KR100717210B1 - 에너지 절감형 청정 냉간단조용 백색표면윤활제 조성물 - Google Patents

에너지 절감형 청정 냉간단조용 백색표면윤활제 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉간단조 공정에서 성형 전에 소재의 표면에 윤활피막을 형성하기 위한 에너지 절감형 청정 냉간단조용 백색표면윤활제 조성물에 관한 것으로서, 그 목적은 본 발명의 수용성의 표면 윤활처리제를 이용하여 냉간단조 공정에서의 표면 윤활처리제는 10여개의 공정으로 진행되는 수질 및 대기 환경공해가 가장 심한 화상피막공정을 제거하고, 단조물에 직접 윤활제를 코팅 처리하여 단조를 함으로서 75%이상의 에너지를 절감하고, 폐수의 발생을 최소함으로서 수질환경오염을 90%이상 줄이고, 증기 발생을 억제함으로서 작업환경도 50%이상 크게 개선하고, 종래에는 이황화몰리브덴, 흑연, 카본 등을 사용함으로서 단조후의 작업장 주변과 작업자 및 단조물이 흑색으로 오염되어 미관상 불량하고, 주변 환경을 오염시킴에 따라. 상기와 같은 이황화몰리브덴, 흑연, 카본 등의 흑색 소재를 탈피하여 백색 소재로 개발함으로서 주변 환경의 청정, 원가절감, 단조물의 품질향상, 작업공정의 단순화 등의 효과를 거두었으며, 또한, 침강안정성과 소포력이 우수하며, 단조 작업시에 안료의 휘산성이 아주 낮고, 단조 제품과 금형의 윤활성을 높여주고, 소착을 방지하며, 높은 정밀도의 제품을 얻을 수 있고, 금형 보호에 의한 금형의 수명연장과 단조 제품의 방청성에도 탁월한 효과가 있는 냉간단조용 표면 윤활처리제는 인산 또는 인산염 45-95중량%, 산화금속 5-55중량%이며, 물에 분산시켰을 경우의 수분산 용액의 농도는 고형분으로 5-45중량%, 따라서, 수용액기준으로 인산 및 인산염 4.5-27중량%, 산화금속 0.5-16중량%, 나머지는 정제수로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.
냉간단조, 윤활피막, 윤활제, 인산염, 산화금속

Description

에너지 절감형 청정 냉간단조용 백색표면윤활제 조성물{The Composition of Clean Energy-saving Surface Lubricant For Cold Pozing Process}
본 발명은 에너지 절감형 청정 냉간단조용 백색표면윤활제 조성물에 관한 것이다.
통상, 단조는 금속덩어리나 두꺼운 판을 가압하여 변형시키는 금속 가공방법의 하나로서, 고온에서 가공하는 열간단조와, 열간보다 저온의 온간 및 상온에서 가공하는 냉간단조가 있다. 이 냉간단조는 높은 정밀도를 얻을 수 있는 반면, 표면의 윤활처리가 필요하다.
이상의 냉간단조에서의 표면 윤활처리는 가공시 제품의 윤활성를 높여주고 금형과의 소착을 방지하기 위해 소재 표면에 금속 윤활피막인 인산아연과 윤활처리제인 금속비누의 혼합피막을 미리 생성시키기 위해 수행하는 것이다.
종래에 수행되고 있는 표면 윤활처리는 표면에 형성된 스케일을 탈지 및 산세 공정 등으로 제거한 후 인산염을 화학처리하여 피막을 입히고 중화 후, 예열하고, 나트륨 비누를 도포하여 냉간단조시 소재 표면과 금형면에 직접적인 접촉을 막 아줌으로써 성형시에 소착을 방지하여 금형의 수명을 길게 유지한다.
이와 같은 종래의 표면 윤활처리는 그 처리공정에서도 쇼트블라스팅 후 탈지 - 수세 - 산처리 - 수세 - 탕세 - 화성피막 - 수세 - 중화 - 윤활 - 건조 의 10개 공정이 순차적으로 수행되고 있으며, 각 공정별로 탱크 내에 해당 화학약품을 채워놓고 소재를 화학약품으로 채워진 탱크에 장입한 뒤 해당시간만큼 처리하고 완료되면 다음 공정으로 이동시키며, 이러한 10여개의 공정이 완료되면 제품을 취출한다.
