■ 절삭유제의 개념
금속가공(metal machining) 과정에서 가공을 돕기 위해 사용되는 유제(油劑)를 말한다.
기계요소(machine tool), 절삭요소 (cutting tool), 가공금속(workpiece metal)의 세 가지와
여기에 가공유(machining fluids)가 포함된 네 가지 요소로 이루어진다.
■ 절삭유제의 기능
절삭공구와 가공금속간의
1) 마찰(friction)을 줄이고,
2) 마멸과 마모(wear and galling)를 줄이고,
3) 가공표면의 특성을 좋게 하며,
4) 표면이 유착되거나 녹아 붙는 것을 줄이고,
5) 발생되는 열을 빼앗아가고( 열로인한변형 (thermal deformation) 방지),
6) 절삭된 토막이나 조각,미세한가루,잔여물 등을 씻어 내는 것이다.
이외에 2차적인 기능으로 가공된 표면의 부식을 방지하는 것과 뜨거워진 가공표면을 냉각시켜 취급을 용이하게 하는 것 등이 있다.
■ 절삭유제의 명명법과 관련 용어
우리나라에서는 광(물)유, 절삭유 또는 연삭유 등으로 통칭되며, 특성에 따라 수용성/비수용성 오일, 합성유 등으로 구분되기도 한다.
한국공업규격(KS)에서는 금속의 절삭 및 연삭가공에 사용 하는 유제를 삭유제라고 부르고 있다
절삭유제는 분류방법에 따라 종류별 명칭이 달라진다. 사용되는 분류방법에는 여러 가지가 있지만 두 가지만 소개한다.
첫 번째 분류방법으로는 NIOSH에서 분류한 방법으로 다음의 4가지로 분류
① 비수용성 금속가공유(straight(insoluble) : 물을 포함하지 않으며 윤활작용이 좋으나 냉각 작용은 나쁘다.
② 수용성 금속가공유 (soluble) : 석유계 기유(mineral oil)와 물의 에멀젼 형태로 가격이 저렴하다.
③ 합성유(synthetic) : 석유계 기유를 포함하지 않으며 냉각 능력이 좋다.
④ 준합성유(semisynthetc) : 기유와 물의 에멀젼 형태이나 에멀젼 정도가 심한 것으로 때로는 수용성 금속가공유에
포함시키기도 한다. 비용과 열전달 능력에 있어서 수용성과 합성유의 중간이다.
절삭유제의 사용
절삭유제를 적용하는 형태는 flood(범람식), jet(분사식), mist(연무식)의 3가지이며 때로는수동으로
절삭부위에 뿌려지기도 한다. 범람식 적용은 저압펌프에 의해서 절삭면에 끊임없이 쏟아지는 형태로
금속 조각이나 찌끄러기를 씻어내는 방식이며, 연무식 적용은 빠른 속도의 공기흐름과 절삭유제를
이용해 미스트 형태로 전달하여 사용하는 것으로 가공된 제품을 세척하는데도 쓰인다. 절삭유제는
대개 모아져서 재순환되며, 이런 재순환 시스템은 복잡하고 많은 양이 이용된다. 절삭유제 시스템의
관리는 수분의 제거, 110℃에서 살균, 필터에 의한 고체물질의 제거, 점도의 조절 등으로 이루어진다.
매년 시스템 용량의 약 38%가 여러 경로로 유실되어 재주입된다고 한다.
절삭유제의 성분 및 분류
성분은 크게 기유(base oil)와 첨가제(additive)로 나뉜다. (합성유는 기유가 포함되지 않음).
절삭유제의 사용 초기에는 기유 단독으로 사용되었으나, 점차로 용도에 맞는 첨가제의 조합과 개발이
이루어져왔다. 비수용성과 수용성 절삭유에서 기유는 혼합매제(blending medium) 또는 첨가제
운반체(additive carrier)로 작용한다.
기유(base oil)
기유는 포화 탄화수소가 주성분이며 탄소수는 15-35이다.
