WO2024101765A1 - 수계 현탁액 및 이를 포함하는 절삭유제 - Google Patents

수계 현탁액 및 이를 포함하는 절삭유제 Download PDF

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WO2024101765A1
WO2024101765A1 PCT/KR2023/017258 KR2023017258W WO2024101765A1 WO 2024101765 A1 WO2024101765 A1 WO 2024101765A1 KR 2023017258 W KR2023017258 W KR 2023017258W WO 2024101765 A1 WO2024101765 A1 WO 2024101765A1
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WO
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water
particles
aqueous suspension
hbn
boron nitride
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PCT/KR2023/017258
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English (en)
French (fr)
Inventor
최돈철
김용진
정선용
Original Assignee
마이크로컴퍼지트 주식회사
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10M—LUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M125/00—Lubricating compositions characterised by the additive being an inorganic material
    • C10M125/26—Compounds containing silicon or boron, e.g. silica, sand
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10M—LUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M173/00—Lubricating compositions containing more than 10% water
    • C10M173/02—Lubricating compositions containing more than 10% water not containing mineral or fatty oils

Definitions

  • the present invention relates to an aqueous suspension and a cutting emulsion containing the same, and more specifically, to an aqueous suspension and a cutting emulsion containing the same, which contains water, hexagonal boron nitride (hBN) particles, and a dispersant, and the hexagonal boron nitride (hBN) particles are uniformly dispersed for a certain period of time.
  • hBN hexagonal boron nitride
  • hBN hexagonal boron nitride
  • Cutting fluid is used to increase the surface machining precision of the workpiece and extend tool life by acting on the machined surface between the tool and workpiece during the machining process to provide cooling and lubrication.
  • non-water-soluble cutting oil has excellent lubricating performance and is used for precise machining, but has a high fire risk due to the oil's low boiling point and poor cooling performance, making it difficult to apply to hard metals (Ti, Ni, SUS, etc.).
  • water-soluble cutting oil has excellent cooling performance, but its lubrication performance is lower than that of non-water-soluble cutting oil, making it difficult to apply to precision machining of non-ferrous metals.
  • Patent Document 1 Korean Patent No. 10-0665790 discloses a technology for using vegetable oil as a base oil while emphasizing eco-friendliness in consideration of its impact on the environment. However, this is also an oil-based water-soluble cutting oil. The above problem still remains.
  • Patent Document 2 Korean Patent No. 10-2053046
  • Patent Document 3 Korean Patent No. 10-2146032 disclose an eco-friendly water-soluble cutting oil technology using alkaline electrolytic ionized water without using oil, but the metal machinability This is significantly lower than the water-soluble cutting oil of the existing O/W emulsion type, so there appears to be a limit to the application of water-soluble cutting oil.
  • the present invention was designed to solve the above problems, and includes water, hexagonal boron nitride (hBN) particles, and a dispersant, and the hexagonal boron nitride (hBN) particles are uniformly dispersed and maintain a colloidal state for a certain period of time.
  • the purpose is to provide an aqueous suspension and a cutting oil containing it that exhibit superior cutting performance (machining precision of workpieces, wear of tools) compared to existing water-soluble cutting oils of the O/W emulsion type.
  • the present invention further dilutes the aqueous suspension with water and uses it as a cutting emulsion in metal processing, etc., and further adds one or more of alkaline electrolytic water, metal rust preventive, anti-freezing agent, anti-foaming agent, and preservative to improve machining precision of metal workpiece and tool.
  • the other purpose is to provide a cutting fluid based on hexagonal boron nitride particles that not only extends lifespan but also satisfies rust prevention, anti-freeze, anti-foam, and sterilization effects, and is environmentally friendly, especially suitable for ultra-small amount lubrication processing.
  • the aqueous suspension according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes water, hexagonal boron nitride (hBN) particles, and a dispersant, and the hexagonal boron nitride (hBN) particles are hydrophilic and water-wettable. It is preferable that it is a particle.
  • the hexagonal boron nitride (hBN) particles are preferably synthesized at a temperature of 1600° C. or lower.
  • the hexagonal boron nitride (hBN) particles are applied with ultrasound for 24 hours, so that the primary particles and secondary particles preferably have a particle size of 30 to 250 nm based on D50 and 1 ⁇ m or less based on D90. do. Meanwhile, when looking at the particle size from the aspect ratio (3 to 10), it is preferable that the specific surface area is in the range of 10 to 90 m2/g.
  • hBN hexagonal boron nitride
  • the water preferably contains alkaline ion water of pH 10 or higher.
  • the dispersant is preferably used singly or in combination of at least one selected from the group consisting of anionic, cationic, zwitterionic, and nonionic dispersants.
  • a rust preventive an antifoaming agent, an antifreezing agent, and a preservative.
  • a cutting oil according to another embodiment of the present invention is prepared by diluting each of the aqueous suspensions described above with water.
  • the cutting oil is characterized in that it is used in the MQL injection method.
  • the cutting oil preferably further contains at least one selected from the group consisting of alkaline ion water, rust preventive, antifoaming agent, antifreezing agent, and preservative.
  • An aqueous suspension based on hexagonal boron nitride (hBN) particles according to an embodiment of the present invention and a cutting oil containing the same can simultaneously satisfy the lubrication performance of non-aqueous cutting oil and the cooling performance of water-soluble cutting oil.
  • hBN hexagonal boron nitride
  • hBN hexagonal boron nitride
  • water-based suspension according to an embodiment of the present invention is not limited to application as a cutting oil for metal processing, but can also be applied for the purpose of processing workpieces made of other materials such as plastic.
  • the aqueous suspension according to an embodiment of the present invention can be applied to mechanical devices that experience various types of friction and wear through the excellent lubricating function, high thermal conductivity, and release property inherent to the hexagonal boron nitride (hBN) particles. It can also be applied as a lubricant.
  • hBN hexagonal boron nitride
  • Figure 1 is an electron microscope photograph showing the size of hexagonal boron nitride (hBN) primary particles
  • Figure 2 shows the size distribution of hexagonal boron nitride (hBN) secondary particles, measured on the synthesized powder after applying ultrasound, and on the aqueous suspension processed with a high-pressure homogenizer;
  • hBN hexagonal boron nitride
  • Figure 3 is a photograph showing the workpiece processing method for measuring tool wear and surface roughness using SUS304 workpiece
  • Figure 4 is a photo of the cutting process used in comparative examples and examples, showing MQL aerosol atomization spraying (left) and flooding liquid spraying (right).
  • Figure 5 is a photograph showing the method of measuring the wear amount of the flank surface of the end mill tool
  • Figure 6 is a surface roughness measurement photo
  • Figure 7 is a graph showing the results of measuring tool wear on the clearance surface of the end mill.
