KR102548443B1 - 수계 현탁액 및 이를 포함하는 절삭유제 - Google Patents

Abstract

물, 육방정계 질화붕소(hBN) 입자, 분산제를 포함하는, 수계 현탁액 및 이를 물로 희석한 절삭유제를 개시한다.

Description

수계 현탁액 및 이를 포함하는 절삭유제 {Aqueous colloidal suspension and cutting fluid comprising the same}

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 절삭능(피삭재의 가공정밀도, 공구의 마모도)을 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 1에는 이러한 환경에의 영향을 고려하여 친환경성을 강조하면서 기유로서 식물성유를 사용하는 기술이 공개되어 있지만 이 역시 오일 기반의 수용성 절삭유제로서 상기이 문제는 여전하다. 또한, 특허문헌 2 및 3에는 오일을 사용하지 않고 알카리성 전해이온수를 적용한 친환경 수용성 절삭유 기술이 공개되어 있지만, 유해성에 대한 근거는 명기되어 있으나 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.

한국 등록특허 제10-0665790호 한국 등록특허 제10-2053046호 한국 등록특허 제10-2146032호

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 오일 성분을 포함하지 않아 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, 분산제를 포함한다.

상기 실시예에서, 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 물에 젖음성 있는 친수성 입자인 것이 바람직하다.

상기 실시예에서, 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 가스 분위기를 제어하지 않는 공기중 열처리로에서 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 상기의 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.

또한, 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, 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.

음이온성 분산제로는 고급지방산염, 알킬술폰산염, α-올레핀술폰산염, 알칸술폰산염, 알킬벤젠술폰산염, 술포숙신산 에스테르염, 알킬황산 에스테르염, 알킬에테르황산 에스테르염, 알킬인산 에스테르염, 알킬에테르인산 에스테르염, 알킬에테르 카르복실산염, α-술폰지방산 메틸에스테르염, 메틸타우린산염이 있다. 이들 음이온성 분산제는 단독으로 또는 2종 이상을 조합해서 사용할 수 있다.

양이온성 분산제에는 4급 암모늄염, 알콕실화 폴리아민, 지방족 아민폴리글리콜에테르,지방족 아민, 지방족 아민과 지방족 알코올로부터 유도되는 디아민 및 폴리아민, 지방산으로부터 유도되는 이미다졸린 및 이들의 양이온성 물질의 염이 함유된다. 이들 양이온성 분산제는 단독으로 또는 2종 이상을 조합해서 사용할 수 있다.

양쪽 이온성(zwitterionic) 분산제는 상기 음이온성 분산제가 분자 내에 갖는 음이온기 부분과 양이온성 분산제가 분자 내에 갖는 양쪽 이온기 부분을 모두 분자 내에 갖는 분산제이다.

비이온성 분산제로서는 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 폴리옥시에틸렌알킬아릴에테르, 폴리옥시에틸렌지방산 에스테르, 소르비탄지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌소르비탄지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌알킬아민, 글리세린지방산 에스테르 등을 들 수 있다. 이들 비이온성 분산제는 단독으로 또는 2종 이상을 조합해서 사용할 수 있다.

고분자 분산제의 분자량은 물에 용해되면 제한없이 사용할 수 있지만 바람직하게는 분자량 1,000~2,000,000이며, 5000~1,000,000 범위가 보다 바람직하고, 10,000~500,000이 더욱 바람직하고, 10,000~100,000이 특히 바람직하다. 여기서 특별히 언급하지 않는 한, 분자량이란 중량 평균 분자량을 의미한다. 고분자 분산제로서는 구체적으로는 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알코올, 폴리비닐메틸에테르, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리아크릴아미드, 비닐알코올-초산 비닐 공중합체, 폴리비닐알코올-부분 포멀화물, 폴리비닐알코올-부분 부티랄화물, 비닐피롤리돈-초산 비닐 공중합체, 폴리에틸렌옥시드/프로필렌옥시드 블록 공중합체, 폴리아크릴산염, 폴리비닐황산염, 폴리(4-비닐피리딘)염, 폴리아미드, 폴리알릴아민염, 축합 나프탈렌술폰산염, 셀룰로오스 유도체, 전분 유도체을 들 수 있다. 또한 알긴산염, 젤라틴, 알부민, 카세인, 아라비아 고무, 트래거캔스 고무, 리그닌술폰산염의 천연 고분자류를 사용할 수 있다. 또한 카르복실기, 아미노기, 히드록실기, 에스테르 결합, 아미드 결합, 방향환, 복소환의 골격을 갖는 고분자형 분산제가 사용될 수 있다.

