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유압작동유 및 습동면유 겸용으로 사용 할 수 있는 수용성 절삭유제

유압작동유, 습동면유, 수용성 절삭유제에 필요한 요구 성능

1. 유압작동유에 필요한 요구 성능

가. 점도-온도변화가 적고 저온유동성 및 전단안정성이 우수하며 습동부에 대하여

양호한 윤활성능으로 마모 및 소부방지, 열-산화-노화에 따른 산, 슬럿지 생성

방지로 장기간 사용 할 수 있으며 항유화성이 우수 할 것.

나. 기포성․방기성이 우수하며 압축성이 적고 씰-재료, 도료와 적합성 및 독성이

없고 용도에 따라서 내화성(耐火性)을 가질 것.

2. 습동면유에 필요한 요구 성능

가. 고하 중, 저속의 조건에서 스틱-슬립현상이 없으며 마찰특성이 우수하고 시동

시에 슬립점프현상이 일어나지 않을 것.

나. 산화안정성 및 부식방지성이 양호할 것.

3. 수용성 절삭유제에 필요한 요구 성능

가. 1차 성능

(1) 가공시험에 의한 평가 : 유제, 공작물, 공구, 공작기계, 가공 조건 등을 결정

하여 수명, 정 도, 저항력 등으로 평가

(2) 가공시험에 의하지 않는 평가 : 팀켄법 시험, 파이렉스 시험, 쉘식4구 시험 등

나. 2차 성능

(1) KS M 2173에 규정된 성능 시험 : 표면장력, 유화 안정도, 불휘발분, pH, 염

소분, 전유황분, 기포시험, 금속부식시험 등

(2) KS M 2173에 규정되지 않는 성능 시험 : 침투성, 방청성, 내열화성, 내부패

성, 항유화성, 폐수 처리성, 보존 안정성, 부식성, 분산성, 인체에 대한 향

공작기계에서 유압작동유 및 습동면유와 수용성 절삭유제 상호간의 문제점

1. 금속가공 공정작업에서 공작기계에 기계작동유로 사용되고 있는 유압작동유 및

습동면유와 수용성 절삭유제의 윤활 작용관계에서 금속가공제품을 원만히 생산

하기 위해서는 상호간에 각기 다른 윤활성능을 나타내어야 금속가공 공정이 원

활히 이루어진다.

2. 즉, 유압작동유와 습동면유는 정압윤활 및 경계윤활, 습동면 윤활, 극압성, 전

단안전성 등이 있어야 하고 수용성 절삭유제는 가공성을 만족시키며 부패방지성

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및 방청성이 우수해야한다는 점이다. 그러나 공작기계에 사용되고 있는 유압작

동유 및 습동면유가 누유로 인하여 수용성 절삭유제에 혼입이 되거나 수용성 절

삭유제가 유압작동유나 습동면유에 혼입이 되거나 즉, 어떠한 방법으로든 서로

혼합되었을 경우 부패가 된다.

3. 혼합으로 인하여 부패가 쉽게 되는 이유를 기술적 측면에서 면 히 검토해보면,

유압작동유는 항유화성이 뛰어나 공기와 접하고 있는 경계면에 유막을 형성하는

강한 성질을 가지고 있어 열화를 촉진시키는 원인을 제공하고 습동면유는 극압

성이 우수해야 하기 때문에 많은 양의 극압첨가제의 사용으로 물에 혼입되었을

경우 유화가 쉽게 되고 방부 기능 물질을 함유하고 있지 않기 때문에 쉽게 부패

된다는 것이 부패 원인으로 작용 한다.

4. 그러한 이유로 내부패성이 강한 환경친화형의 수용성 절삭유제가 개발된다하더

라도 상호간에 혼입으로 인한 향 문제를 기술적으로 극복하지 않고서는 환경

친화적인 수용성 절삭유제가 되기 어렵다는 사실이다.

