[첨단 헬로티]
시마다 카즈키 (島田 和樹) 大同화학공업(주)
금속가공 중에서 윤활제는 생산 공정 상의 중요한 팩터이다. 생산 공정이 자동화․무인화되고, 가공의 고정도화․피가공재의 다양화에 의해 윤활제에 대한 요구도 보다 높아지고 있다. 생산 조건을 근거로 해 윤활제를 적절하게 선택하지 않으면 제품을 불량으로 만들 뿐만 아니라, 기계 설비에까지 악영향을 미치는 경우가 있다.
과거에는 가공성이 중시되어 여러 가지 다양한 극압제나 유성제가 사용되고 있었는데, 2000년에 ‘특정 화학 물질의 환경 배출량 파악 등 및 관리의 개선 촉진에 관한 법률’(PRTR법)이 시행되어 유럽에서는 REACH 규칙이 단계적으로 강화되고 있는 가운데, 윤활제에는 인체에 대한 안전성을 높이는 동시에 자연환경에 대한 배려도 중요시되고 있다.
그리고 에너지절감․자원절감의 관점에서 공정 수 삭감이 요구되는 등 환경 부하 저감이 큰 테마가 되고 있다. 구체적 사례로서 윤활제의 비염소화나 세정 공정의 삭감, 화성처리의 대체, 인화점이 높은 윤활제나 수용성 윤활제의 사용 요구가 높아지고 있으며, 윤활제의 표면거칠음 대책, 냄새 대책 등이 검토되고 있다.
이 글에서는 윤활제의 역할, 분류를 서술하는 동시에, 환경 부하 물질을 포함하지 않는 제품의 검토 등 최근의 사례, 동향에 대해 소개한다.
프레스 가공 윤활제의 역할
프레스 가공 윤활제에 필요한 성능은 이하의 3가지를 들 수 있다. 1차 성능으로서는 제품의 성형 가부뿐만 아니라, 표면 상태를 양호하게 유지하면서 상처나 버닝을 일으키지 않고 치수 정도와 제품 강도를 소정의 범위 내로 하는 것이다.
또한 마찰․마모를 완화해 금형과 공작기계에 대한 부하를 저감함으로써 금형 수명과 생산성 향상으로 이어가는 것도 필요하다. 2차 성능으로서는 피가공재의 녹이나 부식, 변색을 일으키지 않고, 탈지나 어닐링 등의 후공정에 문제를 일으키지 않는 것이다. 3차 성능으로서는 작업환경을 악화시키지 않고, 사용 후에는 폐액 처리를 적절하게 할 수 있는 것이다. 이들을 고려하면 프레스 가공에 이용되는 윤활제에는 이하의 기능이 필요하다고 생각된다.
① 공구와 소재에 대한 마찰, 마모의 경감.
② 방청성, 탈지성이 우수할 것.
③ 냄새․표면거칠음이 없을 것.
④ 폐액 처리를 할 수 있을 것.
⑤ 환경이나 인체에 대한 영향이 적을 것.
프레스 가공 윤활제의 경우, 피가공재의 재질, 판두께, 가공 후의 탈지 유무, 코스트 등을 고려해 각각의 가공에 맞는 윤활제를 선정할 필요가 있다. 프레스 가공에 이용되는 윤활제의 종류와 그 용도를 표에 나타냈다.
1. 유성 윤활제
주 성분으로서 광유, 합성유 등을 이용, 마찰 저감을 위해 유성제, 내버닝성 향상을 위해 유황계 극압첨가제나 인계 극압첨가제 등이 배합된다. 또한 방청제나 산화방지제가 첨가되는 경우도 있으며, 매우 어려운 가공의 경우는 고체 윤활제가 배합된다.
2. 수용성 윤활제
광유, 합성유, 동식물유 등을 물에 용해시키기 위해 계면활성제가 첨가된다. 유성 윤활제보다 경도의 가공에 이용되고, 용해한 기름의 입자 지름 차이로 에멀전형, 솔류블형 등의 종류가 있다. 순환해 사용되기 때문에 금속분의 제거나 방청성, 내부패성에 유의할 필요가 있다.
