KR20210152713A - 절삭유용 필러 및 이를 포함한 절삭유 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 절삭유용 필러에 관한 것으로서, 상세하게는 절삭유에 첨가되어 내마모성을 향상시키는 필러로서, 육방정(hexagonal)의 구조를 갖고, 100 내지 700 m2/g 의 표면적을 갖는 질화붕소를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 절삭유용 필러에 관한 것이다.

Description

절삭유용 필러 및 이를 포함한 절삭유{Filler for cutting oil and cutting oil containing the same filler}
본 발명은 절삭유용 필러에 관한 것으로서, 상세하게는 육방정(hexagonal) 구조 및 100 내지 700 m2/g 의 표면적을 갖는 질화붕소를 포함하여 이루어지고, 종래 절삭유에 첨가 또는 혼화됨으로써, 절삭유의 내마모성을 향상시키는 것을 특징으로 하는, 절삭유용 필러에 관한 것이다.
절삭유는 기계 가공에서 공구의 냉각과 윤활을 위하여 사용되는 액체로서, Cutting oil, Cutting fluid, Cutting compound, coolant 또는 윤활유(Lubricant) 등으로 불린다.
절삭유는 비수용성 유제와 물로 희석하여 사용하는 수용성 유제로 나눌 수 있다. 비수용성 유제는 물을 포함하지 않는 것으로서, 윤활성이 우수하여 양호한 마무리 면을 형성할 수 있고, 공구의 마모가 적게 발생함에 따라 절삭유로서의 효과에 있어서 수용성 유제보다 우수하다. 그러나 냉각성이나 인화성에 의한 화재 위험성을 갖는다.
수용성 유제는 냉각성이 우수하여 가공 정밀도를 향상시킬 수 있고, 공구의 열화를 방지할 수 있으며, 인화성이 없어 화재의 위험성이 없다.
그러나 상기 수용성 유제는 10배 ~ 50배에 희석한 수용액으로 사용되므로, 비수용성 유제와 비교하면, 유막이 약해 윤활성이 떨어지는 문제점이 있다.
이에, 상기 절삭유들은 기유(base oil)에 용도에 맞는 첨가제(additive)를 포함하여 이루어진다.
상기 첨가제의 경우, 기능에 따라 다양하게 첨가될 수 있으며, 그 종류로는 유화제, 용접 방지제, 유성제, 소포제, 산화방지제, 부식방지제, 극압첨가제, 방부 살균제, 계면활성제, 유동점 강화제, 내마모 첨가제, 청정분산제 등이 있다.
이와 관련하여, 일본 공개특허공보 제2013-224342호(2013.10.31)는 에멀전형 수용성 절삭유 첨가제에 관한 것으로서, 상기 에멀전형 수용성 절삭유 첨가제는 질화붕소를 포함하고 있고, 상기 첨가제를 수용성 절삭유에 첨가할 시, 절삭 가공성능이 향상됨을 특징으로 한다.
그러나 상기 선행문헌의 경우, 질화붕소의 평균 입자지름이 1㎛ 이하이므로 50 m2/g 보다 낮은 표면적을 가지며, 이와 같은 특성은 절삭유 성능 향상에 한계를 나타낼 것으로 판단된다.
또한, 중국 공개특허공보 제 110628495호 (2019.12.31)는 일종 수계 절삭액에 관한 것으로서, 상기 수계 절삭액은 질화붕소 과립을 20 내지 25 중량부 포함함을 특징으로 한다.
그러나 상기 질화붕소는 나노 입방정 구조를 가짐에 따라, 상기 질화붕소에 의한 수계 절삭액의 윤활성 개선 효과는 기대하기 어렵다.
