KR20190033248A - 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제 및 그 제조 방법 - Google Patents

스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 황산염 75 내지90 중량％, 붕산염 3 내지 25 중량％ 및 방습제 0.01 내지 0.1 중량%를 포함하는 방습성이 우수한 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제에 관한 것이다. 본 발명의 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제는 방습성이 크게 향상되어, 고온 다습한 환경에서도 피막의 밀착력이 저하되거나 피막이 박리, 이탈되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제 및 그 제조 방법 {PRE-TREATMENT AGENT FOR METAL STAINLESS STEEL DRAWING PROCESS AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제 및 그 제조 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는, 스테인레스강 냉간 인발 가공전 표면 전처리 피막의 흡습 성능을 개선한 전처리 피막제 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 거의 모든 산업 분야에서 사용되는 금속 제품, 예를 들어 볼트나 너트 등의 기계부품 공구, 및 자동차 부품 등의 금속 제품은 냉간인발, 냉간압조 등의 소성 가공을 통해 제조된다.
금속 재료의 소성 가공, 예를 들어 냉간압조 및 신선 등의 소성 가공에서는, 금형과 금속 재료(피가공재)의 마찰계면에 윤활 피막이 필요하다. 윤활 피막이 불충분하면 원하는 형상으로의 가공이 어렵거나 소부(눌러 붙음)가 발생하는 등의 문제점이 발생한다.
이에 따라, 대부분의 금속 재료(피가공재)는, 냉간인발 등의 소성 가공에 앞서 전처리로서 산(acid) 세척 등을 통해 금속재료 표면에 이물질 및 스케일을 제거한 다음, 윤활성을 위한 피막 처리를 진행하고 있다. 이때, 피막 처리를 진행함에 있어서는 금속 재료의 표면에 인산아연 등의 인산염 결정을 피막하는 화성 피막과, 비누계 윤활 처리제를 조합한 피막법으로서, 본더라이징(bonderizing) 또는 본더라이징 루브리컨트(bonderizing lubricant) 피막법이 광범위하게 이용되고 있다. 구체적으로, 인산염 및 아연염 등을 포함하는 인산염 피막 처리제를 금속 재료의 표면과 반응시켜 인산염 피막을 형성시키고, 이후 비누계 윤활 처리제를 도포하여 인산염 피막 상에 윤활층을 형성시키고 있다.
이와 같이, 일반적으로 철강소재의 경우 인산염 피막을 적용하고 있으나, 스테인레스 강 소재는 높은 내식성으로 인하여 인산염 반응피막이 형성되지 않으므로 물리적인 접착력을 이용하는 고분자 물질피막이나 스테인레스 소재 표면과 화학 반응성이 있는 염 물질 피막을 사용하고 있다.
예로서, 대한민국 공개특허 제10-2013-0124148호, 대한민국 등록특허 제10-1523546호, 일본 등록특허 제 3533015호에서는 K2SO4와 Na2SO4 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 75~90 중량％, Na2B4O7을 3~25 중량％, 및 비 이온계 계면 활성제를 2~10 중량％ 함유하는 것으로 이루어지는 황산염 피막을 제안하고 있다.
인발공정시 주변온도가 30℃에 근접 또는 상회하거나 상대습도가 60%에 근접 또는 상회하는 고온 다습한 환경에서는 스테인레스강 피 인발소재 표면에 형성된 전처리 피막이 물질 본래의 친수성으로 인하여 흡습이 발생하여 피막의 밀착력이 저하되고, 심한 경우 피막이 박리 이탈되는 문제가 발생함으로써, 피막제의 유용성이 열화된다.
따라서, 고온 다습한 환경에서 이러한 문제의 발생을 줄이기 위하여 피막처리 후 스테인레스 피 인발소재의 표면에 열풍을 가하여 흡습의 문제를 완화하고 있으나, 에너지 소모적이고 공정의 번거로움이 발생하는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제 2013-0124148호 대한민국 등록특허 제 10-1523546호 일본 등록특허 제 3533015호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 방습성이 개선된 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 황산염 75 내지 90 중량％, 붕산염 3 내지 25 중량％ 및 방습제 0.01 내지 0.15 중량%를 포함하는 방습성이 우수한 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제가 제공된다.