3. 무세정 윤활제
휘발성 물질로 구성되어 있으며, 가공에 의한 열이나 정치시켜 둠으로써 기름이 증발한다. 그렇기 때문에 탈지 공정을 필요로 하지 않는 것이 특징인데, 가공성은 부족하고 경도의 가공에만 적용할 수 있다. 윤활성 향상을 위해 극소량의 유성제를 배합하는 경우도 있다.
4. 1액형 윤활제
고분자화합물, 무기화합물 등으로 구성되어 있으며, 피가공재를 희석한 1액 윤활제에 침적 도포시킨 후 건조시켜 윤활 피막을 형성시킨다. 화성처리의 대체로서 검토가 추진되고 있으며, 화성처리에 비해 처리 공정이나 폐액을 대폭으로 절감할 수 있다.
5. 건조 윤활제
왁스, 금속비누 등 고체 윤활제를 배합, 쿠션과 같은 작용을 함으로써 피가공재와 금속 표면의 직접 접촉을 완화시킨다. 화성처리는 화학반응에 의해 강고한 인산피막을 만들고, 가공성은 매우 양호하다.
6. 플라스틱 필름
폴리염화비닐이나 폴리에틸렌 등이 이용되고, 스테인리스 강판의 경면가공에 이용된다. 가공성은 양호하고 피가공재 표면의 보호 효과가 있다.
비염소계 윤활제의 현상과 사용 실례
저렴하고 가공성이 우수한 염소계 윤활제는 금속가공 윤활제로 다용되어 왔는데, 단쇄염소화 파라핀에 대해 난분해성, 고생물농축성, 발암성이 지적되고 또한 염소를 포함하는 윤활제를 저온에서 연소시킨 경우는 다이옥신이 생성될 가능성이 있기 때문에 사용에 제한이 설정되게 됐다. 또한 염소계 윤활제를 사용하면 기계나 배관, 피가공재에 녹이 발생하기 쉬운 것이나, 소각할 때의 로에 대한 부담 등도 함께 윤활제의 비염소화가 추진되고 있다.
비염소화의 흐름이 시작된 지 20년 가까이 경과되어 거의 비염소계 윤활제로 대체되었지만, 현재도 일부의 난가공에서는 염소계 윤활제가 계속 사용되고 있다. 예를 들면 스테인리스재의 가공에서는 표면의 거칠음, 버닝이 일어나기 쉽고, 버닝을 방지해 금형의 수명을 늘리기 위해 염소계 윤활제를 사용하고 있는 경우가 있다.
비염소화 기술에는 여러 가지 방법이 있는데, 많은 경우에 채용되고 있는 것은 유기금속염과 유황계 극압첨가제의 병용이다. 유기금속염은 디알킬디티올린산아연(이하 ZnDTP)나 과염기성칼슘설포네이트(이하 CaS) 등이 일반적이다.
ZnDTP는 엔진의 실린더 오일에 첨가되어 마모방지제, 산화방지제 등으로서 사용되어 왔다. 금속 표면에 흡착․반응․열분해․산화반응을 거쳐, 아연 혹은 철을 포함하는 유리 모양의 폴리인산막인 트라이보 필름을 형성하는 것이 지금까지의 연구에서 해명됐다. 마찰계면에 이와 같은 트라이보 필름을 형성해 양호한 내마모성을 부여하는데, 이 피막이 비교적 높은 마찰계수를 가지는 것도 알려져 있다.
CaS와 유황계 극압첨가제를 병용한 타입의 비염소계 윤활제는 염소계 윤활제와 동등 이상의 성능을 발휘한다. 윤활성이 향상되는 이유는 여러 개 들 수 있으며, 최표면의 탄산칼슘과 하층의 황화철 등의 층으로 이루어지는 다층 구조의 윤활막이 형성되는 기구 등이 생각되고 있다.