종래의 표면 윤활처리 작업의 첫 번째 공정은 탈지(Degreasing) 공정으로서 냉간단조 분야에서 가장 널리 이용되는 방법은 알카리 탈지이다.
알칼리 탈지제는 가격이 저렴하고, 한번 작업으로 모든 오염물질을 제거할 수 있어서 효과적이며, 콘트롤하기가 쉬운 장점이 있다.
그러나 알칼리 탈지제는 반드시 검화 및 유화능력을 가져야하고, 콜로이드상으로 만드는 첨가제를 함유해야 하며, 또한 수세에서 모두 제거될 수 있어야 한다.
상기 알칼리 탈지제로 사용이 가능한 물질로서 기본적인 것은 알칼리 표면활성제 (Alkali Surface Active Agent)이다. 계면활성제(Surfactant)는 낮은 온도에서도 강력한 습윤성으로 인해 표면 장력을 감소시키며, 또한 뛰어난 유화능력과 분산능력을 지닌다.
상기 알카리 탈지제는 첫째, 열처리나 산세정 과정에서 생성된 카본의 타고 남은 검댕(Burnt-on Carbon Smut)을 제거시킬 수 있어야 하고, 둘째, 그리스(Grease)와 오일을 제거시킬 수 있어야 하며, 셋째, 냉간 작업 후에 생성된 인산염과 비누의 잔유물을 제거할 수 있어야 하므로, 알칼리 탈지제는 상기한 조건들을 만족시키는 것으로 선택해야 한다.
탈지 공정 후에는 2단 수세를 거친 후 산세정(Pickling) 공정을 수행한다. 열처리나 열간가공(Hot Forming)에 의해 제조된 철이나 스틸 제품의 표면에는 스케일(Scale)이 형성되는데, 이러한 스케일을 제거하기 위해서는, 공정에 투입하기 전에는 쇼트블라스팅(Shot Blasting)을 수행하고, 공정에 투입되었다면 산세정을 수행한다. 냉간단조 공정에서는 일반적으로 쇼트블라스팅을 수행하고 있으므로, 산세정은, 소지의 표면적을 증대하여 인산아연피막의 형성 및 피막중량을 높여 냉간단조의 성형성을 높여주기 위해 필요한 것이다.
산세정한 후에는 수세 및 탕세를 거치고 나서 인산아연 피막 공정을 수행한다. 인산아연 피막은 냉간단조시 성형성을 증대시키고, 후공정인 윤활공정에서 비누의 부착을 도와주는 역할을 한다.
인산아연 피막 공정에서 사용되는 용액은 스틸 표면에서의 유리산의 공격 및 인산염 결정의 석출에 의해 피막을 형성한다. 그러므로 용액 내부로 약간의 철이 용해되면 곧 철과 아연이 혼합된 인산염(Iron and Zinc Phosphate)이 스틸 표면에 부착하여 피막을 형성한다. 여기에 관련된 화학적 현상은 상당히 복잡하나 다음과 같이 간단하게 나타낼 수 있다.
먼저, 금속 표면과 유리 인산과의 상호 반응으로 인해 최초의 산세정 반응이 철(Fe)과 인산의 반응에 의해 가용성 제1철인산염(Ferrous Phosphate / [2Fe(H2PO4)2])이 생성된다.
다음, 금속과 용액의 경계 면에서 국부적인 pH 증가로 인해 불용성인 인산아 연염(Zinc Phosphate/[Zn3(PO4)2])이 생성된다. 용액 내에서 Zn(H2PO4)2는 불용성의 Zn3(PO4)2 및 H3PO4와 평형 관계에 놓여있다. 그러므로 반응을 역전시키거나 작업용액에 유리인산을 가할 경우에는 용해성의 인산아연염(Zinc Phosphate)는 철과 접촉함으로써 유리 인산이 감소할 경우에만 생성된다.
따라서, 인산염 피막의 침전부착을 위한 전반적인 반응 메커니즘으로 인산아연 피막처리를 한 다음에는 수세하고, 중화(Neutralising Rinse) 공정을 수행한다.
상기 중화공정은 후공정인 윤활공정에서 금속비누의 효과를 증대하기 위해 처리하는 공정으로서, 중화 수세시 사용되는 용액은 규칙적인 첨가에 의해 반드시 표시된 농도가 일정하게 유지되도록 해야 한다.