파라핀계 기유 : 탄소원자가 사슬모양 으로 배열되고 수소원자에 의해 탄소원자가 포화된 상태이다.
점도지수와 유동점이 높고 열적 화학적으로 안정되어 산화안정성이 우수하다.
나프텐계 기유 : 탄소원자가 고리모양으로 배열되고 수소 원자에 의해 탄소원자가 포화된 상태이다.
탄소고리의 탄소수는 대부분 C5 또는 C6이다. 우수한 저온 유동성을 가지며 동일한 탄소수의 파라핀계
기유보다 비점이 높고 비중도 크며 점도지수는 중간정도이다.
방향족계 기유 : 나프텐계 기유와 구조는 비슷하나 벤젠고리나 축합환이 포함된 불포화 상태이다.
전단안정 및 열안정성이 우수하고 점도 지수 및 유동점은 사슬의 길이에 의존한다. 산화 안정성은
떨어진다. 방향족계는 거의 기유로 사용되지 않는다
첨가제(additive)
절삭유를 기유 단독으로 사용하는 경우 : 알루미늄, 마그네슘, 황동 및 황 또는 납이 첨가된 쾌삭강
등과 같이 절삭성이 좋은 금속을 경절삭(輕切削)하는데 국한되며 대부분 각종 첨가제를 넣어 사용하게
된다. 첨가제에는 기능에 따라 20가지 정도로 분류할 수 있으며, 다시 성분에 따라서 세분된다.
유화제, 용접방지제, 유성제, 소포제, 산화방지제, 부식방지제, 극압첨가제, 방부제 등을 들 수 있다.
이것은 윤활유에 첨가되는 첨가제와 함량과 종류면에서 구별된다. 윤활유에 첨가되는 첨가제는
극압첨가제,내마모 첨가제, 부식방지제, 녹방지제, 유화제, 유동점 강하제, 청정분산제,
산화안정제 등을 들 수 있다.
극압첨가제(extreme pressure additives)
난삭금속재 : 유성첨가제, 경계윤활제,극압윤활제를 비수용성 유제에 첨가하여 보다 탄력 있고 안정된
고체막윤활이 되도록 한다. 극압윤활은 반응성 황, 염소 또는 인을 포함하는 물질을 기유에
첨가함으로써 부여될 수 있다. 극압첨가제가 금속가공시 발생되는 열에 의해 활성화되면 절삭저항을
감소시키고, 칩 두께를 얇게 하며, 용융(welding)을 방지하고, 과다한 금속의 깎임과 표면의 파쇄를
방지하여 가공면을 곱게 한다. 절삭유제는 일반 윤활유에 비하면 극압첨가제의 함유량이 많다.
극압첨가제 작용은 황, 염소 또는 인이 칩의 표면뿐만 아니라 상당한 깊이까지도 곧잘 반응하여
전단역(專斷域)의 전단강도를 감소시킨다, 즉 내외에서의 화학반응이두 면에서 저항을 감소시킨다는
이론이 주를 이룬다. 이와 같은 현상에 의하여 에너지의 총감소량은 50-80%이며, 모서리
생성(built-up edge)이 억제되고, 가공 정도가 향상되며, 공구수명의 조정이 용이하다.
황이 첨가된 광유 또는 황이 첨가된 지방의 형태로 황을 비수용성 절삭유제에 첨가할 수 있다.
황으로 처리된 극압첨가제를 포함한 비수용성 절삭유제는 부식을 유발하는 경향이 있는데
광유에 용해된 황이 더 쉽게 구리나 황동 및 청동과 같은 비철금속을 부식시킨다.
염소도 효과적인 극압첨가제로서 기능을 한다. 염소는 긴 연쇄상의 염소로 처리된 왁스
또는 고분자로 염소 처리된 에스테르의 형태로 기유인 광유에 넣어서 사용하는 것이 일반적이다.
계면 에서 염소의 반응과 기능은 황의 경우와 근본적으로 같은 것이다. 그러나 황보다 반응이
더 활발히 되며 비철금속에 대한 부식이 적다.