일본 공개특허공보 제2013-224342호(2013.10.31) 중국 공개특허공보 제 110628495호 (2019.12.31)
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 육방정(hexagonal) 구조 및 100 내지 700 m2/g 의 표면적을 갖는 질화붕소를 포함하여 이루어지고, 종래 절삭유에 첨가 또는 혼화됨으로써, 절삭유의 내마모성을 향상시키는 것을 특징으로 하는, 절삭유용 필러를 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
또한, 본 발명은 상기 절삭유용 필러를 포함하는, 절삭유를 제공하는 것을 또 다른 해결과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 절삭유에 첨가되어 내마모성을 향상시키는 필러로서, 육방정(hexagonal)의 구조를 갖고, 100 내지 700 m2/g 의 표면적을 갖는 질화붕소를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 절삭유용 필러를 제공한다.
일 실시예로서, 상기 질화붕소는 1.5 ㎛ 내지 300 ㎚의 평균 입자크기를 가질 수 있다.
일 실시예로서, 상기 질화붕소는 두께가 1.0 내지 15 ㎚일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 필러는 절삭유 100 중량부에 대해 0.5 내지 2 중량부로 첨가될 수 있다.
일 실시예로서, 절삭유는 수용성 절삭유일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 절삭유용 필러가 첨가된 절삭유는, 절삭공구의 수명을 KS B ISO 3685 기준으로, 필러가 첨가되지 않은 절삭유에 비하여 5 내지 35 % 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 과제를 해결하기 위하여, 상기 절삭유용 필러를 포함한 절삭유를 제공한다.
본 발명, 절삭유용 필러를 구성하는 질화붕소는 육방정의 구조와 100 내지 700 m2/g의 표면적을 가짐에 따라, 절삭유에 첨가 및 혼화될 시, 절삭유의 윤활성을 향상시켜 내마모성을 개선할 수 있다.
또한, 상기 필러는 절삭유에 용이하게 분산되어 혼화됨에 따라, 상기 필러를 절삭유에 혼화하기 위한 추가적인 장치를 필요로 하지 않는다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 절삭유에 첨가되어 내마모성을 향상시키는 필러로서, 육방정계(hexagonal)의 구조를 갖고, 100 내지 700 m2/g 의 표면적을 갖는 질화붕소를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 절삭유용 필러가 제공된다.
상세하게는 상기 절삭유용 필러는 질화붕소를 포함하여 이루어지며, 상기 질화붕소는 육방정 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
질화붕소(boron nitride, BN)는 질소와 붕소가 1:1의 몰비로 구성된 화합물로서, 압력과 온도에 따라 결정구조가 결정되며, 대표적인 구조로는 육방정 결정구조(hexagonal form) 및 큐빅형 결정구조(cubic form)가 있다.
상기 큐빅형 결정구조의 질화붕소(cubic boron nitride)는 다이아몬드와 같은 결정구조로, 다이아몬드 다음의 경도를 갖기 때문에 기계가공용 공구 재료로 사용될 수 있다.
반면, 육방정계 구조의 질화붕소(hexagonal boron nitride, hBN)는 그래핀과 같이 육방정계 모양을 가지며, 탄소 대신 보론과 질소로 구성되어 있어, "white graphene"으로 불리기도 한다. 상기 육방정 구조의 질화붕소는 sp2 구조의 2차원의 평면결정구조로 표면에 dangling bond가 없고 평평하여, 2차원 소재를 hBN위에 적층 했을 시, 2차원 소재의 고유한 물리적 특성을 발휘할 수 있도록 한다.
또한, 육방정 구조의 질화붕소는 상온 및 고온에서도 매우 안정하여 대기 중에서 안정성이 낮은 2차원 소재의 보호막으로도 사용 가능하다.
이에, 본 발명에의 절삭유용 필러는 질화붕소를 포함하되, 상기 질화붕소는 육방정 구조를 갖도록 한다.