5. 상기 내용을 더욱더 상세하게 설명하면 공작기계의 사용 상태 혹은 자동화 기술

에 따라서 유압작동유 및 습동면유가 수용성 절삭유제에 혼입되어 에멀젼화

물로 변형되거나, 수용성 절삭유제 희석액 표면에 유막(스컴)을 형성하여 열화

촉진과 부패원인을 제공한다.

6. 수용성 절삭유제가 유압작동유 및 습동면유에 혼입되어 윤활유의 항유화성

및 내하중성 등의 기능저하 혹은 윤활유 자체를 부패시켜 부패로 인한 작업환

경의 악화와 폐유․폐액을 발생시켜 환경 공해 문제를 유발 시키고 폐유․폐액

의 처리비용, 제품의 불량, 신유교체비용과 같은 경제적 손실을 유발시키는 등

의 문제점이 있다는 것이다.

7. 앞서 밝힌 바와 같이 유압작동유 및 습동면유는 기계작동 윤활유로 수용성 절삭

유제는 금속가공유로 공작기계에 함께 사용함에 있어서 일어나는 어려운 문제점

을 해결하고자 윤활 연구자들은 연구개발에 노력하여왔으며 지금도 연구 중에

있다, 현재 독일 등의 일부 선진국에서 적용 가능한 제품이 개발되어 산업적으

로 사용되고 있으며 국내에도 일부 수입되어 사용되고 있으나, 그 사용실적은

전 세계적으로 미미한 편이다. 이러한 현안에 중점을 두고 당사 부설화학연구소

에서 2년의 연구 결과로 개발한 제품이 "CTE 600" 일명 "유압작동유 및 습동

면유 겸용으로 사용 할 수 있는 수용성 절삭유제"이다.

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제품의 특징

1. 기술적 특징

가. 주․부재료에 구성되어 있는 물질들은 아주 특별한 윤활성이 있으며 내하중성이

우수한 성능의 것으로 이루어져있다. 또한 물리․화학적으로 특정 미생물의 증

식을 억제하는 물질과 특정 미생물을 살균 할 수 있는 물질로 구성되어 있다.

나. 개발된 제품은 공작기계 작동 윤활유로 사용 시 원액으로 사용한다. 원액으로

사용 시 그 우수성은 비수용성의 유압작동유나 습동면유 등의 윤활유보다 윤활성

능 및 내하중성능이 매우 우수하며

다. 연마가공 또는 절삭가공 작업의 수용성 절삭유제로 사용 시 3 ~ 10% 희석하

여 사용하며, 일정 농도 및 pH 범위 내에서는 부패성을 거의 나타내지 않는다.

라. 공작기계 작동 윤활유 사용된 원액이 수용성 절삭유제에 혼입이 되어도 타유로서

작용을 하지 않고 그 자체가 수용성 절삭유제로 된다.

마. 수용성 절삭유제로 사용된 희석액 일부가 공작기계 작동 윤활유로 사용된 원액에

일부(약 20%) 혼입이 되어도 난연성 유압작동유로 작용을 하며 공작기계의 사용

에는 큰 무리가 없다.

바. 상호간에 서로 혼입이 되더라도 부패로 인한 폐수․폐액 발생과 악취 발생 등

이 없어 신유의 교체 사유가 발생하지 않는 제품이다.

사. 부패취(냄새)가 없어 작업자의 위생안전대책에 만족 할 수 있는 환경친화형 “유

압작동유 및 습동면유 겸용으로 사용 할 수 있는 수용성 절삭유제”이다.

2. 환경적 및 경제적 특성

가. 일정농도 이상에서는 생분해가 일어나지 않는다. → 부패성 없다.