상기 방습제가 잔탄검, 폴리 비닐알콜, 에틸렌 클리콜 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 황산염이 황산나트륨, 황산칼륨, 마그네슘 황산염, 구리 황산염, 크롬 황산염 및 철 황산염, 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 피막제가 계면활성제 2 내지 10 중량％를 추가로 포함할 수 있다.
상기 계면활성제가 지방산 소다, 글루코사이드계열 및 아미노산 계열 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 피막제가 온도 25℃ 이상, 습도 60% 이상에서 사용되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, 물에 황산염 및 붕산염을 투입하고 교반하여 제1 혼합용액을 제조하는 단계; 물에 방습제를 투입하고 교반하여 제2 혼합용액을 제조하는 단계; 및 상기 제1 혼합용액에 제2 혼합용액을 첨가하고 교반하는 단계를 포함하는 방습성이 우수한 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제의 제조방법이 제공된다.
상기 방습제가 잔탄검, 폴리 비닐알콜 및 에틸렌 클리콜 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 제 2 혼합용액을 제조하는 단계의 물의 온도가 20 내지 90℃일 수 있다.
상기 제1 혼합용액에 제2 혼합용액을 첨가하고 교반하는 단계에서 추가로 계면활성제를 투입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제는 방습성이 크게 향상되어, 고온 다습한 환경에서도 피막의 밀착력이 저하되거나 피막이 박리, 이탈되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 비교예 1의 피막제 사용 후 60분 이내의 피막의 표면성상을 광학현미경을 이용하여 관찰한 것이다.
도 2는 비교예 1의 피막제 사용 후 500분 이내의 피막의 표면성상을 광학현미경을 이용하여 관찰한 것이다.
도 3은 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 피막제를 사용하였을 때의 흡습율 시험결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 황산염 75 내지 90 중량％, 붕산염 3 내지 25 중량％ 및 방습제 0.01 내지 0.1 중량%를 포함하는 방습성이 우수한 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제가 제공된다.
본 발명의 피막제는 황산염 75 내지 90 중량％를 포함한다. 상기 황산염의 함량이 75 중량％ 미만인 경우, 스테인레스 강 표면과의 반응성이 미약하여 피막의 형성도가 미약해지는 반면, 90 중량％ 초과하면, 스테인레스 강 표면과의 반응성과 피막의 형성도는 우수하지만 윤활성이 저하되는 문제가 있다.
상기 황산염의 종류는 특별하게 한정하는 것은 아니나, 예를 들어 황산 칼륨, 황산나트륨, 마그네슘 황산염, 구리 황산염, 크롬 황산염, 철 황산염 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 황산 칼륨 및/또는 황산나트륨을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 피막제는 붕산염 3 내지 25 중량％를 포함한다. 상기 붕산염의 함량이 3 중량％ 미만인 경우, 피막의 윤활성이 저하되는 반면, 25 중량% 초과하면 피막처리 후의 방습성이 증가하나 인발공정 중 환경에 유해한 분진이 발생하는 경향이 있다.
상기 붕산염의 종류는 특별하게 한정하는 것은 아니나, 예를 들어 붕산나트륨, 붕산칼륨, 사붕산염, 오붕산염 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 붕산나트륨을 사용할 수 있다.
상기와 같이 황산염 및 붕산염을 포함하며, 스테인레스강 냉간 인발 산업현장에서 사용되는 피막제는 더운 물에 쉽게 용해된다. 또한, 스테인레스강 표면과의 반응성이 우수하여 더운 물에 일정 농도의 피막제가 용해된 용액에 스테인레스 피인발재를 수분 침지한 후 대기 중에서 건조시키면 스테인레스 강 소재 표면에 단단하고 치밀한 염 피막이 형성된다. 이러한 피막은 인발 공정 중 윤활제의 묻힘성을 높이고 다이 표면과 가공소재 표면 사이에 마찰력을 감소하는 작용을 할 수 있다.