극압첨가제로 사용되는 염소화 파라핀(chlorinated paraffins): 긴 사슬상과 짧은 사슬상의
염소화 파라핀(C23, 43% 염소, C12, 60% 염소) 독성과 발암성 있다 .
인의 경우는 약한 극압첨가제나 내마모첨가제의 역할을 한다. 이것은 인산염막이 황이나 염소
막보다 저온에서 파괴되기 때문이다. 인은 마찰과 마모를 줄이는데 효과적이고, 대부분의 철금속과
비철금속에 녹이 생기지 않는다.
유성제(surfactant wetting)
유성제 : 내하중력(耐荷重力), 절삭능력 증가 (기름(oil), 지방, 왁스 성분 및 합성물질 등).
지방유 : 비수용성 절삭유제 사용. 지방유분의 함유량은 절삭 성능의 표준. ( 채종유(평지 기름), 쌀겨 기름,
면실유. 우지 (牛脂), 돈지(豚脂) 등). 지방산의 유도체인 에스테르유도 유성제로 사용 (지방유, 지방산, 복합
알코올 등). 에스테르유는, 지방유에 비해 점도가 낮고 침투성이 우수하다. 지방산 유도체는 비수용성 절삭유제
뿐만 아니라 수용성 절삭유제에도 사용된다. 지방산의 알칼 리 비누, 아민 비누, 아미드 등의 유도체는
유화제이고, 방청제인 동시에 유성제이기도 하다. 또한 지방유에 염소나 유황을 반응시키면 유성제의 작용을
가진 극압첨가제가 된다. 지방유 또는 유성첨가제는 기유와 금속 사이의 계면장력을 감소시킴으로써
칩-공구계면을 적시고 침투한다. 이것은 금속표면에 대한 유성첨가제(지방산)의 양극성, 즉 화합성에 의하여
이루어지는 것이다. 금속절삭에서 발생하는 열이 흡착막으로 하여금 금속표면과 반응을 하게 하여 극성물질이
전단강도가 낮은 유기질 금속막(금속비누)을 생기게 하고, 이 막이 칩-공구간의 마찰을 줄여 줌으로써
윤활효과를 내게 된다. 단점으로는 이 막의 융점이 낮기 때문에 인성(靭性)에 제한이 있다. 따라서 혹독한
조건에서는 여기에 황 및 염소와 같은 첨가제를 보충하여야 한다. 극성물질은 금속에 대한 화합성 때문에
방청첨가제로서도 중요한 역할을 한다. 이 극성물질이 점착성이 큰 극성막을 형성하여 대기로부터 의 보호막
역할을 한다. 금속염막이 경계 또는 극압윤활제의 역할을 하지만 상용하는 극압첨가제 중에서 효과가 가장
낮은 것에 속하며, 그 이유는 융점이 상대적으로 낮기 때문이다.
기타 첨가제
산화방지제는 산화중합에 의해 사용중인 유제의 점도가 증가되거나 검(gum)화되거나 해서 기 계의 접동 부분이
무거워지는 것을 방지하기 위해서 사용된다. 특히, 지방유나 염소화 지방유가 많이 함유된 유제는 산화 중합을
일으키기 쉬우므로 이러한 유제에는 없어서는 안될 첨가제이다. 유황계 극압첨가제는 산화방지제의 작용도
가지고 있으므로 산화방지제를 사용하지 않을 때도 많 다. 일반적으로 사용되고 있는 산화방지제는
디터셔리부틸-p-크레졸(ditertiarybutyl-p-cresol) 등 의 페놀 화합물이 많으나 일반 윤활유에 사용되는 아민
화합물이나 황화합물을 사용할 경우도 있 다. 첨가 사용량은 1% 이하이다.
염소계 극압첨가제가 많이 함유된 유제에서는 탈염소에 기인하는 녹이 문제가 될 경우가 있다. 그러므로, 녹의
발생 방지에 방청 첨가제나 중화제가 첨가된다. 중화제로서는 염기성 석유 술폰산 염이나 아민 화합물이
사용되고 있다. 사용량은 3% 이하이다. 동 및 동합금의 부식 방지에는 벤 조트리아졸이나 메르캅토벤조티아졸이
1% 이하의 첨가량으로 유효하게 작용한다.