더욱이, 본 발명의 질화붕소는, 육방정 구조와 함께, 100 내지 700 m2/g 의 표면적을 갖는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 시판되는 육방정 구조의 질화붕소는 평균입자 크기가 1㎛ 미만이며, 표면적이 50 m2/g 미만으로, 윤활성능을 갖고 있다. 그러나 절삭유에 상기 50 m2/g 미만의 표면적을 갖는 육방정 구조의 질화붕소를 첨가하여 절삭효율을 나타내기 위해서는, 상대적으로 많은 양의 질화붕소가 요구되고, 상기 다량으로 첨가된 질화붕소는 피절삭재의 절삭 후에도 피절삭재와 공구 사이에 잔존하게 되어 기계의 유지보수에 문제를 야기할 수 있다.
이에, 본 발명의 질화붕소는 100 내지 700 m2/g 범위의 표면적을 갖는다. 이는, 상기 질화붕소가 100㎡/g 미만의 표면적을 가질 때는 100 내지 700 m2/g 범위의 표면적을 갖는 본 발명의 질화붕소에 비해 절삭유 성능 향상을 나타내기 위해서는 질화붕소의 첨가량을 증가시킬 필요가 있고, 700㎡/g를 초과할 때에는 육방정 구조의 질화붕소의 응집으로 인해 분산이 용이하지 못하고, 상기 본 발명의 표면적을 갖는 질화붕소와 비교하여 절삭유 성능이 다소 저하된다.
이에, 바람직하게는 상기 질화붕소는 150 내지 600 m2/g 의 표면적을 갖는다.
또한, 본 발명의 질화붕소는 단일층 또는/ 및 다중층으로 형성된 육방정의 질화붕소로서, 질화붕소의 두께가 1.0 내지 15 ㎚ 인 것을 특징으로 한다.
이는, 상기 질화붕소의 두께가 1.0 ㎚ 이하일 경우, 상기 질화붕소는 절삭 시 피절삭재와 공구간의 압력에 충분히 견디지 못하여 절삭유의 성능 향상을 이루기 어렵고, 15 ㎚를 초과할 경우에는 상기 육방구조의 질화붕소가 절삭 시 피절삭재와 공구사이에 위치할 확률을 높이기 위해 상기 첨가되는 질화붕소의 양을 증가시켜야 한다.
이에, 상기 질화붕소는 2 내지 8 ㎚, 보다 바람직하게는 3 내지 5 ㎚의 두께를 갖는다.
또한, 상기 본 발명의 질화붕소는 D50 크기가 200 내지 700 nm로, 여기서, D50은 누적백분율이 50%인 입자의 크기로 중간 입자크기(median diameter)를 의미하며, D50 크기가 700nm를 초과할 경우에는 피절삭재와 공구사이에 hBN이 위치할 확률이 감소되어 내마모성 향상 정도가 크지 않다.
이러한 질화붕소를 포함한 필러는 절삭유에 첨가되어 내마모성을 향상시킬 수 있다.
상기 필러는 무색투명한 액체로 절삭유에 첨가 및 혼화될 시, 절삭유에 용이하게 분산되어 혼화된다. 이에, 상기 필러는 일반적인 교반방법, 예를 들면 고속 교반기, 호모지나이저(homogenizer), 고전단(응력) 믹서, 비드(bead) 믹서, 초음파 분산기 등에 의해 절삭유에 혼화될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이때, 상기 필러는 절삭유 100중량부에 대해 0.5 내지 2.0 중량부로 첨가된다.
절삭유는 일반적으로 물에 희석된 상태, 즉 물이 90 내지 95wt%인 희석된 상태로 사용되며, 절삭유 100중량부 기준으로 필러가 0.5 중량부 미만으로 첨가될 때에는 열의 분산에 불리하여 내마모성 정도가 미미하고, 2 중량부 초과할 때에는 공구 표면 위에 박막을 형성하기가 불리하고 응집으로 공구 표면을 손상시킬 수 있어 내마모성 성능을 나타내기 어렵다.
