KR20130115415A - 금속 재료 가공용 수용성 성형 오일 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 및 연료전지부품의 금속 분리판, 금속 막 디스플레이 내부에 사용되는 금속프레임 및 회로에서 나타나는 열을 낮추어 주는 방열판용 알루미늄 혹은 휴대폰용 금속 케이스 및 프레임을 프레스 또는 타발에 의해 성형시, 금속 모재와 성형 공구를 보호하기 위해 사용하는 금속 재료 타발용 수용성 성형 오일에 관한 것으로, 탈지 공정 시 환경과 인체에 유해한 세정제를 사용하지 않고 물로 대체하여 세척할 수 있도록 한 것이다.

Description

금속 재료 가공용 수용성 성형 오일 조성물{A water-soluble lubricant oil composition for pressing and drawing}

본 발명은 각종 연료전지 금속 부품, 알루미늄전지케이스, 전자부품 및 파워 LED 등의 금속프레임 및 회로에서 나타나는 열을 낮추어 주는 방열판용 알루미늄 혹은 휴대폰용 금속 케이스 및 프레임을 프레스 또는 타발에 의해 성형시, 금속 모재와 성형 공구를 보호하기 위해 사용하는 금속 재료 가공용 수용성 성형 오일 조성물에 관한 것이다.

연료전지 및 연료전지부품 금속 분리용 소재와 진공 내에 사용하는 고청정 금속재, 비철 정밀가공이 요구되는 고강도 금속재료(스테인레스 및 Ni 합금강 등), 전자부품 및 파워 LED 등의 내부에 사용되는 금속프레임, 회로에서 나타나는 열을 낮추어 주는 방열판용 알루미늄 또는 휴대폰용 금속 케이스 등을 일정 모양으로 고속으로 성형 가공하기 위해서는 타발 혹은 프레스(Press) 작업을 해야 한다. 이때, 프레스 작업을 하기 위해서는 고가의 금형을 보호하고 가공되는 금속재료의 가공성을 원활히 하기 위한 성형 오일(Drawing 혹은 Press Oil)을 사용해야 한다.

현재 대부분의 성형 오일은 가공성 및 윤활성이 우수한 유용성인 실리콘계 혹은 탄화수소 기유(Hydro carbon base oil)을 주로 사용 중이나, 성형 후 가공된 금속 표면에 묻어 있는 잔존오일을 제거하는 탈지 공정이 필히 요구된다. 이때 탈지 공정 후 금속 표면에 성형 오일이 잔존하는 경우에는 표면가공 및 코팅 등의 후 공정에서의 품질 및 작업 불량을 야기하게하며, 작업자들에게도 건강상유해성과 환경문제도 발생시킨다.

하지만, 탈지공정에 사용하는 탈지액은 일반적으로 유기 약품계인 TCE(트리클로로에칠렌)나 유기 탄화수소계 유제 또는 수계 탈지액을 사용하고 있는데, 대부분 사용하는 TCE의 경우에는 무색으로서 클로로포름과 유사한 냄새를 갖는 액체인데, 기체 상태로 되면 독성을 나타내고 피부나 눈에 접촉하면 위험하고 증기를 흡입 시에는 두통, 현기증, 의식 불명 등을 초래하는 유독성 물질이며, 동시에　오존층 파괴 물질로 알려져 국제적으로 사용을 금지하는 물질로 알려져 있다.

또한, TCE를 대체할 수 있는 유기 탄화수소계 유제의 경우에는 일반적으로 인화점이 낮아서 작업중에 화재 위험에 항상 노출될 수 있으며, 냄새로 인해 작업자들의 직업병을 유발시키며, 환경안전 및 방재 시설의 투자가 추가로 소요되는 단점이 있다.

상술한 TCE 혹은 유기 탄화수소계 유제의 단점을 극복한 친환경적이고 안정한 수계 세정제가 최근에 각광받고 있으나, 수계 세정제의 경우 고가의 세정장치가 필요하고 유기약품계(TCE 혹은 탄화수소계) 세정제 대비 가격이 2~3배 정도 높아 제조 단가 등에서 경쟁력이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 기존의 실리콘계 성형 오일 대신에 수계 세정제에 용해되는 별도의 성형 오일이 필요한 관계로 추가적인 성형 오일 재료비 상승이 불가피한 실정이다.

따라서 기존 성형 오일을 이용하여 금속 재료를 타발 혹은 프레스 작업을 진행한 경우에 적용하는 탈지 공정은 원가상승, 생산성 저하, 폐수발생 또는 환경 오염 증가 등의 원인으로, 제품 경쟁력이 저하되는 심각한 문제점이 있다.