탭 가공의 유제처럼 높은 점도 또는 페이스트 모양의 절삭유제에는 산화 아연이나 이황화 몰 리브덴, 그라파이트
등의 고체 윤활제가 사용되기도 한다. 고체 윤활제를 액 중에 균일하게 분산 시키기가 어렵고 순환 사용의 급유
방식에서는 파이프를 막히게 하거나 탱크 밑에 침전되므로 고 체 윤활제는 일반적으로 사용되지 않고 있다.
금속가공유의 분류
비수용성 금속가공유(straight (insoluble)
비수용성 금속가공유(또는 비수용성 오일)의 기능은 윤활기능, 가공표면 마무리 향상, 녹방지 등이다.
사용되는 광유의 종류는 적용분야에 따라 잘 정제된 나프텐계열과 파라핀계 오일이 사용된다.
필요에 따라 방청 첨가제나 산화방지제 등의 첨가제가 가해진다.
수용성 금속가공유(soluble)
수용성 금속가공유(또는 수용성 오일) 기능은 냉각, 절삭용구와 가공표면의 용접현상(welding) 방지,
고온에서의 마모 방지와 잔열로 인한 뒤틀림(distortion) 방지 등이다. 대체로 비수용성에서 사용되는
나프텐계 및 파라핀계 오일보다 잘 정제된 기유를 사용하기 직전에 60-85 % 정도로 물로 희석하여
사용하는 유제이다. 수용성 유제의 사용 농도는 1-10%이므로 물의 성질이 성능에 관여하는 역할은 크다.
물은 비열이 크고 열전도율도 좋으며 증발 잠열도 크므로 냉각제로서는 가장 뛰어난 물질이다. 그러나,
금속이 녹슬게 되어 습윤성이나 윤활성은 오일에 비해 떨어진다. 이러한 결점을 보완하기 위해 방청
첨가제나 계면 활성제를 사용하여 윤활성을 높인 것이 수용성 금속가공유이다. 수용성 금속가공유의
방청과 방부식성이 약한 단점을 보완하기 위해 최근에는 새로운 첨가제의 개발로 수일에서 1주일정도는
부식방지가 가능하다
수용성 금속가공유 : 작업환경 깨끗하나 부패되는 단점이 있다.
수용성 금속가공유의 장점
① 냉각작용이 크므로 고속절삭이 가능하고,
② 청정작용을 하며
③ 물을 사용하므로 경제적이고,
④ 냉각 및 청정작업에 의하여 운전자가 안전조건에서 작업할 수 있다.
수용성 금속가공유 : 유화유형 (乳化油形, 에멀젼형) 반투명 또는 반투명한 겉모양의 용해형(溶解形, 솔러블형).
희석액이 백탁하게 보이는 것은 유화입자가 투사광을 반사하는데 충분한 크기임을 나타내는 것이고,
투명하게 보이는 것은 입자가 매우 작아서 투사광을 대부분 통과시키기 때문이다. 유화유 형은 광유와
유화제(계면활성제)가 주성분이고, 용해형은 계면활성제가 주성분이 된다.
유화유형
일반적으로 원액중의 수분 함량이 10% 이하이고 유화제(乳化劑)의 분량은 15 ~ 35% 정도.
유화유형은 기름방울(油滴, 즉 파라핀계 기유나 나프텐계 기유)이 물에 부유한 형태를 띠게 된다. 사용되는
광유는 보통급 윤활유인데, 윤활성을 좋게 하기 위해 일부를 지방유 나 극압첨가제로 바꾸는 경우도 있다.