또한 유황계 극압첨가제와 ZnDTP에 CaS를 병용함으로써 시어면의 손상 방지에 효과가 있고, 내버닝성이 향상된다. 이와 같은 첨가제를 병용함으로써 난가공에서도 염소계 윤활제를 대신할 수 있는 제품이 개발되어 왔다.
여기서 동사에서 비염소화한 사례를 소개한다. 두께 1.5～10mm의 열열 및 냉연강판의 블랭킹, 드로잉, 셰이빙 가공에 염소계 윤활제가 사용되고 있으며, 작업원의 피부 거칠음이나 가려움, 윤활제의 냄새가 문제시되고 있었다. 앞에서 말한 첨가제를 배합한 개발품은 염소계 윤활제와 비교해 가공성이 동등 이상으로, 피부 거칠음이나 가려움이 개선됐다.
또한 문제시되고 있던 윤활제의 냄새에 대해서 향료를 첨가함으로써 작업환경도 개선할 수 있었다. 염소윤활제를 대신해 생산성을 떨어트리지 않고, 부가가치를 높인 제품이 사용되고 있다.
무세정 윤활제의 특징과 사용 실례
최근의 중요한 테마인 환경 부하 저감의 관점에서 무세정 윤활제가 주목받고 있다. 공정의 시간 단축, 세정 공정을 생략함으로써 세정제나 폐액처리를 절감할 수 있고, 코스트 저감뿐만 아니라 환경 부하도 저감할 수 있는 것이 장점이다.
무세정 윤활제는 휘발 성분을 주로 해서 구성되어 있으며, 경도의 프레스 가공에 이용된다. 무세정 윤활제는 점도가 낮고, 유막은 매우 얇은 것이 되기 때문에 윤활성은 유성 윤활제 등과 비교해 상당히 떨어진다.
일반적인 프레스 가공 후의 피가공재에는 잔류 유분이 부착되어 있으며, 탄화수소나 알칼리에 의한 세정이 이루어지고 있는데, 무세정 윤활제는 후공정의 탈지를 필요로 하지 않기 때문에 표면에 잔류한 부착 유분이 문제가 되는 부품, 도금이나 도장이 필요한 재료를 가공할 때에 이용된다.
주성분이 휘발 성분이기 때문에 가공에 의한 열로 거의 증산되는데, 송풍이나 온풍에 의한 건조를 하면 더욱 증산은 빨라진다. 무세정 윤활제의 가공 적응 범위를 넓히기 위해 윤활성 향상에 효과가 있는 휘발성 유성제 등이 이용되는 경우도 있다. 무세정 윤활제가 사용되고 있는 분야는 식품 관련 장치, 가전 제품, 전자 부품 등이다.
무세정 윤활제는 용제계 세정제와 가까운 조성 배합이기 때문에 침투력, 용해력, 휘발성이 높다. 컬러 강판 등의 표면처리 강판은 물듦과 얼룩이 발생하거나, 패킹 등이 팽창, 경화하는 등의 문제가 생기는 경우도 있다. 이 경우는 침투력, 용해력이 낮은 윤활제로 변경함으로써 대응이 가능하다.
인체에 대한 영향에 대해서는 손 등에 부착하면 피부의 유지분을 떨어트리기 때문에 피부 거칠음의 원인이 되는 경우도 있다. 또한 휘발성이 높으므로 냄새 대책을 위해 환기를 충분히 해야 한다. 그리고 저비점, 저인화점이기 때문에 화재에 대해서도 충분한 대책을 할 필요가 있다.
무세정 윤활제의 건조성은 종류에 따라 크게 다르며, 휘발 성분인 기본유나 휘발성 유성제의 비점 범위에 의해 건조성을 조정할 수 있다. 휘발성이 높은 기본유만으로 만들어진 제품은 건조성이 매우 양호하지만, 반대로 휘발성이 낮은 기본유로 만들어진 제품은 모두 휘발할 때까지 상온에서 8시간 이상 걸리는 것도 있다.