이에, 최근에는 탈지 공정에서 문제점이 많은 기존의 세정제를 물로 대체하여 간단하게 제거할 수 있는 수용성 성형 오일이 개발되고 있다. 수용성 성형 유제의 경우에는 일반적으로 친환경적이면서 원가 절감에 기여할 수 있어 개발에 관심이 많은 실정이다.

하지만, 최근 개발중인 비할로겐계, 할로겐계 수용성 성형 오일의 경우에는 물에 세척되기 위하여 오일 성분 이외의 성분을 함유하여 유용성 성형 오일에 비하여 가공성이 낮고, 성형 후 금속 재료 표면을 물로 탈지함으로써 탈지성 및 방청성의 단점을 개선해야 할 필요가 있다.

상술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명자는 특정 배합 비율로 광유 또는 유성유로 이루어진 기유에 합성계 에스테르를 병용하여 물에 용해가 가능한 유화성을 부여하고 극압 첨가제인 할로겐, 유황 및 인(燐)화합물로 이루어진 군에서 선택된 극압 첨가제 및 방청제를 첨가하여 금속 재료 가공용 수용성 성형 오일을 개발한 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 기존 유용성 성형 오일과 대비하여 가공성, 탈지성 및 방청성이 동등 내지는 우수한 금속재료 가공용 수용성 성형 오일 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명은 바람직한 일 구현예로, 광유 및 유성유 중 선택된 1종 또는 그 이상의 윤활기유 50~73 중량%, 할로겐 화합물, 유황 화합물 및 인 화합물로 이루어진 군에서 선택된 극압 첨가제 5~15 중량%, 유화제 20~30 중량% 및 방청제 2~6 중량%를 포함하여 이루어지는 금속재료 가공용 수용성 성형 오일 조성물을 제공한다.

상기 구현예에서, 상기 극압 첨가제는 할로겐 화합물 : 유황 화합물 : 인 화합물이 중량 기준으로 1~5 : 1 : 1~2로 이루어진 극압 첨가제인 것을 특징으로 한다.

상기 구현예에서, 상기 광유는 점도지수가 80 이상인 것이고, 상기 유성유는 점도지수가 120 이상인 것임을 특징으로 한다.

상기 구현예에 의한 금속재료 가공용 수용성 성형 오일 조성물은 금속 비금속을 포함하는 철, 알루미늄, 구리 니켈 및 이들을 혼합한 합금강의 타발 또는 프레스의 공정에 사용하는 것일 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 수용성 성형 오일 조성물은 현재 적용 중인 공정조건에 부합되도록 밀도, 점도는 기존 유용성 성형 오일의 기준과 거의 유사하게 조정할 수 있도록 하고, 기존 성형 오일 대비 가공 품질을 동등 이상으로 유지하면서 수세척(水洗滌)으로 금속 모재의 탈지가 가능할 수 있도록 한 것이다.

또한, 본 발명은 수계 혹은 TCE와 같은 유해 세정제를 물로 대체함으로써, 원가 절감이 가능하도록 한 것이다.

그리고, 본 발명은 수용성 성형 오일로 금속 모재를 가공한 다음, 탈지공정 없이 바로 바렐 공정으로의 전환이 가능함에 따라 공정을 단축할 수 있도록 한 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수용성 성형 오일을 일반 가공(plate Drawing) 공정에 적용한 다음, 금속 가공품에 초음파를 이용하여 물로 탈지 한 후 GC/MS를 통해 잔류 오일 결과를 측정한 것이다.
도 2는 도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수용성 성형 오일을 깊은 가공(Deep Drawing) 공정에 적용한 다음, 금속 가공품에 초음파를 이용하여 물로 탈지 한 후 GC/MS를 통해 잔류 오일 결과를 측정한 것이다.
도 3과 4는 종래 유용성 유제를 적용하여 금속 모재를 일반 및 깊은 가공을 한 다음, TCE(트리클로로에칠렌)로 탈지하고 금속 표면에 이물이 발생된 타발 불량 사례를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수용성 성형 오일을 일반 가공(plate Drawing) 공정에 적용한 다음, 탈지 공정 후 가공 표면 및 가장자리를 광학 현미경으로 확인한 것을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수용성 성형 오일을 일반 가공(plate Drawing) 공정에 적용한 다음, 탈지 공정 후 가공 표면 및 가장자리를 전자 현미경으로 확인한 것을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수용성 성형 오일을 일반 가공(Deep Drawing) 공정에 적용한 다음, 탈지 공정 후 가공 표면 및 가장자리를 광학 현미경으로 확인한 것을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수용성 성형 오일을 일반 가공(Deep Drawing) 공정에 적용한 다음, 탈지 공정 후 가공 표면 및 가장자리를 전자 현미경으로 확인한 것을 나타낸 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다.

