KR102611347B1 - 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제 - Google Patents
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Abstract
물, 육방정 질화붕소(hBN) 입자, 분산제, 및 방청제를 포함하고, 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 물에 젖음성 있는 친수성 입자인, 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제를 개시한다.
Description
본 발명은 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 물, 육방정 질화붕소(hBN) 입자, 분산제, 및 방청제를 포함하고, 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 물에 젖음성 있는 친수성 입자인, 육방정 질화붕소 입자 기반의 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제에 관한 것이다.
여기서, 오일이란 절삭유를 포함한 금속가공유에서 주요(베이스) 성분으로 사용하는 광물성(파라핀) 오일과 식물성 오일 및 아래에 명기된 오일을 일컫는 것으로, 광물성 오일은 석유에서 유래하여 증류공정과 불순물 제거를 위한 정제 그리고 물성 변경을 위한 크래킹 및 수소화 처리를 거친 모든 밀도와 점도 영역의 산출물과 이를 블랜딩한 혼합물을 포함한다. 그리고 광물성 오일은 아니나 셰일가스 및 천연가스 등의 저분자 탄화수소 기체를 합성하여 제조한 합성 원유로부터 증류, 정제 등을 거친 모든 밀도와 점도 영역의 GTL(Gas to Liquids) 오일도 포함한다. 식물성 오일은 친환경 절삭유에 주로 사용되는 주요(베이스) 성분으로 식물류에서 추출한 대두유, 피마자유, 해바라기유, 채종유 등을 단독 혹은 2종 이상 혼합한 것을 포함한다.
절삭유제(cutting fluid)는 가공 공정 중에 공구와 피삭재 상호간 가공면에 작용하여 윤활과 냉각 기능을 부여함으로서 피삭재의 표면가공 정밀도를 높이고 공구수명을 연장하는 목적으로 사용된다.
이러한 절삭유제는 비수용성 절삭유와 물에 희석해 사용하는 수용성 절삭유로 구분되는데, 모두 윤활성을 부여하기 위한 오일을 주성분으로 하고 있다. 이 중에서 비수용성 절삭유는 100% 오일로 구성되어 윤활 성능이 우수하여 정밀한 가공에 사용되나 오일의 비점이 낮아 화재 위험성이 높고 냉각 성능이 떨어져 열이 많이 발생하는 황삭, 고속가공 및 연삭가공 및 난삭재(Ti, Ni, SUS 등) 가공에 적용이 어렵다. 이에 비해 수용성 절삭유는 냉각 성능은 우수하나 비수용성 절삭유 대비 윤활 성능이 떨어져 비철금속의 정밀 가공에 적용하기 어렵다.
또한, 종래의 오일 기반의 수용성 절삭유는 주로 석유계 및 식물성 오일을 물과 희석하여 제조하는 것으로, 금속가공과정에서 발생하는 고온의 마찰열에 의해 오일 성분이 연소되어 높은 농도의 유증기를 발생하므로 환경적, 인체적 유해성이 꾸준히 문제되고 있다. 또한 가공후 피삭재에 잔존하는 미량의 오일성분이 가공후 공정인 도장, 표면처리 등에 영향을 주어 제품 불량으로 이어지고, 이를 예방하기 위해 많은 량의 오일 제거용 세척수와 화학약품이 소요되므로 다량의 정화처리가 난해한 폐수가 발생한다는 단점이 있다. 한편 여름철에 절삭유를 재사용하는 과정에서 오일에 의한 미생물 증식으로 절삭유가 부패하여 병원성 세균의 온상이 되고 고약한 냄새가 발생하는 문제가 있으며, 비수용성 절삭유의 경우, 사용후 폐유는 소각하므로 많은 온실가스가 발생하는 문제가 있다.
한편, 특허문헌 1에는 이러한 환경에의 영향을 고려하여 친환경성을 강조하면서 기유로서 식물성유를 사용하는 기술이 공개되어 있지만 이 역시 오일 기반의 수용성 절삭유제로서 상기와 같은 문제는 여전하다. 또한, 특허문헌 2 및 3에는 오일을 사용하지 않고 알카리성 전해이온수를 적용한 친환경 수용성 절삭유 기술이 공개되어 있지만, 유해성에 대한 근거는 명기되어 있으나 금속가공성이 기존 O/W 에멀전 타입의 수용성 절삭유 대비 크게 낮아 수용성 절삭유 적용에 한계가 있을 것으로 보인다.
따라서 비수용성 절삭유의 윤활 성능과 수용성 절삭유의 냉각 성능을 동시에 충족하며, 오일을 사용하지 않는 탄소중립, 절삭유제 사용량을 최소화하는 청정가공, 폐수 및 폐유가 발생되지 않거나 획기적으로 감소된 자원순환 방식의 절삭유제가 필요한 상황이다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 고안된 것으로, 물, 육방정계 질화붕소(hBN) 입자, 분산제 및 방청제로 구성되고, 이때 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 친수성 특징을 가져 수계에서 균일하게 분산되어 일정기간 콜로이드 상태를 유지하고 기존의 오일 기반 O/W 에멀전형 수용성 절삭유 대비 유사하거나 우수한 절삭능(공구 마모도, 피삭재 표면조도)을 나타내는 오일이 포함되지 않아 친환경적인 수계 절삭유제를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 수계 절삭유제를 물로 더 희석하여 금속가공 등에 절삭유제로서 사용하되, pH조정제(Alkalinity Boosters, 알칼리도 향상제), 소포제, 방부제(미생물 억제제), 동결방지제, 습윤제(Wetting Agents) 중 하나 이상을 더 투입하여 피삭재 금속공작물의 가공정밀도 향상, 공구수명 연장 뿐만 아니라 동결방지, 거품억제, 미생물억제 효과 등을 충족하는 육방정 질화붕소 입자 기반의 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제를 제공하며 특히 극미량 윤활 가공에 적합한 절삭유제를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제는, 물, 육방정계 질화붕소(hBN) 입자, 분산제, 및 방청제를 포함하고, 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 물에 젖음성 있는 친수성 입자인 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 열처리 합성 공정만으로 친수성을 나타내는 입자인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제는, 물, 육방정계 질화붕소(hBN) 입자, 분산제, 및 방청제를 포함하고, 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 건식 표면처리를 통해 친수성을 나타내는 입자인 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 1차입자 D50 기준으로 30nm~3um 범위와 D90 기준으로 5um 이하의 입자크기를 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자를 상기 물 100 대비 0.1 이하의 중량부로 혼합하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 분산제는 상기 물 100 대비 1 이하의 중량비(분산제의 고형분 무게)로, 상기 방청제는 상기 물 100 대비 10 이하의 중량비로 혼합하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, 상기 분산제는 음이온성, 양이온성, 양쪽 이온성, 비이온성 분산제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 단독 또는 조합하여 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, pH조정제, 소포제, 방부제, 동결방지제, 습윤제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, CNT, 그래핀, 흑연, 및 1차입자 D50 기준 3um 이하 크기를 가진 Al2O3, MoS2, SiO2, ZrO2, CuO, SiC, TiO2, WS2, 다이아몬드 분말로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, 상기 절삭유제는 MQL 분사방식에 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 육방정계 질화붕소(hBN) 입자 기반의 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제는 비수용성 절삭유의 윤활 성능과 수용성 절삭유의 냉각 성능을 동시에 충족할 수 있다.