동사의 무세정 윤활제의 사용 사례를 소개한다. 알루미늄을 핀 성형할 때에 유성 윤활제, 수용성 윤활제, 무세정 윤활제 등을 검토하고 있었다. 다음 공정에서 열처리를 하기 때문에 가급적 세정을 쉽게 하기 위해 무세정 윤활제로 시제작을 진행, 최종적으로 핀 성형도 문제 없고 세정 공정도 생략할 수 있는 윤활제를 개발했다.
1액형 윤활제와 검토 실례
화성처리는 화학적으로 피가공재 표면에 밀착성이 양호한 인산염 피막과 비누층으로 이루어지는 층 모양 피막을 형성, 매우 윤활성이 양호하고 버닝 등을 일으키지 않고 가공할 수 있다. 그러나 여러 처리 공정과 긴 처리 시간이 필요하고, 폐수와 슬러지가 다량으로 나오는 등 환경에 대한 부하가 문제이다.
1액형 윤활제는 고분자화합물을 윤활의 주성분으로 하고, 함유한 베이스 성분이 바인더와 같은 역할을 가지고 있으며, 물리 흡착인데 밀착성이 높아 미끄러짐 성능이 좋은 피막을 형성할 수 있다(그림 1). 1액형 윤활제는 도포 건조만으로 피막을 형성하기 때문에 화성처리에 비해 처리 시간이나 공정, 에너지를 대폭으로 단축할 수 있고, 코스트 저감이나 인라인화를 기대할 수 있다.
그림 2는 화성처리와 1액형 윤활제 처리 시간에 대해 나타낸 것이다. 1액형 윤활제는 희석 농도를 변경함으로써 피가공재에 부착량을 간단히 조정하는 것이 가능하고, 또한 가공 후의 세정에서 피막을 간단히 제거할 수 있다.
1액형 윤활제를 사용하는 경우의 주의점은 적절한 부착량을 설정함으로써 윤활 성능을 확보하면서 면조도의 악화나 결육을 방지하는 것이다. 또한 고체 윤활제가 첨가되어 있는 1액형 윤활제를 희석하는 경우는 탱크를 충분히 교반하지 않으면 부착 성분의 편중이 생겨, 성능이 충분히 발휘되지 않는 경우도 있다.
그 외에도 탱그에 이물이 혼입하면 윤활 성분의 변질이나 열화가 일어나므로 주의해야 한다. 실제 조업에서는 농도와 부착량을 확인, 정기적인 사용액 분석에 의한 성상값 확인을 함으로써 안정된 생산을 할 수 있다.
동사의 1액 윤활제의 검토 사례를 소개한다. 일반적으로 냉간단조에서 자동차 부품의 가공 등에 적용되고 있는데, 최근에는 프레스 가공에 대한 적용도 검토되고 있다.
미리 코일에 1액형 윤활제를 도포 건조해 두고, 정밀 소형 부품이나 컵 부품의 다단 프레스 가공을 시도한 결과, 프레스유에 비해 가공성이 양호하기 때문에 다이하이트를 높여야 하는 상황이었다. 적정 부착량이라면 슬러지에 의한 트러블도 발생하지 않고 고정도의 가공이 가능했다.
이 케이스는 재료 코일에 대한 윤활제 처리 방법이 과제가 되어 적용에는 이르지 못했지만, 프레스유를 사용하지 않음으로써 작업환경 개선과 금형 수명의 향상을 기대할 수 있었다.
비염소 윤활제로 대체하는 것은 상당히 진전되어 있지만, 난가공에서는 현재도 염소계 윤활제가 사용되고 있으며, 앞으로 대체가 기대된다. 무세정 윤활제나 1액형 윤활제는 적응할 수 있는 범위가 서서히 증가하고 있으며, 또한 환경 부하 저감이나 화성처리의 대체가 요구되고 있다.
최근에는 난가공품에 대응하는 동시에 환경 부하 물질을 포함하는 윤활제는 사용이 규제되는 방향이며, 윤활제의 개발은 매우 어려워지고 있다. 이러한 상황 속에서 윤활제를 제공하는 측은 성능 향상과 요구 성능의 파악에 노력해 제품을 개발해 갈 필요가 있다고 생각한다.