또한, 종래와 동일한 기술적 구성 및 작용에 대한 반복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 광유 또는 유성유로 이루어진 기유에 합성계 에스테르를 병용하여 물에 용해가 가능한 유화성을 부여하고 극압 첨가제인 할로겐, 비할로겐, 유황 및 인(燐)화합물로 이루어진 군에서 선택된 극압 첨가제 및 방청제를 특정배합비율로 첨가하여 이루어진 금속 재료 타발용 프레스용 수용성 성형 오일을 개발함으로써, 기존 유용성 성형 오일 대비 가공 품질을 동등 이상으로 유지하면서 수세척(水洗滌)으로도 금속 모재의 탈지가 가능할 수 있도록 한 것이다.

또한, 본 발명은 수계 혹은 TCE와 같은 유해 세정제를 물로 대체함으로써, 원가 절감 및 환경오염 방지가 가능하도록 한 것이다.

본 발명에서 사용하는 윤활기유는 광유 또는 유성유를 사용하여 금속 가공 시 금속 모재와 금속 공구 사이에서 발생되는 마찰열 및 마모를 감소시키면서 가공성을 원활하게 하는 역할을 한다.

구체적으로 본 발명에서 광유는 파라핀계 원유 또는 중간계 원유를 상압 증류 또는 상압 증류하고 남은 잔유를 감압 증류하여 수득한 증류유(distillate oil)를 정제한 정제유 등을 사용하고 산화지수를 고려하여 점도 지수(V.I)가 적어도 80 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 유성유는 올레산, 스테아르산 등의 고급지방산, 올레일 알코올 등의 고급알코올, 메틸 에스테르 및 에틸 에스테르류 및 유지 등을 사용할 수 있는데, 구체적으로 탄소수가 8~22개인 천연 지방유인 대두유, 채종유, 올리브유, 해바라기유, 피마자유 및 팜유 등의 식물성 오일; 및 유지 등의 동물성 오일과; 네오펜틸글리콜 디올레이트, 트리메틸올프로판 트리올레이트, 펜타에리스리톨 테트라올레이트, 프로필렌글리콜 디올레이트 및 리시놀레인산 축합물 등의 합성 에르테르; 대두유, 채종유 등의 식물유 메틸 에스테르 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 본 발명에서 사용하는 유성유는 열에 대한 안정성을 고려하여 점도 지수(V.I)가 120 이상인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 금속재료 타발용 프레스용 수용성 성형 오일 조성물 100 중량% 기준에서 윤활기유는 50 중량% 미만을 사용하면 상술한 윤활 역할을 충분하게 발휘하지 못하고 73 중량%를 초과하여 사용하면 윤활 역할은 증가하나 물로 세척 시 탈지 효과가 저하되기 때문에, 상술한 50~73 중량% 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명에서 극압 첨가제는 화학반응에 의해 금속 사이의 마찰 면에 피막을 형성하여 마찰 및 마모를 감소시키는 역할을 하는데, 할로겐, 유황 및 인 화합물의 극압 첨가제를 사용한다. 구체적으로, 할로겐화 탄화수소, 염화 유지 등의 할로겐 화합물; 술파이드류, 술폭사이드류, 슬폰류, 티오포스피네이트류, 티오카보네이트류, 디티오 카바메이트류, 알킬티오카바모일류, 유지, 황화 유지, 황화 올레핀 등의 유황 화합물; 및 인산에스테르, 아인산에스테르, 인산에스테르아민염, 아인산에스테르 아민염 등의 인 화합물 등을 들 수 있다.

이때, 본 발명에 따른 오일 조성물에서 극압 첨가제는 100 중량% 기준에서 5 중량% 미만을 사용하면 극압 효과가 저하되고 15 중량%를 초과하여 사용하면 극압 효과에 대비하여 다른 필수 구성 성분을 충분하게 사용하지 못하므로, 상술한 5~15 중량% 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

보다 바람직하게는 본 발명에 따른 극압 첨가제의 구성은 할로겐 화합물 : 유황 화합물 : 인 화합물이 중량 기준으로 1~5 : 1 : 1~2 로 이루어지게 한다. 이는 산화방지, 내부부폐성 및 타발유의 부착시간을 최소화 하기 위한 것이다.