또한, 오일을 일체 사용하지 않는 탄소중립, 폐유가 발생되지 않는 친환경, 유증기 발생량이 최소화되고 오일에 의한 부패를 방지함으로서 악취 발생을 최소화하는 인체 무해성, 육방정계 질화붕소(hBN) 입자를 수거하여 재활용하는 자원순환 방식의 절삭유제로 역할할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제는 금속가공용 절삭유제 적용에 한정하지 않고 오일이 포함되지 않는 특징을 통해 탄소섬유복합재(CFRP), 플라스틱 등 다른 소재로 구성된 피삭재 공작물을 가공하는 목적으로도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수계 절삭유제는 육방정계 질화붕소(hBN) 입자 고유의 우수한 윤활 기능 및 높은 열전도도, 이형성을 통해 다양한 형태의 마찰, 마모가 발생하는 기계장치에 적용할 수 있는 윤활제로도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수계 절삭유제는 오일을 포함하지 않으면서도 오일 기반의 O/W 에멀전형 기존 수용성 절삭유 대비 유사하거나 우수한 절삭능(공구 마모도, 피삭재 표면조도)을 나타내며 다양한 분야의 가공에 필요한 윤활 기능을 부여하며, 오일이 포함되지 않음으로서 오일의 미생물에 의한 부패 방지를 위해 사용한 살생물질을 제거 또는 줄임으로써 이로 인한 인체 트러블을 방지하는 등 다양한 환경적, 인체적 유해요인을 제거할 수 있다.
도 1은 실시예 1에 사용한 육방정 질화붕소(hBN) 1차입자의 크기를 나타내는 전자현미경 사진이고,
도 2는 실시예 1과 실시예 2에 사용한 육방정 질화붕소(hBN) 2차입자의 크기분포로서, 고압균질기로 가공한 수계 절삭유제에 대해 측정한 결과이고,
도 3은 실시예 2에 사용된 친수성 표면처리 공정을 수행하여 친수성 특징을 가진 육방정 질화붕소(hBN) 입자 및 비교예 1에 사용된 친수성 특징이 없는 육방정 질화붕소(hBN) 입자에 대해 FT-IR 측정을 통해 친수성 여부를 나타낸 그래프이고,
도 4은 실시예 2의 친수성 표면처리 공정을 수행하여 친수성 특징을 가진 hBN 입자를 사용하여 제조한 절삭유제와 비교예 1의 친수성 특징이 없는 일반 소수성 hBN 입자를 사용하여 제조한 절삭유제의 분산성 외관을 나타낸 사진이고,
도 5은 SUS304 피삭재를 대상으로 공구마모량, 표면조도(표면거칠기) 성능을 측정하기 위한 엔드밀 밀링 가공방식을 나타낸 설명도이고,
도 6는 실시예, 비교예에 사용된 절삭유제에 대해 엔드밀 공구의 여유면 마모량 측정결과를 나타낸 그래프이고,
도 7은 실시예, 비교예에 사용된 절삭유제에 대해 SUS304 피삭재의 표면조도 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 1과 실시예 2에 사용한 육방정 질화붕소(hBN) 2차입자의 크기분포로서, 고압균질기로 가공한 수계 절삭유제에 대해 측정한 결과이고,
도 3은 실시예 2에 사용된 친수성 표면처리 공정을 수행하여 친수성 특징을 가진 육방정 질화붕소(hBN) 입자 및 비교예 1에 사용된 친수성 특징이 없는 육방정 질화붕소(hBN) 입자에 대해 FT-IR 측정을 통해 친수성 여부를 나타낸 그래프이고,
도 4은 실시예 2의 친수성 표면처리 공정을 수행하여 친수성 특징을 가진 hBN 입자를 사용하여 제조한 절삭유제와 비교예 1의 친수성 특징이 없는 일반 소수성 hBN 입자를 사용하여 제조한 절삭유제의 분산성 외관을 나타낸 사진이고,
도 5은 SUS304 피삭재를 대상으로 공구마모량, 표면조도(표면거칠기) 성능을 측정하기 위한 엔드밀 밀링 가공방식을 나타낸 설명도이고,
도 6는 실시예, 비교예에 사용된 절삭유제에 대해 엔드밀 공구의 여유면 마모량 측정결과를 나타낸 그래프이고,
도 7은 실시예, 비교예에 사용된 절삭유제에 대해 SUS304 피삭재의 표면조도 측정결과를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 상세히 설명한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제는, 물, 육방정계 질화붕소(hBN) 입자, 분산제, 및 방청제를 포함하며, 어떠한 오일 성분도 포함하지 않는 것을 특징으로 한다. 이때 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 수계에서 균일한 농도로 장기간(7일 이상) 콜로이드 분산상태를 유지하도록 친수성 특징을 가지는 것이 필요하다.
친수성 육방정계 질화붕소(hBN) 입자 준비
일반적으로 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 소수성 표면을 가지므로 물에 잘 분산되지 않고 물 표면 위에 부유하거나 수면 아래로 가라앉는 등 수계 분산성이 좋지 않으므로 종래의 제조 방법으로 제조된 입자를 그대로 사용할 수 없다.
