KR101202984B1

KR101202984B1 - 이형성과 스케일업 방지성능이 향상된 단조용 이형제 조성물

Info

Publication number: KR101202984B1
Application number: KR1020120041223A
Authority: KR
Inventors: 김나현
Original assignee: (주)케미칼코리아
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2012-11-21

Abstract

본 발명은 기존의 단조용 이형제가 가지고 있던 이형성 부족 및 금형 내 스케일업(scale up) 등의 문제를 해결하기 위해 반응성 실리콘을 도입하여 단조공정중에 금형 내에서 실리콘 이형 필름을 형성하여 기존의 이형 목적을 달성하게 하였다. 그러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 단조용 이형제 조성물은, 가성소다 5~10중량%, 증점제 0.1~1중량%, 프탈산나트륨(sodium phthalate) 10~15중량%, 극압첨가제 1~5중량%, 방부제 0.1~1중량%, 소포제 0.1~1중량%, 말단에 하이드록시(hydroxyl)기를 가진 반응성 실리콘 2~8중량%, 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘 2~8중량%를 포함하고 나머지 함량는 물인 것을 특징으로 한다.

Description

이형성과 스케일업 방지성능이 향상된 단조용 이형제 조성물{Releasing agent composition improved releasing property and anti-scale up property for forging}

본 발명은 이형성과 스케일업 방지성능이 향상된 단조용 이형제 조성물에 관한 것으로서, 단조작업에 있어서 기존의 솔벤트 이형제, 흑연 등과 같은 필러 이형제, 수용성 지방산 이형제 등에서 발생할 수 있는 이형성 부족 및 환경오염 등과 같은 문제점을 해소하고 작업성을 보다 개선시킨 수용성 이형제 조성물에 관한 것이다.

단조공정에서는 높은 압력과 열에 의하여 단조물 표면에 불량이 발생하기 쉬우므로 이형제의 윤활성을 반드시 필요로 한다. 또한, 단조공정 중에 발생하는 스케일(scale)은 지속적으로 몰드나 단조물의 표면에 달라붙기 때문에 작업 중에 제거하여야 하며 이는 연속 작업을 방해하여 작업성을 저해하는 중요한 요인이 되고 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 이전의 기술에서는 유기용제에 마이카 등과 같은 필러를 분산시켜 이형제로 사용하였으나, 화재와 냄새로 인한 작업장 오염 등으로 지금의 환경규제에 맞지 않아 동 업계에서는 사용하지 않고 있다.

이후, 수용성 제품이 개발되어 사용되고 있는 바, 미국특허 제3,978,908호, 제5,584,201호 등에서는 수용성 지방산 및 아민, 에스테르 및 비누성분을 물에 분산시켜 사용하는 기술이 등재되어 있고, 대한민국 특허출원 제10-2007-0035690호에서는 지방산 및 유리비누, 실리카 등을 사용하는 수용성 이형제에 관한 기술이 개시되어 있다.

그러한 수용성 이형제는 유기용제 이형제에 비하여 비용이 적게 들고 환경오염 및 인체에 무해하다는 장점이 있으나, 수성제품 특유의 젖음성이 부족하여 금형에 침투하는데 시간이 걸리며 건조성이 떨어지는 단점이 있다. 또한 유화제를 사용함으로써 작업 과정 중에 금형에 침착물(scale up)이 축적되고 이를 제거하기 위한 작업중지 시간이 필요한 문제가 있었다.

또한, 단조 이형제의 가장 필요한 물성인 이형성은 기존의 필러들과 달리 극압첨가제와 지방산 피막으로 발현하여야 하지만, 단조공정에서 발생하는 압력과 열에 의해 이형막이 쉽게 파괴되기 때문에 주기적으로 많은 양의 이형제를 지속적으로 몰드에 도포해야 하는 문제점이 있었다.

따라서, 수용성 단조 이형제는 금속의 단조 공정 중, 금형에 단조물을 넣고 프레스로 압력을 가할 때 단조물의 외관에 생기는 불량을 방지할 수 있도록 충분한 윤활성과 탈착이 용이하도록 하는 이형성이 우수하고, 공정이 반복되어도 금형의 내부 또는 단조물의 표면에 침착물(scale up) 발생이 최소화된 특성이 계속적으로 요구되고 있으며, 그러한 이형제의 개발을 위한 연구가 업계에서 꾸준히 이루어지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 관점에서 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 단조작업에 있어서 이형성과 스케일업(scale up) 방지성능이 보다 향상된 단조용 이형제 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명은 기존 단조용 이형제의 이형성 부족 및 금형 내 스케일업(scale up) 등의 문제를 해결하기 위해 반응성 실리콘을 이용하여 이형제 조성물을 구성한 것으로, 단조공정 중에 금형 내에서 실리콘 이형필름을 형성하여 이형성능을 향상시키도록 하였다.