본 발명에서 유화제는 윤활기유를 유화시켜서 탈지 공정에서 물로 세척해도 윤활기유를 탈지할 수 있는 역할을 하는데, 폴리옥시에틸렌 알킬페닐에테르, 폴리옥시에틸렌 모노 지방산 에스테르 등의 폴리옥시에틸렌류; 솔비탄 모노 지방산 에스테르 등의 다가 알코올류; 및 지방산 디에타놀 아미드 등의 알킬롤 아미드류; 등의 비이온계 유화제를 사용하는 것이 바람직하다. 하지만, 본 발명에서 유화제는 상술한 비이온계 유화제로 국한되는 것은 아니며, 본 발명의 목적에 부합되는 것이라면 음이온계 유화제 등 어느 유화제를 사용해도 무방하다. 이때, 본 발명의 조성물에서 유화제는 20 중량% 미만을 사용하면 탈지 공정에서 물로 초음파 세척 시 탈지 효과가 저감되고, 30 중량%를 초과하여 사용하면 다른 필수 구성 성분을 충분하게 사용하지 못하므로, 상술한 20~30 중량% 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 방청제는 본 발명의 조성물의 산화방지 및 금속 부식을 억제하는 성분을 말하는데, 아민류, 페놀류, 황 인류 화합물 등의 산화방지제와 카르복실산류, 술폰산염류, 알코올류 및 아질산염류, 인산염류 화합물 등의 부식억제제 등을 사용할 수 있고, 구체적으로는 2,6-디-t-부틸-p-크레졸, 디옥틸디페닐아민, 트리에탄올아민, 디티오인산아연, 알킬숙신산, 알케닐숙신산, 카르복시산에스테르, 술폰산 칼슘, 술폰산 바륨, 술폰산 나트륨, 알코올, 인산, 벤조트라이졸, 이미다졸린 등을 들 수 있다. 이때, 본 발명의 조성물에서 방청제는 전체 조성물 100 중량% 기준에서 2 중량% 미만을 사용하면 상술한 효과가 저감되고, 6 중량%를 초과하여 사용하면 다른 필수 구성 성분을 충분하게 사용하지 못하므로, 상술한 2~6 중량% 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 오일 조성물은 금속류 비철류 및 철, 알루미늄, 구리 니켈 및 이들을 혼합한 합금강의 타발 또는 프레스의 공정에 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 오일 조성물로 금속 비철을 가공한 금속재는 탈지 공정 시, 초음파를 적용하여 물로 세척하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예로써 더욱 상세히 설명하고자 한다. 하지만 이는 본 발명의 보다 쉬운 이해를 돕기 위한 것이지, 이들을 통하여 본 발명을 한정하고자 하는 것임은 아니다.

[실시예]

본 실시예는 파라핀계 기유, 합성 에스테르, 모노 에스테르 비이온성 유화제 등을 하기 표 1에 나타난 바와 같은 배합 비율로 첨가하고 혼합하여, 본 발명의 수용성 성형 오일 조성물을 제조하였다. 이때, 단위는 중량%를 나타낸 것이다.

용도	제품명 또는 성분명	CAS NO.	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5
윤활기유	Severely Hydrotreated Heavy Paraffinic Distillate (점도지수 : 80이상 )	64742-54-7	61.9	65	55	50	70
극압 첨가제	Chlorinated Paraffin	63449-39-8	5	3	5	5	2
	TPS-20 (Di-tert-dodecyl Polysulfides)	68425-15-0	2	3	5	4	1.5
	LUBROPHOS LB 400E (POLYOXYETHYLENE OCTADECENYL ETHER PHOSPHATE)	39464-69-2	2	3	5	5	1.5
유화제	2-EthylHexyl Oleate	26399-02-0	10	10	8	10	8
	NP-4 (polyoxyethylene Nonylphenyl ether)	26027-38-3	3	3	5	10	5
	PEG 300 Mono Oleate	9004-96-0	12	10	12	10	10
방청제	2,2'-[[(methyl-1H-benzotriazol-1-yl)methyl]imino]bis Ethanol	80584-88-9	0.4	0.5	1	2	0.5
	Oleyl amide	94554-98-0	3	2	3	2	1
	Triethanolamine	102-71-6	0.7	0.5	1	2	0.5
합			100	100	100	100	100

* LUBRHOOHOS는 프랑스 로디아사(Rhodia)의 상품명임.

[실험예 1] 오일 세정력 실험

1. 일반 가공용(Plate Drawing)

금속 모재의 프레스 가공에서 종래 플레이트 드로잉 생산라인을 통해 상기 실시예 1에서 제조한 본 발명의 수용성 성형 오일 조성물을 사용하여 가공하였다.