따라서 본 발명에서는, 종래의 통상적인 합성 제조 방식에서와 같이 질소 아르곤 등 불활성 분위기의 열처리로에서 합성하지 않고, 예를 들어 고상의 붕소 전구체 및 질소 전구체를 사용하여 가스 분위기를 제어하지 않은 공기 중 열처리로에서 합성 제조함으로써, 추가의 표면처리 없이 합성 공정만을 거치더라도 높은 친수성을 가지는 육방정계 질화붕소(hBN) 입자를 사용하는 것이 바람직하다. 이때 이러한 합성 과정에서 친수성은 입자 표면의 원자단위 결함, 댕글링 본드, 표면산화, 물분자의 분해 및 이들로 인한 극성기에 의해 발현되는 것으로 예측된다. 좀 더 자세히 설명하면, 붕소 전구체와 질소 전구체를 붕소:질소 1:1 몰비로 혼합한 후 가스 분위기를 제어하지 않은 공기 중에서 1600℃ 이하의 온도에서, 예를 들어 1500℃ 온도에서 3시간 동안 합성을 진행하여 친수성 육방정계 질화붕소(hBN) 입자를 얻는다. 이를 세정 및 정제하여 얻은 분말을 준비한다.
한편, 종래와 같은 제조방식으로 제조되어 소수성을 띠는 육방정계 질화붕소 입자의 표면을 처리하여 친수성을 부여하는 방식으로 친수성 육방정계 질화붕소(hBN) 입자를 준비하는 것도 가능하며, 친수성을 부여할 수 있다면 다양한 표면처리 방식은 제한없이 사용 가능하다.
예를 들어, 이와 같은 친수성 표면처리 방식으로는 강한 산성이나 강한 알카리성의 맹독성 수계에서 진행하는 화학적 결함유도 방식의 습식 표면처리 방식을 하나의 예로 들 수 있다. 그러나, 상기 습식 표면처리 방식은 처리 후에 맹독성 화학물질이 잔존하게 되고 유해한 공정을 사용하므로 처리 가격이 높다. 또한 상기 습식 표면처리의 경우 육방정계 질화붕소(hBN) 입자의 표면에 결정성을 크게 훼손하는 과도하게 많은 화학적 결함을 유발할 수 있다.
다음으로 육방정계 질화붕소(hBN) 입자를 대기 중에서 또는 가스분위기를 제어하면서 열처리하여 입자 표면에 극성기를 유도하여 친수성을 부여하는 건식 표면처리 방식을 고려할 수 있다. 이러한 상기 건식 표면처리 방식은 친수성에 필요한 적절한 결함으로 제한하기 때문에 상기 습식 표면처리 방식보다 본 발명의 목적에 더 바람직하다.
도 1은 육방정 질화붕소(hBN) 1차입자의 크기를 나타내는 전자현미경 사진으로, 1차입자의 크기는 전자주사현미경으로 관찰한 단결정 입자의 크기를 의미한다. 도 2는 아래에서 설명하는 실시예 1과 실시예 2에서 사용한 육방정 질화붕소(hBN) 2차입자의 크기분포로서, 이하에서 설명하는 고압균질기로 가공한 수계 절삭유제에 대해 측정한 결과이다. 여기서 2차입자의 크기는 레이저회절법 기반의 입도분석기로 측정한 것으로, 1차입자(단결정 입자)의 크기 또는 이들이 2개 이상 응집된 응집입자의 크기이다. D10, D50, D90은 입도분석기 측정 결과로서 2차입자의 크기분포를 나타내는 인자이다.
상기 육방정 질화붕소(hBN) 입자는, 1차입자가 D50 기준으로 30nm ~ 3um, 바람직하게는 70nm ~ 1um, 더욱 바람직하게는 100 ~ 500nm의 입자 크기 범위를 가지고, D90 기준으로 5um 이하의 입자크기를 가지는 것이 바람직하다. D50 기준으로 30nm 이하의 육방정 질화붕소(hBN) 분말을 사용하면 입자 형상이 구형에 근접하여 sp2 층 상호간 박리에 의한 윤활효과가 감소되고, 3um 이상의 분말을 사용하면 중력에 의한 침전 발생으로 수계 절삭유제내 육방정 질화붕소(hBN) 입자의 분산성이 좋지 못하므로 가공 과정에서 육방정 질화붕소(hBN) 입자의 농도제어가 어려워서 절삭유제로 사용하기 곤란하기 때문이다.
수계 절삭유제 제조
위에서 준비한 친수성 육방정계 질화붕소(hBN) 분말을 분산제 없이 기계적으로 분산하면 장기간 보관시 가라앉는 침전 현상이 발생하여 균일한 육방정계 질화붕소(hBN) 농도 관리가 어렵다. 이에 물 100 대비 1 이하의 중량비(분산제의 고형분 무게)로 적절한 분산제를 사용하여 장기간 보관시에도 육방정계 질화붕소(hBN) 입자가 90% 이상 침전되지 않고 부유한 콜로이드 상태로 존재하는 수계 절삭유제를 제조할 필요가 있다.
상기 분산제는 음이온성 및 비이온성 고분자계 분산제의 조합이 바람직하나, 음이온성, 양이온성, 양쪽 이온성, 비이온성 분산제를 단독 또는 조합해서 사용 가능하며 이에 제한되지 않는다.
음이온성 분산제로는 고급지방산염, 알킬술폰산염, α-올레핀술폰산염, 알칸술폰산염, 알킬벤젠술폰산염, 술포숙신산 에스테르염, 알킬황산 에스테르염, 알킬에테르황산 에스테르염, 알킬인산 에스테르염, 알킬에테르인산 에스테르염, 알킬에테르 카르복실산염, α-술폰지방산 메틸에스테르염, 메틸타우린산염이 있다. 이들 음이온성 분산제는 단독으로 또는 2종 이상을 조합해서 사용할 수 있다.
