KR101714394B1

KR101714394B1 - 내열성이 우수한 베어링용 고체 윤활제 제조방법

Info

Publication number: KR101714394B1
Application number: KR1020150168433A
Authority: KR
Inventors: 배재영; 김종원; 이종탁; 신상용
Original assignee: 계명대학교 산학협력단
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-03-10

Abstract

본 발명은, (a) 윤활 물질과 무기계 결합제를 소정의 중량비로 혼합하고 용매를 이용하여 상기 혼합물을 교반하는 단계; (b) 상기 (a) 단계를 통해 교반된 페이스트 혼합물에 소포제를 상기 페이스트 혼합물의 전체 중량대비 2 ~ 10%까지 첨가하는 단계; (c) 상기 (b) 단계를 통해 소포제가 첨가된 페이스트 혼합물을 롤 밀을 이용하여 분산시키는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계를 통해 균일하게 분산된 페이스트 혼합물을 베어링이 결합된 케이지에 몰딩하여 소정 온도에서 건조를 거친 후 베어링에 결합하는 단계;를 포함하는 베어링용 고체 윤활제의 제조방법을 제공한다.

Description

내열성이 우수한 베어링용 고체 윤활제 제조방법{manufacturing method of solid lubricants for bearing havig improved heat resistance}

본 발명은 고체 윤활제 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 형태의 가공 성형에 용이한 페이스트 타입으로, 경화가 완료되면 고체 상태로 고온의 가혹한 상황에서도 윤활 성능이 우수한 특성을 갖는 베어링용 고체 윤활제 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 대부분의 산업 기계들은 장기간의 사용에 따른 노화와 마모가 발생하고, 특히 구동부에서 이러한 노화와 마모가 많이 발생한다. 이에, 이러한 마모를 보호하기 위해 양 금속표면 사이에 석유계의 기름이나 구리스 등의 윤활유를 투입하여 그 형성된 유막에 의해 이동 부분을 보호하는 윤활 방식이 가장 널리 사용되고 있었다.

이러한 윤활 방식에서는 사용하는 윤활유에 문제가 발생하면 기계에도 심각한 문제가 발생할 수 있고, 액체윤활유의 적용을 위해서는 내부 또는 다른 주변의 운전 온도, 높은 표면 압력, 충격 하중, 표면의 거칠기에 대한 주의가 필요하다. 특히, 금속표면의 파손이 발생한 경우의 윤활 방안, 속도 또는 기동과 제동 운전 중에서 윤활제 역할, 습기, 유해가스 또는 화학약품 노출에 따른 부식 등의 면밀한 검토가 사전에 이루어져야 한다.

또한, 산업 기술의 급속한 발달로 기계의 출력, 회전수, 이송속도의 증가와 하중이 커지고 있어 열악한 환경에서의 운전시에 상호 작동되고 있는 금속 표면에서 발생하는 마모관리에 보다 더 큰 관심이 필요한 실정이다.

최근 제트 엔진이나 선박용 엔진 등과 같이 열기관 이용의 급속한 수요 증가가 나타나고 있으나, 종래의 액체윤활유로는 해결할 수 없는 사용상의 한계가 있는데, 특히, 액체 윤활유가 대기중이나 해상에서 유출되는 경우 환경오염문제로 부각되고 있다.

이에 따라, 액체 윤활유와 구리스의 대체 물질의 개발과 그 대안으로 상용화될 수 있는 고체 윤활제 개발에 대한 요구가 커지고 있다.

공개특허공보 2015-0098659호(2015년 8월 28일 공개)