  • Figure 8 is a graph showing the surface roughness measurement results of the SUS304 workpiece workpiece.
  • An aqueous suspension according to an embodiment of the present invention includes water, hexagonal boron nitride (hBN) particles, and a dispersant.
  • hBN hexagonal boron nitride
  • a dispersant it is important that the hexagonal boron nitride (hBN) particles remain dispersed at a uniform concentration for a long time (1 day or more).
  • hexagonal boron nitride (hBN) particles have a hydrophobic surface, so they do not disperse well in water and have poor aqueous dispersibility, such as floating on the water surface or sinking below the water surface. Therefore, particles manufactured using conventional manufacturing methods can be used as is. I can't.
  • boron nitride (hBN) particles it is preferable to use hydrophilic hBN particles with high dispersibility in water. At this time, hydrophilicity is believed to be expressed by atomic defects on the particle surface, dangling bonds, decomposition of water molecules, and hydroxyl groups resulting from these.
  • the boron precursor and the nitrogen precursor are mixed at a molar ratio of boron:nitrogen of 1:1 and then synthesized at a temperature of 1600°C or lower, for example, at 1500°C for 3 hours in air without controlling the gas atmosphere. Proceed. Prepare the powder obtained by washing and purifying it.
  • Figure 1 is an electron microscope photograph showing the size of a hexagonal boron nitride (hBN) primary particle.
  • the size of the primary particle refers to the size of a single crystal particle observed with a scanning electron microscope.
  • Figure 2 shows the size distribution of hexagonal boron nitride (hBN) secondary particles, measured on the synthesized powder after applying ultrasound (600 W, 35 kHz output), and on the aqueous suspension processed with a high-pressure homogenizer described below. am.
  • the size of the secondary particle is measured with a laser diffraction-based particle size analyzer, and is the size of the primary particle (single crystal particle) or the size of the aggregated particle made by agglomerating two or more of them.
  • D10, D50, and D90 are factors that indicate the size distribution of secondary particles as a result of particle size analyzer measurement.
  • the hexagonal boron nitride (hBN) particles have primary particles and secondary particles having a particle size of 30 to 1000 nm, preferably 30 to 500 nm, and more preferably 30 to 250 nm based on D50, and less than 1 ⁇ m based on D90. It has particle size.
  • the specific surface area ranges from 10 to 90 m2/g considering the aspect ratio (3 to 10).
  • hBN powder of 30nm or less the shape of the particles is close to spherical, and the shear direction of the processing surface is not parallel to the sp2 bonding surface, so it is difficult to expect excellent lubrication performance during metal processing.
  • powder of 1000nm or more it is difficult to expect excellent lubrication performance due to gravity. This is because the dispersibility of hexagonal boron nitride (hBN) particles in aqueous suspensions and metal processing cutting oils containing them is poor due to precipitation, and it is difficult to control the concentration of hBN particles during the processing process, making it difficult to use them as cutting oils.
  • hBN hexagonal boron nitride
  • the specific surface area of hBN particles was measured using a general gas adsorption method, and the reason for limiting the range as above is because it is related to the aspect ratio (degree of flatness, 3 to 10) that deviates from the true sphere, so the primary particle size and aspect ratio are related to the specific surface area above. It is desirable to have a relationship.
  • the dispersant is preferably an anionic dispersant, but anionic, cationic, zwitterionic, nonionic, low-molecular-weight or high-molecular-weight dispersants can be used alone or in combination, but are not limited thereto.
  • the aqueous suspension according to an embodiment of the present invention contains an anionic dispersant, and the hexagonal boron nitride (hBN) powder is contained in a weight ratio of 10 or less based on 100 of water, and the dispersant is usually 10 (dispersant) per 100 of water. It can be used by adding a weight ratio of (100 g/L or less compared to the volume of water).
  • the content of the dispersant can be appropriately selected considering the dilution ratio in water and the content of hBN particles.
  • the content of hexagonal boron nitride (hBN) powder may be 10 or less by weight, preferably 1 or less, based on 100 of water, and is usually 10 (dispersant) per 100 of water. It is desirable to use an appropriate dispersant with a weight ratio of (solid weight of) or less (100 g/L or less relative to the water volume).
  • the content of hexagonal boron nitride (hBN) powder may vary depending on the processing environment such as tool material, tool shape, workpiece material, processing method, supply method, and application field, and the aqueous suspension has a low concentration of less than 0.1 weight ratio. It may be possible.
  • hBN hexagonal boron nitride
  • the water used in the aqueous suspension according to an embodiment of the present invention may be appropriately selected from one or more of distilled water, deionized water, tap water, groundwater, and industrial water. Additionally, the water may be alkaline ionic water of pH 10 or higher and may include electrolytic ionic water having a hydroxyl group, which is produced by electrolysis of water.
  • an aqueous suspension by mixing water, hexagonal boron nitride (hBN) particle powder, and dispersant in appropriate amounts as described above, and then dispersing them through homogenization in a high-pressure homogenizer. do.
  • hBN hexagonal boron nitride
  • the aqueous suspension according to an embodiment of the present invention may further include one or more selected from the group consisting of a rust inhibitor, an antifoaming agent, an antifreezing agent, and a preservative.
  • a rust inhibitor an antifoaming agent
  • an antifreezing agent an antifreezing agent
  • a preservative a preservative
  • the rust preventive agent added to suppress corrosion such as rust of the workpiece metal workpiece is not particularly limited, and one type or a combination of two or more types can be used.
  • amine-based, organic-based, inorganic-based, and non-ferrous metal-based rust preventives can be mixed with distilled water, deionized water, and water to prepare a rust preventive liquid.
  • the rust preventive agent contained in the rust preventive solution is an amine type, and is at least one selected from the group consisting of diethylamine, triethylamine, cyclohexyl amine, ethanolamine, monoethanolamine, triethanolamine, propanolamine, monopropanolamine, and isopropanolamine.
  • the rust preventive contained in the rust preventive liquid is an organic carboxylic acid, and the carboxylic acid is preferably at least one selected from the group consisting of sebacic acid, undecanedioic acid, and dodecanedioic acid.
  • non-ferrous metal rust preventive agents may be benzotriazole, tolytriazole, and mercaptobenzotriazole.
  • An antifoaming agent may be additionally added to suppress foam generated during the manufacturing process of the aqueous suspension and the cutting process using a cutting oil containing it.
  • the antifoaming agent may be a silicone-based antifoaming agent such as polydimethylsiloxane, modified polydimethylsiloxane, organic silicone derivatives, silicone ethoxylate, or silica, which can be used alone or in a mixture of two or more types.