양이온성 분산제에는 4급 암모늄염, 알콕실화 폴리아민, 지방족 아민폴리글리콜에테르,지방족 아민, 지방족 아민과 지방족 알코올로부터 유도되는 디아민 및 폴리아민, 지방산으로부터 유도되는 이미다졸린 및 이들의 양이온성 물질의 염이 함유된다. 이들 양이온성 분산제는 단독으로 또는 2종 이상을 조합해서 사용할 수 있다.
양쪽 이온성(zwitterionic) 분산제는 상기 음이온성 분산제가 분자 내에 갖는 음이온기 부분과 양이온성 분산제가 분자 내에 갖는 양쪽 이온기 부분을 모두 분자 내에 갖는 분산제이다.
비이온성 분산제로서는 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 폴리옥시에틸렌알킬아릴에테르, 폴리옥시에틸렌지방산 에스테르, 소르비탄지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌소르비탄지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌알킬아민, 글리세린지방산 에스테르 등을 들 수 있다. 또한 비이온성 분산제이지만 분자 내에 음이온 또는 양이온 작용기를 가진 폴리옥시에틸렌지방산과 폴리옥시에틸렌알킬아민이 있는데 이들은 물의 pH에 따라 비이온이면서 음이온의 성질을 나타내기도 하고 비이온이면서 양이온의 성질을 나타내기도 한다. 이들 비이온성 분산제는 단독으로 또는 2종 이상을 조합해서 사용할 수 있다.
고분자 분산제의 분자량은 물에 용해되면 제한없이 사용할 수 있지만 바람직하게는 분자량 1,000~2,000,000이며, 5000~1,000,000 범위가 보다 바람직하고, 10,000~500,000이 더욱 바람직하고, 10,000~100,000이 특히 바람직하다. 여기서 특별히 언급하지 않는 한, 분자량이란 중량 평균 분자량을 의미한다. 고분자 분산제로서는 구체적으로는 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알코올, 폴리비닐메틸에테르, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리아크릴아미드, 비닐알코올-초산 비닐 공중합체, 폴리비닐알코올-부분 포멀화물, 폴리비닐알코올-부분 부티랄화물, 비닐피롤리돈-초산 비닐 공중합체, 폴리에틸렌옥시드/프로필렌옥시드 블록 공중합체, 폴리아크릴산염, 폴리비닐황산염, 폴리(4-비닐피리딘)염, 폴리아미드, 폴리알릴아민염, 축합 나프탈렌술폰산염, 셀룰로오스 유도체, 전분 유도체을 들 수 있다. 또한 알긴산염, 젤라틴, 알부민, 카세인, 아라비아 고무, 트래거캔스 고무, 리그닌술폰산염의 천연 고분자류를 사용할 수 있다. 또한 카르복실기, 아미노기, 히드록실기, 에스테르 결합, 아미드 결합, 방향환, 복소환의 골격을 갖는 고분자형 분산제가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수계 절삭유제는 음이온성 분산제를 포함하는 것으로서, 육방정계 질화붕소(hBN) 분말은 물 100을 기준으로 0.1 중량비 이하로 포함되고, 분산제는 물 100에 대하여 통상 1(분산제의 고형분 무게) 중량비 이하(물 부피 대비 10g/L 이하)를 첨가하여 사용될 수 있다. 상기 분산제의 함량은 물에 희석하는 비율 및 hBN 입자의 함량을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수계 절삭유제는 음이온성 계면활성제인 제 1분산제; 및 비이온성 계면활성제인 제 2분산제;를 포함하는 수계 절삭유제로서 2종 이상의 분산제를 조합해서 사용할 수 있다. 육방정계 질화붕소(hBN) 분말은 물 100을 기준으로 0.1 중량비 이하로 포함되고, 제 1분산제 및 제 2분산제의 중량비(제 1분산제/제 2분산제)는 1~9일 수 있으며, 바람직하게는 1~5, 더욱 바람직하게는 1~3일 수 있다. 분산제는 물 100에 대하여 통상 1(분산제의 고형분 무게) 중량비 이하(물 부피 대비 10g/L 이하)를 첨가하여 사용될 수 있다. 상기 분산제의 함량은 물에 희석하는 비율 및 hBN 입자의 함량을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수계 절삭유제는 고분자인 제 1분산제; 및 음이온 계면활성제인 제 2분산제;를 포함하는 수계 절삭유제로서 2종 이상의 분산제를 조합해서 사용할 수 있다. 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 분말은 물 100을 기준으로 0.1 중량비 이하로 포함되고, 상기 제 1분산제 및 제 2분산제의 중량비(제 1분산제/제 2분산제)는 1~9이며, 상기 절삭유제의 초기 점도는 500cP 이하인 수계 절삭유제를 제공한다. 사용되는 제1 분산제는 hBN 입자가 절삭유제 내에서 응집되지 않고 고르게 분산될 수 있도록 하기 위한 것이다. 또한 제2 분산제는 고분자계 분산제인 제1 분산제의 주쇄간 응집을 막고, 크라우닝(Crowning) 효과를 가져 제1 분산제와 제2 분산제가 조합되어 사용할 경우, 분산성에 대한 상승효과를 나타내며, 장시간이 경과하더라도 절삭유제의 분산성이 유지되어 보관 안정성의 향상을 기대할 수 있다. 분산제는 물 100에 대하여 통상 1(분산제의 고형분 무게) 중량비 이하(물 부피 대비 10g/L 이하)를 첨가하여 사용될 수 있다. 상기 분산제의 함량은 물에 희석하는 비율 및 hBN 입자의 함량을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제는, 피삭재 금속가공물 및 공작기계의 녹 등 부식을 억제하고자 방청제(Corrosion Inhibitors)를 포함한다. 