KR19990045806A - 소성가공유조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉간가공등의 소성가공시 금속소재의 변형, 마찰에 의해 발생하는열을 이용하여 금속표면에 윤활피막을 형성하는 소성가공유제에 관한 것이다.

본 발명은 광유계 및 합성계(다가 염기산 에스테르, 에스테르, 폴리올에스테르, 알킬벤젠, 폴리부텐 및 풀리알킬렌 글리콜) 윤활기유 5 내지 95중량%에 기타 성능향상제를 첨가하여 제조하되, 이때 사용되는 윤활기유는 각각을 단독으로 적용하거나 2종 이상을 혼합하여 배합하는 것을 특징으로 하는 소성가공유제 조성물이다.

본 발명의 소성가공유제는 사용이 간편하면서도 더욱 뛰어난 윤활성의 윤활피막을 형성하는 효과를 나타낸다. 또한 본 발명은 소성가공 공정시 특별한 전처리없이 뛰어난 작업성을 부여하고 소재의 가공시 발생되는 마찰열 및 변형열을 허용하여 유제내의 극압첨가제가 소재 및 금형에 윤활피막을 형성하는 효과를 갖는다.

Description

소성가공유 조성물{OIL COMPOSITION APPLY TO MATAL PLASTIC PROCESSING}

본 발명은 냉간가공등의 소성가공시 금속소재의 변형, 마찰에 의해 발생하는 열을 이용하여 금속표면에 윤활피막을 형성하는 소성가공유제에 관한 것이다.

금속의 가공은 금속소재를 깎아내며 모양을 다듬는 절삭, 연삭가공과 소재의 처음 부피와 질량을 그대로 유지한 채 그 모양만을 변형시키는 소성가공으로 구분할 수 있다. 절, 연삭가공의 경우 소성가공에 비하여 보다 적은 극압성과 이형성으로 작업이 가능한 반면, 소요되는 시간이 많으며 소재의 낭비라는 단점을 가지고 있다. 소성가공은 절, 연삭가공에 비하여 시간과 소재의 절감이라는 장점이 있으나 높은 윤활성과 극압성 및 이형성이 요구되는 단점이 있다. 그러나 매우 정밀한 소성가공기술 및 소성가공장비가 현재 계속적으로 개발되고 있으며 시간의 효율적인 이용이라는 측면에서 소성 가공에 의한 소재의 가공이 점차 증가하고 있다.

본 발명은 이러한 추세를 접목하여 뛰어난 극압성, 윤활성 및 내마모성을 겸비하여, 기존의 금속가공유 특히 소성가공유제의 적용이 불가능한 냉간가공과 같은 고 난이도의 공정에 적합한 소성가공유제를 개발하는 데 중점을 두었다.

금속의 소성가공은 변형열 및 마찰열에 의한 온도 상승, 신생면의 증대 등이 크나큰 특징이며 이러한 특이성으로 인해 소성가공유제는 고도의 윤활성능이 요구된다. 종래의 소성가공유제는 광유 및 합성유 또는 이들 혼합유를 주성분으로 하는 수용성, 비수용성 액체 윤활유제에 윤활 향상제 및 유황계, 염소계, 산소계 등의 극압제나 흑연, 이황화몰리브덴 및 삼황화몰리브덴 등이 첨가된 형태로 이루어져 있다. 이러한 소성가공유는 가공도가 낮은 공정에는 적용이 가능하나 가공도가 높은 공정이나 매우 복잡한 형상을 갖는 성형품에는 내하중성, 윤활성 및 내마모성이 불충분하여 소재와 금형이 융착되거나 금형이 파손되는 경우가 발생한다. 소성 변형이 크거나 복잡한 형상을 가공할 경우, 소재의 표면을 연질금속으로 도금하거나 합성수지 피막을 코팅하는 방법 또는 인산염 피막처리, 수산염 피막처리를 하여 윤활성을 극대화하는 방법이 현재 사용되고 있다. 그러나 이들 윤활피막 처리방법은 수재표면의 충분한 전처리가 필요하며 피막처리공정이 매우 복잡하고 또한 성형후의 피막제거가 매우 어려우며 처리 폐액의 공해 발생 문제 등으로 인한 인적, 물적, 시간의 소요 및 경비의 부담이 매우 높은 단점이 있다.