본 발명은 전술한 바와 같은 요구를 반영한 것으로, 다양한 형태의 가공 성형에 용이한 페이스트 타입으로, 경화가 완료되면 고체 상태로 고온의 가혹한 상황에서도 윤활 성능이 우수한 특성을 보유하며 산업 기계의 베어링 윤활제로 사용할 수 있는 고체 윤활제 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해, 본 발명의 실시예는, (a) 윤활 물질과 무기계 결합제를 소정의 중량비로 혼합하고 용매를 이용하여 상기 혼합물을 교반하는 단계; (b) 상기 (a) 단계를 통해 교반된 페이스트 혼합물에 소포제를 상기 페이스트 혼합물의 전체 중량대비 2 ~ 10%까지 첨가하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계를 통해 소포제가 첨가된 페이스트 혼합물을 롤 밀을 이용하여 분산시키는 단계;를 포함하는 고체 윤활제의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 다른 실시예는, (a) 윤활 물질과 무기계 결합제를 소정의 중량비로 혼합하고 용매를 이용하여 상기 혼합물을 교반하는 단계; (b) 상기 (a) 단계를 통해 교반된 페이스트 혼합물에 소포제를 상기 페이스트 혼합물의 전체 중량대비 2 ~ 10%까지 첨가하는 단계; (c) 상기 (b) 단계를 통해 소포제가 첨가된 페이스트 혼합물을 롤 밀을 이용하여 분산시키는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계를 통해 균일하게 분산된 페이스트 혼합물을 베어링이 결합된 케이지에 몰딩하여 소정 온도에서 건조를 거친 후 베어링에 결합하는 단계;를 포함하는 베어링용 고체 윤활제의 제조방법을 제공한다.

바람직하게, 상기 윤활 물질은 그래파이트(graphite), 이황화몰리브덴(MoS₂), 황화텅스텐(WS₂) 중에서 어느 하나가 사용될 수 있다.

바람직하게, 상기 윤활 물질은 분말 형태로서 입자크기가 4~10㎛인 것이 좋다.

바람직하게, 상기 윤활 물질과 무기계 결합제를 1:1 ~ 10의 비율로 혼합할 수 있다.

바람직하게, 상기 무기계 결합제로는 규산 리튬이 사용되며, 오르토규산리튬(Li₄SiO₄), 메타규산리튬(Li₂SiO₃), 오르토이규산육리튬(Li₆Si₂O₇) 중에서 어느 하나가 사용될 수 있다.

또한, 상기 (d) 단계에서, 상기 소정 온도 80 ~ 150℃에서 5 ~ 10시간 건조하는 것이 바람직하다.

본 발명은 고체 윤활제 제조방법에 관한 것으로, 페이스트 타입으로 다양한 형태의 가공 성형에 용이한 장점이 있다.

또한, 기존의 액체 윤활유와 비교하여 경화가 완료되면 고체 상태로 고온 또는 고압의 가혹한 환경에서도 우수한 윤활 성능을 확보할 수 있는 장점이 있다.

또한, 기존 컨베이어 및 산업용 기계에서 베어링 윤활유로 사용하는 고가의 구리스를 대체할 수 있어 제조단가 등의 생산성 향상 및 비용절감의 효과를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베어링용 고체윤활제의 제조과정을 나타낸 제조공정도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체 윤활제의 제조과정을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체 윤활제가 몰딩된 베어링 제조 과정을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 고체 윤활제의 마찰계수 결과를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 고체 윤활제를 경화시킨 후 내열성을 확인하기 위해 측정한 TGA 그래프,
도 6은 기존의 베어링과 본 발명에 따른 고체 윤활제 페이스트를 몰딩한 시제품을 비교하여 나타낸 사진이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

도면들에 있어서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "포함하는"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 소자 및 장치의 존재 또는 추가를 의미한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베어링용 고체 윤활제의 제조과정을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베어링용 고체윤활제의 제조과정을 나타낸 제조공정도이며, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체 윤활제의 제조과정을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체 윤활제가 몰딩된 베어링 제조 과정을 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체 윤활제는, 윤활 물질로서 그래파이트(graphite), 이황화몰리브덴(MoS₂), 황화텅스텐(WS₂) 중에서 어느 하나가 사용될 수 있다. 여기서, 단가 절감과 낮은 마찰계수 및 고온에서의 사용을 고려하여 분말 형태 그래파이트로서 입자크기가 4~10㎛가 바람직하다.