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 선택 될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수계 현탁액은 음이온성 계면활성제인 제 1분산제; 및 비이온성 계면활성제인 제 2분산제;를 포함하는 수계 현탁액으로서 2종 이상의 분산제를 조합해서 사용할 수 있다. 육방정계 질화붕소(hBN) 분말은 물 100을 기준으로 10 중량비 이하로 포함되고, 제 1분산제 및 제 2분산제의 중량비(제 1분산제/제 2분산제)는 1~9일 수 있으며, 바람직하게는 1~5, 더욱 바람직하게는 1~3일 수 있다. 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 선택 될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수계 현탁액은 고분자인 제 1분산제; 및 음이온 계면활성제인 제 2분산제;를 포함하는 수계 현탁액으로서 2종 이상의 분산제를 조합해서 사용할 수 있다. 상기 육방정계 질화붕소(hBN) 분말은 물 100을 기준으로 10 중량비 이하로 포함되고, 상기 제 1분산제 및 제 2분산제의 중량비(제 1분산제/제 2분산제)는 1~9이며, 상기 현탁액의 초기 점도는 500cP 이하인 수계 현탁액을 제공한다. 사용되는 제1 분산제는 hBN 입자가 현탁액 내에서 응집되지 않고 고르게 분산될 수 있도록 하기 위한 것이다. 또한 제2 분산제는 고분자계 분산제인 제1 분산제의 주쇄간 응집을 막고, 크라우닝(Crowning) 효과를 가져 제1 분산제와 제2 분산제가 조합되어 사용할 경우, 분산성에 대한 상승효과를 나타내며, 장시간이 경과하더라도 현탁액의 분산성이 유지되어 보관 안정성의 향상을 기대할 수 있다. 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 선택 될 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. 상기 알카리 전해이온수는 물의 전기분해를 통해 생성되는 알카리성 이온수를 말하는 것으로서, 살균 소독제, 세정제, 세제, 왁스, 농약 등의 화학물질 대용으로도 많이 사용될 뿐만 아니라 계면활성제, 알콜 성분 등의 화학물질이 포함되지 않은 생체에 무해한 친환경적 액체이기 때문에 각종 오염 물질을 감소 또는 제거, 미생물 증식을 억제하는 다양한 분야에 활용되고 있다.