유화에 사용되는 계면활성제는 올레인산, 라우린산 등의 지 방산이나 나프텐산 등의 알칼리 비누, 아민 비누,
석유 술폰산 소다, 알킬아릴술폰산 소다 등의 음이온계 활성제와 폴리옥시에틸렌알킬에테르나 에스테르,
소르비탄의 지방산 에스테르, 지방산의 알킬롤아미드 등의 비이온계 활성제이다. 이들 계면활성제는 광유를
유화시키는 유화제의 작용을 하는 동시에 방청제, 침투제 및 세정제 역할을 하며, 지방산 비누는 윤활제작용도
한다. 방청성은 음이온계 활성제나 아미드계의 활성제가 우수하고 침투성이나 세정성은 비이온계 활성제가 우수
하므로 적절히 배합하면 성능을 조절할 수 있다. 원액이나 유화유의 안정성을 좋게 하기 위해서 다가(多價)
알코올이나 그 유도체를 커플링제(coupler)로 사용하는 경우도 있다.
황, 염소, 인의 함유물을 첨가하면 윤활성이 크게 향상. 흔히 극압유화유제라 한다.
유화유형 유제는 용해형에 비해 부패되기 쉬우므로 부패 방지를 위해 살균제나 방부제가 사용 방부살균제
트리아딘 화합물, 티아졸 화합물 등이 흔히 사용. 방부살균제는 의약품처럼 사용 농도가 알맞지 않으면
해를 끼치는 약제가 많으므로 사용량에 주의. 방부살균제 함유량이 많은 유제는 종종 작업자에게 피부
질환을 일으키는 원인. 그밖에 산화방지제, 동합금의 부식방지제, 소포제(주로 실리콘) 등의 첨가제가
필요에 따라 사용 된다.
유화유형이 부패하게 하는 이유는 유층 즉 분해된 유화유에 의하여 형성되는 유봉(oil seal) 밑 에서
살아 번식하는 혐기성 박테리아의 활동 때문이다. 따라서 유화유에서는 유기체가 서식할 수 있는
높은 농도의 지방성 윤활제와 유화제를 포함하고 있기 때문에 좋은 서식조건을 제공한다. 그러나
합성유는 혐기성 박테리아의 먹이가 되는 광유나 윤활제가 아닌 다른 종류가 들어있기 때 문에
안정 상태가 유지되고, 광물유의 유봉이 부유하지 않고, 탱크의 수명이 길어지게 된다.
용해형
사용하는 계면활성제의 종류는 유화유형과 같으나 피유화제량(被乳化劑量)에 비해서 유화제인 계면활성제의
양이 대단히 많기 때문에 희석액은 콜로이드 모양의 미립자가 된다. 희석 액의 안정성, 침투성, 세정성은
우수하지만 거품이 일기 쉽고, 또한 거품이 잘 없어지지 않는 결점이 있다. 용해형은 완전용해형과
표면활성형으로 구분하기도 한다.
용해형의 유제는 일반적으로 알카놀아민이 많이 함유되어 있으므로 유화유형에 비하면 pH 유지 능력이
높아 잘 부패되지 않지만, 필요에 따라 방부살균제가 사용되기도 하고 동합금방식제 (銅合金防蝕劑)나
소포제 등의 첨가. 수용성 금속가공유에 유화제로 사용되는 비누, 습윤제 및 커플링제(coupling agent)
가 표면장력을 크게 감소시킨다. 이와 같이 표면장력의 감소와 더불어 전단 및 난류가 발생할 때 거품을
일으키는 경향이 증가한다. 이와 같은 성질 때문에 수용성 금속가공유는 심공 드릴링, 평면 판 (bed) 연삭
및 양면 원판 연삭의 경우에 거품의 문제를 야기시킨다. 그러므로 이 타입에 속하는 유제에는 소포제가
불가결의 첨가제이다. 침투성이나 세정성이 좋다는 것이 작업자의 손이 거칠어지기 쉬운 결점이 될 수도 있다.
일반적으로 10-70% 정도의 수분이 함유되어 있다.
