KR20170136793A - 기어 오일 조성물 - Google Patents

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KR20170136793A KR1020160068765A KR20160068765A KR20170136793A KR 20170136793 A KR20170136793 A KR 20170136793A KR 1020160068765 A KR1020160068765 A KR 1020160068765A KR 20160068765 A KR20160068765 A KR 20160068765A KR 20170136793 A KR20170136793 A KR 20170136793A
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이가은
이승욱
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 기어 오일 조성물은 결정형의 탄산칼슘 입자 0.01 내지 0.5중량% 및 잔부 기유를 포함한다.

Description

기어 오일 조성물{GEAR OIL COMPOSITION}
기어 오일 조성물에 관한 것이다.
자동차 기어 오일은 고속회전, 고부하 사용환경에서 작동하므로 소부방지성과 마모방지성이 우수하여야 한다. 자동차 기어 오일 품질등급 API GL-3, GL-4, GL-5급은 수동변속기에 사용되며, 고부하 조건에 있는 종감속기에는 GL-5급 기어 오일이 사용되고 있다.
종래 기어 오일 GL-4, GL-5급은 극압성과 내마모성을 유지하기 위해 황-인계 극압첨가제를 사용하고 있다. 대표적인 황계 첨가제로는 황화올레핀, 황화유지 등이 있으며, 대표적인 인계 첨가제로는 인산에스테르, 인산에스테르아민염 등이 있다.
황-인계 극압첨가제는 특히 높은 하중이 가해지는 기어 윤활에 있어서 기어표면에 대한 보호성능 즉, 내피팅 성능, 내스코어링 성능 등이 우수하여 승용차 및 상용차에 사용되는 기어 오일에 사용되고 있다. 황-인계 극압첨가제는 활동성이 높으며, 열에 의해 반응하는 특징을 가지고 있어 맞물린 두 기어간의 마찰열에 의해 접촉면 부위에서 열분해함으로써 황화철 또는 인화철의 피막을 형성하여 치면을 보호하는 역할을 한다.
한편, 종래의 승용차의 경우 기어박스에 대한 공기의 흐름성이 좋아 냉각이 효과적으로 이루어 질 수 있으므로 기어 오일의 온도가 비교적 낮은 온도로 유지되었다. 그러나 최근, 특히 승용차에 있어서 차량의 디자인이 공기저항을 줄이는 형상으로 채택되어감에 따라 기어박스를 냉각하기 위한 공기의 양이 감소되어 기어박스의 냉각성이 감소되고 있으며, 특히 전륜구동형 승용차에 있어서 기어박스는 엔진 밑에 위치하므로 기어박스의 냉각성이 더욱 감소되어 기어 오일이 비교적 높은 온도로 운전되는 경향이 있다.
기어 오일의 온도를 저감시키는 것은 차량 부품의 내구성 및 연비와도 밀접한 연관이 있기 때문에 기어 오일의 온도를 낮추고자 하는 연구가 다방면에 걸쳐 이루어지고 있다.
본 발명의 일 실시예는 극압성능 및 내열성이 우수한 기어 오일 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 기어 오일 조성물은 결정형의 탄산칼슘 입자 0.01 내지 0.5중량% 및 잔부 기유를 포함한다.
결정형의 탄산칼슘 입자는 칼사이트(calcite), 바테라이트(vaterite) 또는 아라고나이트(aragonite)가 될 수 있다.
결정형의 탄산칼슘 입자는 칼사이트이고, 칼사이트는 판상형이며, 지름이 1 내지 10nm가 될 수 있다.
점도 조정제 15 내지 25 중량%, 및 첨가제 5 내지 7 중량%를 더 포함할 수 있다.
점도 조정제는 폴리메타크릴레이트계 점도 조정제일 수 있다.
첨가제는 극압제, 마찰 조정제, 청정제, 분산제 또는 산화방지제가 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기어 오일은 칼사이트의 첨가로 인하여 극압성능 및 내열성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 사용하는 칼사이트 및 이의 분자 구조의 모식도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 기어 오일 조성물은 조성물은 결정형의 탄산칼슘 입자 0.01 내지 0.5중량% 및 잔부 기유를 포함한다.
탄산칼슘(CaCO3)은 일반적으로 무정형(amorphous) 형태로 존재하며, 이러한 무정형의 탄산칼슘 입자는 입자크기 및 배열이 균질하지 못해 분산성이 낮아, 분산이 되지 않으며 더 나아가, 윤활성이 없어, 기오 오일 조성물에 첨가하여 사용할 시, 심각한 기어 손상을 일으킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 결정형의 탄산칼슘 입자를 포함한다. 결정형의 탄산칼슘 입자는 적절한 양으로 첨가될 시, 분산성이 우수하며, 극압성능 및 내열성을 향상시킬 수 있다.