이에, 본 발명은 상기 필러를 절삭유 100중량부에 대해 0.5 내지 2 중량부로 첨가함으로써, 절삭공구의 수명을 KS B ISO 3685(바이트 공구 수명 시험) 기준으로, 필러가 첨가되지 않은 절삭유에 비하여 5 내지 35 % 향상시키는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 절삭유는 수용성 절삭유로, 아민류 성분을 포함할 수도 있다. 상기 아민류는 nomoethanolamine(MEA), diethanolamine(DEA), triethanolamine(TEA) 등 일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 절삭유용 필러를 포함한 절삭유가 제공된다.
이하, 본 발명을 실시예로서 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
1. 필러
필러로서, 300 m2/g 의 표면적과 700 ㎚ 의 평균입자 크기를 갖는 육방정 질화붕소(hBN)를 사용하였다.
2. 필러 첨가유무 및 함량에 따른 절삭유의 윤활성능 측정
상기 필러가 절삭유에 첨가 및 혼화될 시, 절삭유의 윤활성이 향상됨을 입증하기 위하여, 절삭유의 종류 및 상기 필러의 첨가 함량을 달리하여 절삭유의 윤활성능을 측정하였다.
실험 1) 절삭유가 K-OIL MULTI-1000인 경우
(a) 필러 첨가유무 및 함량에 따른 절삭유의 윤활성능 측정
절삭유에 첨가되는 필러의 함량에 따른, 절삭유의 윤활성능 향상 정도를 측정하기 위하여, KS B ISO 3685(바이트 공구 수명 시험)에 따라 절삭가공시간에 따른 절삭 공구 여유면 마모량을 측정하였다.(단, 상기 측정은 대구기계부품연구원(DMI)에서 이루어졌다.)
상기 측정에 사용된 절삭유, 필러, 피절삭재, 절삭공구, 가공기 및 절삭조건은 하기와 같다.
절삭유: K-OIL MULTI-1000(오일코리아(주))의 micro emulsion type의 수용성 절삭유로 희석하여 사용하였다. (절삭유 10wt% ＋ 물 90wt%)
필러: SWG30(300m2/g 의 표면적을 갖는 hBN)을 0ppm(미첨가), 100 ppm(저농도), 500ppm(중농도), 1000ppm (고농도)로 함량을 달리하여 절삭유에 첨가하였다.
피절삭재: 경도 HRc40(HB 370)의 SCM 440 소재(φ100 ㎜ × L 250 ㎜)
절삭공구: 초경(SANDVIK CNMG 120408-PM 4305)
절삭 가공기: Doosan GT2100B에 심압대를 설치하여 피삭재를 고정하였으며, 절삭유가 툴 홀더에서 분사되도록 하여 외경 선삭 가공하였다.
절삭속도
(m/min)		 이송속도
(㎜/rev)		 절삭깊이
(㎜)		 절삭길이/1 pass(㎜)
조건 200 0.25 1.5 180
(b) 필러 첨가유무 및 함량에 따른 절삭유의 마모량 분석
상기 실험 1(a) 조건에서 측정된 절삭 가공시간에 따른 절삭공구 여유면 마모량을 하기 표 2에 나타내었다.
가공시간(min) 마모량(mm)
미첨가(0 ppm) 저농도(100 ppm) 중농도 (500ppm) 고농도 (1000ppm)
1.07 0.074 0.075 0.073 0.065
2.11 0.09 0.083 0.086 0.071
4.09 0.108 0.096 0.094 0.085
5.94 0.11 0.108 0.098 0.119
8.45 0.124 0.131 0.113 0.121
10.65 0.139 0.151 0.141 0.133
12.55 0.16 0.154 0.15 0.149
14.61 0.17 0.171 0.166 0.168
15.80 0.19 0.179 0.177 0.176
17.91 0.209 0.206 0.202 0.209
19.89 0.218 0.22 0.203 0.215
21.74 0.239 0.231 0.217 0.23
24.25 0.255 0.248 0.225 0.244
26.45 0.271 0.265 0.238 0.276
28.35 0.294 0.274 0.247 0.288
30.41 0.307 0.308 0.28 0.315
31.60 0.337 0.327 0.297 0.346
수명 29 분 30 분 31.6 분 29분
이를 참고하면, 300 m2/g 의 표면적과 700 ㎚ 입자크기를 갖는 hBN 필러를 포함함에 따라 절삭 공구의 마모량이 절삭유만을 사용한 경우에 비해 저감된다.
