KR100736596B1 - 냉간단조 공정에 사용되는 금속비누 윤활처리제 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉간단조 공정에서 성형 전에 소재의 표면에 윤활피막을 형성하기 위한 금속비누 윤활처리제 조성물에 관한 것으로서, 수용성의 표면 윤활처리제를 이용하여 소재를 예열하고, 윤활처리제를 도포한 후, 건조하는 3개의 공정을 수행한 후 성형함으로써, 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 냉간단조 공정에서의 금속비누 윤활처리제 조성물을 그 특징으로 한다.

냉간단조, 윤활피막, 윤활제, 고급지방산, 이황화몰리브덴

Description

냉간단조 공정에 사용되는 금속비누 윤활처리제 조성물{The Metal Soop Lubrication Treatment Material For Cold Pozing Process}

본 발명은 냉간단조 공정에서의 금속비누 윤활처리제 조성물에 관한 것이다.

통상, 단조는 금속덩어리나 두꺼운 판을 가압하여 변형시키는 금속 가공방법의 하나로서, 단조에는 고온에서 가공하는 열간단조와, 열간보다 저온의 온간 및 상온에서 가공하는 냉간단조가 있다.

상기, 냉간단조는 높은 정밀도를 얻을 수 있는 반면, 표면의 윤활처리가 필요하다.

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 주로 사용되는 윤활처리제로는 고난도의 냉간 및 온간 단조에 윤활성의 부족으로 작업성이 떨어지고, 공정을 늘려야 하는 등의 문제점을 가지고 있었 다.

종래에 수행되고 있는 표면 윤활처리는 표면에 형성된 스케일을 탈지 및 산세 공정 등으로 제거한 후 인산염을 화학처리하여 피막을 입히고 중화 후 나트륨 비누를 도포하여 냉간단조시 소재 표면과 금형면에 직접적인 접촉을 막아줌으로써 성형시에 소착을 방지하여 금형의 수명을 길게 유지한다.

이와 같은 종래의 표면 윤활처리는 탈지, 2단수세, 황산세정, 수세, 탕세, 인산아연피막, 수세, 중화, 금속윤활, 건조 공정으로 이루어지는 10여개의 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.

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 인산염의 잔유물을 제거할 수 있어야 하므로, 알칼리 탈지제는 상기한 조건들을 만족시키는 것으로 선 택해야 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 샷 블라스팅(Shot Blasting)을 수행하고, 공정에 투입되었다면 산세정을 수행한다. 냉간단조 공정에서는 일반적으로 샷 블라스팅을 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, 후 공정인 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. 중화 공정은 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 중요하며, 특히, 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.

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 염의 성 분들로 구성된다.

본 발명은 상기한 냉간단조의 표면 윤활처리 공정 중에서 최종 공정인 금속비누 윤활처리제에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 침강안정성과 소포력이 우수하며, 단조 작업시에 안료의 휘산성이 아주 낮고, 단조제품과 금형의 윤활성을 높여주고, 소착을 방지하며, 높은 정밀도의 제품을 얻을 수 있으며, 금형 보호에 의한 금형의 수명연장과 단조 제품의 방청성에도 탁월한 효과를 발휘하는 냉간단조에서의 금속비누 윤활처리제 조성물을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 소재를 예열하고, 수용성의 표면 윤활처리제를 도포한 후 건조하는 3개의 공정을 수행한 후 성형함에 있어, 단조제품과 금형의 윤활성을 높여주고, 소착을 방지하며, 높은 정밀도의 제품을 얻을 수 있으며, 금형 보호에 의한 금형의 수명연장에도 탁월한 효과를 발휘하는 냉간단조에서의 금속비누 윤활처리제 조성물를 제조하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 냉간단조 공정에서의 금속비누 윤활처리제 조성물에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 윤활처리제는 58∼78 중량%의 총고형분이 분산되어있는 수성 윤활처리제 농축분말이고, 윤활처리제를 도포할 때에는, 총고형분이 3.0∼12.0% 농도로 물에 희석하여 사용하며, 예를 들면, 본 발명의 농축분말 50∼200Kg을 약 80℃의 물에 희석하여 총 용량이 1,000리터의 pH가 9~13인 균질 용액이 되게 한다. 이 윤활처리제를 침적시키거나 또는 분무시켜 단조소재의 표면적, 즉 1.5∼12.0g/㎡ 정도의 건조 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 수성이어서 환경보호, 작업장 위생, 그리고 단조 작업 후 쉽게 제거되는 제품을 제공하는 것을 목적으로 하여 개발되었다.