  • aqueous suspension and the cutting oil containing it are used multiple times in the cutting process, microorganisms multiply and cause bad odor.
  • Preservatives that can be added to prevent this, especially in summer, include sodium benzoate, BIT (benzisothiazolinone)-based compounds, and trimethylbenzoate. Triazine compounds, benzotriazole compounds, and tolyltriazole compounds can be used.
  • An anti-freezing agent may be additionally added so that the aqueous suspension and the cutting emulsion containing it can be used even at temperatures below 0 degrees in winter.
  • the antifreeze agent may include one or more ingredients selected from propylene glycol or ethylene glycol.
  • the aqueous suspension according to an embodiment of the present invention may further include one or more selected from the group consisting of Al2O3, MoS2, SiO2, ZrO2, CuO, SiC, TiO2, and diamond powder.
  • the above components preferably have a size of 1 ⁇ m or less based on secondary particle D50.
  • it may further include one or more selected from the group consisting of CNT and graphene. The role of these additional components is to supplement the lubrication mechanism resulting from the unique properties of hBN particles.
  • the cutting oil according to an embodiment of the present invention is prepared by diluting the aqueous suspension described above with an appropriate ratio of water to suit the use environment or processing purpose.
  • the amount of water to be diluted is usually 10 to 20 times that of the aqueous suspension, but it may be less or more depending on the processing environment such as tool material, tool type, workpiece material, processing method, supply method, and application field.
  • the cutting oil may further include one or more selected from the group consisting of alkaline electrolyzed water, rust preventive, anti-foaming agent, anti-freezing agent, and preservative, depending on conditions such as use environment or region.
  • the cutting oil is prepared by adjusting and mixing the mixing ratio so that water or alkaline electrolytic water is more than 34 weight ratio, aqueous suspension is 10 weight ratio or less, rust preventive is 20 weight ratio or less, antifreeze is 25 weight ratio or less, antifoam agent is 1 weight ratio or less, and preservative is 10 weight ratio or less. can do.
  • the boron precursor and the nitrogen precursor were mixed at a molar ratio of boron:nitrogen of 1:1, and then the synthesis was performed for 3 hours at 1500°C in air without controlling the gas atmosphere.
  • the powder obtained was washed and purified.
  • a cutting emulsion was prepared by preparing 3L of alkaline electrolytic water with pH 11 without any additives.
  • the low pressure cycle of about 7000 psi was performed five times at a speed of 0.1 L/min in a high pressure homogenizer as in the above examples, and the mixture was heated to about 15000 psi.
  • An aqueous suspension was prepared by dispersion processing through a high-pressure cycle twice. However, after 24 hours, more than 50% of the hexagonal boron nitride (hBN) particles precipitated, making it impossible to produce the desired cutting emulsion.
  • Cutting oil was prepared by diluting 300 g of a commercially available O/W emulsion type water-soluble cutting oil, OLEX CUT 7500FE, in 3 L of tap water. This was put into an MQL feeder and sprayed on the machining area.
  • Cutting oil was prepared by diluting 5 liters of commercially available O/W emulsion type water-soluble cutting oil, OLEX CUT 7500FE, 10 times more with tap water. This was put into a flooding low-pressure pump feeder and sprayed on the machining area.
  • the hBN particles maintained their colloidal state even after 1 day, but in Comparative Example 2, in which no dispersant was used under the same conditions, more than 50% of the hexagonal boron nitride (hBN) particles precipitated after 24 hours. Since it cannot be used as a cutting fluid, the following cutting performance tests were not conducted.
  • hBN hexagonal boron nitride
  • Cutting performance tests were conducted as follows using the remaining cutting oils except Comparative Example 2.
  • the milling machine tool used for the cutting performance test was the Doosan NX6500II machining center, the workpiece metal workpiece was SUS304 100x100x70 (mm3), and the tool was a YG1 10-pie 4-flute end mill.
  • the tool wear of the end mill was measured with Keyence VHX5000, and the surface roughness of the machined surface of the workpiece was measured with Mitutoyo SJ201.
  • the cutting oil atomization MQL supplier sprayed the WINMIST equipment onto the machining area at a speed of 400 cc/hr, and the flooding supplier sprayed the machining area using a general low-pressure pump.
  • the milling cutting process conditions were set as shown in Table 2 below.
  • the workpiece was subjected to side milling, and the three wear points on the end mill's flank surface were measured in 1 pass (10 m) units and the maximum value was recorded.
  • the standard for ending cutting processing was when the wear of the end mill flank surface was 0.2 mm or more or when the processing distance reached 80 m (8 passes).
  • Figure 3 is a photograph showing the workpiece processing method for measuring tool wear and surface roughness with SUS304 workpiece
  • Figure 4 is a cutting processing photograph showing MQL aerosol atomization spray (left) and flooding liquid spray (right)
  • Figure 5 is an end This is a photo showing the method of measuring the amount of wear on the relief surface of a mill tool
  • Figure 6 is a photo of measuring surface roughness.
  • each manufactured cutting fluid is supplied to the same MQL equipment. It was atomized with an aerosol and sprayed on the cutting area.
  • the flooding spraying method used in Comparative Example 4 liquid was sprayed onto the cutting area using a flooding supply method through a low-pressure pump.
  • Figure 7 is a graph showing the results of measuring tool wear on the flank surface of an end mill
  • Figure 8 is a graph showing the results of measuring the surface roughness of the SUS304 workpiece.
  • Figure 8 shows the surface roughness measurement results after completion of cutting for Comparative Examples 3 and 4 and Examples 1, 2, and 3.
  • the examples showed a surface roughness of less than 0.3 ⁇ m, while the comparative examples showed a relatively higher surface roughness of 0.4 ⁇ m or more by more than 30%.
  • This explains the excellent processing precision improvement effect of the hBN aqueous suspension according to an embodiment of the present invention.
  • Even at low concentrations of less than 0.1 weight ratio of hBN particles to 100 water, MQL atomization of existing O/W emulsion type water-soluble cutting oil (comparative example) 3) and Flooding Liquid Injection (Comparative Example 4) shows excellent processing precision regardless of the supply method.
  • an aqueous suspension composed of water, hBN, and dispersant operates as a metalworking cutting fluid with better performance than O/W emulsion-type water-soluble cutting fluid.
  • the aqueous solution obtained by diluting an aqueous suspension consisting of water, hBN particles, and dispersant in water showed superior cutting performance (machining precision of the workpiece, tool wear) compared to the existing water-soluble cutting fluid of the O/W emulsion type.
