 압력에 의하여 유막이 없어진다면, 금속끼리의 마찰로 발생되는 높은 열에 의해 눌어붙는 현상이 일어나거나 조기 마모 현상이 발생된다. 따라서, 자동변속기유는 이와 같은 고압이 발생하여도 유막이 계속 유지되어야 한다.

점도 특성과 저온 유동성자동변속기유는 유압 작동유로서 점도 특성과 저온 유동성을 지녀야 한다. 오일의 점도는 여러 유압 밸브들의 작동에 많은 영향을 미치는데, 고온에서 오일의 점도가 너무 낮아지면 컨트롤 밸브, 클러치 피스톤, 씰 부위 등으로 많은 오일이 새기 때문에 유압이 저하되고, 펌프 효율이 저하됨에 따라 온도가 상승하게 되며, 오일량의 부족으로 인하여 마찰부분의 마모가 증가되어 정밀조절과 제어가 곤란하게 된다.

한편, 저온시 점도가 너무 높아지면 밸브 등의 움직임이 원활하지 않아 변속이 불량하며, 내부마찰이 증가하고 온도가 상승하고, 장치의 관내 저항에 의하여 압력이 증가하며, 그로 인하여 동력 손실이 증가하여 작동성이 저하되는 문제점이 발생된다. 그러므로 ATF는 저온 시에도 낮은 점도가 요구되며, 온도 변화에 대하여 점도 변화가 가능하면 적은(즉, 점도지수가 큰)것이 좋다.

마찰특성 자동변속기유는 클러치 플레이트 재질에 적합한 마찰특성을 지녀야 한다. ATF의 마찰특성은 자동변속기의 변속감(shift feeling)과 밀접한 관계가 있으며, 마찰계수에는 정마찰계수(구동축과 피동축 간의 회전수 차이가 1 rpm일 때의 마찰계수 μs), 동마찰계수(구동축과 피동축 간의 회전수 차이가 30 rpm일 때의 마찰계수 μd)가 있다. 만일 동마찰계수가 작으면, 변속시간(클러치 접속시간)이 길어져 미끌림에 의한 발열 때문에 클러치 표면 온도가 상승하여 클러치가 타는 경우가 발생하며, 정마찰계수가 크면 변속 최종단계에 급격한 토크 변동이 일어나 충격 및 이음이 발생된다.

청정분산성 및 산화안정성 자동변속기유는 동력전달 손실에 의한 발열 및 습식 클러치 작동에 의한 온도상승을 분산시키는 청정분산성이 있어야 하고, 장시간 동안 교환없이 사용하여도 ATF의 기본 특성 변화가 작은 산화안정이 필요하다.

씰재 및 냉각계통의 재질에 대한 안정성 자동변속기유는 자동변속기 내의 각종 씰재, 클러치 페이싱(facing)재 등이 ATF에 의해서 화학적 변화를 일으키거나 경화, 수축, 및 팽창 등이 발생하지 않아야 하므로 씰재 및 냉각계통 재질에 대한 안정성을 지녀야 한다.

저 발포성 및 방청성 자동변속기유는 기포가 쉽게 발생되지 않아야 하며 방청성을 지녀야 한다. ATF에 기포가 발생하면 오일 펌프의 토출능력 저하가 일어나고, 유압이 저하되어 마모나 타서 눌어붙는 현상이 발생할 수 있다. 일반적으로 점도가 낮을수록, 온도가 높을수록 기포 발생이 감소된다. 그리고 ATF는 방청성을 지녀 유체가 접하는 부품의 부식이 발생되지 않아야 한다.

이에, 본 발명자들은 종래 자동변속기유가 가지는 상기 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 기존의 변속기유에 비하여 내구성 및 마찰특성이 향상된 자동변속기유 조성물을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 3단계 수소처리공정을 거친 고도 정제 기유, 3단계 수소처리공정을 거친 고도 정제 기유에 점도지수 향상제로 폴리메타크릴레이트, 마찰조정제, 및 산화방지제와 소포제 등의 기타 첨가제가 함유된 자동변속기유 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 3단계 수소처리공정을 거친 고도 정제 기유 65 ~ 80 중량%, 폴리메타크릴레이트 2 ~ 10 중량%, 마찰조정제 2 ~ 5중량% 및 첨가제 10 ~ 20중량%를 함유한 자동변속기유 조성물을 그 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 3단계 수소처리공정을 거친 고도 정제 기유에 점도지수 향상제로 폴리메타크릴레이트, 마찰조정제, 및 산화방지제와 소포제 등의 기타 첨가제가 적절히 배합되어 마찰특성, 열안정성, 산화안정성, 변속성이 향상되고 광범위한 온도 범위에서 사용할 수 있는 자동변속기유(automatic transmission fluid 이하 ATF) 조성물에 관한 것이다.