상기한 바와 같은 목적으로 개발된 윤활처리제는 흑회색의 고농도의 농축분말이다. 총고형분은 58∼78중량%이고, 배합원료는 고급지방산, 무기 알카리제, 무기윤활제, 금속 방청제등으로 구성되어 있으며, 본 발명에 사용되는 냉간단조용 윤활처리제의 고급지방산은 카본수 4∼22개의 포화지방산, 그 중에서도 특히, 카본수 4개의 부치릭산(Butyric Acid), 12개의 라우릭산(Lauric Acid), 16개의 팔미틱산(Palmitic Acid), 18개의 스테아릭산(Stearic Acid)과 카본수 18개의 불포화지방산, 그 중에서도 특히, 올레익산(Oleic Acid), 리놀레익산(Linoleic Acid), 리놀레닉산(Linolenic Acid) 등을 말하며, 이들 중에서 1종 또는 그 이상을 혼합한 고급지방산을 28∼55 중량%, 이들 고급지방산을 중화하기 위한 무기 알카리제는 암모니아수(NH4OH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화아연(Zn(OH)2), 수산화알미늄(Al(OH)3), 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 수산화납(Pb(OH)2) 등을 말하며, 이들 중에서 1종 또는 그 이상을 혼합한 무기 알카리제를 3∼21 중량%, 무기윤활제는 이황화몰리브덴, 흑연, 붕사, 산화아연, 폴리인산나트륨, 폴리인산칼륨 등을 말하며, 이들 중에서 1종 또는 그 이상을 혼합한 무기윤활제를 6∼35 중량%, 피처리 금속의 산화방지를 위한 금속 방청제는 아질산나트륨, 아질산칼륨, 몰리브덴산나트륨, 몰리브덴산칼륨, 몰리브덴산암모늄 등을 말하며, 이들 중에서 1종 또는 그 이상을 혼합한 방청제를 1∼5 중량%와 나머지는 정제수로 이루어진 냉간 단조 공정에서의 금속비누 윤활처리제 조성물에 관한 것이다.

이상에서 제조된 윤활처리제 농축분말은 수성 농축분말로 납품될 수 있으며, 윤활처리제를 도포할 때에는, 총 고형분이 3.0∼12.0% 농도로 물에 희석하여 사용하며, 예를 들면, 본 발명의 농축분말 50∼200Kg을 약 80℃의 물에 희석하여 용해, 분산하여 총 용량이 1,000리터의 pH가 9∼13인 균질 용액이 되게 한다.

이 윤활처리제를 약 70∼90℃로 가온하여 단조 소재를 약 1∼5분간 침적시켜 약 170℃의 열풍으로 건조하여 단조소재의 표면적, 즉 1.5∼12.0g/㎡ 정도의 건조 중량이 되도록 소재의 표면에 도포하는 것이 바람직하다.

배합원료에 있어서 고급지방산은 그 사용량이 28∼55 중량%로서 28중량%이하가 되면 안료의 결합력이 없어 단조시에 안료의 휘산이 심하여 작업환경이 불량하며, 55중량%이상이 되면 단조물과 금형과의 치수 공차가 너무 커서 단조물의 품질과 금형의 수명을 떨어뜨린다.

무기 알카리제는 그 사용량이 3∼21 중량%로서 3 중량%이하가 되면 지방산의 중화가 부족하여 윤활제의 산도가 높아지며, 21 중량%이상이 되면 과중화가 되어 윤활제의 알카리도가 높아지며 단조작업이 불량이 될 수 있다. 무기 윤활제는 그 사용량이 6∼35 중량%로서 6 중량%이하가 되면 단조물의 윤활성이 떨어지고, 35 중량%이상이 되면 제조원가가 높아 경제성이 떨어지고 침강안정성이 떨어진다.

금속 방청제는 그 사용량이 1∼5 중량%로서 1 중량%이하가 되면 피처리 금속의 표면산화가 심하여 단조물의 품질이 떨어지고, 5중량%이상이 되면 원가 상승으로 경제성이 떨어진다.

이하, 실시예와 비교예를 들어 본 발명을 상세히 설명하지만, 이는 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

[실시예1∼5]

하기, 표 1에 기재된 양에서 고급지방산을 80℃이상의 고온에서 용융하여 액체로 만든 후, 별도로 계량된 잔량의 물에 무기 알카리제와 금속 방청제를 넣어서 녹이고, 무기 윤활제 분말을 수용액 속에 분산 시킨다. 그 후, 그 용액(또는 페이스트상)을 용융된 고급지방산에 첨가하여 교반하여 흑회색의 윤활처리제를 제조한다.

도포시험은 위에서 제조된 50∼200g의 농축분말을 약 90℃의 열수를 가하여 총 용량이 1리터가 되게 용해, 분산하여 pH가 9∼13의 균질 용액이 되게 한다.

그 후, 이 윤활처리액을 약 70∼90℃로 가온하여 단조 소재를 약 1∼5분간 침적시켜 약 170℃의 열풍으로 건조하여 단조 소재의 표면적, 즉 1.5∼12.0g/㎡ 정도의 건조 중량이 되도록 소재의 표면에 도포하여 단조물의 윤활처리제의 도포를 완료한다.

이와 같이 제조된 농축분말을 희석한 윤활처리제의 pH와 침강안정성과 소포력을 확인한 후, 윤활처리 된 단조물의 표면상태와 염수분무시험 및 단조시의 윤활 성과 안료 휘산성을 관찰하여 평가하여 표 1을 만들었다.