또한, 절삭공구의 수명 판정 기준을 마모량이 0.3 mm가 되는 시간으로 정의할 때, 특히 필러가 500ppm의 중농도로 포함된 경우, 절삭공구의 수명이 약 9% 향상된다.
실험 2) 절삭유가 Daphne Alphacool Ex-1인 경우
(a) 필러 첨가유무에 따른 절삭유의 윤활성능 측정
필러의 첨가 유무에 따른, 절삭유의 윤활성능 변화를 측정하기 위하여, 필러가 첨가된 절삭유를 희석하여, 절삭 공구 수명을 3차에 걸쳐 측정하였다.(단, 상기 측정은 일본 절삭가공업체에서 이루어졌다.)
상기 공구의 수명 판단은 스핀들 부하가 35%가 되는 순간 또는 기계에서 이상음이 들리는 순간의 가공 깊이(절삭 깊이)를 측정하여 그 값을 하기 식에 대입함으로써 이루어졌다.
수명(CC) = (절삭깊이×2) × 15.7(cm3/Z0.5) 이고, 여기서 15.7(cm3/Z0.5)는 가공깊이가 0.5mm 일 때 체적이 15.7cm3 임을 의미한다.
상기 측정에 사용된 절삭유, 필러, 피절삭재, 절삭공구 및 절삭조건은 하기와 같다.
절삭유: Daphne Alphacool Ex-1(Idemitsu 사, 일본)는 emulsion type의 수용성 절삭유를 희석하여 사용하였다. (절삭유 5wt% ＋ 물 95wt%)
피절삭재: 인코넬 718
절삭공구: 쿄세라 라지아스 50파이-5튜브, 돌출 100㎜, 본체 MRX50-S42-12-5T, 튜브 RPGT1204 M0ER-SM
필러: SWG30(300m2/g 의 표면적을 갖는 hBN)을 절삭유에 0ppm(미첨가), 100 ppm(저농도), 500ppm(중농도), 1000ppm (고농도)로 함량을 달리하여 첨가하였다.
주속
(m/min)		 이송속도
(㎜/rev)		 회전
(rpm)		 이송속도
(㎜/min)		 엔터링
(㎜/회)
조건 30 2.5 191 478 0.5
(b) 필러 첨가유무에 따른 절삭공구 수명 분석
상기 실험 2(a) 조건에서 측정된 절삭 가공시간에 따른 절삭공구 여유면 마모량 및 절삭공구의 평균수명을 하기 표 4 에 나타내었다.
필러함량
(ppm)		 절삭깊이 및 평균수명
1차 2차 3차 평균수명
(cc)
절삭깊이
(㎜)		 수명
(cc)		 절삭깊이
(㎜)		 수명
(cc)		 절삭깊이
(㎜)		 수명
(cc)
0 12 376.8 14.5 455.3 11.0 345.4 392.5
100 13 408.2 12.5 392.5 14 439.6 413.4
500 16.5 518.1 15.5 486.7 16.5 518.1 507.6
1000 14.5 455.3 14.5 455.3 15.5 486.7 465.8
이를 참고하면, 필러를 500ppm 포함한 경우, 절삭 가능 깊이가 평균 약 30% 증가되고, 이에 따라 절삭공구의 평균 수명 또한 약 30% 향상된다.
이에, 상기 필러는 절삭유에 첨가되어 절삭유의 윤활성, 내마모성 및 절삭공구의 평균수명을 향상시킴을 알 수 있다.