나. 일정한 농도 이하에서 쉽게 생분해가 된다. → 폐수에 대한 수질개선 도모

다. 부패를 원천봉쇄하여 부패로 인한 신유의 교체사유를 없다. → 폐수․폐액 등

폐기물 처리비용을 줄임

라. 유압작동유, 습동면유, 수용성 절삭유제를 각각 별도구매를 할 필요가 없다. →

신유 구입비를 절감

마. 위생 안정적으로 악취 발생이 없다. → 작업장 청정화 효과

바. 오일 스키머 등의 부상유 회수 장치 설치 → 불필요

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제품의 윤활성능 시험평가 방법

1. 하중과 시간에 따른 윤활 막의 거동 고찰/접촉압력에 따른 마찰거동 고찰

2. 실험 : 평가방법 (마찰․마모 특성 평가 : ASTM D 99)

가. 시험편

Ball Disk재질 탄성계수 [E] 경도 [Hv]

STB2 (KS D 3525) 210 Gpa 772~900

나. CTE 600 : 점도 cSt(40℃)ISO VG 68

다. 실험 순서 : Test type : Ball On Disk

→ → →

1. Polishing 2. Cleaning (Acetone) 3. Wear test 4. SEM Image

FBall

Disc

FBall

Disc

FBall

Disc

FBall

Disc

FBall

Disc

- Schematic illustration of Wear test -

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윤활성능 시험평가결과

1. 실험 조건

CTE600

Normal load [kg] 10, 50, 100, 150, 200

Temp [℃] 상온

Time [hour] 3

2. 실험결과 :

가. 시간별 윤활 막의 거동

0 2 4 6 80 . 0

0 . 5

1 . 0

C O F : 0 . 7 4 6N o r m a l l o a d : 1 0 k g

T i m e ( S e c )

CO

F

0 2 40 . 0

0 . 5

1 . 0C O F : 0 . 4 9 0

N o r m a l l o a d : 2 0 0 k g

U n l u b r i c a n t

0 1 2 3 40.00.20.4

N orm al load : 10kgO il film nondestraction

CTE600

CO

F

T im e(hour)

0 1 2 3 40.00.20.4

N orm al load : 50kgO il film nondestraction

0 1 2 3 40.00.20.4

N orm al load : 200kgO il film destraction

N orm al load : 100kgO il film nondestraction

0 1 2 3 40.00.20.4 N orm al load : 150kg

O il film nondestraction

0 1 2 3 4

0.00.20.4 CO F: 0 .28

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나. 접촉압력에 따른 윤활 막의 거동

0 1 2 3 4 5

0 1 2 3 4 5

0 1 2 3 4 5

4.724.261.65

2000N

1500N

1000N

500N

Maximum Hertzian Contact pressure [Gpa]

HF46a

100N

2.65

CTE600

Oil film Nonfracture

Oil film fracture

Oil film Nonfracture

Oil film fracture

Oil film fracture

CTE700

Oil film Nonfracture

다. 윤활성능 시험평가결과

Calculation of Hertzian Contact

E(Gpa) ν R(mm)

Ball 210 0.33 7Disk 200 0.33 ∞

E* : Composite Modulus

E*≡ ((1 − ν2sub )

Esub +(1 − ν2

slider )

Eslider)-1

a : Radius of contact circle : a = (3WR

4E * )1/3

R: Radius of Curvature : R ≡ (1

Rsub +

1Rslider

)-1

Maximum contact pressure : Po

Po = (3W

2πa 2) = (

6WE *2

π3R 2 )

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라. 윤활막의 미세관찰(SAM)

- 10kg 무윤활 상태의 Wear track - - 200kg 무윤활 상태의 Wear track -

- CTE600 10kg 윤활막 파괴되지 않음- -CTE600 50kg 윤활막 파괴되지 않음 -

- CTE600 100kg 윤활막 파괴되지 않음 - - CTE600 150kg 윤활막 파괴되지 않음 -

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- CTE600 200kg 윤활 막 파괴 - - CTE600 200kg STB2 ball -

제품의 생분해도 시험

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가공성, 윤활성능 현장적용시험 평가

1. 시험 방법 및 조건

가. CNC 선반 사양 : Puma-4(6"), 제작사 : 대우중공업(주)