[시험결과]

방청성은 방청제의 효과가 5%염수 분무시험에서 2.0%사용시에는 2시간이상의 방청효과와 3.0%이상에서는 3시간이상의 방청효과를 보였으며, 기준인 1.5시간을 훨씬 넘는 우수한 결과를 보였다. 따라서 첨가량은 2∼3%정도만 첨가하여도 문제가 없는 것으로 판단되었다.

소포력은 고급지방산염 자체가 소포력을 가지고 있어서, 초기부터 소포성의 문제는 필요가 없었다.

침강안정성은 사용농도로 희석(약 80℃상태)한 후 방치하였을 때, 자연냉각과 동시에 쉽게 겔화가 일어나서 상분리와 침전물의 발생이 없었다.

코팅상태 및 윤활성, 안료휘산성은 단조시험에서 모두 우수한 결과를 확인할 수 있었다.

[표 1]

		실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	비교예	기준(w.t%)
제조 배합비
정제수		25				26	46	잔량수
지 방 산	라우릭산	30	-	20	-	-		28∼55
	스테아릭산	-	36	-	38	42
	올레익산	-	-	30	10	-
알 카 리 제	수산화나트륨	5	-	-	-	7		3∼21
	수산화칼륨	-	5	5	7	-
	수산화아연	-	-	14	8	-
윤 활 제	MoS2	15	10	7	-	12		6∼35
	흑연	8	5	-	7	8
	산화아연		-	-	3	2
산 방 제	아질산나트륨	-	4	-	2	3		1∼5
	몰리브덴산 암모늄	5	-	1	-	-
고형분(w.t%)		63	60	77	75	74	54	58∼78
Total (%)		100.0	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0
물성 평가 결과( 희석액 *2)
희석고형분(%)		6.3	6.0	7.7	7.5	7.4	5.4	12∼45	사용농도
pH		9.6	10.0	12.3	11.8	10.9	8.5	9.0-13.0	희 석 액
방청성 (시간)*3		3.0이상	3.0이상	1.5이상	2.0이상	3.0이상	0.5	1.5이상	염수분무
레벨링코팅성 *3		우수	우수	우수	우수	우수	불량	양호이상	육안관찰
윤활성 *3		우수	우수	우수	우수	우수	양호	양호이상	단조관찰
침강안정성		우수	우수	우수	우수	우수	불량	양호이상	육안관찰
소포시간(분)		3분이내	3분이내	3분이내	3분이내	3분이내	60분이내	3분이내	육안관찰
안료휘산성 *3		우수	우수	우수	우수	우수	양호	양호이상	단조관찰

*1 비교예 : 기존 시중에서 구입한 국산(S사) 냉간단조용 금속비누 윤활코팅제

*2 희석액 : 100g의 농축분말을 약 90℃의 열수를 가하여 총 용량이 1리터가 되게 용해, 분산하여 균질 용액으로 제조된 용액.

*3 단조소재도포 : 희석액을 약 80℃로 가온하여 단조 소재를 약 3분간 침적시켜 소재의 표면에 도포하여 약 170℃의 열풍으로 건조한 소재.

이상에서 설명하고 있는 바와 같이, 본 발명의 냉간단조 공정에서의 금속비누 윤활처리제는 침강안정성과 소포력이 우수하며, 단조 작업 시에 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 (6)

1. 냉간단조 공정의 금속비누 윤활처리제 조성물에 있어서, 고급지방산, 무기알카리제, 무기윤활제, 방청제와 나머지는 정제수로 이루어진 냉간단조 공정에서의 금속비누 윤활처리제 조성물.
2. 제 1항에 있어서, 상기 고급지방산 28∼55중량%, 상기 무기알카리제 3∼21중량%, 상기 무기윤활제 6∼35중량%, 상기 방청제 1∼5중량%와 나머지는 정제수로 이루어진 냉간단조 공정에서의 금속비누 윤활처리제 조성물.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 고급지방산은 카본수 4∼22개의 포화 및 불포화지방산으로 이루어진 냉간단조 공정에서의 금속비누 윤활처리제 조성물.
4. 제 3항에 있어서, 상기 포화지방산은 부치릭산(Butyric Acid), 라우릭산(Lauric Acid), 팔미틱산(Palmitic Acid), 스테아릭산(Stearic Acid)을 말하며, 상기 불포화지방산은 올레익산(Oleic Acid), 리놀레익산(Linoleic Acid), 리놀레닉산(Linolenic Acid) 등을 말하며, 이들 중에서 1종 또는 그 이상을 혼합하는 것을 특징으로 하는 냉간단조 공정에서의 금속비누 윤활처리제 조성물.
5. 제 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 무기윤활제는 이황화몰리브덴, 흑연, 붕사, 산화아연, 폴리인산나트륨, 폴리인산칼륨 등을 말하며 이들 중에서 1종 또는 그 이상을 혼합하는 것을 특징으로 하는 냉간단조 공정에서의 금속비누 윤활처리제조성물.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 방청제는 아질산나트륨, 아질산칼륨, 몰리브덴산나트륨, 몰리브덴산칼륨, 몰리브덴산암모늄 등을 말하며, 이들 중에서 1종 또는 그 이상을 혼합하는 것을 특징으로 하는 냉간단조 공정에서의 금속비누 윤활처리제 조성물.