이러한 피막처리 공정 및 인발 공정에서 인발 공정 환경이 주변온도가 30℃에 근접 또는 상회하거나 상대습도가 60%에 근접 또는 상회하는 고온 다습한 환경에서는 스테인레스강 피 인발소재 표면에 형성된 전처리 피막이 물질 본래의 친수성으로 인하여 흡습이 발생하여 피막의 밀착력이 저하되고, 심한 경우 피막이 박리 이탈되는 문제가 발생한다.
이에 본 발명자들은 스테인레스강 냉간 인발에서 사용되는 피막제에 미량의 방습성 향상 물질을 첨가하여 피막처리 후 고온 다습한 환경에서 피막의 흡습성을 저감하는 방법에 착안하였다.
본 발명의 피막제는 방습제 0.01 내지 0.1 중량%를 포함한다. 본 발명에서 사용되는 방습제는 상기 황산염 및 붕산염과 같이 더운 물에 용해되고, 수용액 중에 고르게 분산될 수 있어야 하며 인발소재가 피막제 용액에 침지처리될 때 피막내부와 표층에 고르게 분산 분포될 수 있어야 한다.
본 발명에서 방습제는 잔탄검, 폴리 비닐알콜 및 에틸렌 클리콜 등을 사용할 수 있으며 바람직하게는 잔탄검을 사용할 수 있다. 잔탄검은 수용성이고 보습성을 가지며, 극소량으로도 용액 내 고르게 분산되는 특징이 있으므로 특히 바람직하다.
상기 방습제의 함량은 0.01 내지 0.15중량%인 것이 바람직하다. 0.01 중량% 미만인 경우 방습효과가 미약한 반면, 0.15중량% 초과하는 경우 첨가 농도 대비 방습효과의 개선도가 미약할 뿐만 아니라, 피막의 형성도를 저하시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 피막제는 추가로 계면활성제 2 내지 10 중량％를 추가로 포함할 수 있다. 상기 계면활성제 첨가량이 2중량% 미만인 경우 스텐인레스 소재표면과 피막처리액과의 젖음성이 미약하여 불균일한 피막이 형성될 수 있으며 10중량%를 초과하는 경우는 피막처리용액 표층에 거품이 과다하게 발생하여 조업에 지장을 초래할 수 있기 때문이다.
이러한 계면활성제로는 아미노산계열의 소듐코코일 애플아미노산, 소듐코코일 글루타메이트, 포타슘코코일 글리시네이트,　그리고 클루코사이드류의 데실 글루코사이드, 라우릭 글루코사이드, 팜커넬/코코 글루코사이드 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 데실 글루코사이드를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 피막제는 특히, 온도 25℃ 이상, 습도 60% 이상과 같이 고온 다습한 조건에서 사용될 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은 방습제를 포함함에 따라, 스테인레스강 피 인발소재 표면에 형성된 전처리 피막이 물질 본래의 친수성으로 인한 흡습이 발생하여 피막의 밀착력이 저하되고, 심한 경우 피막이 박리 이탈되는 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 또 하나의 측면에 따르면, 물에 황산염 및 붕산염을 투입하고 교반하여 제1 혼합용액을 제조하는 단계; 물에 방습제를 투입하고 교반하여 제2 혼합용액을 제조하는 단계; 및 상기 제1 혼합용액에 제2 혼합용액을 첨가하고 교반하는 단계를 포함하는 방습성이 우수한 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 피막제의 제조방법은 물에 황산염 및 붕산염을 투입하고 교반하여 제1 혼합용액을 제조하는 단계로부터 개시된다. 이와 같은 단계는 통상적으로 알려진 제조방법에 따라 수행될 수 있으며, 보다 상세하게는 약 75 내지 85℃의 물에 황산염 및 붕산염을 투입하고 교반하여 용해시킴으로써 제조될 수 있다.
상기 황산염의 종류는 특별하게 한정하는 것은 아니나, 예를 들어 황산 칼륨, 황산나트륨, 마그네슘 황산염, 구리 황산염, 크롬 황산염, 철 황산염 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 황산 칼륨 및/또는 황산나트륨을 사용할 수 있다.