결정형의 탄산칼륨 입자로는 구체적으로 칼사이트(calcite), 바테라이트(vaterite) 또는 아라고나이트(aragonite)가 될 수 있다. 칼사이트의 결정은 직사각형 모양이며, 아라고나이트 결정은 바늘 모양, 베터라이트는 원형 모양으로 각각의 독특한 형태를 지니고 있다. 아울러 이러한 결정형의 탄산칼륨 입자는 입자 크기 및 배열이 균질하기 때문에 기유에 첨가되더라도 우수한 분산성을 유지할 수 있다.
예컨데, 칼사이트의 경우, 판산형의 균질한 모양으로 형성된다. 이 때, 판상형이란 판면이 존재하며, 상대적으로 두께가 얇은 형태를 의미한다. 더욱 구체적으로 판면의 지름이 1 내지 10nm이 될 수 있고 그 두께는 0.1 내지 0.5 nm가 될 수 있다. 더욱 구체적으로 판면의 지름이 3 내지 4 nm가 될 수 있다.
결정형의 탄산칼륨 입자는 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다. 예컨데, 칼사이트의 경우, 무정형의 탄산칼슘 입자를 극성 용매에 투여하고, 열을 가하는 방식으로 제조할 수 있다.
결정형의 탄산칼슘 입자는 기어 오일 조성물 100 중량%에 대하여 0.01 내지 0.5 중량% 포함될 수 있다. 결정형의 탄산칼슘 입자가 너무 적게 첨가될 경우, 극압성능 및 내열성 향상이 충분치 않을 수 있다. 결정형의 탄산칼슘 입자가 너무 많이 첨가되더라도 극압성 및 내열성 효과 향상에는 한계가 있으며, 오히려 분산성에 악영향을 미쳐 저장안정성 면에서 문제가 발생할 수 있다. 따라서 전술한 범위로 결정형의 탄산칼슘 입자를 첨가할 수 있다.
기유(base oil)는 기어 오일 조성물로서 사용되는 기유라면 특별히 제한없이 사용할 수 있다. 구체적으로 천연 오일, 합성 오일 또는 이들을 혼합하여 사용할 수 있다. 천연 오일로는 동물유, 식물유 또는 광물성 오일을 사용할 수 있다. 광물성 오일은 액체 석유 오일 및 가수소 분해 또는 가수소 마무리처리 공정에 의해 추가로 정제될 수 있는 파라핀계, 나프텐계 또는 파라핀계/나프텐계 혼합형 광물성 오일을 사용할 수 있고, 또는 용매 처리되거나 산 처리된 광물성 오일을 사용할 수 있다. 합성 오일은 폴리알파올레핀으로도 알려져 있는 중합 및 상호중합된(interpolymerized) 올레핀 같은 탄화수소유 및 할로-치환된 탄화수소유; 폴리페닐; 알킬화된 다이페닐 이써; 및 알킬화된 다이페닐 설파이드 및 이들의 유도체, 유사체 및 동족체를 포함한다. 다른 합성 오일은 다양한 알콜과 다이카복실산의 에스터, 또는 C4∼C15 모노카복실산 및 폴리올 또는 폴리올 이써로부터 제조되는 에스터를 포함한다.
천연 오일 및 합성 오일은 정제되지 않거나, 정제되거나 또는 재정제된 오일일 수 있다. 본원에서 사용되는 용어로서 '정제되지 않은 오일'은 추가의 정제 처리 없이 천연 또는 합성 공급원으로부터 직접 수득될 수 있는 오일을 일컫는다. 본원에서 사용되는 용어로서 '재정제된 오일'은 하나 이상의 특성을 개선하기 위하여 1회 이상의 정화 단계에서 추가로 처리된 오일을 지칭한다. 이들은 예를 들어 수소화 및 산화에 의해 개선된 안정성을 갖는 오일을 생성할 수 있다.
기유는 미국석유협회(API)의 기유 변경에 대한 규정(BOIG; Base OilInterchangeability Guidelines)에 따른 Ⅱ군 오일, Ⅲ군 오일, Ⅳ군 오일, V군 오일 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 예컨데, Ⅳ군 오일의 예는 폴리알파올레핀이고, 적합한 V군 오일의 예는 에스터가 될 수 있다.