  • the water-based suspension according to an embodiment of the present invention is not limited to the application of metal processing cutting oil as described above, but can also be applied for the purpose of processing workpieces made of other materials such as plastic.
  • hBN's unique excellent lubricating function, high thermal conductivity, and release properties allow it to be applied as a lubricant to mechanical devices that experience various types of friction and wear.

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Abstract

본 발명은 수계 현탁액 및 이를 포함하는 절삭유제에 관한 것으로, 수계 현탁액은 물, 물에 젖음성 있는 친수성 입자인 육방정계 질화붕소(hBN) 입자, 및 분산제를 포함하고, 육방정계 질화붕소(hBN) 입자가 균일하게 분산되고 일정기간 콜로이드 상태를 유지함으로써 O/W에멀전 타입의 기존 수용성 절삭유 대비 우수한 절삭능을 나타낸다.

Description

수계 현탁액 및 이를 포함하는 절삭유제
본 발명은 수계 현탁액 및 이를 포함하는 절삭유제에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 물, 육방정 질화붕소(hBN) 입자, 분산제를 포함하고 육방정계 질화붕소(hBN) 입자가 균일하게 분산되고 일정기간 콜로이드 상태를 유지함으로써 O/W 에멀전 타입의 기존 수용성 절삭유 대비 우수한 절삭능을 나타내며 다양한 분야의 가공에 필요한 냉각과 윤활 기능을 부여하는 육방정 질화붕소 입자 기반의 수계 현탁액 및 이를 물로 추가로 희석하여 사용하는 절삭유제에 관한 것이다.
절삭유제(cutting fluid)는 가공 공정 중에 공구와 피삭재 상호간 가공면에 작용하여 냉각과 윤활 기능을 부여함으로서 피삭재의 표면가공 정밀도를 높이고 공구수명을 연장하는 목적으로 사용된다.
이러한 절삭유제는 크게 오일 기반의 비수용성 절삭유와 물에 희석해 사용하는 수용성 절삭유로 구분된다. 이 중에서 비수용성 절삭유는 윤활 성능이 우수하여 정밀한 가공에 사용되나 오일의 비점이 낮아 화재 위험성이 높고 냉각 성능이 떨어져 단단한 금속(Ti, Ni, SUS 등)에 적용이 어렵다. 이에 비해 수용성 절삭유는 냉각 성능은 우수하나 비수용성 절삭유 대비 윤활 성능이 떨어져 비철금속의 정밀 가공에 적용하기 어렵다.
또한, 종래의 오일 기반의 비수용성 절삭유는 물론 수용성 절삭유는 주로 석유계 및 에스테르계 식물성 오일을 사용하여 제조한 것을 물과 희석하여 사용하는 것으로, 절삭유를 재활용하는 과정에서 미생물 증식에 의해 썩는 문제가 있고, 역한 냄새가 많이 발생하여 작업자로 하여금 불편함을 느끼게 하여 작업환경이 좋지 않은 문제가 있으며, 수용성 절삭유의 경우 포함된 오일에 의해 폐수 처리가 난해한 문제가 있고 비수용성 절삭유는 연소시켜 없애므로 많은 이산화탄소가 발생하는 등 단점이 있다.
한편, 특허문헌 1(한국 등록특허 제10-0665790호)에는 이러한 환경에의 영향을 고려하여 친환경성을 강조하면서 기유로서 식물성유를 사용하는 기술이 공개되어 있지만 이 역시 오일 기반의 수용성 절삭유제로서 상기 문제는 여전하다. 또한, 특허문헌 2(한국 등록특허 제10-2053046호) 특허문헌 3(한국 등록특허 제10-2146032호)에는 오일을 사용하지 않고 알카리성 전해이온수를 적용한 친환경 수용성 절삭유 기술이 공개되어 있지만, 금속가공성이 기존 O/W 에멀전 타입의 수용성 절삭유 대비 크게 낮아 수용성 절삭유 적용에 한계가 있을 것으로 보인다.
따라서 비수용성 절삭유의 윤활 성능과 수용성 절삭유의 냉각 성능을 동시에 충족하며, 오일을 사용하지 않는 탄소중립, 절삭유제 사용량을 최소화하는 청정가공, 폐수 및 폐유가 발생되지 않거나 획기적으로 감소된 자원순환 방식의 절삭유제가 필요한 상황이다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 고안된 것으로, 물, 육방정계 질화붕소(hBN) 입자, 분산제를 포함하고, 육방정계 질화붕소(hBN) 입자가 균일하게 분산되고 일정기간 콜로이드 상태를 유지함으로써 O/W 에멀전 타입의 기존 수용성 절삭유 대비 우수한 절삭능(피삭재의 가공정밀도, 공구의 마모도)을 나타내는 수계 현탁액 및 이를 포함하는 절삭유제를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 수계 현탁액을 물로 더 희석하여 금속가공 등에 절삭유제로서 사용하되, 알카리 전해수, 금속 방청제, 동결방지제, 소포제, 방부제 중 하나 이상을 더 투입하여 피삭재 금속공작물의 가공정밀도 향상, 공구수명 연장 뿐만 아니라 방청, 동결방지, 거품억제, 살균 효과를 충족하는 육방정 질화붕소 입자 기반의 절삭유제를 제공하여 친환경적이며 특히 극미량 윤활 가공에 적합한 절삭유제를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 수계 현탁액은, 물, 육방정계 질화붕소(hBN) 입자, 및 분산제를 포함하고, 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 물에 젖음성 있는 친수성 입자인 것이 바람직하다.
상기 실시예에서, 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 1600℃ 이하의 온도에서 합성된 입자인 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 초음파 24시간 인가를 통해, 1차입자 및 2차입자가 D50 기준으로 30~250nm 범위와 D90 기준으로 1um 이하의 입자크기를 가지는 것이 바람직하다. 한편 상기 입자 크기를 종횡비(3~10) 관점에서 보면 비표면적이 10~90m2/g 범위를 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자를 상기 물 대비 10 이하의 중량부로 혼합하고, 상기 분산제는 상기 물 대비 10 이하의 중량비(분산제의 고형분 무게)로 혼합하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, 상기 물은 pH10 이상의 알카리 이온수를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, 상기 분산제는 음이온성, 양이온성, 양쪽 이온성, 비이온성 분산제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 단독 또는 조합하여 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, 방청제, 소포제, 동결방지제, 방부제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예에서, 2차입자 D50 기준 1um 이하 크기를 가진 Al2O3, MoS2, SiO2, ZrO2, CuO, SiC, TiO2, 다이아몬드 분말로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 실시예에서, CNT, 그래핀으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 절삭유제는, 위에 기재된 각각의 수계 현탁액을 물로 희석하여 제조된다.