다만, 상기 대구기계부품연구원과 일본절삭가공업체에서의 실험 결과에 차이가 있는 것은 실험에 사용된 절삭유, 피절삭재 및 절삭 공구가 상이함에 따른 것이다.
3. hBN 필러의 표면적에 따른 절삭유의 윤활성능 측정
상기 hBN 필러가 갖는 표면적 범위에 따른, 절삭유의 윤활 성능 변화를 알아보기 위하여, 절삭유에 표면적이 상이한 육각구조의 질화붕소(hBN)를 필러로서 첨가 및 혼화하여 실험 2와 동일한 방법으로 절삭유의 윤활성능을 측정하고, 이를 표 5에 나타내었다. 단, 첨가되는 필러의 함량은 500ppm으로 하였다.
필러 표면적 (m2/g) 가공깊이 및 평균수명
1차 2차 3차 평균수명
(cc)
절삭깊이
(㎜)		 수명
(cc)		 절삭깊이
(㎜)		 수명
(cc)		 절삭깊이
(㎜)		 수명
(cc)
0 12 376.8 14.5 455.3 11 345.4 392.5
< 50 11.5 361.1 13.5 423.9 13 408.2 397.7
50 ~ 150 14 439.6 13 408.2 13.5 423.9 423.9
150 ~ 600 16.5 518.1 15.5 486.7 16.5 518.1 507.6
> 700 15 471 16 502.4 16 502.4 491.9
상기 표 5를 참고하면, 150 내지 600 m2/g의 표면적을 갖는 hBN을 필러로서 희석된 절삭유에 500ppm 첨가한 경우, 상기 범위를 벗어난 표면적을 갖는 hBN 필러를 사용한 경우에 비해, 절삭깊이(절삭 가능 깊이) 및 절삭공구의 수명에 있어서, 현저히 향상된 결과를 나타낸다.
더욱이, 150 내지 600 m2/g의 표면적을 갖는 hBN는 50 m2/g 미만의 표면적을 갖는 hBN 필러에 비해 27% 이상 향상된 평균수명을 나타낸다.
상기 실시예의 결과로부터, 본 발명의 절삭유용 필러는 육방정 구조를 갖는 질화붕소를 포함하되, 상기 질화붕소가 종래기술 또는 시중에 판매되는 질화붕소와 비교하여 박막의 고표면적 hBN임에 따라, 내마모성을 포함한 절삭효율을 향상시킴을 알 수 있다. 즉, 종래기술 및 시중에 판매되는 질화붕소는 다양한 크기를 가지더라도 (1㎛이하, 30 내지 50nm 등) 그 표면적이 100m2/g 미만이고, 두께가 두꺼워 상기 실시예에서 확인한 바와 같이, 저함량 첨가조건에서 절삭효율을 나타낼 수 없다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허법위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (7)

  1. 절삭유에 첨가되어 내마모성을 향상시키는 필러로서,
    육방정(hexagonal)의 구조를 갖고, 100 내지 700 m2/g 의 표면적을 갖는 질화붕소를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 절삭유용 필러.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 질화붕소는 1.5 ㎛ 내지 300 ㎚의 평균 입자크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 절삭유용 필러.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 질화붕소는 두께가 1.0 내지 15 nm인 것을 특징으로 하는, 절삭유용 필러.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 필러는 절삭유 100 중량부에 대해 0.5 내지 2 중량부로 첨가되는 것을 특징으로 하는, 절삭유용 필러.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 절삭유는 수용성 절삭유인 것을 특징으로 하는, 절삭유용 필러.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 절삭유용 필러가 첨가된 절삭유는, 절삭공구의 수명을 KS B ISO 3685 기준으로, 필러가 첨가되지 않은 절삭유에 비하여 5 내지 35 % 증가시키는 것을 특징으로 하는, 절삭유용 필러.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 절삭유용 필러를 포함한 절삭유.
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