상기 방청제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 여기서 방청제라 함은 주로 Fe성분으로 되어있거나 이를 포함한 합금을 보호하는 첨가제이다. 이들은 대상 금속의 표면에 보호 피막(부동태 피막)을 형성하거나 절삭유의 사용 중 유입되거나 생성되는 부식성 오염물들을 중화시켜 그 역할을 한다. 예컨대, 아민계, 유기계, 무기계, 금속 부식방지제를 증류수, 탈이온수, 물에 배합하여 방청액으로 제조해 사용할 수 있다. 상기 방청액에 포함되는 방청제는 아민계로는 트리에틸아민, 사이클로헥실아민, 사이클로벤질아민, 모노에탄올아민, 트리에탄올아민, 프로판올아민, 이소프로판올아민, 부탄올아민, 펜탄올아민으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 첨가량은 방청액 조성물의 탈이온수 100에 대하여, 1~20 중량비, 바람직하게는 2~10 중량비, 더욱 바람직하게는 3~6 중량비의 양으로 배합한다. 사용량이 1 중량비 미만이면 안정된 방청성능을 기대하기 어렵고, 20 중량비를 초과하면 피부, 호흡 및 인체에 대한 안전성에 문제를 나타낼 수 있다. 상기 방청액에 포함되는 방청제는 유기계로는 카프릴산, 카프릭산, 세바식산, 펠라곤산, 아디픽산, 운데칸디오산, 도데칸디온산, 아크릴화 지방산, 합성 카르복실산인 트리아진계 다가 카르복실산 그리고 지방산아미드가 있으는 이들을 단독 혹은 2종 이상을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 카르복시산은 탄소수가 8개 미만이면 방청 성능이 떨어지고, 냄새가 자극적이며 12개를 초과하면 거품이 증가하여 소포성이 떨어진다. 그리고 이들 성분은 소수성이 강하여 물에 용해하기 위해 아민과 혼합하여 염의 형태로 만들어 사용한다. 이때 사용하는 아민은 앞에서 상술한 아민계 방청제 중에서 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 유기계 방청제의 첨가량은 방청액 조성물의 탈이온수 100에 대하여, 0.5~7 중량비, 바람직하게는 1.5~4 중량비, 더욱 바람직하게는 1~2 중량비의 양으로 배합한다. 상기의 카르복시산을 0.5 중량비 미만 사용하면 방청성능을 발휘하기 어렵고 7 중량비를 초과 사용하면 사용량에 비해 방청 성능의 향상을 기대하기 어렵다. 상기 방청액에 포함되는 방청제 중 무기계로는 황산, 인산, 인산염, 술폰산염, 칼륨염, 크롬염, 암모늄염, 아민 보레이트 (모노에탄올아민 보레이트, 트리에탄올아민 보레이트 등) 일 수 있다. 첨가량은 방청액 조성물의 탈이온수 100에 대하여, 0.4~6 중량비, 바람직하게는 1.5~4 중량비, 더욱 바람직하게는 2.5~3 중량비를 배합한다. 상기의 무기계를 0.4 중량비 미만 사용하면 방청성능을 발휘하기가 어렵고 6 중량비를 초과 사용하면 사용량에 비해 방청 성능의 향상을 기대하기가 어렵다. 상기 방청액에 포함되는 성분 중 금속 부식방지제라 함은 알루미늄, 구리와 같은 비철 합금의 변색문제를 감소시키기 위한 첨가제이다. 금속 부식방지제는 벤조트리아졸, 톨리트리아졸, 소듐 톨리트리아졸, 머캅토벤조트리아졸, 지방산인산염, 알킬인산에테르, 알킬인산에스테르, 에톡시레이트 알킬인산에스테르, 메타규산소다, 메타규산칼륨, 유기실란계 화합물일 수 있다. 첨가량은 방청액 조성물의 탈이온수 100에 대하여, 0.2~3 중량비, 바람직하게는 0.3~2 중량비, 더욱 바람직하게는 0.5~1 중량비의 양으로 배합된다. 첨가량이 0.2 중량비 미만이면 부식방지 효과를 발휘하기가 어렵고, 3 중량비를 초과하면 인체에 해롭고 환경오염에 대한 안전성의 문제가 나타날 수 있다. 상기의 다양한 방청제 중의 하나 이상을 단독 또는 조합하여 사용하는 방청제 및 물로 구성된 방청액은 상기 수계 절삭유제 100에 대해 최대 30중량비를 넘지 않토록 하며 바람직하게는 20중량비 이하를 첨가한다. 상기의 방청액 투입량은 물에 희석하는 비율이 증가함에 따라 더 증가할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제에서, 물 100 기준으로 0.1 중량비 이하의 육방정계 질화붕소(hBN) 분말 입자, 물 100 기준으로 통상 1(분산제의 고형분 무게) 중량비 이하(물 부피 대비 10g/L 이하)의 적절한 분산제, 및 물 100 기준으로 10 중량비 이하의 방청제가 사용되는 것이 바람직하다.
여기서 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자의 함량은 공구 재질, 공구 형태, 피삭재 재질, 가공방식, 공급방식, 적용분야 등 가공환경에 따라 달라질 수 있고, 필요에 따라 상기 수계 절삭유제는 0.01 중량비 이하의 낮은 농도를 가질 수 있다. 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자의 함량이 0.1 중량비를 넘으면, 성능 대비 가격이 크게 높아지는 문제가 있고, 상기 분산제의 첨가량이 물 100 기준 통상 1(분산제의 고형분 무게) 중량비(물 부피 대비 10g/L)를 초과할 경우 가공후 피삭재에 이물질로 작용하는 문제가 있고, 상기 방청제의 함량이 물 100 기준으로 10 중량비를 초과할 경우 인체 유해성이 높아지는 문제가 있기 때문이다.