상기 절삭유제는 MQL 분사방식에 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 절삭유제는 알카리 이온수, 방청제, 소포제, 동결방지제, 방부제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 육방정계 질화붕소(hBN) 입자 기반의 수계 현탁액 및 이를 포함하는 절삭유제는 비수용성 절삭유의 윤활 성능과 수용성 절삭유의 냉각 성능을 동시에 충족할 수 있다.
또한, 오일을 일체 사용하지 않는 탄소중립, 절삭유 사용량을 최소화하는 청정가공, 폐유가 발생되지 않고 악취 발생을 최소화하는 등 쾌적한 작업환경을 구축하는 친환경, 육방정계 질화붕소(hBN) 입자를 수거하여 재활용하는 자원순환 방식의 절삭유제로 기능할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수계 현탁액은 금속가공용 절삭유제 적용에 한정하지 않고 플라스틱 등 다른 소재로 구성된 피삭재 공작물을 가공하는 목적으로도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수계 현탁액은 육방정계 질화붕소(hBN) 입자 고유의 우수한 윤활 기능 및 높은 열전도도, 이형성을 통해 다양한 형태의 마찰, 마모가 발생하는 기계장치에 적용할 수 있는 윤활제로도 적용할 수 있다.
도 1은 육방정 질화붕소(hBN) 1차입자의 크기를 나타내는 전자현미경 사진이고,
도 2는 육방정 질화붕소(hBN) 2차입자의 크기분포로서, 합성후 분말을 초음파 인가후 측정한 것과, 고압균질기로 가공한 수계 현탁액에 대해 측정한 결과이고,
도 3은 SUS304 피삭재로서 공구마모량, 표면거칠기 측정을 위한 피삭재 가공방식을 나타낸 사진이고,
도 4는 비교예, 실시예에 사용된 절삭가공 사진으로 MQL 에어로졸 무화 분사(왼쪽), Flooding 액상 분사(오른쪽)를 나타내고,
도 5는 엔드밀 공구의 여유면 마모량 측정방식을 나타낸 사진이고,
도 6은 표면조도 측정사진이고,
도 7은 엔드밀 여유면 공구마모도 측정결과를 나타낸 그래프이고,
도 8은 SUS304 피삭재 공작물 표면거칠기 측정결과를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 상세히 설명한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수계 현탁액은, 물, 육방정계 질화붕소(hBN) 입자, 및 분산제를 포함한다. 이러한 현탁액 중에서 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자가 균일한 농도로 장시간(1일 이상) 분산상태를 유지하는 것이 중요하다.
육방정계 질화붕소(hBN) 입자 합성
일반적으로 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 소수성 표면을 가지므로 물에 잘 분산되지 않고 물 표면 위에 부유하거나 수면 아래로 가라앉는 등 수계 분산성이 좋지 않으므로 종래의 제조 방법으로 제조된 입자를 그대로 사용할 수 없다.
따라서 본 발명에서는 고상의 붕소 전구체 및 질소 전구체를 사용하여 통상적으로 제조하는 방식인 질소, 아르곤 등 불활성 분위기의 열처리로에서 합성하지 않고, 가스 분위기를 제어하지 않은 공기중 열처리로에서 합성하여 얻은 육방정계 질화붕소(hBN) 입자로서 물에 높은 분산성을 가진 친수성 hBN 입자를 사용하는 것이 바람직하다. 이때 친수성은 입자 표면의 원자단위 결함, 댕글링 본드, 물분자의 분해 및 이들로 인한 수산기에 의해 발현되는 것으로 판단된다.
좀 더 자세히 설명하면, 붕소 전구체와 질소 전구체를 붕소:질소 1:1 몰비로 혼합한 후 가스 분위기를 제어하지 않은 공기 중에서 1600℃ 이하의 온도에서, 예를 들어 1500℃ 온도에서 3시간동안 합성을 진행한다. 이를 세정 및 정제하여 얻은 분말을 준비한다.
도 1은 육방정 질화붕소(hBN) 1차입자의 크기를 나타내는 전자현미경 사진으로, 1차입자의 크기는 전자주사현미경으로 관찰한 단결정 입자의 크기를 의미한다.
도 2는 육방정 질화붕소(hBN) 2차입자의 크기분포로서, 합성후 분말을 초음파 인가(600W, 35kHz 출력)후에 측정한 것과, 이하에서 설명하는 고압균질기로 가공한 수계 현탁액에 대해 측정한 결과이다. 여기서 2차입자의 크기는 레이저회절법 기반의 입도분석기로 측정한 것으로, 1차입자(단결정 입자)의 크기 또는 이들이 2개 이상 응집된 응집입자의 크기이다. D10, D50, D90은 입도분석기 측정 결과로서 2차입자의 크기분포를 나타내는 인자이다.
상기 육방정 질화붕소(hBN) 입자는, 1차입자 및 2차입자가 D50 기준으로 30~1000nm, 바람직하게는 30~500nm, 더욱 바람직하게는 30~250nm의 입자 범위를 가지고, D90 기준으로 1um 이하의 입자크기를 가진다. 비표면적으로는 종횡비를(3~10) 고려해 10~90m2/g 범위를 가진다.
D50 기준으로 30nm 이하의 hBN 분말을 사용하면 입자의 형상이 구형에 근접하여 가공면 전단방향과 sp2 결합면이 평행하지 않아 금속 가공시 우수한 윤활 성능을 기대하기 어렵고, 1000nm 이상의 분말을 사용하면 중력에 의한 침전 발생으로 수계 현탁액 및 이를 포함한 금속가공 절삭유제내 육방정 질화붕소(hBN) 입자의 분산성이 좋지 못하고 가공과정에서 hBN 입자의 농도제어가 어려워서 절삭유제로 사용하기 곤란하기 때문이다.
일반적인 기체흡착법으로 hBN 입자의 비표면적을 측정하였으며 상기와 같이 범위를 한정한 이유는 진구에서 벗어난 종횡비(납작한 정도, 3~10)와 관계되기 때문으로 1차 입자크기와 종횡비가 상기의 비표면적 상관관계를 가지는 것이 바람직하다.
수계 현탁액 제조
상기 공정으로 제조한 육방정계 질화붕소(hBN) 분말을 분산제 없이 물에 투입할 때 고전단력 교반기를 6시간 이상 장시간 사용하여도 24시간 이내에 가라앉는 침전 현상이 발생하여 균일한 육방정계 질화붕소(hBN) 농도 관리가 어렵다. 이에 상기 물 대비 10 이하의 중량비(분산제의 고형분 무게)로 적절한 분산제를 사용하여 1일 이상 보관시에도 육방정계 질화붕소(hBN) 입자가 90% 이상 침전되지 않고 부유한 콜로이드 상태로 존재하는 수계 현탁액을 제조할 필요가 있다.