본 발명에서는 일반적으로 수소 정제공정 및 용제 왁스 추출공정을 거쳐 생산된 파라핀게 기유인 용제 정제유가 아닌 3단계 수소처리공정(수소분해공정, 왁스 이성화반응공정, 마무리 수소 정제공정)을 거쳐 생산된 점도지수 122 ~ 126, 포화탄화수소 함량 99% 이상, 황 함량 1 ppm 미만인 정제 기유를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 점도지수 향상제로서 폴리메타크릴레이트를 사용하는 것이 전단안정성을 높여주므로 바람직하다. 이때, 중량 평균 분자량이 6.0 미만인 비분산형 점도지수 향상제를 사용함이 바람직하며, 평균분자량이 6.0 이상이면 전단안정성이 나빠지는 문제점이 있다.

또한, 본 발명에서는 마찰조정제로서 마찰조정제 총 중량에 대하여 비붕소계 호박산이미드 40 ~ 60 중량%, 디알킬하이드로젠포스파이트 5 ~ 15 중량% 및 희석제 25 ~ 45 중량%로 이루어진 조성을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 자동변속기유 전체 조성에 대하여 마찰조정제는 2 ~ 5 중량%를 사용하여야 하며, 이때 2 중량% 미만일 경우에는 자동변속기에 변속충격이 생기는 문제가 있고, 5 중량%를 초과시 자동변속기의 토오크 전달력이 낮아지는 문제가 있다.

또한, 본 발명의 자동변속기유 조성물에는 첨가제 총 중량 중 붕소계 호박산이미드 10 ~ 20 중량%, 지방산과 아민의 축합물 3 ~ 10 중량%, 소량의 산화방지제 및 소포제 기타 희석제 이루어진 첨가제가 포함된다. 이때 첨가제의 바람직한 함량은 10 ~ 20 중량%이며, 10 중량% 미만일 경우에는 변속 충격이 발생하는 문제가 있고, 20 중량%를 초과시에도 변속충격이 발생하는 문제가 있다.

상기와 같은 조성으로 이루어진 자동변속기유 조성물은 기존의 자동변속기유에 비해 마찰특성, 열안정성, 산화안정성, 내구성 등이 향상되어 광범위한 온도 범위에서 사용할 수 있다.

이하, 본 발명은 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명되나, 본 발명이 이러한 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2

다음 표 1에 나타낸 함량의 기유와 점도지수 향상제, 마찰조정제 및 첨가제 등을 배합하여 수득하였다.

[표 1]

구분(단위: 중량%)		실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2
기유	용제정제유 ¹⁾	-	-	-	77	15
	고도정제기유 ²⁾	43	32	30	-	45
	고도정제기유 ³⁾	-	44	45	-	15
	고도정제기유 ⁴⁾	36	-	-	-	-
점도 지수 향상제	Polymethacrylate	-	4	6	8	7
점도 지수 향상제	Non-Dispersant Polymethacrylate ⁵⁾	6	4	3	-	-
마찰조정제 ⁶⁾		3	3	3	3	2
첨가제 ⁷⁾		12	13	13	12	9
기타 ⁸⁾		-	-	-	-	7

1) 용제정제유: 수소 정제 공정과 용제 왁스 추출 공정을 거쳐 생산된 파라핀계 기유[40 ℃ 동점도 12.65 cSt, 100 ℃ 동점도 3.03 cSt, 점도지수 91, 포화탄화수소 함량 72%, 황 함량 0.24%]

2) 고도정제 기유: 3단계 수소처리공정(수소분해공정, 왁스 이성화반응공정, 마무리수소정제공정)을 거쳐 생산됨[40 ℃ 동점도 12.04 cSt, 100 ℃ 동점도 3.12 cSt, 점도지수 122, 포화탄화수소 함량 99% 이상, 황 함량 1 ppm 미만]

3) 고도정제 기유: 3단계 수소처리공정(수소분해공정, 왁스 이성화반응공정, 마무리수소정제공정)을 거쳐 생산됨[40 ℃ 동점도 20.01 cSt, 100 ℃ 동점도 4.32 cSt, 점도지수 125, 포화탄화수소 함량 99% 이상, 황 함량 1 ppm 미만]

4) 고도정제기유: 3단계 수소처리공정(수소분해공정, 왁스 이성화반응공정, 마무리수소정제공정)을 거쳐 생산됨[40 ℃ 동점도 35.87 cSt, 100 ℃ 동점도 6.29 cSt, 점도지수 126, 포화탄화수소 함량 99% 이상, 황 함량 1 ppm 미만]

5) 중량 평균 분자량이 6.0 미만인 비분산형 점도지수 향상제(Rohmax사의 Viscoplex 0-220)

6) 마찰조정제: 마찰조정제 총 중량 중 비붕소계호박산이미드 50 중량%와 디알킬하이드로젠포스파이트 10 중량% 및 나머지(balance)는 희석제로 이루어진 것[Akzo Ethomeen T12]

7) 첨가제: 첨가제 총 중량 중 붕소계호박산이미드 16 중량%, 지방산과 아민의 축합물 6 중량%, 기타 산화방지제, 소포제 및 희석제로 이루어진 것[인피니움사, T4587]

8) 인피니움사의 T4265

시험예

(1) 물성 확인

중화가 측정: ASTM D 664(Neutralization Number by Potentiometric Titration)

원소분석 방법은 다음 표 2와 같다.