최근에는 인산 및 그 염, 붕산 및 그 염, 알칼리 금속의 탄산염, 질산염, 황산염 및 그 수화물, 그리고 층상 규산염 등을 함유한 윤활제가 개발되어 보고되고 있다(일본특개소 57-73089). 이등 윤활제는 P₂O₅, B₂O₂, M₂O(M은 알칼리 금속)를 함유하고 있는 수용성 유리분말과 층상규산염 혹은 위의 화합물들의 혼합물이 물에 분산 혹은 용해된 형태로 이루어져 있다. 그러나 냉간가공과 같은 저온(300℃이하)에서는 이들 윤활제는 윤활능력을 발휘할 수 없으므로 냉간가공용의 윤활제로는 적용에 어려움이 있다. 그 외 광유, 올레인산 및 올레일 아민과 같은 유기계 윤활 향상제 30-94 중량%, 다가 금속 양이온염, 고분자성 인산 및 탄소수가 10 ∼ 36개인 알코올(금속양이온 : P₂O₂: 알코올 = 1 : 3 ∼60 : 14 ∼ 150 중량%)과의 반응생성물 5 ∼ 60 중량% 및 수분 0.5 ∼ 10 중량%로 이루어진 냉간가공용 윤활유제가 개발되었으나(미합중국 특허번호 제3,932,287호), 이러한 윤활유제는 파이프 등의 인발작업에는 우수한 작업성능을 나타내나 단면 감소율이 높은 중실 강재의 가공공정에는 적용이 어려운 것으로 알려져 있다.

상기에 기술한 것과 같이 고온, 고면압등의 가공조건을 가지는 소성 가공공정에 있어서, 종래 윤활유제의 윤활피막 형성방법은 인적, 물적자원 낭비 및 충분한 가공성을 부여하지 못하므로, 본원 발명의 궁극적인 목표는 사용이 간편하면서도 더욱 뛰어난 윤활성의 윤활피막을 형성하는 소성가공유제를 개발하는 데 있다.이러한 관점에서 본원 발명에서는 소성가공 공정시 특별한 전처리 없이 뛰어난 작업성을 부여하기 위해서, 소재의 가공시 발생되는 마찰열 및 변형열을 이용하여 유제내의 극압첨가제가 소재 및 금형에 윤활피막을 형성하도록 하였다.

일반적으로 극압첨가제는 염소계, 황계 및 인계 유기화합물들로 상온, 상압에서는 매우 안정한 물질로 화학적 변화가 없다. 그러나 고온, 고압에서는 분해등의 화학적인 변화를 일으키며 금속이 동시에 존재할 경우 금속표면과 화학적인 반응을 일으켜 새로운 화학종을 생성한다. 이렇게 생성된 화학종은 금속의 표면에윤활피막을 형성하여 성형 가공시 소재와 금형의 융착을 방지하고 금형의 수명을 유지하며 윤활성을 부여하게 된다. 이러한 화학 반응으로 금속 표면에 생성되는 윤활피막의 성질은 첨가된 극압첨가제의 종류 및 함량에 좌우되며 극압첨가제 중 특히 인계 유기화합물의 영향에 매우 크다.

그러나 각각의 소성가공 공정에 따라 극압첨가제들의 작업성은 판이하게 달라지므로 각각의 공정에 알맞는 극압첨가제를 찾아내어 소성가공유제에 적용하는것이 바람직하다. 일반적으로 염소계 유기화합물들은 인발작업에서 다른 공정에비해 매우 양호한 작업성을 나타내며 황계 유기화합물들은 프레스 작업에서 매우 양호한 작업성을 나타내고 있다.

본 발명에서는 각각의 극압첨가제들의 장점을 파악하여 1종 이상의 화학종을혼용하여 사용함으로써 한가지 이상의 소성가공공정에 작업성을 부여하는 것을 기술적인 과제로 한다.