일반적으로 폴리디메틸실록산(poly dimethyl siloxane)은 열에 강하며 이형성과 윤활성이 우수하나 불활성 물질로서 지속적인 이형특성을 나타내지 못한다. 본 발명에서는 반응성 실리콘을 함유한 이형제 조성물을 사용하여 단조 공정 중에 중합반응을 발생시킴으로써 금형 표면에서 실리콘 이형도막을 형성한다. 이때 생성되는 피막은 균일하고 열에 강하기 때문에 단조물이 금형에 달라붙지 않고, 실리콘 특유의 이형성으로 인해 침착물(scale up)이 금형에 쌓이지 않으며 쌓이더라도 쉽게 제거가 가능하다.

보다 구체적으로, 본 발명의 단조용 이형제 조성물은, 가성소다 5~10 중량%, 증점제 0.1~1 중량%, 프탈산나트륨(sodium phthalate) 10~15 중량%, 극압첨가제 1~5중량%, 방부제 0.1~1 중량%, 소포제 0.1~1 중량%, 말단에 하이드록시(hydroxyl)기를 가진 반응성 실리콘 2~8 중량%, 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘 2~8 중량% 및 나머지 함량의 물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에서 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘이, 상기 말단에 하이드록시(hydroxyl)기를 가진 반응성 실리콘보다 더 큰 함량으로 포함되는 것으로 구성할 수 있다.

또한, 상기 구성에서 말단에 하이드록시(hydroxyl)기를 가진 반응성 실리콘은 3~4중량%이고, 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘은 4~6중량%인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 구성에서 말단에 하이드록시(hydroxyl)기를 가진 반응성 실리콘은, 분자량1000~10,000의 디메틸실록산으로 된 실리콘오일이고, 상기 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘은, 분자량 100~500의 디메틸실록산으로 된 실리콘오일인 것으로 구성할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 단조용 이형제 조성물을 금형에 스프레이하여 단조공정을 진행함에 의해, 말단에 하이드록시(hydroxyl)기를 가진 반응성 실리콘과, 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘이 중합반응함으로써 금형의 표면에 균일하고 열에 강한 실리콘 이형막을 형성할 수 있다. 이에 따라, 단조물이 금형에서 용이하게 분리될 수 있고 스케일제거가 보다 용이해질 수 있다.

특히, 본 발명의 이형성 조성물은 이형성, 윤활성의 발현을 위해 사용할 필요가 있으나 스케일업(scale up)의 발생을 유발할 수 있는 프탈산나트륨(sodium phthalate)을 포함시키더라도, 말단에 하이드록시(hydroxyl)기를 가진 반응성 실리콘과, 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘에 의한 이형막의 형성을 통해 스케일업(scale up)의 발생문제를 현저히 감소시키고 있다.

이하, 본 발명의 이형성과 스케일업 방지성능이 향상된 단조용 이형제 조성물을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 단조용 이형제 조성물은, 가성소다 5~10 중량%, 증점제 0.1~1 중량%, 프탈산나트륨(sodium phthalate) 10~15 중량%, 극압첨가제 1~5 중량%, 방부제 0.1~1 중량%, 소포제 0.1~1 중량%, 말단에 하이드록시(hydroxyl)기를 가진 반응성 실리콘 2~8 중량%, 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘 2~8 중량%, 및 나머지 함량의 물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 가성소다(NaOH)는 단조공정 중의 물에 지방산 및 극압첨가제의 안전성을 부여하며 이형성 및 도막의 젖음성을 부여한다. 구체적으로 가성소다의 함량은 5~10 중량%를 사용하며 이 범위에 미치지 못하면 이형성 및 안정성이 부족하고 이 범위를 초과하면 고 알칼리 상태가 되어 금형의 부식을 유발할 수 있다.

상기 증점제는 점도를 높여 조성물이 금형에 대한 고착성을 유발하며 제품의 성분들이 저장 중에 가라앉지 않도록 한다. 증점제는 구체적으로 MC, CMC, PMC, 젤라틴, gum을 사용하며 함량은 0.1~1 중량%를 사용하며 이 범위를 초과하면 스프레이(spray)시 점도가 높아 도포가 되지 않는다.