[표 2]

금속성분	시 험 방 법
P	ASTM D 1091 (Test Methods for Phosphorus in Lubricating Oils and Additives)
N	ASTM D 3431(Test Method for Trace Nitrogen in Liquid Petroleum Hydrocarbons(Micro Coulometric Method))
Zn	ASTM D 811 (Chemical Analysis for Metals in New and Used Lubricating Oils)
Ca
S	ASTM D 129(Test Method for Sulfur in Petroleum Products(General Bomb Method))

ISOT 측정: JIS K 2514(윤활유 산화안정도 시험방법)

4-BALL WEAR :D4172-94(2004) Standard Test Method for WEAR Preventive Characteristics of Lubricating Fluid(Four-Ball Method)

점도 측정방법: ASTM D 445(Test Method for Kinematic Viscosity of Transparent and Opaque Liquids)와 ASTM D 2270(Practice for Calculating Viscosity Index from Kinematic Viscosity at 40 ℃ and 100 ℃)

[표 3]

시험항목		실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2
중화가	TAN	1.4	1.68	1.4	1.72	1.3
중화가	TBN	2.05	2	2.01	2.01	2.80
원소분석	B	72	100	120	90	110
ppm	Ca	103	110	120	100	130
	P	240	310	260	290	240
	S	650	580	680	560	500
	N	2200	2100	2200	2200	1600
ISOT 150℃*96hr	40 ℃	1.2	1.02	1.2	1.5	1.03
	100 ℃	1.05	1.01	1.01	1.03	1.02
	ΔTAN	-0.24	-0.2	-0.25	-0.35	1.3
4-BALL WEAR	mm	0.44	0.49	0.46	0.48	0.48

[표 4]

시험항목							실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2
동점도(cSt)						40℃	35.41	34.9	34.27	33.46	36.4
동점도(cSt)						100℃	7.295	7.33	7.507	7.54	7.64
점도지수							177	182	195	204	187
저온점도(-40℃ )cP							14100	14400	10500	14500	15600
KRL 40h	100℃ cSt	6.23	6.3	6.22	6.2	5.6

(2) 내하중성 시험

상기 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2의 조성물을 사용하여 내하중성 시험을 수행하였다. 9단, 100 ℃에서 72시간 동안 시험한 후 기어의 피팅(PITTING) 여부를 확인하여 그 결과를 다음 표 5에 나타내었다.

[표 5]

구분	실시예1	실시예2	실시예3	비교예1	비교예2
FZG 테스트	OK	OK	OK	OK	FAIL

(3) 마찰내구시험

시험조건

항 목	Break-in㈜	내구시험	측정시험
유량(㎖)	100	100	규정 내구시간마다 SWEEP 측정 조건에서 40 ℃, 80 ℃, 120 ℃의 마찰특성을 측정한다.
유온(℃)	100	120
면압 MPa(kgf/cm²)	0.98(10)	0.98(10)
회전속도(m/s)	0.9	0.9
시간(h)	0.5	0,12,24 시간 이후에는 24시간마다 측정시험을 실시한다.

[표 6]

구분	실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2
마찰한계 내구시간	264	264	240	216	144

시험예 1 ~ 4에서 보듯이, 실시예 1 ~ 3은 KRL 전단시험 40시간 후에도 높은 점도를 유지하며, FZG 테스트를 만족하여 자동변속기의 내구성을 유지시켜 주며, 마찰한계 내구시간이 240시간 이상으로 매우 길어 자동변속기의 변속성능을 연장할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동변속기유 조성물은 기존의 자동변속기유에 비해 마찰특성, 열안정성, 산화안정성, 내구성 등이 향상되어 광범위한 온도 범위에서 사용할 수 있다.

Claims

3단계 수소처리공정을 거친 고도 정제 기유 65 ~ 80 중량%, 폴리메타크릴레이트 2 ~ 10 중량%, 마찰조정제 2 ~ 5 중량% 및 첨가제 10 ~ 20 중량%를 함유한 것을 특징으로 하는 자동변속기유 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 고도 정제 기유는 점도지수 122 ~ 126, 포화탄화수소 함량 99% 이상, 황 함량 1 ppm 미만인 것을 특징으로 하는 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 마찰조정제는 마찰조정제 총 중량에 대하여 비붕소계 호박산이미드 40 ~ 60 중량%, 디알킬하이드로젠포스파이트 5 ~ 15 중량% 및 희석제 25 ~ 45 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 첨가제는 첨가제 총 중량 중 붕소계호박산이미드 10 ~ 20 중량%, 지방산과 아민의 축합물 3 ~ 10 중량%, 산화방지제, 소포제 및 희석제로 이루어진 것을 특징으로 하는 조성물.