합성유(synthetic oil, synthetic )
광유(mineral oil)는 아무리 정제를 잘해도 원유의 종류, 산지, 정제방법에 따라 조성이 달라지는 각종 화합물의
혼합물이다. 그러나, 합성유는 필요한 성분만 계획적으로 합성하여 만들었기 때문 에 오직 하나 혹은 소수의
화학구조를 가지고 있다. 때문에 저온에서 석출, 결정화되는 왁스, 고 온에서 증발하는 가벼운 성분, 쉽게
산화되어 산화생성물을 만드는 불안정성분 등이 없다.
합성유는 화학유제(chemical type)라고도 한다. 합성유와 준합성유의 구분을 입자가 작아서 입 사빛을 거의
전부 투과시켜 투명한 합성유와 입자의 크기가 중간 정도로서 다소 흐릿한 투명 용 액 준합성유로 구분하기도
한다. 합성유는 냉각제와 윤활제로 작용을 한다. 가장 간단한 합성유는 무기염 또는 유기염을 물에 녹임으로써
만들 수 있다. 합성유는 녹을 방지하고 열 제거에는 좋지만 윤활능력은 떨어진다. 다른 합성유들은 탄화수소,
유기에스테르, 폴리글리콜, 인산에스테르 등과 다른 합성 윤활액 등으로 만들어진다. 합성유는 안정하며,
항생능력(抗生能力)이 있게 만들 수 있고, 높은 속도에서 효과적 인 냉각능력을 제공한다'
준합성유(semi-synthetic fluid)
준합성유는 유화유형 수용성 오일보다 오일의 양이 작고 유화제 또는 계면활성제의 양이 많다
(농도비로 5-30%). 조성은 지방산과 황, 염소, 인 계열의 극압첨가제로 이루어진다. 준합성유는 수용성
오일과 항상 구분되는 것이 아니다..
준합성유는 합성유와는 달리 적은 양의 광유와 윤활성을 향상시켜주는 첨가제를 포함하고 있 다. 준합성유는
유화유형과 합성유의 장점을 서로 조합한 것이기 때문에 오늘날 공장에서 선호되 고 있다. 극압 효과와 경계윤활
효과를 부여하는 염소, 황, 인의 첨가제를 함유한다. 이들 첨가제 때문에 합성유나 준합성유를 난삭, 난연삭의
경우에도 사용할 수 있으며, 이 때 농도는 2-10% 정도이다.
합성유와 준합성유의 장단점
① 열의 제거속도가 크고 치수 조정이 용이하다.
② 공작기계 및 탱크를 청결하게 유지할 수 있다.
③ 개방 및 자유절삭 연삭 숫돌(open and free-cutting grinding wheel)을 유지하는데 도움이 되는 청정제이다.
④ 공작물을 선명하게 볼 수 있다.
⑤ 잔류막이 극히 얇아서 제거하기가 용이하다.
⑥ 약간의 교반만으로도 쉽게 혼합할 수 있다.
⑦ 항부패성이 양호하여 유제의 수명이 길다.
⑧ 타유 분리성이 우수하여 농도관리가 용이하다.
합성유와 준합성유는 모두 유화형 유제보다 광유를 훨씬 적게 함유하고 있다. 합성유는 광유를 함유하고 있지
않다. 입자 크기도 유화형보다 작기 때문에 유화형보다 장기간 안정하다.
합성유나 준합성유를 사용하기 부적절한 경우.
① 유성이 부족하여 공작기계의 부품운동부에 응착을 초래할 수 있다.
② 세척성이 너무 강하기 때문에 작업자의 손에 장시간 접촉하게 되면 피부를 손상시키고 자 극하게 된다.
③ 오일에 비교하여 방청성이 적고 부식방지능도 크게 떨어지며, 막의 강도와 윤활성도 낮고 거품을
발생시키는 성질이 다소 있다.
(5) 기타 분류
한국공업규격(KS) 비수용성 절삭유제 : 극압첨가제의 유무에 따라 1종과 2종, 유황계 극압첨가제의 활성도에
따라 1종은 1-6호로 2종은 1-6호와 11-17호로 분류.
수용성 절삭유제 : 희석액의 겉모양 및 광유와 계면활성제의 비율에 의해 W1종과 W2종 각각 1-3호.
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