기유는 단일 점도 범위의 오일이거나, 또는 높은 점도 범위의 오일과 낮은 점도 범위의 오일의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 기어 오일 조성물은 점도 조정제를 더 포함할 수 있다. 점도 조정제는 점도 조정제는 고온에서의 점도는 낮아지지 않도록 하여 유막 유지에 유용하도록 하며, 저온에서의 점도는 과도하게 상승되지 않도록 하여 기어 오일의 유동성 및 유체저항을 줄이는데 유용하도록 하는 역할을 한다. 구체적으로 점도 조정제는 폴리메타크릴레이트(PMA)계 점도 조정제를 사용할 수 있다. 점도 조정제를 더 포함하는 경우, 기어 오일 조성물 100 중량%에 대하여 15 내지 25 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 기어 오일 조성물은 첨가제를 더 포함할 수 있다. 첨가제는 기어 오일 조성물에 첨가되는 일반적인 첨가제가 될 수 있다. 구체적으로 극압제, 마찰 조정제, 청정제, 분산제 또는 산화방지제 등이 될 수 있다. 더욱 구체적으로 극압제로는 인계 극압제, 황계 극압제, 인-황계 극압제를 사용할 수 있다. 예컨데, 아민 포스페이트, 비-에톡시화 포스페이트 에스테르, 에톡시화 포스페이트 에스테르, 알킬 산성 포스페이트, 황화 지방산 에스테르, 및 알킬 폴리설파이드 등을 사용할 수 있다.
마찰 조정제는 지방산 아마이드, 지방 에폭사이드, 지방 아민, 붕화된 글라이세롤 에스터, 알콕실화된 지방 아민, 붕화된 알콕실화 아민, 지방 이미다졸린, 카복실산 또는 이의 무수물과 폴리아민의 축합 생성물을 포함할 수 있다.
청정제는 알칼리 또는 알칼리성 토금속, 예를 들어 나트륨, 칼륨, 리튬, 특히 칼슘 및 마그네슘의 유용성 중성 및 오버-베이스드 (over-based) 술포네이트, 페네이트, 황화 페네이트, 티오포스포네이트, 살리실레이트 및 나프테네이트 및 기타 유용성 카르복실레이트가 될 수 있다.
분산제는 중량 평균 분자량이 80 내지 120의 폴리아이소뷰테닐이 치환된 호박산 무수물을 폴리아민과 반응시킴으로써 제조한 분산제를 사용할 수 있다.
산화방지제는 방향족 아민계 또는 힌더드 페놀계 산화방지제를 사용할 수 있다. 방향족 아민계 산화방지제로는 방향족 트라이아졸, 페노티아진, 다이페닐 아민, C1∼C16 알킬 다이페닐아민, 페닐-알파-나프틸 아민, 페닐-베타-나프틸 아민, 알킬 또는 아릴 치환된 페닐-알파-나프틸 아민을 포함할 수 있다. 구체적으로, 방향족 아민계 산화 방지제는 노넨(C9)으로 알킬화된 다이페닐 아민을 포함할 수 있다. 이물질은 모노알킬화 및 다이알킬화된 다이페닐 아민의 혼합물이며, 이 때 치환기는 분지된 노넨(C9)이다.
힌더드 페놀계(hindered phenols) 산화방지제로는 2,6-다이-3급-뷰틸 페놀, 4-메틸-2,6-다이-3급-뷰틸 페놀, 2,4,6-트라이-3급-뷰틸 페놀 및 이들의 유사체 및 동족체 같은 오르토-알킬화된 페놀계 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 힌더드 페놀계 산화 방지제는 뷰틸화된 하이드록실 톨루엔(BHT), 뷰틸화된 하이드록실 아니솔(BHA) 및 이들의 유도체를 포함할 수 있다. 힌더드 페놀계 산화 방지제의 다른 유용한 부류는 단독으로 또는 다른 힌더드 페놀과 함께, 또는 입체 힌더드 비가교 페놀계 화합물과 함께 사용될 수 있는 메틸렌 결합된 알킬 페놀을 포함할 수 있다. 적합한 메틸렌 가교된 페놀의 예는 4,4'-메틸렌비스(6-3급-뷰틸-o-크레솔), 4,4'-메틸렌비스(4-메틸-6-3급-뷰틸페놀) 및 4,4'-메틸렌비스(2,6-다이-3급-뷰틸페놀), 및 이들의 유도체를 포함할 수 있다. 둘 이상의 이들 단핵 페놀계 화합물의 혼합물도 적합하다.
첨가제를 더 포함하는 경우, 기어 오일 조성물 100 중량%에 대하여 5 내지 7 중량%를 포함할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
칼사이트 입자(지름 약 3nm), 첨가제(극압제, 마찰 조정제, 청정제, 분산제, 산화방지제 등으로 구성된 GL-5 급의 첨가제, Lubrizol社. A6043), 점도 조정제(PMA 타입의 점도 조정제, Evonik社, 0-050), 기유(Gr3, YUBASE社)를 하기 표 1의 범위로 혼합하여 기어 오일 조성물을 제조하였다.
하기 성능 시험 방법으로 평가하여 하기 표 1 내지 표 5에 그 결과를 나타내었다.
[평가 방법]
Fzg 내구 시험 후 유온을 측정 : 10단, C기어 사용, 2500rpm, 30분 진행, 초기온도 40℃로 측정하였다.