상기 분산제는 음이온성 분산제가 바람직하나, 음이온성은 물론, 양이온성, 양쪽 이온성, 비이온성 또는 저분자 또는 고분자 분산제를 단독 또는 조합해서 사용 가능하며 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수계 현탁액은 음이온성 분산제를 포함하는 것으로서, 육방정계 질화붕소(hBN) 분말은 물 100을 기준으로 10 중량비 이하로 포함되고, 분산제는 물 100에 대하여 통상 10(분산제의 고형분 무게) 중량비 이하(물 부피 대비 100g/L 이하)를 첨가하여 사용될 수 있다. 상기 분산제의 함량은 물에 희석하는 비율 및 hBN 입자의 함량을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 수계 현탁액에서, 육방정계 질화붕소(hBN) 분말의 함량은 물 100 기준으로 10중량비 이하, 바람직하게는 1중량비 이하일 수 있고, 물 100에 대하여 통상 10(분산제의 고형분 무게) 중량비 이하(물 부피 대비 100g/L 이하)의 적절한 분산제가 사용되는 것이 바람직하다. 여기서 육방정계 질화붕소(hBN) 분말의 함량은 공구재질, 공구형태, 피삭재 재질, 가공방식, 공급방식, 적용분야 등 가공환경에 따라 달라질 수 있고, 상기 수계 현탁액은 0.1중량비 이하의 낮은 농도를 가질 수도 있다.
육방정계 질화붕소(hBN) 입자의 함량이 10중량비를 넘으면, 장시간 분산성을 유지하지 못하고 침전이 가속화하는 문제가 있어 바람직하지 않고, 분산제의 첨가량이 물 100에 대하여 통상 10(분산제의 고형분 무게) 중량비(물 부피 대비 100g/L)를 초과할 경우 가공후 피삭재에 이물질로 작용하는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수계 현탁액에 사용되는 물은, 증류수, 탈이온수, 수돗물, 지하수, 공업용수 중의 하나 이상이 적절히 선택되어 사용될 수 있다. 또한, 상기 물은 pH10 이상의 알카리 이온수로서 물의 전기분해에 의해 제조되는, 수산기를 가진 전해이온수를 포함할 수 있다.
구체적으로는 위에서 설명한, 물, 육방정 질화붕소(hBN) 입자 분말, 및 분산제를 각각 적절한 양 투입하여 혼합한 후, 고압균질기에서의 균질화 작업 등을 통해 분산 처리하여 수계 현탁액을 제조하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수계 현탁액은, 방청제, 소포제, 동결방지제, 방부제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 상기의 각 성분의 혼합 비율 및 투입량은 가공환경 및 적용분야, 절삭유제 제조시 사용되는 물 희석량 등에 따라 적절히 선택될 수 있다.
우선, 피삭재 금속가공물의 녹 등 부식을 억제하고자 추가되는 방청제는 특별히 제한되지 않으며, 1종 또는 2종 이상을 조합하여 사용 할 수 있다. 예컨대, 아민계, 유기계, 무기계, 비철금속계 방청제를 증류수, 탈이온수, 물에 배합하여 방청액으로 제조해 사용할 수 있다. 상기 방청액에 포함되는 방청제는 아민계로는 디에틸아민, 트리에틸아민, 사이클로헥실 아민, 에탄올아민, 모노에탄올아민, 트리에탄올아민, 프로판올아민, 모노프로판올아민 및 이소프로판올아민으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 방청액에 포함되는 방청제는 유기계로는 카르복시산이며, 상기 카르복시산은 세바식산, 운데칸디오산, 도데칸디오산 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 방청액에 포함되는 방청제중 비철금속 방청제는 벤조트리아졸, 톨리트리아졸, 머캅토벤조트리아졸일 수 있다.
상기 수계 현탁액의 제조과정 및 이를 포함하는 절삭유제를 사용한 절삭가공 과정에서 발생하는 거품을 억제하기 위해 소포제를 추가로 첨가할 수 있다. 소포제는 폴리디메틸실록산, 변성폴리디메틸실록산, 유기 실리콘 유도체, 실리콘계 에톡시화물, 실리카 등의 실리콘계 소포제를 단독 혹은 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 수계 현탁액 및 이를 포함하는 절삭유제가 다수회 절삭가공 과정에서 사용되면서 미생물 증식이 되어 악취의 원인이 되므로 특히 여름철 이를 예방하고자 추가로 첨가할 수 있는 방부제는 안식향산소다, BIT(Benzisothiazolinone)계 화합물, 트리아진(Triazine) 화합물, 벤조트리아졸(Benzotriazole) 화합물, 톨리트리아졸(Tolyltriazole) 화합물 등을 사용할 수 있다.
상기 수계 현탁액 및 이를 포함하는 절삭유제가 겨울철 0도 이하의 온도에서도 사용되도록 동결방지제를 추가로 첨가할 수 있다. 동결방지제는 프로필렌글리콜(Propylene Glycol) 또는 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol) 중에서 선택되는 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수계 현탁액은, Al2O3, MoS2, SiO2, ZrO2, CuO, SiC, TiO2, 다이아몬드 분말로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 상기 성분들은 2차입자 D50 기준 1um 이하 크기를 가진 것이 바람직하다. 또한 CNT, 그래핀으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 이들 추가 성분의 역할은 hBN 입자 고유의 특성에 기인한 윤활 기전을 보완하는 역할을 한다.
절삭유제 제조
본 발명의 일 실시예에 따른 절삭유제는, 위에서 설명한 수계 현탁액을 사용 환경이나 가공 목적에 부합하도록 적절한 비율의 물로 희석하여 제조된다. 희석하는 물의 량은 통상 수계 현탁액의 10~20배이지만, 공구재질, 공구형태, 피삭재 재질, 가공방식, 공급방식, 적용분야 등 가공환경에 따라 그보다 적거나 많을 수 있다.
또한, 상기 절삭유제는 사용 환경이나 지역 등의 조건에 따라 알카리 전해수, 방청제, 소포제, 동결방지제, 방부제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 구체적으로는 상기 절삭유제는 물 또는 알카리 전해수 34 중량비 이상, 수계 현탁액 10 중량비 이하, 방청액 20 중량비 이하, 동결방지제 25 중량비 이하, 소포제 1 중량비 이하, 방부제 10 중량비 이하가 되도록 배합비를 조정 혼합하여 제조할 수 있다.