또한, 상기 붕산염의 종류는 특별하게 한정하는 것은 아니나, 예를 들어 붕산나트륨, 붕산칼륨, 사붕산염, 오붕산염 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 붕산나트륨을 사용할 수 있다.
다음으로, 물에 방습제를 투입하고 교반하여 제2 혼합용액을 제조한다. 상기 방습제로는 잔탄검, 폴리 비닐알콜 및 에틸렌 클리콜 등을 사용할 수 있으며 바람직하게는 잔탄검을 사용할 수 있다. 잔탄검은 수용성이고 보습성을 가지며, 극소량으로도 용액 내 고르게 분산되는 특징이 있으므로 특히 바람직하다.
상기 제2 혼합용액을 제조함에 있어서, 물의 온도는 상온 또는 90℃ 미만일 수 있다. 보다 상세하게는 20 내지 90℃일 수 있으며, 본 발명의 방습제는 상온에서도 용해되나, 물의 온도가 높을수록 잘 용해되므로, 온도가 높을수록 바람직하다. 다만, 물의 온도가 90℃ 이상인 경우, 방습제의 분자구조에 변화가 발생하는 문제점이 있으므로, 90℃ 미만인 것이 보다 바람직하다.
상기 물에 투입되는 방습제의 첨가 농도는 1 내지 2%인 것이 바람직하다. 1% 미만으로 첨가되는 경우 사용 및 적용상 문제는 없으나 수용액의 농도가 낮아 부피증가로 인하여 보관 및 유통이 불편해질 수 있으며, 2% 초과하는 경우 혼합용액의 점도가 증가하고 피막처리 용액에 첨가할 때 분산이 더딘 문제가 있다. 즉, 방습제의 첨가 농도가 1 내지 2%인 경우 혼합용액의 점성 및 최종 피막제에 첨가할 때의 분산 정도가 양호하다.
마지막으로, 상기 제1 혼합용액에 제2 혼합용액을 첨가하고 교반하여 방습성이 우수한 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제를 제조한다.
보다 상세하게는 황산염 및 붕산염이 물에 완전히 용해되어 균일한 제1 혼합용액에 제2 혼합용액을 첨가하고 교반하여 피막제를 제조하되, 방습제의 함량이 0.01 내지 0.15 중량%가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다. 0.01 중량% 미만인 경우 방습효과가 미약한 반면, 0.15중량% 초과하는 경우 첨가 농도 대비 방습효과의 개선도가 미약할 뿐만 아니라, 피막의 형성도를 저하시킬 수 있다.
이 때 계면활성제 2 내지 10 중량％를 투입하여 교반할 수 있다. 이러한 계면활성제로는 아미노산계열의 소듐코코일 애플아미노산, 소듐코코일 글루타메이트, 포타슘코코일 글리시네이트,　그리고 클루코사이드류의 데실 글루코사이드, 라우릭 글루코사이드, 팜커넬/코코 글루코사이드 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 데실 글루코사이드를 사용할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예
제1 비이커에 증류수 0.5 리터를 첨가하고, 핫 플레이트(hot plate)에서 약 85℃로 가열한 후, 황산칼륨 42.5g, 황산나트륨 5.5g, 붕산나트륨 2g을 투입하고 교반하여 용해시켰다.
다음으로 제2 비이커에 증류수 0.5 리터를 첨가하고, 핫 플레이트(hot plate)에서 약 85℃로 가열한 후, 잔탄검 2.5g을 투입하고 교반하여 용해시켰다.
이후 상기 피막제 1의 제1 비이커에 제2 비이커의 용액을 투입하여 교반하되, 상기 용액 내 잔탄검의 함량이 표 1에 나타낸 바와 같이 황산칼륨, 황산나트륨, 붕산나트륨 100중량부에 대하여 0.01~0.15 중량부가 되도록 변화시키며 투입하였다(1 내지 4).
단, 비교예 1은 상기 비이커 1의 용액만으로 된 것을 사용하였다.
하기 표 1에 사용된 피막제 및 잔탄검의 함량을 정리하여 나타내었다.