이어, 상기 윤활 물질은 분말형태로 존재하기 때문에 분말을 성형할 때 상기 윤활 물질에 탄력성 또는 점착성을 부여하기 위해 무기계 결합제를 혼합하고 용매를 이용하여 상기 혼합물을 교반한다(S110). 특히, 페이스트(paste) 형태로 사용하거나 고온에서의 안정성을 확보하기 위해 용매에 상기 윤활 물질과 무기계 결합제(binder)를 소정의 중량 비율(1:1~10)로 혼합하여 혼합물 교반을 수행한다. 이때, 용매로는 물과 유기용매를 사용하고, 무기계 결합제로는 규산 리튬이 바람직하며, 오르토규산리튬(Li₄SiO₄), 메타규산리튬(Li₂SiO₃), 오르토이규산육리튬(Li₆Si₂O₇) 등이 사용될 수 있다. 또한, 중량비는 상기 윤활 물질 대비 상기 규산 리튬을 증가시켜 혼합하는 형태로 최소 1:1의 비율에서 최대 1:10의 비율까지 증가하여 혼합할 수 있다.

상기 혼합물 교반 단계을 통해 페이스트(paste) 상태가 되는데(도 2a 참조), 상기 페이스트 혼합물이 점도가 높을 경우에는 기포가 발생할 수 있고, 기포가 발생한 상태로 경화 과정을 거치게 되면 상기 페이스트 내의 기포에 의한 기공 때문에 그 강도가 약해질 수 있다. 따라서, 이러한 현상을 방지하기 위해 페이스트 제조 과정에서 일정량의 소포제(탈포제 및 파포제)를 S110 단계를 통해 교반된 페이스트 혼합물의 전체 중량대비 최소 2%에서 최대 10% 까지(2~10%) 범위까지 첨가하는 것이 바람직하다(S120). 이때, 상기 소포제로는 비이온성 계면활성제로서 트리톤계 계면활성제가 사용될 수 있으며, 현재 Triton X-100, Triton X-45, Triton X-114 등이 사용되고 있으나 Triton X-100이 바람직하다.

이어, S120 단계에서 소포제가 첨가된 페이스트 혼합물은 비교적 점도가 높은 상태이므로 일반적인 교반을 통해 혼합이 어렵기 때문에 균일한 혼합을 위해 롤 밀(roll mill)을 이용하는 것이 바람직하다. 즉, S120 단계에서 소포제가 첨가하여 혼합물을 교반시킨 후 롤 밀을 이용하여 분산시켜준다(S130).

이어, 균일하게 분산된 페이스트를 베어링이 결합된 케이지에 몰딩하여 80~150℃에서 5~10시간 건조를 거친 후 베어링에 결합한다(S140). 즉, 구름형식의 베어링에서 외륜(Outer ring)과 내륜(Inner ring) 사이에 전동체(Rolling elements)인 베어링이 결합된 케이지(Cage)가 들어가게 되며, 이 베어링과 케이지 주변을 상기 개발된 페이스트 윤활제로 몰딩한다.

도 3a 내지 도 3c를 참조하여, 고체 윤활제가 몰딩된 베어링 제조 과정을 보다 자세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 몰딩과정에서 외륜과 내륜의 크기를 고려하여 주형(Templates)을 제조한 다음, 도 3에 나타낸 바와 같이, 주형 내부에 베어링이 결합된 케이지를 넣고, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 상기 베어링이 결합된 케이지가 결합된 주형에 페이스트 윤활제를 주입한 후 열 경화 과정을 거치게 된다. 이때, 열 경화 조건은 온도 범위는 80 ~ 150℃에서 5 ~ 10시간 경화하며, 바람직하게는 100 ~ 120℃에 7 ~ 9시간 경화하는 것이 좋다.

경화가 완료되면 주형에서 분리한 다음 향후 조립 공정을 고려하여 표면을 매끄럽게 가공 처리한다.

이어, 도 3c에 나타낸 바와 같이, 내륜, 외륜, 고체 윤활제가 몰딩된 베어링을 조립하여 완성하게 되며, 도 6을 참조하면, 기존 베어링(도 6a)과 본 발명에 따라 제조된 고체 윤활제 페이스트를 몰딩한 베어링(도 6b)의 시제품을 비교를 통해 이를 확인할 수 있다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 고체 윤활제로서, 시료명 LM16으로, 윤활 물질인 MGF10(그래파이트)와 L(규산리튬)이 1:3.6의 비율로 혼합되고, 상기 1:3.6의 비율로 혼합된 페이스트 혼합물에 소포제 Triton X-100을 2% 첨가하여 제조된 고체 윤활제이며, 베어링에 적용될 경우의 특성을 시험한 결과를 살펴보면 다음과 같다.