절삭성능 시험
본 발명의 일 실시예에 따른 절삭유제의 절삭성능을 확인하기 위하여 다음과 같이 실시예 및 비교예를 준비하여 테스트를 진행하였다.
우선 실시예 및 비교예에 사용하기 위하여, 붕소 전구체와 질소 전구체를 붕소:질소 1:1 몰비로 혼합한 후 가스 분위기를 제어하지 않은 공기 중에서 1500℃ 온도에서 3시간동안 합성을 진행한 후, 이를 세정 및 정제하여 얻은 분말을 준비하였다.
(실시예 1)
물 10L, 위에서 준비한 육방정계 질화붕소(hBN) 분말 200g, 분산제 Aerosol OT-100 100g을 혼합하여 준비한 후, 고압균질기에서 7000psi 정도의 저압 싸이클로 0.1L/min 속도로 5회 진행하고 15000psi 정도의 고압 사이클로 2회 진행하여 분산 가공하여 제조한 수계 현탁액을 15g 소분하여 수돗물 3L에 희석하여 절삭유제를 제조하였다. 이를 MQL 공급기에 투입하여 가공부위에 분사하였다.
(실시예 2)
물 10L, 위에서 준비한 육방정계 질화붕소(hBN) 분말 200g, 분산제 Aerosol OT-100 100g을 혼합하여 준비한 후, 고압균질기에서 7000psi 정도의 저압 싸이클로 0.1L/min 속도로 5회 진행하고 15000psi 정도의 고압 사이클로 2회 진행하여 분산 가공하여 제조한 수계 현탁액을 45g 소분하여 수돗물 3L에 희석하여 절삭유제를 제조하였다. 이를 MQL 공급기에 투입하여 가공부위에 분사하였다.
(실시예 3)
물 10L, 위에서 준비한 육방정계 질화붕소(hBN) 분말 200g, 분산제 Aerosol OT-100 100g을 혼합하여 준비한 후, 고압균질기에서 7000psi 정도의 저압 싸이클로 0.1L/min 속도로 5회 진행하고 15000psi 정도의 고압 사이클로 2회 진행하여 분산 가공하여 제조한 수계 현탁액을 15g 소분하여 알카리 전해수(pH11) 300g, 수돗물 3L에 희석하여 절삭유제를 제조하였다. 여기서 알카리 전해수를 별도로 투입한 이유는 pH를 상향하여 수계 살균 및 세정효과를 부여하기 위한 것이다. 이를 MQL 공급기에 투입하여 가공부위에 분사하였다.
(비교예 1) 알카리 전해수
어떠한 첨가제도 없이 pH11인 알카리성 전해수 3L를 제조하여 절삭유제를 제조하였다.
(비교예 2) 물과 육방정 질화붕소(hBN) 입자만으로 구성된 수용액
증류수 물 10L에 위에서 준비한 육방정계 질화붕소(hBN) 200g을 투입한 후, 위의 실시예들에서와 동일하게 고압균질기에서 7000psi 정도의 저압 싸이클로 0.1L/min 속도로 5회 진행하고 15000psi 정도의 고압 사이클로 2회 진행하여 분산 가공하여 제조한 수계 현탁액을 제조하였다. 그러나 24시간 경과한 후 육방정 질화붕소(hBN) 입자가 50% 이상 대부분 침전하여 원하는 절삭유제를 제조하지는 못했다.
(비교예 3) O/W 에멀전 타입의 수용성 절삭유를 MQL 공급방식으로 무화 분사
시중에 판매되는 O/W 에멀전 타입의 수용성 절삭유 OLEX CUT 7500FE 300g을 수돗물 3L에 희석하여 절삭유제를 제조하였고 이를 MQL 공급기에 투입하여 가공부위에 분사하였다.
(비교예 4) O/W 에멀전 타입의 수용성 절삭유를 Flooding 공급방식으로 액상 분사
시중에 판매되는 O/W 에멀전 타입의 수용성 절삭유 OLEX CUT 7500FE 5리터를 수돗물에 10배 더 희석하여 절삭유제를 제조하였고 이를 Flooding 저압펌프 공급기에 투입하여 가공부위에 분사하였다.
위에서 제조방법을 설명한 육방정계 질화붕소(hBN)의 입자 크기분포 및 각 실시예 및 비교예에의 분산성을 아래 표 1에 나타낸다.
각각의 실시예들에서는 hBN 입자가 1일 후에도 콜로이드 상태를 유지하였지만, 동일 조건에서 분산제를 사용하지 않은 비교예 2의 경우 24시간 경과한 후 육방정 질화붕소(hBN) 입자가 50% 이상 침전하여 절삭유제로서 사용이 불가능하므로 이하의 절삭성능 테스트는 진행하지 않았다.
구분 비교예 실시예
1 2 3 4 1 2 3
hBN 1차입자(nm) 측정불가 약 100 측정불가 측정불가 약 100 약 100 약 100
2차 입자 (nm) D10
(분말, 수계현탁액)		 110, 123 110, 123 110, 123 110, 123
D50
(분말, 수계현탁액)
 120, 157 120, 157 120, 157 120, 157
D90
(분말, 수계현탁액)		 160, 207 160, 207 160, 207 160, 207
hBN 분산성(1일후) 측정불가 침전(hBN 입자 50% 이상 침전) 측정불가 측정불가 콜로이드 상태 유지
(hBN 입자 10% 이하 침전)
비교예 2를 제외한 나머지 절삭유제를 사용하여 아래와 같이 절삭능 테스트를 진행하였다. 절삭성능 시험에 사용한 밀링 공작기계는 Doosan NX6500II 머시닝센터, 피삭재 금속공작물은 SUS304 100x100x70(mm3), 공구는 YG1 10파이 4날 엔드밀을 사용하였다. 엔드밀의 공구마모도는 Keyence VHX5000, 피삭재 가공면의 표면거칠기는 미츠토요 SJ201로 측정하였다. 절삭유 무화 MQL 공급기는 WINMIST 장비를 400cc/hr 속도로 가공부위에 분사하였고, Flooding 공급기는 일반 저압펌프를 사용하여 가공부위에 분사하였다. 밀링 절삭공정 조건은 다음 표 2와 같이 설정하였다.
항목 조건 항목 조건
절삭속도(m/min) 100 rpm 3,185
이송속도(mm/min) 1,147 날당이송량(mm/tooth) 0.09
Z축 절입량(mm) 5.0 Y축 절입량(mm) 1.0
피삭재를 측면 밀링 가공하였고, 1pass(10m) 단위로 엔드밀 여유면 마모 3지점을 측정하여 최대값을 기록하였다. 절삭가공 종료 기준은 엔드밀 여유면 마모 0.2mm 이상 또는 가공거리 80m(8pass) 도달시점으로 하였다.