4ball 극압성 평가 : ASTM D 2783에 따라 측정하였다.
침전물 생성 여부 : 상온에 48시간 방치 후 밑면에 가라앉는 침전물이 있는지 확인하였다.
실시예
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Calcite 입자 (wt%) 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05
첨가제(wt%) 5 5 5 7 7 7 9 9 9
점도조정제(wt%) 15 20 25 15 20 25 15 20 25
기유(wt%) 79.95 74.95 69.95 77.95 72.95 67.95 75.95 70.95 65.95
FZG 발열시험
최종온도 (℃)		 146 145 145 145 145 145 145 145 144
4ball 극압성(kgf) 250 250 250 250 250 250 250 250 250
침전여부 양호 양호 양호 양호 양호 양호 양호 양호 양호
실시예
10 11 12 13 14 15 16 17 18
Calcite 입자 (wt%) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
첨가제 (wt%) 5 5 5 7 7 7 9 9 9
점도조정제(wt%) 15 20 25 15 20 25 15 20 25
기유(wt%) 79.5 74.5 69.5 77.5 72.5 67.5 75.5 70.5 65.5
FZG 발열시험
최종온도 (℃)		 144 144 143 143 143 142 143 142 142
4ball 극압성(kgf) 300 300 300 300 300 300 300 300 300
침전여부 양호 양호 양호 양호 양호 양호 양호 양호 양호
비교예
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Calcite 입자 (wt%) 0 0 0 0 0 0 0 0 0
첨가제 (wt%) 5 5 5 7 7 7 9 9 9
점도조정제 (wt%) 15 20 25 15 20 25 15 20 25
기유 (wt%) 79.95 74.95 69.95 77.95 72.95 67.95 75.95 70.95 65.95
FZG 발열시험
최종온도 (℃)		 150 150 149 150 149 149 149 149 148
4ball 극압성(kgf) 200 200 200 200 200 200 200 200 200
침전여부 양호 양호 양호 양호 양호 양호 양호 양호 침전
비교예
10 11 12 13 14 15 16 17 18
Calcite 입자 (wt%) 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6
첨가제 (wt%) 5 5 5 7 7 7 9 9 9
점도조정제(wt%) 15 20 25 15 20 25 15 20 25
기유(wt%) 79.5 74.5 69.5 77.5 72.5 67.5 75.5 70.5 65.5
FZG 발열시험
최종온도 (℃)		 141 141 140 141 140 140 140 141 140
4ball 극압성(kgf) 300 300 300 300 300 300 300 300 300
침전여부 침전 침전 침전 침전 침전 침전 침전 침전 침전
평가결과 비교예
19 20 21 22 23 24 25 26 27
Calcite 입자 (wt%) 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
첨가제 (wt%) 5 5 5 7 7 7 9 9 9
점도조정제(wt%) 15 20 25 15 20 25 15 20 25
기유(wt%) 79.95 74.95 69.95 77.95 72.95 67.95 75.95 70.95 65.95
FZG 발열시험
최종온도 (℃)		 141 141 140 141 141 140 140 140 140
4ball 극압성(kgf) 300 300 300 300 300 300 300 300 300
침전여부 침전 침전 침전 침전 침전 침전 침전 침전 침전
표 1 내지 표 5에서 확인할 수 있듯이, 칼사이트가 특정 함량으로 첨가된 실시예 1 내지 17은 극압성 및 내열성이 모두 우수하며, 침전도 일어나지 아니하여 분산성도 우수함을 확인할 수 있다.
반면, 칼사이트가 첨가되지 않은 비교예 1 내지 9는 극압성 및 내열성이 상대적으로 열악함을 확인할 수 있다. 칼사이트가 다량 첨가된 비교예 10 내지 27은 극압성 및 내열성이 실시예 1 내지 17에 비해 개선되지 아니하나, 침전이 발생하여 분산성 면에서 열악함을 확인할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (6)

  1. 결정형의 탄산칼슘 입자 0.01 내지 0.5중량% 및
    잔부 기유를 포함하는 기어 오일 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결정형의 탄산칼슘 입자는 칼사이트(calcite), 바테라이트(vaterite) 또는 아라고나이트(aragonite)인 기어 오일 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 결정형의 탄산칼슘 입자는 칼사이트이고,
    상기 칼사이트는 판상형이며, 지름이 1 내지 10nm인 기어 오일 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    점도 조정제 15 내지 25 중량%, 및
    첨가제 5 내지 7 중량%를 더 포함하는 기어 오일 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 점도 조정제는 폴리메타크릴레이트계 점도 조정제인 기어 오일 조성물.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 첨가제는 극압제, 마찰 조정제, 청정제, 분산제 또는 산화방지제를 포함하는 기어 오일 조성물.
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