구체적으로는 위에서 설명한, 물, 친수성 육방정 질화붕소(hBN) 입자, 분산제를 각각 적절한 양 투입하여 혼합한 후, 고압균질기 등에서의 균질화 작업을 통해 분산 처리하여 수계 현탁액을 제조한 후 방청제를 투입하여 혼합해 절삭유제를 제조하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제는, pH조정제(Alkalinity Boosters, 알칼리도 향상제), 소포제, 방부제(미생물 억제제), 동결방지제, 습윤제(Wetting Agents)로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 상기의 각 성분의 혼합 비율 및 투입량은 가공환경 및 적용 분야, 절삭유제 제조시 사용되는 물 희석량 등에 따라 적절히 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수계 절삭유제에 사용되는 물은, 증류수, 탈이온수, 수돗물, 지하수, 공업용수 중의 하나 이상이 적절히 선택되어 사용될 수 있다. 또한, 상기 물은 pH10 이상의 알카리 이온수로서 물의 전기분해에 의해 제조되는, 수산기를 가진 전해이온수를 포함할 수 있다. 상기 알카리 전해이온수는 물의 전기분해를 통해 생성되는 알카리성 이온수를 말하는 것으로서, 살균 소독제, 세정제, 세제, 왁스, 농약 등의 화학물질 대용으로도 많이 사용될 뿐만 아니라 계면활성제, 알콜 성분 등의 화학물질이 포함되지 않은 생체에 무해한 친환경적 액체이기 때문에 각종 오염 물질을 감소 또는 제거, 미생물 증식을 억제하는 다양한 분야에 활용되고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수계 절삭유제에 pH조정제를 사용할 수 있다. pH조정제는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 규산소다, 규산칼륨 등 무기성분 또는 트리에틸아민, 사이클로헥실아민, 사이클로벤질아민, 모노에탄올아민, 트리에탄올아민, 프로판올아민, 이소프로판올아민, 부탄올아민, 펜탄올아민 등의 유기성분이 있다 무기성분의 pH조정제의 경우 첨가량은 0.1~1.5 중량비, 바람직하게는 0.3~1.5 중량비, 더욱 바람직하게는 0.5~1 중량비의 양으로 배합한다. 사용량이 0.1 중량비 미만이면 시간 경과에 따른 pH유지가 어려우며 1.5 중량비 이상이면 조성물의 pH가 높아져 피부에 대한 자극성이 높아지는 문제가 있다. 유기성분의 pH조정제의 경우 첨가량은 1~10 중량비 바람직하게는 1~8 중량비 더욱 바람직하게는 1~5 중량비의 양으로 배합한다. 물질의 종류에 따라 pH조정능력의 차이가 커서 pH조정능력이 강한 경우에는 비교적 적은 량을 첨가해도 되나 트리에탄올아민과 같이 pH조정능력이 매우 약한 물질은 높은 중량비의 배합이 필요하다. pH조정제는 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용한다.
상기 수계 절삭유제의 제조과정 및 이를 포함하는 절삭유제를 사용한 절삭가공 과정에서 발생하는 거품을 억제하기 위해 소포제를 추가로 첨가할 수 있다. 소포제는 폴리디메틸실록산, 변성폴리디메틸실록산, 유기 실리콘 유도체, 실리콘계 에톡시화물, 실리카 등의 실리콘계 소포제를 단독 혹은 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 상기 수계 절삭유제 100에 대해 0.1~1 중량비를 첨가하며, 0.1 중량비 미만으로 첨가되면 소포 성능을 기대하기 어렵고 1 중량비를 초과하여 첨가하면 피삭재 금속가공물 표면에 잔류하는 단점이 발생한다. 상기 수계 절삭유제에 상기의 소포제 투입량은 물에 희석하는 비율이 증가함에 따라 더 증가할 수 있다.
상기 수계 절삭유제 및 이를 포함하는 절삭유제가 다수회 절삭가공 과정에서 사용되면서 미생물 증식이 되어 악취의 원인이 되므로 특히 여름철 이를 예방하고자 추가로 첨가할 수 있는 방부제는 안식향산소다, BIT(Benzisothiazolinone)계 화합물, 트리아진(Triazine) 화합물, 벤조트리아졸(Benzotriazole) 화합물, 톨리트리아졸(Tolyltriazole) 화합물, 식품첨가제나 화장품 등의 생활용품에서 사용하는 안식향소다, 징크피리치온, 소듐피리치온 및 페녹시에탄올 그리고 살생물제는 아니나 좋은 미생물 억제력을 가지는 알킬아민(탄소수가 10개 이하인 것), 헥실렌글리콜, 은과 구리 등의 항균성 나노물질을 단독으로 또는 2종 이상을 조합해서 사용할 수 있다. 방부제는 상기 수계 절삭유제 100에 대해 바람직하게는 1중량비 이하를 첨가한다. 상기 수계 절삭유제에 상기의 방부제 투입량은 물에 희석하는 비율이 증가함에 따라 더 증가할 수 있다.
상기 수계 절삭유제 및 이를 포함하는 절삭유제가 겨울철 0도 이하의 온도에서도 사용되도록 동결방지제를 추가로 첨가할 수 있다. 동결방지제는 프로필렌글리콜(Propylene Glycol), 에틸렌옥사이드-프로필렌옥사이드 블록 코폴리머(EO-PO Block copolymer) 및 그 외 폴리알킬렌글리콜(PAG) 중에서 선택되는 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다. 상기 육방정계 질화붕소 입자를 포함하는 수계 절삭유제 100을 기준으로 프로필렌글리콜(Propylene Glycol)을 25 중량비 이하로 혼합 비율은 어는점에 따라 적절히 선택될 수 있다. 상기 수계 절삭유제에 상기의 동결방지제 투입량은 물에 희석하는 비율이 증가함에 따라 더 증가할 수 있다.
상기 수계 절삭유제에는 물의 표면장력을 적절하게 낮추어 절삭유제가 공구표면 또는 공구와 소재가 접촉하는 미세한 가공지점에 잘 도달할 수 있도록 하는 습윤제(Wetting Agent)를 첨가할 수 있다. 이러한 습윤제는 가공 시 발생하는 칩에도 작용한다. 이들은 미세한 가공칩이 절삭유에 고르게 분산되거나 침전되어 빨리 제거되도록 도와주어 칩에 의한 공구 및 소재의 오염문제나 가공기에 장착된 필터의 막힘문제를 감소시킬 수 있다. 습윤제는 비이온 계면활성제 중 특별히 습윤성능이 뛰어난 것을 선택하는데 특히 아세틸렌 알콜 유도체(acetylenic alcohol derivatives)와 에틸렌옥사이드-프로필렌옥사이드 블록 코폴리머(EO-PO Block copolymer)가 효과적이며 본 절삭유에 이들 중 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다. 첨가량은 수계 절삭유제 100을 기준으로 1중량비 이하로 하며 최종 물의 희석 비율을 감안하여 적절한 습윤성이 나올 수 있도록 선택한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제는, Al2O3, MoS2, SiO2, ZrO2, CuO, SiC, TiO2, WS2, 다이아몬드 분말로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 상기 성분들은 1차입자 D50 기준 3um 이하 크기를 가진 것이 바람직하다. 또한 CNT, 그래핀, 흑연으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 이들 추가 성분은 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자 고유의 특성에 기인한 윤활 기전을 보완하는 역할을 한다.