도 3은 SUS304 피삭재로서 공구마모량, 표면거칠기 측정을 위한 피삭재 가공방식을 나타낸 사진이고, 도 4는 절삭가공 사진으로 MQL 에어로졸 무화 분사(왼쪽), Flooding 액상 분사(오른쪽)를 나타내고, 도 5는 엔드밀 공구의 여유면 마모량 측정방식을 나타낸 사진이고, 도 6은 표면조도(표면거칠기) 측정사진이다.
절삭가공 중에 절삭유제의 공급방식과 관련하여 자세히 설명하면, 비교예 1, 3, 및 실시예들에 사용된 MQL(극미량 윤활; Minimal Quantity Lubrication) 공급 방식에서는 제조된 각각의 절삭유제를 동일한 MQL 장비에 투입하여 에어로졸로 무화시켜 절삭가공 부위에 분사하였다. 또한, 비교예 4에 사용된 Flooding 분사 방식에서는 저압펌프를 통해 Flooding 공급방식으로 액상으로 절삭가공 부위에 분사하였다.
위와 같은 절삭성능 테스트 결과, 비교예 1과 같이 알카리 전해수만을 절삭유제로 사용할 경우 피삭재 금속공작물의 절삭가공이 어려웠고 공구마모도가 심하여 절삭초기 가공을 중단하였다. 윤활기능 없이 냉각기능 만으로 절삭가공이 원활하게 수행되지 않는 것으로 판단하였다.
시판 중인 O/W 에멀전 타입의 수용성 절삭유를 사용한 비교예 3의 경우, 가공과정에서 연기가 발생하고 오일이 타는 듯한 냄새가 발생하였다. 따라서 오일 기반의 절삭유제는 MQL 분사방식에는 적용하기 어렵다는 점을 확인하였다.
도 7은 엔드밀 여유면 공구마모도 측정결과를 나타낸 그래프이고, 도 8은 SUS304 피삭재 공작물 표면거칠기 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 7에서 확인할 수 있듯이 실시예 1, 2, 3은 7pass(70m)까지 공구마모가 급격히 발생하지 않고 안정적인 성능을 나타낸 반면, 비교예 3, 4는 6pass(60m) 이하에서 공구마모도가 급격히 증가하였다. 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 육방정 질화붕소(hBN) 기반의 절삭유제의 우수한 공구마모도 저하효과를 설명하는 것으로 보인다. 물 100 대비 hBN 입자 0.1중량비 이하의 저 농도에서도 기존의 O/W 에멀전형 수용성 절삭유의 MQL 무화(비교예 3) 및 Flooding 액상분사(비교예 4) 공급방식에 무관하게 상대적으로 우수한 절삭능을 나타내는 것이다. 즉, 물, hBN, 분산제로 구성된 수계 현탁액이 종래의 O/W 에멀전형 수용성 절삭유보다 우수한 성능의 금속가공 절삭유제로 동작한다는 것을 보여준다.
도 8은 비교예 3, 4 및 실시예 1, 2, 3에 대해 절삭가공 종료후 표면조도(표면거칠기) 측정결과를 나타낸다. 실시예들은 0.3um 미만의 표면조도를 나타낸 반면 비교예들은 0.4um 이상의 상대적으로 30% 이상 높은 표면조도를 나타내고 있다. 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 hBN 수계 현탁액의 우수한 가공정밀도 개선효과를 설명하는 것으로, 물 100 대비 hBN 입자 0.1중량비 이하의 저 농도에서도 기존의 O/W 에멀전형 수용성 절삭유의 MQL 무화(비교예 3) 및 Flooding 액상분사(비교예 4) 공급방식에 무관하게 우수한 가공정밀도를 나타내는 것이다. 즉, 물, hBN, 분산제로 구성된 수계 현탁액이 O/W 에멀전형 수용성 절삭유보다 우수한 성능의 금속가공 절삭유제로 동작한다는 것을 보여준다. 종합하면 물, hBN 입자, 분산제로 구성된 수계 현탁액을 물에 희석한 수용액이 O/W 에멀전 타입의 기존 수용성 절삭유 대비 우수한 절삭능(피삭재의 가공정밀도, 공구의 마모도)을 나타내었다.
또한 추가실험을 통해 알카리 전해수, 금속 방청제, 동결방지제, 소포제, 방부제 중 하나 이상을 더 투입하여 피삭재 금속공작물의 표면거칠기 개선, 공구마모도 개선 뿐만 아니라 방청, 동결방지, 거품억제, 살균 효과를 충족한다는 것을 확인하였다. 이는 금속가공을 위해 오일 성분을 포함하지 않아 친환경적이며 특히 극미량 윤활 가공에 적용할 수 있다는 것을 보여준다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수계 현탁액은 위와 같은 금속가공 절삭유제 적용에 한정하지 않고 플라스틱 등 다른 소재로 구성된 피삭재 공작물을 가공하는 목적으로도 적용할 수 있다. 또한 hBN 고유의 우수한 윤활 기능 및 높은 열전도도, 이형성을 통해 다양한 형태의 마찰, 마모가 발생하는 기계장치에 적용할 수 있는 윤활제로도 적용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 물, 육방정계 질화붕소(hBN) 입자, 및 분산제를 포함하고,
    상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 물에 젖음성 있는 친수성 입자인, 수계 현탁액
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 초음파 24시간 인가를 통해, 1차입자 및 2차입자가 D50 기준으로 30~250nm 범위와 D90 기준으로 1um 이하의 입자크기를 가진 입자인, 수계 현탁액
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 1600℃ 이하의 온도에서 합성된 입자인, 수계 현탁액
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자를 상기 물 대비 10 이하의 중량비로 혼합하고, 상기 분산제는 상기 물 대비 10 이하의 중량비(분산제의 고형분 무게)로 혼합한, 수계 현탁액
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 분산제는 음이온성, 양이온성, 양쪽 이온성, 비이온성 분산제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 단독 또는 조합하여 사용하는, 수계 현탁액
  6. 청구항 1에 있어서,
    방청제, 소포제, 동결방지제, 방부제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는, 수계 현탁액
  7. 청구항 1에 있어서,
    2차입자 D50 기준 1um 이하 크기를 가진 Al2O3, MoS2, SiO2, ZrO2, CuO, SiC, TiO2, 다이아몬드 분말이나 CNT, 그래핀으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는, 수계 현탁액
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중의 어느 하나의 청구항에 기재된 수계 현탁액을 물로 희석한, 절삭유제
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 절삭유제는 MQL 분사방식에 사용되는, 절삭유제
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