그러나, 규칙적으로 약품을 첨가할지라도 중화수세는 점차적으로 오염되어 그 효력을 상실하며, 따라서, 규칙적으로 용액을 폐기해야 한다. 일반적으로 1주일에 1번씩 재 건욕하는 것이 좋으며, 이와 같이 중화수세 용액을 잘 관리하는 것이 매우 중요하다. 금속비누 배스(Bath)가 가장 비싸며 그 관리도 중요하다.
중화공정 이후에는 금속윤활 공정을 수행한다. 콜드 헤딩(Cold Heading)의 경우, 반응성을 가진 비누로 싱글 홀 사이징(Single Hole Sizing) 혹은 캘리브레이션 패스(Calibration Pass)의 드로(Draw)에 필요한 윤활을 생성할 뿐 아니라, 계속해서 뒤따르는 다단계 헤딩을 위해 적당한 잔류 윤활제를 제공한다.
상기 금속비누는, 수명을 연장시키는 성분이 첨가되어 있으며, 이들 주성분은 높은 등급의 나트륨 스테아린산염 (Sodium Stearate), 부식방지제, 인산염피막과의 반응을 촉진시키기 위한 반응 첨가제, 그리고 물의 경화를 극복하기 위한 염 의 성분들로 구성된다.
이상과 같이, 복잡한 공정과 환경적으로 문제점이 있는 것을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 10여개의 공정이 순차적으로 수행되고 있는 종래의 윤활처리 공정에서 쇼트블라스팅 후 탈지 - 수세 - 산처리 - 수세 - 탕세 - 화성피막 - 수세 - 중화 - 윤활 - 건조 의 10개 공정을 쇼트블라스팅 후 탕세 - 윤활 - 건조의 3개 공정으로 대체함으로서 종전의 탈지, 탕세, 화성피막, 중화, 윤활 공정에서 60~90℃로 가온함에 따라 발생되는 에너지 비용을 본 발명의 탕세와 윤활 2개의 공정에서 40~60℃의 가온으로 가능하게 함으로서 약 75% 이상의 에너지 절감이 가능하고, 탈지, 탕세, 화성피막, 중화, 윤활 공정에서 발생되는 약품 폐액과 각 공정의 수세수의 방류로 인한 폐수를 발생시키지 않게 됨으로서 환경오염을 획기적으로 약 90%이상 줄일 수 있으며, 각종 폐수와 증기 발생을 억제함으로서 작업환경도 50%이상 개선된다.
또한, 종래에는 이황화몰리브덴, 흑연, 카본 등을 사용함으로서 단조후의 작업장 주변과 작업자 및 단조물이 흑색으로 오염되어 미관상 불량하고, 주변 환경을 오염시킴에 따라. 상기와 같은 이황화몰리브덴, 흑연, 카본 등의 흑색 소재를 탈피하여 백색 소재로 개발함으로서 문제를 해결하였다. 따라서 쇼트블라스팅 후 탈지, 수세, 산처리, 수세, 화성피막, 수세, 중화 등의 7개 공정이 생략된 상태로 냉간단조 소재를 화성피막 없이 직접 예열하고, 냉간단조용 윤활처리제를 도포한 후, 건조하여 냉간 단조할 수 있는 3개 공정으로 단축되고, 주변 환경이 청정한 에너지 절감형 청정 냉간단조용 백색표면윤활제 조성물을 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉간단조 공정에서의 에너지 절감형 청정 냉간단조용 백색표면윤활제 조성물에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 윤활처리제는 5~45 중량%의 총고형분이 분산되어있는 수성의 백색 윤활처리제 농축액이고, 윤활처리제를 도포할 때에는, 총고형분이 3.0~15.0% 농도로 희석하여 사용하며, 이 윤활처리제를 침적시키거나 또는 분무시켜 단조소재의 표면적, 즉 1.5~15.0g/㎡ 정도의 중량이 되도록 소재의 표면에 도포하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명에서 사용된 새로운 윤활처리제는, 금속의 냉간단조를 위한 윤활처리제 배합용 윤활처리제 농축액으로 변형율이 높은 냉간단조를 만족시키며, 기본적으로 수성의 백색 액체로서 환경보호, 작업장 위생과 환경, 그리고 단조 작업 후 쉽게 제거되는 제품을 제공하는 것을 목적으로 하여 개발되었다.