상기 프탈산나트륨(sodium phthalate)은 금형과 단조물의 사이에서 이형성, 윤활성을 발현시키기 위해 10~15 중량%를 사용하며, 이 범위에 못 미치면 단조공정시 윤활성이 떨어지며 이 범위를 초과하면 건조가 늦고 경제성이 떨어진다.

상기 극압첨가제는 단조공정 중 금형과 단조물 사이에 높은 압력이 발생하더라도 단조물의 표면에 피막을 형성하여 압력에 의한 충격을 감쇠시켜 주며 구체적으로 황(sulfur), 인산계, 몰리브덴 등을 사용한다. 함량은 1~5 중량%를 사용하고, 이 범위에 미치지 못하면 단조시 단조물의 표면이 금형에 의한 압력을 견디지 못하여 불량이 발생할 수 있고 그 범위를 초과하면 경제성이 떨어진다.

상기 방부제는 수용성 제품의 특성상 발생할 수 있는 부패현상을 차단시키는 것으로, 포름알데히드, 벤조산 등을 0.1~1 중량%의 함량으로 사용한다.

상기 소포제는 수용성 제품의 특성상 발생하는 거품을 없애주며, 구체적으로 실리콘 에멀젼, 미네랄 에멀젼 등을 0.1~1 중량% 함량으로 사용한다.

상기 반응성 실리콘은 말단에 하이드록시(hydroxyl)기를 가진 반응성 실리콘과, 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘의 2가지로서, 말단에 각각 하이드록시드기(-OH, hydroxyl function), 하이드로젠기(-H, hydorgen function)를 가지고 있는 폴리 디메틸 실록산의 중합반응을 이용한 것이다.

상기 말단에 하이드록시기(-OH, hydroxyl function)가 붙어있는 실리콘은, 구체적으로 디메틸 실록산 중 분자량 1000~10,000인 실리콘 오일을 사용하되, 함량은 이형제 조성물 전체에서 2~8 중량%를 사용하고 3~4 중량%의 함량인 것이 더욱 바람직하다. 사용 시에는 30 중량%이상 물에 유화된 에멀젼의 형태로 사용하는 것이 바람직하며, 다우코닝사의 DC 1716 등을 사용할 수 있다.

그 함량이 2 중량%에 못 미치면 이형성이 떨어져 단조 공정 시 금형에서 단조물의 탈착이 용이하지 않게 되고, 그 범위를 초과할수록 경제성이 떨어진다.

한편, 다른 하나의 반응성 실리콘인 말단에 하이드로젠기(-H, hydorgen function)가 붙어있는 실리콘은, 구체적으로 디메틸 실록산 중에 분자량 100~500인 실리콘오일을 사용하되, 함량은 이형제 조성물 전체에서 2~8 중량%를 사용하고, 4~6 중량%의 함량인 것이 더욱 바람직하다.

사용 시에는 30중량% 이상 물에 유화된 상태에서 사용하는 것이 바람직하고. 예컨대, 다우 코닝사의 DC 75SF를 사용할 수 있다.

그 함량이 2 중량%에 못 미치면 반응성이 떨어지고 그 범위를 초과할수록 경제성이 떨어진다.

상기 사용되는 반응성 실리콘의 형태는 다음과 같다.

여기서, R은 하이드록시(hydroxyl)기 및 하이드로젠(hydorgen)기를 의미하며, n은 100~1,000으로 이상을 넘을 경우 유화시킬 때 유화제의 양이 늘어나고 유화가 어렵게 된다.

상기와 같이 말단에 하이드록시(hydroxyl)기를 가진 반응성 실리콘과, 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘의 중합반응은, 반응 속도를 빠르게 진행시키기 위하여 주석(Zn)계의 촉매를 사용할 수도 있으나, 본 발명에서는 단조금형의 이형제로 사용될 때 금형의 온도가 180~250℃에 이르고 있으므로, 그 탈수 중합반응이 촉매가 없는 상태에서도 빠르게 진행되어 금형 내에서 이형막(이형필름)을 형성한다.

다음은 전술한 바와 같이 제조된 본 발명의 이형성 조성물의 성능을 평가하기 위하여 시험한 결과를 설명한다.

표 1에서는 비교예와 실시예의 조성을 표시하고 있고, 표 2에서는 비교예와 실시예의 평가된 결과를 나타내고 있다.