구분 피막제 용액 농도
비교예 1 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
농도
(중량%)		 피막제 10% 10% 10% 10% 10%
잔탄검 0% 0.01% 0.05% 0.1% 0.15%
한편, 피막처리 기지 재료는, 표면에 부착된 피막 형상의 관찰이 용이하고 표면의 상태를 일정한 조건으로 부여하기 위하여 실험용 슬라이드 글라스(L 76.2 mm x W 25.4 mm x t 1~1.2 mm)를 사용하였다. 피막 형성은 슬라이드 글라스를 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 약 10 초 동안 침지한 후 꺼내어 드라이어로 약 20초 건조처리 하였다.
비교예 1에 침지시킨 후 건조한 시편을 광학현미경으로 습도 75%, 온도 26℃의 흡습 환경에 노출하면서 시간변화에 따라 흡습에 따른 무게증가를 측정하고 피막 표면성상의 변화를 관찰하였다. 기존 피막제에 해당하는 비교예 1을 사용하여 표면 처리된 시편을 습도 75%, 온도 26℃의 흡습 환경에 노출시킨 후 약 60분 이내의 피막의 표면성상을 도 1에, 약 500분 이내의 피막의 표면성상을 도 2에 각각 나타내었다. 처리된 피막층의 흡습 초기단계인 도 1에서는 피막의 결정성상이 비교적 뚜렷하고 굵은 수지상 결정립 상태를 유지한 표면성상을 볼 수 있으나 흡습도가 높아진 도 2 에서는 결정립이 가늘고 치밀하지 못한 성상을 볼 수 있으므로 피막처리 후 흡습에 따라서 피막의 치밀도 및 성상의 거칠기가 감소하여 피막 성능저하가 자명할 것이다.
도 3은 상기 슬라이드 글라스를 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 침지시켜 피막처리된 시편에 대하여 온도 26℃, 습도 75% 조건에서 시간에 따른 흡습율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 실시예 1 내지 4와 같이 잔탄검을 약 0.05~0.15%범위로 첨가하면, 기존 대비 흡습율을 2배 이상 저감할 수 있는 것을 확인할 수 있다. 흡습율은 대략 200~250분 정도 노출되면 포화되는 것으로 보인다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (10)

  1. 붕산염 3 내지 25 중량％ 및 잔부 황산염의 혼합물 100중량부를 기준으로 방습제 0.01 내지 0.15 중량부를 포함하는 방습성이 우수한 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방습제가 잔탄검, 폴리 비닐알콜 및 에틸렌 클리콜 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방습성이 우수한 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 황산염이 황산나트륨, 황산칼륨, 마그네슘 황산염, 구리 황산염, 크롬 황산염 및 철 황산염 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방습성이 우수한 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제.
  4. 제1항에 있어서,
    계면활성제 2 내지 10 중량％를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방습성이 우수한 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 계면활성제가 데실 글루코사이드, 라우릭 글루코사이드, 팜커넬 코코 글루코사이드, 소듐코코일 애플아미노산 소듐코코일 글루타메이트, 포타슘코코일 글리시네이트 및 지방산 소다 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방습성이 우수한 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제.
  6. 제1항에 있어서,
    온도 25℃ 이상, 습도 60% 이상에서 사용되는 것을 특징으로 하는 방습성이 우수한 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제.
  7. 물에 황산염 및 붕산염을 투입하고 교반하여 제1 혼합용액을 제조하는 단계;
    물에 방습제를 투입하고 교반하여 제2 혼합용액을 제조하는 단계; 및
    상기 제1 혼합용액에 제2 혼합용액을 첨가하고 교반하는 단계를 포함하는 방습성이 우수한 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방습제가 잔탄검, 폴리 비닐알콜 및 에틸렌 클리콜 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방습성이 우수한 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제 2 혼합용액을 제조하는 단계의 물의 온도가 20 내지 90℃인 것을 특징으로 하는 방습성이 우수한 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 혼합용액에 제2 혼합용액을 첨가하고 교반하는 단계에서 계면활성제를 투입하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방습성이 우수한 스테인레스강 인발 공정 전처리 피막제의 제조방법.
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