절삭성능 시험
위에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제 원액은 사용 환경이나 가공 목적에 부합하도록 적절한 비율의 물로 희석하여 금속가공에 사용할 수 있다. 희석하는 물의 량은 통상 절삭유제 원액의 5 ~ 50배로서, 공구 재질, 공구 형태, 피삭재 재질, 가공방식, 공급방식, 적용분야 등 가공환경에 따라 희석비가 달라질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제를 일반 수돗물에 10배 희석하여 희석 절삭유제를 제조한 후, 다음과 같이 실시예 및 비교예를 준비하여 절삭성능을 테스트하였다.
실시예에 사용하기 위하여, 붕소 전구체와 질소 전구체를 붕소:질소 1:1 몰비로 혼합한 후 가스 분위기를 제어하지 않은 공기 중에서 1500℃ 온도로 3시간 동안 유지하여 열처리를 진행한 후, 이를 세정 및 정제하여 얻은 160nm급(D50) 크기의 친수성 육방정계 질화붕소 분말을 준비하였다. 또한, 기존 열처리 방법으로 제조한 친수성 특징이 없는 1.4um급(D50) 크기의 입자(외부 제조사에서 구매)에 대해 대기 중에서 600 ~ 1500℃ 범위에서 열처리하는 방식으로 건식방식의 표면처리를 통해 친수성을 부여한 친수성 육방정계 분말을 준비하였다.
비교예에 사용하기 위하여 기존 열처리 방법으로 제조한(hBN 분말을 외부 제조사에서 구매) 친수성 특징이 없는 일반적인 1.4um급(D50) 크기의 소수성 hBN 분말을 준비하였다. 또한 오일이 포함된 O/W 에멀전 타입의 기존 수용성 절삭유 2종(D사, B사)을 준비하였다.
(실시예 1)
물 10L, 위에서 준비한 160nm급(D50) 친수성 육방정 질화붕소(hBN) 합성 분말 10g, 음이온계 및 비이온계 고분자 분산제 혼합물 100g을 준비한다. 이들을 혼합하여 고압균질기에서 7000psi, 0.1L/min 속도의 저압 싸이클 5회 진행하고 15000psi 고압 사이클 2회 진행하여 분산 제조하여 수계 현탁액을 제조한다. 이를 1L 소분하여 수돗물 10L 및 방청액 1L에 희석하여 절삭유제를 제조하였다. 이를 MQL 공급기에 투입하여 가공부위에 분사하였다.
(실시예 2)
물 10L, 위에서 준비한 친수성을 위해 건식 표면처리된 hBN 1.4um급(D50) 분말 10g, 음이온계 및 비이온계 고분자 분산제 혼합물 100g을 준비한다. 이들을 혼합하여 고압균질기에서 7000psi, 0.1L/min 속도의 저압 싸이클 5회 진행하고 15000psi 고압 사이클 2회 진행하여 분산 제조하여 수계 현탁액을 제조한다. 이를 1L 소분하여 수돗물 10L 및 방청액 1L에 희석하여 절삭유제를 제조하였다. 이를 MQL 공급기에 투입하여 가공부위에 분사하였다.
(비교예 1)
물 10L, 위에서 준비한 표면처리를 하지 않은 소수성 hBN 1.4um급(D50) 분말 10g, 음이온계 및 비이온계 고분자 분산제 혼합물 100g을 준비한다. 이들을 혼합하여 고압균질기에서 7000psi, 0.1L/min 속도의 저압 싸이클 5회 진행하고 15000psi 고압 사이클 2회 진행하여 분산 제조하여 수계 현탁액을 제조한다. 이를 1L 소분하여 수돗물 10L 및 방청액 1L에 희석하여 절삭유제를 제조하였다. 이를 MQL 공급기에 투입하여 가공부위에 분사하였다.
(비교예 2)
오일이 포함된 O/W 에멀전 타입의 기존 수용성 절삭유(D사 DP모델)를 1L 소분하여 수돗물 10L에 희석하여 절삭유제를 제조하였다. 이를 MQL 공급기에 투입하여 가공부위에 분사하였다.
(비교예 3)
오일이 포함된 O/W 에멀전 타입의 기존 수용성 절삭유(B사 B9모델)를 1L 소분하여 수돗물 10L에 희석하여 절삭유제를 제조하였다. 이를 MQL 공급기에 투입하여 가공부위에 분사하였다.
도 3은 실시예 2에 사용된 친수성 표면처리 공정을 수행하여 친수성 특징을 가진 육방정 질화붕소(hBN) 입자 및 비교예 1에 사용된 친수성 특징이 없는 육방정 질화붕소(hBN) 입자에 대해 FT-IR 측정을 통해 친수성 여부를 나타낸 그래프로서 건식 표면처리에 의해 친수성 표면처리가 가능함을 알 수 있다. 도 4은 실시예 2의 친수성 표면처리 공정을 수행하여 친수성 특징을 가진 hBN 입자를 사용하여 제조한 절삭유제와 비교예 1의 친수성 특징이 없는 일반 소수성 hBN 입자를 사용하여 제조한 절삭유제의 분산성 외관을 나타낸 사진이다.
우선, 실시예 1과 실시예 2의 절삭유제 내 육방정 질화붕소(hBN) 입자들은 7일 이상 장기간 보관한 경우에도 콜로이드 상태를 유지하였지만, 비교예 1의 경우, 도 4에서와 같이 1일 경과후 용기 바닥에 침전이 발생하는 것을 육안으로 확인하였다.
도 5은 SUS304 피삭재를 대상으로 공구마모량, 표면조도(표면거칠기) 성능을 측정하기 위한 엔드밀 밀링 가공방식을 나타낸 설명도이고, 도 6는 실시예, 비교예에 사용된 절삭유제에 대해 엔드밀 공구의 여유면 마모량 측정결과를 나타낸 그래프이고, 도 7은 실시예, 비교예에 사용된 절삭유제에 대해 SUS304 피삭재의 표면조도 측정결과를 나타낸 그래프이다.