표 1은 본 발명에 따른 고체 윤활제의 마찰 계수를 나타낸 그래프이고, 도 4는 상기 마찰계수 결과를 나타낸 그래프이다.

시료명	횟수(Run)	정마찰계수 (단위 없음)	동마찰계수 (단위 없음)
LM16	1	0.285	0.271
	2	0.269	0.268
	3	0.286	0.248
	SD	0.009	0.013
	CV(%)	3.32	4.77
	평균	0.280	0.262

표 1 및 도 4를 참조하면, 경화시킨 고체 윤활제의 마찰계수가 평균적으로 정마찰계수 평균 0.280, 동마찰계수 0.262로 나타나므로, 윤활제로서 좋은 특성을 가짐을 알 수 있다.

표 2는 본 발명에 따른 고체 윤활제의 내마모 시험 결과를 나타낸 표이다.

시료명	횟수(Run)	시험 전 무게(g)	시험 후 무게(g)	질량변화율(%)
LM16	1	18.993	19.051	-0.305
	2	22.706	22.769	-0.277
	평균			-0.291

표 2를 참조하면, 경화시킨 고체 윤활제의 내마모성 측정 결과가 평균 질량변화율이 0.3 범위에 있어 윤활제로서 좋은 특성을 가짐을 확인할 수 있다.

표 3은 본 발명에 따른 고체 윤활제의 내압하중 시험 결과를 나타낸 표이다.

시험항목	단위	시료명	결과치
압축파괴하중	kN	LM16	72

표 3을 참조하면, 경화시킨 고체 윤활제의 내압하중이 측정 결과가 72kN으로 윤활제로서 좋은 특성을 가짐을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 고체 윤활제를 경화시킨 후 내열성을 확인하기 위해 측정한 TGA 그래프이다.

도 5를 참조하면, 500℃에서 TGA Mass 질량이 크게 감소하는 것을 확인함으로써, 본 발명에 따라 제조된 고체윤활제가 500 ~ 550℃까지 높은 열 안정성을 보유하고 있음을 알 수 있다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims

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(a) 윤활 물질과 무기계 결합제를 1:1 ~ 10의 중량비로 혼합하고 용매를 이용하여 상기 혼합물을 교반하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계를 통해 교반된 페이스트 혼합물에 소포제를 상기 페이스트 혼합물의 전체 중량대비 2 ~ 10%까지 첨가하는 단계;
(c) 상기 (b) 단계를 통해 소포제가 첨가된 페이스트 혼합물을 롤 밀을 이용하여 분산시키는 단계; 및
(d) 상기 (c) 단계를 통해 균일하게 분산된 페이스트 혼합물을 베어링이 결합된 케이지에 몰딩하여 소정 시간과 소정 온도에서 건조를 거친 후 베어링에 결합하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링용 고체 윤활제의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 윤활 물질은 그래파이트(graphite), 이황화몰리브덴(MoS₂), 황화텅스텐(WS₂) 중에서 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 베어링용 고체 윤활제 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 윤활 물질은 분말 형태로서 입자크기가 4~10㎛인 것을 특징으로 하는 베어링용 고체 윤활제 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 소포제는 비이온성 계면활성제로서 트리톤계 계면활성제가 사용되는 것을 특징으로 하는 베어링용 고체 윤활제 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 무기계 결합제로는 규산 리튬이 사용되며, 오르토규산리튬(Li₄SiO₄), 메타규산리튬(Li₂SiO₃), 오르토이규산육리튬(Li₆Si₂O₇) 중에서 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 베어링용 고체 윤활제 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 (d) 단계에서, 상기 소정 온도 80 ~ 150℃에서 상기 소정 시간 5 ~ 10시간 건조하는 것을 특징으로 하는 베어링용 고체 윤활제 제조방법.