상기한 바와 같은 목적으로 개발된 윤활처리제는 중점도 백색의 액상 농축액으로서, 총고형분은 5-45중량%이고, 배합원료는 인산 또는 인산염과 산화금속의 수분산 용액이며, 인산염은 인산의 알카리금속염 또는 1%수용액의 pH가 5.0이하의 인산으로서 예를 들면, 제1인산나트륨 (Mono Sodium Phosphate / NaH2PO4), 제1인산 칼륨 (Mono Potassium Phosphate / KH2PO4), 제1인산칼슘 (Mono Calcium Phosphate / Ca(H2PO4)2H2O), 산성피로인산나트륨 (Sodium Acid Pyrophosphate / Na2H2P2O7), 산성메타인산나트륨 (Acidic Sodium Metaphosphate / NaxHy(PO3)x+y)를 말하며, 산화금속은 산화붕소(B2O3/Boric Oxide), 산화마그네슘(MgO/Magnesium Oxide), 산화알루미늄(Al2O3/Aluminium Trioxide), 산화티타늄(TiO2/Titanium Trioxide), 산화망간(MnO/Manganius Oxide), 산화아연(ZnO/Zinc Oxide), 산화주석(SnO/Stannous Oxide), 삼산화안티몬(Sb2O3/antimony trioxide)등을 말한다.
단, 여기서 총고형분 중 인산 또는 인산염은 중량비로 45-95중량%이며, 산화금속은 중량비로 5-55중량%이며, 물에 분산시켰을 경우의 수분산 용액의 농도는 고형분으로 5-45중량%이다. 따라서, 수용액기준으로 설명하면, 인산 및 인산염은 4.5-27중량%이고, 산화금속은 0.5-16중량%이며, 나머지는 물로 이루어지는 것을 전제로 한 에너지 절감형 청정 냉간단조용 백색표면윤활제 조성물에 관한 것이다.
이상의 구성비로 제조된 윤활처리제 농축액은 백색의 수성 농축액으로 납품될 수 있으며, 윤활처리제를 도포할 때에는, 총고형분이 3.0~15.0% 농도로 희석하여 사용하며, 이 윤활처리제를 침적시키거나 또는 분무시켜 단조소재의 표면적, 즉 1.5~15.0g/㎡ 정도의 중량이 되도록 소재의 표면에 도포하는 것이 바람직하다.
이상의 구성비에 있어서, 인산 또는 인산염은 중량비로 45-95중량%로서 45중량%이하가 되면 산화금속에 대한 용해력이 떨어져 침강안정성이 불량해지고, 안료의 결합력이 없어 단조시 안료의 휘산이 심하여 작업환경이 불량하며, 95중량%이상 이 되면 윤활성이 떨어지고,
산화금속은 중량비로 5-55중량%로서 5중량%이하가 되면 점도가 낮고, 윤활성이 떨어지며, 55중량%이상이 되면 단조물과 금형과의 치수 공차가 너무 커서 단조물의 품질과 금형의 수명을 떨어뜨리며, 점도가 너무 높아 단조물에 코팅시에 레벨링이 불량하여 단조작업이 불량이 될 수 있다.
이하 실시예와 비교예를 들어 본 발명을 상세히 설명하지만, 이는 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
[실시예1-5]
하기 표 1에 기재된 양으로 상온에서 정제수를 교반조에 넣고, 여기에 인산 또는 인산염을 넣어서 용해하여 수용액으로 하고, 여기에 미리 준비된 산화금속분말을 서서히 넣어서 충분히 용해, 분산시킨다.
그 후, 균질용액을 볼밀에 넣고, 세라믹 볼을 혼합용액 높이의 100%가 되게 넣은 후, 상온에서 72시간 밀링 작업한 후, 정제수를 가하여 총고형분이 3.0~15.0% 농도로 희석한다. 이 윤활처리액을 상온 또는 약 70∼90℃로 가온하여 단조 소재를 침적시키거나 또는 분무시켜 단조 소재의 표면적, 즉 1.5~15.0g/㎡ 정도의 중량이 되도록 소재의 표면에 도포하여 열풍 건조하여 단조물의 윤활처리제의 도포를 완료한다.
이와 같이 제조된 윤활처리제의 pH와 점도, 침강안정성을 확인한 후, 윤활처 리 된 단조물의 표면상태와 단조시의 윤활성과 안료휘산성을 관찰하여 평가하여 표 1을 만들었다.