또한, 본 발명은 제조상의 용이성 및 원료 수급의 편이를 위해 현재 공지된윤활기유 및 첨가제를 사용하며, 이러한 제조방법을 통하여 제조경비를 낮추는 것을 기술적인 과제로 한다.

본 발명은 광유계 및 합성계(다가 염기산 에스테르, 에스테르, 폴리올에스테르, 알킬벤젠, 폴리부텐 및 폴리알킬렌 글리콜) 윤활기유 5 내지 95중량%에 기타성능향상제를 첨가하여 제조하되, 이때 사용되는 윤활기유는 각각을 단독으로 적용하거나 2종 이상을 혼합하여 배합하는 것을 특징으로 하는 소성가공유제 조성물이다.

본 발명에 있어서 윤활기유는 종래 사용되어 왔던 광유, 합성유 예를 들면 다가 염기산 에스테르, 에스테르, 폴리올에스테르, 알킬벤젠, 폴리부텐 및 폴리알킬렌글리콜, 실리콘유 및 불소유 및 이들의 혼합유가 사용되었다. 이들 윤활기유의 선택 및 혼합정도는 가공품의 가공도 및 윤활유제의 윤활면으로의 공급방법등에의하여 요구되어지는 점도를 만족시키도록 결정하는 것이 좋다. 윤활기유의 첨가량은 5-95 중량%이며 윤활기유로 광유계로 모두 적용하여도 무방하나 윤활성능을 향상시키기 위해 합성유를 적당량 혼합하는 것이 바람직하다.

본원 발명에서 극압제로는 염소계 극압제, 황계 극압제 및 인계 극압제 등을 1종 또는 2종 이상 혼용하여 적용하였으며 1가지 이상의 소성가공에 적용하려면 2종 이상의 극압제를 혼용하여 적용하는 것이 바람직하다.

염소계 극압제에는 염화파라핀, 염화지방산에스테르 및 염화 유지 등의 염소계 유기화합물이 포함되며 염소 함량은 5-95 중량% 정도이다. 일반적으로 염소함량이 증가할수록 극압제의 점도는 증가한다. 이들 염소계 극압제들은 파라핀계 광유에 대한 용해도가 높지 않으므로, 극압제의 함량을 30 중량% 이상 적용시 나프텐계 광유 또는 합성유의 함량을 높여 저온에서의 층분리 현상을 방지하는 것이 바람직하다.

일반적으로 염소계 극압제들 중에서 단순한 윤활성만을 고려할 경우 염화파라핀의 윤활성이 염화지방산에스테르 및 염화유지에 비해 낮은 경향이 있다. 만일고윤활성이 필요한 소성공정에 염화파라핀을 극압제로 적용할 경우 낮은 윤활성을보강하기 위해서는 지방유를 첨가하거나 윤활유 중의 합성유 함량을 증가시키는 것이 바람직하다.

본 발명에서의 염소계 극압제 함량은 5 - 95 중량%이며 위에서 언급한 염소계 유기화합물 중 1종 또는 2종이상 혼합물 중 어떤 것을 사용하여도 무방하다.

인계 극압제에는 하기 화학식(1)에서 나타낸 다가금속염, 고분자성 인산, 알코올등을 반응시킨 M-DTP(M : 다가 금속 양이온, DTP : Dithiophosphate)와 하기 화학식(2)에서 나타낸 인산과 알코올로 합성한 인산에스테르등이 있다. 일반적으로 인계 극압제들은 산가가 높은 것이 특징이며 이러한 산가를 중화하기 위해 유기계 아민을 첨가하는 경우도 있다.

상기식에서, M은 다가 금속양이온이고, R은 수소 또는 탄소수 2 ∼ 20개인 지방족 방향족 치환기이다.

상기식에서, R은 수소 또는 탄소수 2 ∼ 20개인 지방족 또는 방향족 치환기이고, X는 수소 또는 탄소수 2 ∼ 2O인 지방족 또는 방향족 치환기, 또는 NH_n-₄R¹ _n인 아민기(n은 1 ~ 4인 정수이고 R¹은 수소 또는 탄소수 2 ∼ 20인 지방족 또는 방향족 치환기)이다.