구체적으로는 위에서 설명한, 물, 육방정 질화붕소(hBN) 입자 분말, 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. 첨가량은 방청액 조성물의 탈이온수 100에 대하여, 1~20 중량비, 바람직하게는 2~10 중량비, 더욱 바람직하게는 3~6 중량비의 양으로 배합한다. 사용량이 1 중량비 미만이면 안정된 방청성능을 기대하기 어렵고, 20 중량비를 초과하면 피부, 호흡 및 인체에 대한 안전성에 문제를 나타낼 수 있다. 상기 방청액에 포함되는 방청제는 유기계로는 카르복시산이며, 상기 카르복시산은 세바식산, 운데칸디오산, 도데칸디오산 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 카르복시산은 탄소수가 10개 미만이면 방청 성능이 떨어지고, 12개 초과하면 물에 용해가 어렵다. 첨가량은 방청액 조성물의 탈이온수 100에 대하여, 0.5~7 중량비, 바람직하게는 1.5~4 중량비, 더욱 바람직하게는 1~2 중량비의 양으로 배합한다. 상기의 카르복시산을 0.5 중량비 미만 사용하면 방청성능을 발휘하기 어렵고 7 중량비를 초과 사용하면 사용량에 비해 방청 성능의 향상을 기대하기 어렵다. 상기 방청액에 포함되는 방청제중 무기계로는 황산, 인산 등 무기산의 나트륨염, 칼륨염, 크롬염, 암모늄염일 수 있다. 첨가량은 방청액 조성물의 탈이온수 100에 대하여, 0.4~6 중량비, 바람직하게는 1.5~4 중량비, 더욱 바람직하게는 2.5~3 중량비를 배합한다. 상기의 무기계를 0.4 중량비 미만 사용하면 방청성능을 발휘하기가 어렵고 6 중량비를 초과 사용하면 사용량에 비해 방청 성능의 향상을 기대하기가 어렵다. 상기 방청액에 포함되는 방청제중 비철금속 방청제는 벤조트리아졸, 톨리트리아졸, 머캅토벤조트리아졸일 수 있다. 첨가량은 방청액 조성물의 탈이온수 100에 대하여, 0.2~3 중량비, 바람직하게는 0.3~2 중량비, 더욱 바람직하게는 0.5~1 중량비의 양으로 배합된다. 첨가량이 0.2 중량비 미만이면 부식방지 효과를 발휘하기가 어렵고, 3 중량비를 초과하면 인체에 해롭고 환경오염에 대한 안전성의 문제가 나타날 수 있다. 상기의 다양한 방청제 중의 하나 이상을 단독 또는 조합하여 사용하는 방청제 및 물로 구성된 방청액은 상기 수계 현탁액 100에 대해 바람직하게는 30중량비 이하를 첨가한다. 상기의 방청액 투입량은 물에 희석하는 비율이 증가함에 따라 더 증가할 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 있으며, 상기 수계 현탁액 100에 대해 0.1~1 중량비를 첨가하며, 0.1 중량비 미만으로 첨가되면 소포 성능을 기대하기 어렵고 1 중량비를 초과하여 첨가하면 피삭재 금속가공물 표면에 잔류하는 단점이 발생한다. 상기 수계 현탁액에 상기의 소포제 투입량은 물에 희석하는 비율이 증가함에 따라 더 증가할 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. 방부제는 상기 수계 현탁액 100에 대해 바람직하게는 10 중량비 이하를 첨가하며, 1 중량비 미만으로 첨가되면 방부제 성능을 기대하기 어렵다. 이들 방부제는 단독으로 또는 2종 이상을 조합해서 사용할 수 있다. 또한 상기 수계 현탁액에 상기의 방부제 투입량은 물에 희석하는 비율이 증가함에 따라 더 증가할 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. 상기 육방정계 질화붕소 입자를 포함하는 수계 현탁액 100을 기준으로 프로필렌글리콜(Propylene Glycol)을 25 중량비 이하로 혼합 비율은 어는점에 따라 적절히 선택될 수 있다. 상기 수계 현탁액에 상기의 동결방지제 투입량은 물에 희석하는 비율이 증가함에 따라 더 증가할 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 수계현탁액의 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.

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.

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 (12)

1. 물, 육방정계 질화붕소(hBN) 입자, 분산제를 포함하고,
   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
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 물에 젖음성 있는 친수성 입자인, 수계 현탁액
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 육방정계 질화붕소(hBN) 입자는 가스 분위기를 제어하지 않는 공기중 열처리로에서 1600℃ 이하의 온도에서 합성된 입자인, 수계 현탁액
   
4. 삭제
5. 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
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 물은 pH10 이상의 알카리 이온수를 포함하는, 수계 현탁액
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 분산제는 음이온성, 양이온성, 양쪽 이온성, 비이온성 분산제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 단독 또는 조합하여 사용하는, 수계 현탁액
   
8. 청구항 1에 있어서,
   방청제, 소포제, 동결방지제, 방부제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는, 수계 현탁액
   
9. 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
   
10. 청구항 1 내지 청구항 3, 및 청구항 5 내지 청구항 9 중의 어느 하나의 청구항에 기재된 수계 현탁액을 물로 희석한, 절삭유제
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 절삭유제는 MQL 분사방식에 사용되는, 절삭유제
    
12. 청구항 10에 있어서,
    알카리 이온수, 방청제, 소포제, 동결방지제, 방부제로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함하는, 절삭유제
    

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