그런 다음, 가공된 금속 모재는 물을 이용하여 초음파로 수 세척 공정을 거친 다음, 가공된 금속 모재에 잔류하는 오일을 GC/MS로 분석하였다.

이의 결과, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수용성 성형 오일은 물로 세척하면 가공된 금속 모재에 잔류하지 않음을 확인할 수 있었다.

2. 깊은 가공용(Deep Drawing)

금속 모재의 프레스 가공에서 종래 딥드로잉 생산라인을 통해 상기 실시예 1에서 제조한 본 발명의 수용성 성형 오일 조성물을 사용하여 가공하였다.

그런 다음, 가공된 금속 모재는 물을 이용하여 초음파로 수 세척 공정을 거친 다음, 가공된 금속 모재에 잔류하는 오일을 GC/MS로 분석하였다.

이의 결과, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수용성 성형 오일은 물로 세척해도 가공된 금속 모재에 전혀 존재하지 않음을 확인할 수 있었다.

[실험예 2] 가공성 실험

본 실험은 금속 모재 가공 후 전극 표면에 이물이 생성되어 불량이 발생하는 경우가 있는지를 확인하고자, 금속 모재 가공 후 현미경을 통해 불량 발생 여부를 확인하고자 하였다. 도 3과 4는 기존 유용성 유제를 적용하여 금속 모재를 일반 및 깊은 가공을 한 다음, TCE(트리클로로에칠렌)로 탈지하고 금속 표면에 이물이 발생된 타발 불량 사례를 나타낸 것이다.

1. 일반 가공용(Plate Drawing)

금속 모재의 프레스 가공에서 종래 플레이트 드로잉 생산라인을 통해 상기 실시예 1에서 제조한 본 발명의 수용성 성형 오일 조성물을 사용하여 가공하였다.

그런 다음, 가공된 금속 모재의 표면과 가장자리 부위를 광학 현미경 및 전자 현미경(SEM/EDS)으로 관찰하였다.

이의 결과, 도 5와 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수용성 성형 오일로 가공한 금속 모재는 표면 잔탄과 가장자리의 끝티가 없음을 관찰할 수 있었다.

2. 깊은 가공용(Deep Drawing)

금속 모재의 프레스 가공에서 종래 딥드로잉 생산라인을 통해 상기 실시예 1에서 제조한 본 발명의 수용성 성형 오일 조성물을 사용하여 가공하였다.

그런 다음, 가공된 금속 모재의 표면과 가장자리 부위를 광학 현미경 및 전자 현미경(SEM/EDS)으로 관찰하였다.

이의 결과, 도 7과 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수용성 성형 오일로 가공한 금속 모재는 표면 잔탄과 가장자리의 끝티가 관찰되지 않아 깨끗하게 가공되었음을 확인할 수 있었다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 수용성 성형 오일 조성물은 기존 유용성 오일과 비교하여 타발 후 전극 표면에서의 이물 및 가장자리에서 끝티가 발견되지 않는 등 가공성이 양호함을 알 수 있었다.

또한, 본 발명에 따른 수용성 성형 오일 조성물을 금속 모재에 적용 후 수세척(초음파) 공정으로 잔류 오일이 깨끗이 세정됨을 확인할 수 있었다.

Claims (4)

1. 광유 및 유성유 중 선택된 1종 또는 그 이상의 윤활기유 50~73중량%, 할로겐 화합물, 유황 화합물 및 인 화합물로 이루어진 군에서 선택된 극압 첨가제 5~15중량%, 유화제 20~30중량% 및 방청제 2~6중량%를 포함하여 이루어지는 금속재료 가공용 수용성 성형 오일 조성물.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 극압 첨가제는 할로겐 화합물 : 유황 화합물 : 인 화합물이 중량 기준으로 1~5 : 1 : 1~2로 이루어진 극압 첨가제인 것을 특징으로 하는 금속재료 가공용 수용성 성형 오일 조성물.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 광유는 점도지수(V.I)가 80 이상인 것이고, 상기 유성유는 점도지수(V.I)가 120 이상인 것임을 특징으로 하는 금속재료 가공용 수용성 성형 오일 조성물.
4. 제 1 항 및 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 조성물은 금속 비금속을 포함하는 철, 알루미늄, 구리 니켈 및 이들을 혼합한 합금강의 타발 또는 프레스의 공정에 사용하는 것임을 특징으로 하는 금속재료 가공용 수용성 성형 오일 조성물.
   

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