나. 피 가공물 명 : Bearing Reater(KH-10), 재질 : 일반 주철강

다. 시험 평가 기간 : 2004년 01월 20일 ~ 2004년 03월 15일 (56일간)

라. 첨부 : 시험 일자별 시험 결과

2. 시험평가 항목

평가항목절삭유제

평가 내용평가방법교체 전 교체 후

가공성

공구수명(절삭 팁 교체 주기)

가공수량 약7~8개

가공수량 약15~20개

(1) 약 2배 정도 수명이 길어졌고

(2) 약 200% 정도 수명이 증가 함

KS A7001

칩제거 원활성 협잡물 있음 협잡물 없음(1) 장비 및 가공품이 청결 함

(2) 세정성이 뛰어남

신유 주기 약 30일계속 사용 중 임

(1) 현장적용 시험 실시 후 현재 일부 신유의 보

충만으로 계속 사용 중이며

(2) 육안 식별 및 가공성이 이상 없음

기계 작동유 측면의 윤활성

Stick Slip 현상부하 및

흠이 생김

부하 및

흠이 없음

(1) 수용성 절삭유제가 묻는 영향으로 슬라이드 및 베드에 부가가 걸리고 슬라이드 면에 흠이 생겼음

(2) 습동면유 겸용 수용성 절삭유제로 교체 후에는 이상 징후가 발견되지 않음

Jump 현상부하 및

흠이 생김

부하 및

흠이 없음

슬라이드가 뛰는 현상 및 흔들림 현상

(1) 교체 전 : 있음

(2) 교체 후 : 없음

Float Up 현상부하 및

흠이 생김

부하 및

흠이 없음

슬라이드 후면에 유막이 끊어지는 현상

(1) 교체 전 : 있음

(2) 교체 후 : 없음

작업 환경성 평가

악취 등 악취 발생 악취 없음(1) 교체 전 : 약한 부패취 발생

(2) 교체 후 : 없음

방청성

가공 후 약 3일 정도 보관 시 녹 발생

가공 후 약 15일 정도 보관 시 일부 녹 발생

(1) 얼룩이나 녹 발생 방지에 탁월한 능력이 있음

(2) 일부 변색 가능성이 있음

평가 결과 종합 의견

시험에 사용한 CNC 선반은 약 5년 정도 사용을 한 노후 장비이다. 종래에 사용해오던 절삭유제와

비교하여 가공성에서 탁월한 우수성을 나타내고 있으며, 일부 습동면유가 절삭유제에 흘러 들어와

도 절삭유제 자체를 교체 할 필요가 없다는 것이 큰 장점이다. 또한 신유의 보충량이 적다는 것이

좋다.

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제품 제조 품질관리 기준

[표 1] 품질관리 기준

Test Item Unit Test Method Object CTE 600

생분해도(BOD값) ppm ISO 9408 50 이하 6.5

동점도(40℃) cSt KS M 2014 - 65.29

색상 ASTM KS M 2106 0.5 L 4.0

비누화값(mgKOH/g) mg KS M 2086 5.0 66

유동점 ℃ KS M 2016 -27.5 -40.0

전알칼리가(mgKOH/g) mg KS M 2004 50 이하 16.6

금속부식시험 - KS M 2525 없음 없음

비중(15/4℃) - KS M 2002 0.8000 0.9317

기포시험 ml KS M 2525 1 0

방청성능(24hr, 증류수) - KS M 2009 녹 없음 녹없음

pH - KS M 0011 9.0∼10 9.4

불휘발분 % KS M 2525 60 88.9

유화안정도

(실온/24hr)