구분	비교예1	비교예2	실시예1	실시예2	실시예3
물	41	39	73	70	67
가성소다			6	6	6
증점제	1	1	1	1	1
IPA
APA
sodium phthalate			13	13	13
극압첨가제	2	2	2	2	2
방부제	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
소포제	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
규산소다	50	50
PTFE	5
반응성실리콘(hydroxyl기)		3	2	3	4
반응성실리콘(hydogen기)		4	2	4	6
합계	100	100	100	100	100

본 발명의 이형제 조성물의 평가를 위해 표 1의 비교예 및 실시예의 조성으로 각각 샘플 100 kg 씩 제조한 후, 단조공정 중에 금형에 각 시료를 스프레이로 도포하였다.

단조 온도는 220℃이고 압력은 1,600톤이며 이형제 도포주기는 각 사이클(cycle)에 1회씩 스프레이를 이용하여 도포하였다. 단조물은 2,000개씩 성형하며 발생하는 불량 여부와 금형에 쌓이는 침착물의 상태로 판단하여 제거가 필요하다 여겨지는 단조 사이클을 표시하였다.

구분	비교예1	비교예2	실시예1	실시예2	실시예3
소착	15	5	3	2	0
스케일미탈착(scale up)	8	7	4	1	1
제품불량	32	10	12	4	3

여기서, “소착”은 공정 중 단조물이 금형에서 미탈착되는 현상을 의미하고, “스케일미탈착(scale up)”은 단조 공정 중에 금형에 스케일이 제거되지 않아 작업 중단이 발생한 회수를 의미하며, “제품불량”은 단조물의 성형 후 관능적으로 판단하여 표면에 흠이 확인되는 제품의 개수를 의미한다.

상기 결과를 살펴보면, 불소수지막을 형성할 수 있는 폴리테트라플루오르에치렌(PTFE)이 포함된 비교예1과 비교하여, 말단에 각각 하이드록시(hydroxyl)와 하이드로젠(hydogen)기를 가진 2종류의 반응성 실리콘을 첨가함으로써 소착, 스케일미탈착, 제품불량의 개수가 현저히 줄어들게 됨을 알 수 있다.

또한, 이형성, 윤활성 발현을 위하여 프탈산나트륨(sodium phthalate)이 포함되는 경우, 말단에 하이드록시(hydroxyl)기를 가진 반응성 실리콘 및, 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘을 함유함으로써, 소착 및 스케일업(scale up)의 발생빈도가 크게 줄어듦을 알 수 있다.

또한, 실시예 1보다는 실시예 2 및 실시예 3에서 소착, 스케일업, 제품불량의 발생빈도가 보다 현저히 감소함을 알 수 있고, 그 경우 말단에 하이드록시(hydroxyl)기를 가진 반응성 실리콘 및, 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘은 각각 3~4 중량%, 4~6 중량% 범위에서 함유되고 있다.

상기의 실시예 2, 3에서 하이드록시(hydroxyl)기를 가진 반응성 실리콘에 비해 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘의 함양을 약간 더 포함시킨 것은, 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘의 경우, 단조용 이형제의 윤활성을 보다 향상시키는 기능이 있으므로 이형제 조성물에 윤활성을 더 부여하려는 의도에서 함량의 차이를 둔 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 상기의 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에 있는 일 실시예에 불과하며, 동업계의 통상의 기술자에 있어서는, 본 발명의 기술적인 사상 내에서 다른 변형된 실시가 가능함은 물론이다.

Claims

가성소다 5~10중량%, 증점제 0.1~1 중량%, 프탈산나트륨(sodium phthalate) 10~15 중량%, 극압첨가제 1~5 중량%, 방부제 0.1~1 중량%, 소포제 0.1~1 중량%, 말단에 하이드록시(hydroxyl)기를 가진 반응성 실리콘 2~8 중량%, 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘 2~8 중량%, 및 나머지 함량의 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 단조용 이형제 조성물
제1항에 있어서,
상기 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘이,
상기 말단에 하이드록시(hydroxyl)기를 가진 반응성 실리콘보다 더 큰 함량으로 포함되는 것을 특징으로 하는 단조용 이형제 조성물
제2항에 있어서,
상기 말단에 하이드록시(hydroxyl)기를 가진 반응성 실리콘은 3~4 중량%이고, 상기 말단에 하이드로젠(hydogen)기를 가진 반응성 실리콘은 4~6 중량%인 것을 특징으로 하는 단조용 이형제 조성물
삭제