[시험결과]
침강안정성은 사용농도(총고형분이 3.0~15.0%)로 희석한 후 72시간 방치하였을 때, 상분리가 일어나지 않았으며, 침전물도 가벼운 진동으로 쉽게 재분산 되었다.
코팅상태 및 윤활성, 안료휘산성은 단조시험에서 모두 우수한 결과를 확인할 수 있었다.
[표 1]
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 기 준
제조 배합비
정제수 94.0 23.0 72.0 60.0 55-95
인산(98%) 5.0 - - - 4.5-27 중량%
제1인산나트륨 - 12.0 - -
제1인산칼륨 - - 18.0 -
산성피로인산나트륨 - - - 25.0
산화붕소 1.0 - - - 0.5-16 중량%
산화알루미늄 - 5.0 - -
산화티탄 - - 10.0 -
산화망간 - - - 15.0
Total(%) 100.0 100.0 100.0 100.0
물성 평가 결과
고형분(%) 6.0 17.0 28.0 40.0 5-45
pH 5.0 7.0 5.0 8.0 5.0-9.0
레벨링코팅성 우수 우수 우수 우수 양호이상 육안관찰
윤활성 우수 우수 우수 우수 양호이상 단조관찰
침강안정성 우수 우수 우수 우수 양호이상 육안관찰
안료휘산성 우수 우수 우수 우수 양호이상 단조관찰
본 발명의 에너지 절감형 청정 냉간단조용 백색표면윤활제는 10여개의 공정으로 진행되는 수질 및 대기 환경공해가 가장 심한 화상피막공정을 제거하고, 이황화몰리브덴, 흑연, 카본 등의 흑색 소재를 탈피하여 백색 소재로 개발함으로서 단조 후의 작업장과 작업자의 주변환경과 단조물의 외관이 깨끗하며, 단조물에 직접 윤활제를 코팅 처리하여 단조를 함으로서 75%이상의 에너지를 절감하고, 페수의 발생을 최소함으로서 수질환경오염을 90%이상 줄이고, 증기 발생을 억제함으로서 작업환경도 50%이상 크게 개선하고, 원가절감, 단조물의 품질향상, 작업공정의 단순화 등의 효과를 거두었으며, 또한, 침강안정성과 소포력이 우수하며, 단조 작업시에 안료의 휘산성이 아주 낮고, 단조 제품과 금형의 윤활성을 높여주고, 소착을 방지하며, 높은 정밀도의 제품을 얻을 수 있고, 금형 보호에 의한 금형의 수명연장과 단조 제품의 방청성에도 탁월한 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 윤활처리제 조성물에 있어서, 인산 또는 인산염과 산화금속의 수분산 용액으로 이루어진 것을 특징으로 한 에너지 절감형 청정 냉간단조용 백색표면윤활제 조성물
  2. 제 1항에 있어서, 상기 인산염은 인산의 알카리금속염으로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 청정 냉간단조용 백색표면윤활제 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 인산염은 1%수용액의 pH가 5.0이하의 인산염으로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 청정 냉간단조용 백색표면윤활제 조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 인산염은 제1인산나트륨 (Mono Sodium Phosphate / NaH2PO4), 제1인산칼륨 (Mono Potassium Phosphate / KH2PO4), 제1인산칼슘 (Mono Calcium Phosphate / Ca(H2PO4)2H2O), 산성피로인산나트륨 (Sodium Acid Pyrophosphate / Na2H2P2O7), 산성메타인산나트륨 (Acidic Sodium Metaphosphate / NaxHy(PO3)x+y)중에서 1종 또는 2종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 청정 냉간단조용 백색표면윤활제 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 산화금속은 산화붕소(B2O3/Boric Oxide), 산화마그네슘(MgO/Magnesium Oxide), 산화알루미늄(Al2O3/Aluminium Trioxide), 산화티타늄(TiO2/Titanium Trioxide), 산화망간(MnO/Manganius Oxide), 산화아연(ZnO/Zinc Oxide), 산화주석(SnO/Stannous Oxide), 삼산화안티몬(Sb2O3/antimony trioxide) 중에서 1종 또는 2종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 청정 냉간단조용 백색표면윤활제 조성물.
  6. 제 1항에 있어서, 인산 또는 인산염은 중량비로 45-95중량%이며, 산화금속은 중량비로 5-55중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 청정 냉간단조용 백색표면윤활제 조성물.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 수분산 용액의 농도는 고형분으로 5-45중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 청정 냉간단조용 백색표면윤활제 조성물.
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