물유 층

ml KS M 2525

0 0

크림층 1 1

경수유 층 1 1

크림층 1 1

표면장력 dyn/cm KS M 2525 28∼32 29

반응 - KS M 2013 알카리성 알칼리성

염소분 % KS M 2525 5 이하 0.03

전유황분 % KS M 2525 3 이하 0.12

내하중시험 ㎛ ASTM D 6079 200 이하 0.3

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사용유의 최적관리 지침

가. 기계작동유(유압작동유․습동면유)로서의 관리 방법

제품의 사용상 품질관리는 사용량 및 사용주기에 따른 주기적인 신유의 보충과 사용 유

에 대한 협잡물(수분, 먼지, 금속 마멸분 등)의 유입방지 등과 같은 관리가 필요하며 정기적

으로 사용유의 성상․성능 분석으로 사용유의 상태를 관리하는 것이 중요하다. 특히 본 제품

은 유압작동유 및 습동면유 겸용으로 사용 할 수 있는 수용성 절삭유제이므로 제품을 보관

시에는 윤활제의 안정성을 위하여 건조한 상온 상태를 유지하는 것이 중요하다.

나. 수용성 절삭유제로서의 관리 방법

(1) 개발 제품의 최적 리사이클링 방법

희석액의 제조시에는 필히 공업용 연수(경도 약 65 ~ 80)를 사용하고 제품을 장기간

사용 시 가공성능저하 등의 문제가 발생 할 수 있으므로 적절의 리사이클링 방법으로 수

용성 절삭유제 사용유로서의 관리가 필요하다. 리사이클링 방법에는 화학적 방법과 물리

적 방법으로 나누어지며 그 방법은 다음과 같다.

(가) 화학적 방법

1) 농도의 관리

수용성 절삭유제의 희석액은 가공공정 중 수분의 증발, 가공물이나 칩에 묻어나감,

희석액의 비산 등의 원인으로 감소하게 되고 이에 따른 희석액의 보충이 필요하다. 이

때 보충 액에 따른 사용액의 농도변화가 발생하며 농도 저하가 발생시 수용성 절삭유제

가 부패성을 나타내거나 가공성능저하 등의 문제점이 발생한다. 이를 방지하기위하여 보

충 액의 투입 시 사용액의 농도를 5 ∼ 7로 조절함이 필요하다.

2) pH의 관리

수용성 절삭유제의 사용에 따른 사용액의 열화나 기타 원인에 의해 사용액이 산성화

하여 부패, 부식, 변색 등의 원인이 될 수도 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 사용

액의 pH를 주기적으로 검사하고 pH 조절제를 정기적으로 투입하여 사용액의 pH를 9 ∼

10으로 조절함이 필요하다.

(나) 물리적 방법

금속가공공정에서 발생되는 여러 형태의 칩을 일차적으로 Filter나 부직포를 사용하여

제거하고 이차적 단계에서는 분리 막을 이용하여 금속이온 및 무기염류 등을 제거하여

수용성 절삭유제의 상태를 신유와 비슷한 수준까지 항상 일정하게 유지시켜준다.

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(2) 기술개발제품의 최적관리 지침서 작성

기술개발제품의 성능이 아무리 뛰어난다 하여도 관리상의 문제가 있을 경우 수용성

절삭유제의 가공성능저하와 부패의 원인이 되므로 기술개발제품에 대하여 현장적용시험

결과를 바탕으로 관리항목을 설정하고 그에 대한 최적관리 지침을 작성하 으며 그 내용

은 Table 24.와 같다.

사용제품의 최적관리 지침 요약서

항 목 측 정 목 적 관 리 치

외관의 관찰 액 오염의 정도, 변질유무의 판정 현저한 변색이 없을 것

냄새의 관찰 부패유무의 판정 부패취가 없을 것

pH 변질유무의 판정, 부패징후의 추정 8.5 이상

희석배율(농도) 1, 2차 성능의 판정 5 ± 2.0%

방청성 방청성의 판정, 노화의 판정주철의 가공의 경우3시간 이상 발청 무

생분해도 부패 진행정도의 판정 50ppm 이하

원액, 희석수 보급 사용액 농도 3% 이상유지

기계작동 윤활유 보급 누유로 인한 손 실량 보충여부 최저게이지 수치 이상