본 발명에서의 인계 극압제의 함량은 0.1 - 20중량%이며 전술한 인계화합물 1종 또는 2종 이상의 혼합물중 어떤 것을 사용하여도 무방하다.

황계 극압제에는 황화유치, 황화올레핀 및 기타 황을 포함하는 유기계 화합물 들이 있으며 황계 극압제들 중 황화유지의 윤활성이 황화올레핀에 비해 우수한것으로 나타나 있다. 이러한 이유로 황화유지가 현재까지 널리 사용되고 있다.본 발명에서의 황계 극압제의 함량은 0.1 - 20 중량%이며 위에서 언급한 황계 화합물 1종 또는 2종 이상의 혼합물 중 어떤 것을 사용하여도 무방하다.

일반적으로 극압첨가제의 함량이 적을 경우 윤활피막의 두께 및 강도가 불충분하여 소재 및 금형의 융착 또는 금형의 마모 및 파손이 발생되는 경우가 발생하며, 극압첨가제의 함량이 적정량 이상일 경우에도 가공성능은 적정량일 경우의 별차이가 없으므로 경제적인 측면에서 바람직하지 않다. 상기와 같은 이유로 극압첨가제들의 함량 및 조합은 각각의 공정에 알맞게 조절되어야 한다.

본 발명에서는 소성가공제의 성능향상을 위해 방청첨가제, 소포제 및 부식 방지제 등을 각각 0.1 - 20중량%로 적용할 수도 있다.

본 발명에서는 방청첨가제로 일반적으로 사용되는 금속 설포네이트염, 금속지방산염, 금속 피네이트 및 티아졸계, 아졸계, 아민계, 아민계 등이 모두 적용 가능하며, 상승효과를 위하여 위의 화합물 중 2종 이상을 병행 사용할 수 있다.

여기서 주의할 점은 방청첨가제의 함량이 높을 경우 극압제 및 내마모성 첨가제의 금속표면에 대한 흡착을 방해하는 경향이 있으므로 첨가량은 각각의 소성가공 공정에 알맞게 조절되어야 한다.

본 발명의 소성가공유제는 스프레이, 브래싱, 솔로 칠하기, 로울코오리 등 공지의 방법에 의해 소성가공하고자 하는 금속소재표면 또는 금속가공면에 도포하여 사용할 수 있다. 또한 본 발명의 소성가공유제 또는 가공할 소재 중 한가지를가열하여 소재를 기름 속에 침적 후 꺼내어 금속재료 표면에 윤활피막처리를 한 다음 가공할 수 도있다.

이하, 실시예에 의거하여 본 발명의 소성가공용 윤활제의 성능을 나타내지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다.

실시예

1) 윤활기유의 선택

본 발명에서 사용한 윤활기유는 현재 널리 사용되고 있는 광유계, 합성계(에스테르, 폴리에스테르, 디에스테르, PAG, PAO) 및 이들의 2종이상 혼합물 모두가사용가능하다. 이들 윤활기유의 선택은 요구되는 소성가공유의 점도, 첨가제의 용해성, 작업성, 환경친화성 및 가격등을 고려하여 이루어지는 것이 바람직하다. 일반적으로 파라핀계 광유 및 합성유 중 PAO, PAG 등은 첨가제에 대한 용해성이 낮으므로 이러한 윤활유를 적용할 시는 나프텐계 광유 또는 에스테르계 합성유를 적당량 혼합하여야만 저온에서의 분리현상을 방지할 수 있다. 하기 표1에서는 몇가지윤활기유에 대한 첨가제의 용해성을 나타낸 것으로 파리핀계 광유의 낮은 용해성을나프텐계 광유 및 합성계 에스테르를 혼합하여 보강할 수 있음을 보여주고 있다.

본 발명에 사용된 윤활기유는 발명품의 안정된 성상 및 성능을 위하여 아래와 같은 물성치를 갖는 것을 사용하였다.

외관 : 무색 투명 또는 암갈색 투명

동점도(40 ℃, cSt) : 4∼600

전산가 (mg KOH/g) : 2 이하

2) 극압첨가제, 내마모성 첨가제 및 기타 성능향상 첨가제

본 발명에 사용된 첨가제들은 제품의 안정된 성상 및 성능을 위하여 아래와같은 물성치를 갖는 것으로 사용한다.