절삭성능 시험에 사용한 밀링 공작기계는 Doosan NX6500II 머시닝센터, 피삭재 금속공작물은 SUS304 100x100x70(mm3), 공구는 YG1 10파이 4날 엔드밀을 사용하였다. 엔드밀의 공구마모도는 Keyence VHX5000, 피삭재 가공면의 표면거칠기는 미츠토요 SJ201 기기로 측정하였다. 절삭유 무화 MQL 공급기는 WINMIST 장비를 400cc/hr 이하의 속도로 가공 부위에 분사하였으며, 밀링 절삭공정 조건은 다음 표 1과 같이 설정하였다.
피삭재를 측면 밀링 가공하였고, 1pass(10m) 단위로 엔드밀 여유면 마모 3지점을 측정하여 최대값을 기록하였다. 절삭가공 종료 기준은 엔드밀 여유면 마모 0.2mm 이상 또는 가공거리 100m(10pass) 도달시점으로 하였다.
위와 같은 절삭성능 테스트 결과인 도 6에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1, 실시예 2는 10pass(100m)까지 공구마모가 완만히 증가하였고 안정적인 절삭성능을 나타낸다. 비교예 1은 절삭가공이 진행됨에 따라 공구마모가 급속히 증가하였고, 이는 육방정 질화붕소(hBN) 입자의 침전이 상대적으로 빨리 진행되어 절삭거리 40m 지점부터 윤활기능 없이 냉각기능 만으로 절삭가공이 원활하게 수행되지 않는 것으로 판단된다. 비교예 2, 비교예 3은 시판 중인 오일 기반의 O/W 에멀전 타입의 기존 수용성 절삭유제를 사용한 것으로서 10pass(100m)까지 공구마모가 완만히 증가하였고 안정적인 절삭성능을 나타내었으나 실시예 1과 실시예 2 대비 높은 공구마모도를 나타내었다. 한편 오일 기반의 O/W 에멀전 타입의 기존 수용성 절삭유를 사용한 비교예 2와 비교예 3의 경우, MQL 가공과정에서 오일 연소에 의한 유증기(연기)가 다량 발생하였다. 따라서 오일 기반의 기존 절삭유제는 MQL 분사방식에 적용할 경우 인체 유해성이 매우 크다는 점을 확인하였다.
즉, 실시예 1과 실시예 2는 물 100 대비 육방정 질화붕소(hBN) 입자 0.01 중량비의 저 농도에서 오일 기반의 O/W 에멀전형 기존 수용성 절삭유 대비 상대적으로 우수한 절삭능을 나타내는 것이다. 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 육방정 질화붕소(hBN) 기반의 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제의 우수한 공구마모도 저하 효과를 설명하는 것이다. 다시 말해서, 물, 육방정 질화붕소(hBN) 입자, 분산제, 방청제를 포함하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 오일을 포함하지 않는 수계 절삭유제가 종래의 오일 기반의 O/W 에멀전형 수용성 절삭유보다 유사하거나 우수한 성능을 가지며, 금속가공 과정에서 오일 연소에 의한 유증기(연기)가 발생하지 않는 친환경성을 나타내고 있다.
도 7은 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2, 3에 대해 절삭가공 종료후 표면조도(표면거칠기) 측정결과를 나타낸다. 엔드밀 가공방향의 수평방향 및 수직방향에 대해, 실시예들은 비교예들 대비 상대적으로 낮은 표면조도를 나타내고 있다. 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 오일이 포함되지 않는 hBN 수계 절삭유제의 우수한 가공정밀도 개선 효과를 설명하는 것으로, 물 100 대비 hBN 입자 0.01 중량비의 저 농도에서 오일 기반의 O/W 에멀전형 기존 수용성 절삭유 대비 상대적으로 우수한 절삭능을 나타내는 것이다. 종합하면, 물, 육방정 질화붕소(hBN), 분산제, 방청제를 포함하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 오일을 포함하지 않는 수계 절삭유제가 종래의 오일 기반의 O/W 에멀전형 수용성 절삭유보다 유사하거나 우수한 절삭성능(피삭재의 가공정밀도, 공구 마모도)을 나타내고 있다.
이는 본 발명의 일 실시에에 따른 오일을 포함하지 않는 수계 절삭유제가 금속가공을 위해 오일 성분을 포함하지 않아 친환경적이며, 특히 극미량 윤활 가공(MQL 분사)에 적합하게 적용할 수 있다는 것을 보여준다. 본 발명의 일 실시예에 따른 오일을 포함하지 않는 수계 절삭유제는 위와 같은 금속가공용 절삭유제 적용에 한정하지 않고 플라스틱 등 다른 소재로 구성된 피삭재 공작물을 가공하는 목적으로도 적용할 수 있다. 또한 육방정 질화붕소(hBN) 고유의 우수한 윤활 기능 및 높은 열전도도, 이형성을 통해 다양한 형태의 마찰, 마모가 발생하는 기계장치에 적용할 수 있는 윤활제로도 적용할 수 있다.
Claims (9)
- 물, 육방정계 질화붕소(hBN) 입자, 분산제, 및 방청제를 포함하고,
상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 건식 표면처리를 통해 친수성을 나타내는 입자인, 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 1차입자 D50 기준으로 30nm ~ 3um 범위와 D90 기준으로 5um 이하의 입자 크기 범위를 갖는, 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제
- 청구항 1에 있어서,
상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자를 상기 물 100 대비 0.1 이하의 중량부로 혼합하는, 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제
- 청구항 1에 있어서,
상기 분산제는 음이온성, 양이온성, 양쪽 이온성, 비이온성 분산제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 단독 또는 조합하여 사용하는, 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제
- 청구항 1에 있어서,
pH조정제, 소포제, 방부제, 동결방지제, 습윤제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는, 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제
- 청구항 1에 있어서,
CNT, 그래핀, 흑연, 및 1차입자 D50 기준 3um 이하 크기를 가진 Al2O3, MoS2, SiO2, ZrO2, CuO, SiC, TiO2, WS2, 다이아몬드 분말로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는, 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제
- 청구항 1에 있어서,
상기 절삭유제는 MQL 분사방식에 사용되는, 오일이 포함되지 않는 수계 절삭유제
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2023
- 2023-03-29 KR KR1020230041259A patent/KR102611347B1/ko active IP Right Grant
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