①염화파라핀

외관 : 3.0 (ASTM color) 이하

염소함량 : 10 ∼ 80 중량%

전산가 : 10.0 (mg KOH/g) 이하

②염화지방산에스테르

외관 : 무색에서 암갈색 투명 액상 또는 반고체형

염소함량 : 10 ∼ 80 중량%

전산가 : 20.0 (mg KOH/g) 이하

③염화유지

외관 : 무색에서 암갈색 투명 액상 또는 반고체형

염소함량 : 10 ∼ 80 중량%

전산가 : 20.0 (mg KOH/g) 이하

4)금속-Dithiophosphate 염

금속 : 아연, 몰리브덴, 납 및 다가 금속 양이온

금속함량 : 3 ∼ 40 중량%

인함량 : 3 ∼ 30 중량%

황함량 : 3 ∼ 30 중량%

5)인산에스테르

인산 또는 고분자성 인산과 유기계 알코올을 축합반응 시킨 합성화합물

6)황계 극압제

황의 함량이 0.1-60%인 황화유지, 황화올레핀 및 황을 포합하는 유기화합물.

7)기타첨가제

부식방지제 : 금속의 염, 아졸계, 치아졸계 또는 지방산 아마이드계 등

방청첨가제 : 금속의 설포네이트염 및 금속의 지방산 염 등

소포제 : 유기실리콘계, 고분자성 아민계 및 유기계 고분자성 물질 등

증점제 : 유기계 고분자 물질 등

실시예 1 내지 42

소성가공유제의 제조

실시예 1의 윤활유기유 및 첨가제를 이용하여 다음 표2a ∼ 표2i의 조성으로제조하였으며 각각의 성상 및 성능시험결과는 표3a ∼ 표3i에 나타냈다.

주)상기에서 각각 첨가제의 명칭

A : 광유계 윤활유

B : 합성계 유활유

C : 염소계 유기화합물

D : 인계 화합물

E : 황계 화합물 및 방청첨가제

F : 소포제, 증점제 및 부식방지제

주) 1)시험기 : 진자식 마찰계수 측정기

2)시험기 : FALEX 내마모성 시험기

3)시험기 : FZG-Gear Wear Test (8.3 m/s, 90℃) 시험방법 : DIN 5l354 Part 2

4)시험기 : 소다식 4구 시험기 (750 rpm, kg/㎠), 시험방법 : KSM 2026

본 발명의 소성가공유제는 사용이 간편하면서도 더욱 뛰어난 윤활성의 윤활피막을 형성하는 효과를 나타낸다. 또한 본 발명은 소성가공 공정시 특별한 전처리없이 뛰어난 작업성을 부여하고 소재의 가공시 발생되는 마찰열 및 변형열을 이용하여 유제내의 극압첨가제가 소재 및 금형에 윤활피막을 형성하는 효과를 갖는다.

Claims (3)

1. 광유계 윤활기유 및 합성계(다가 염기산 에스테르, 폴리에스테르, 폴리올에스테르, 알킬벤젠, 폴리부텐 및 폴리알킬렌 글리콜) 윤활기유 5 내지 95중량%에 기타 성능향상제를 첨가하여 제조하되, 이때 사용되는 윤활기유는 각각을 단독으로적용하거나 2종 이상을 혼합하여 배합하는 것을 특징으로 하는 소성가공유제 조성물.
2. 제 1항에 있어서, 성능향상제는 윤활유 5 내지 95중량%에 염소화 화합물 5내지 95중량%, 황화지방유, 금속디치오포스페이트 및 인산에스테르 등의 내마모성극압 첨가제 0.1 내지 20중량부 및 기타 부식방지제, 방청첨가제 증점제 및 소포제를 첨가배합하는 것을 특징으로 하는 소성가공유제 조성물.
3. 제 2항에 있어서, 염소화합물은 염화파라핀, 염화지방산에스테르 또는 염화유지인 것을 특징으로 하는 소성가공유제 조성물.